（岩土工程专业论文）陕南地区膨胀土公路滑坡治理技术研究.pdf

摘要 膨胀土是一种具有强胀缩性、多裂隙性、超固结性和强度衰减性的高塑性粘性土。 我国是膨胀土分布最广泛的国家之一，而膨胀土滑坡是最常见的膨胀土边坡破坏形式。 随着我国高等级公路的修建和西部大开发步伐的加快，开展膨胀土地区公路滑坡治理研 究具有重要的现实意义。 本文依托小康高速公路和西汉高速公路膨胀土滑坡的具体工程，通过对公路沿线膨 胀土的试验和调查，分析了膨胀土的组成和工程特性，提出了适合该地区膨胀土的判别 和分类方法。通过对膨胀土滑坡的勘察，分析了膨胀土滑坡的机理、特征以及发生和发 展的条件。 结合小康高速公路郑家湾膨胀土滑坡的抗滑桩治理实例，分析了抗滑桩的作用机 理，利用极限平衡理论，采用传递系数法，计算膨胀土滑坡推力和桩前剩余抗滑力。采 用悬臂桩计算法，将抗滑桩分为受荷段和锚固段分别计算桩身内力。阐述了抗滑桩设计 中计算参数的选取的途径、计算方法和计算步骤，总结了抗滑桩施工的注意事项。结合 西汉高速公路膨胀土滑坡实例，提出采用“土工格室植被防护+ 水泥灰土桩+ 抗滑桩” 的综合治理技术，总结了施工工艺和施工注意事项。 通过现场抗滑桩受力测试、滑坡深层位移监测，建立了较为系统的膨胀土滑坡监测 体系，根据监测成果对该膨胀土滑坡治理效果进行综合分析与评价。 关键词：膨胀土，滑坡，抗滑桩，监测技术 a b s t r a c t t h ee x p a n s i v es o i li sas p e c i a lc l a ys o i lp o s s e s s i n gs o m ef e a t u r e so fs t r o n gs w e l l i n ga n d s h r i n k a g e ，o v e r c o n s o l i d a t i o n , m o r ef i s s u r e sa n ds t r e n g h - d e c a y i n g i ti sw i d ed i s t r i b u t e di no u r c o u n t r y , a n de x p a n s i v es o i ll a n d s l i d ei st h em o s tc o m m o nd e s t r o y e dm o d a l i t yo fe x p a n s i v es o i l s l o p e a l o n gw i t ht h el a r g e s c a l ec o n s t r u c t i o no fh i g h w a ya n df a s td e v e l o p m e n to ft h ew e s t e r n p a r to fc h i n a , i ti si m p o r t a n tt os t u d yo nt h et r e a t m e n to fe x p a n s i v es o i ll a n d s l i d ei nt h e d i s t r i c t so ft h ee x p a n s i v es o i l t h ep a p e rw a sb a s e do nt h e e n g i n e e r i n go fx i a o - k a n gh i h g w a ya n d x i - h a n h i g h w a y , a o o c r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t sa n di n s p e c t i o n so ft h ee x p a n s i v es o i la l o n gt h e h i h g w a y , t h ei n g r e d i e n t sa n de n g i n e e r i n gc h a r a c t e r sa r ea n a l y z e d ，t h ea p p r o p r i a t ei d e n t i f i c a t i o n a n dc l a s s i f i c a t i o no ft h i sd i s t r i c ta leb r o u g h tf o r w a r d b yt h em e a n so fr e c o n n a i s s a n c eo n e x p a n s i v e s o i l l a n d s l i d e ，t h e m e c h a n i s m , c h a r a c t e r i s t i c s ，c o n d i t i o n s o ff o r m a t i o na n d d e v e l o p p m e n ta r ea n a l y z e d b a s e do ne x p a n s i v es o i ll a n d s l i d eo fz h e n g j i a w a ni n x i a o k a n gh i g h w a yw h i c hw a s c u r e dw i t ha n t i s l i d ep i l e ，t h em e c h a n i s mo fa c t i o no fa n t i - s l i d ep i l ea r ea n a l y z e d a d o p t i n g l i m i t i n ge q u i l i b r i u mt h e o r ya n dt r a n s p o r tc o e f f i c i e n tm e t h o d ，la n d s l i d ep u s h i n gf o r c ea n d r e s i d u a la n t i s l i d ef o r c eb e f o r ep i l ea r ec a l c u l a t e d d u r i n gt h ec a l c u l a t i o no f a n t i s l i d ep i l ew i t h c a n t i l e v e rp i l ec a l c u l a t i n gm e t h o d ，a n t i s l i d ep i l ei ss e p a r a t e di n t ol o a d b e a r h gs e c t i o na n d a n c h o r i n g s e c t i o n t h i sa r t i c l ei l l u m i n a t e s a c q u i r i n ga p p r o a c h o f c a l c u l a t i n g p a r a m e t e r s ，c a l c u l a t i n gm e t h o da n ds t e p s ，a n ds u m m a r i z e sc o n c r e t e n o t i c e dm a t t e r so f c o n s t r u c t i o n b a s e do ne x p a n s i v es o i ll a n d s l i d eo fx i a o k a n g h i g h w a y , p u t t i n g f o r w a r d i n t e g r a t e dt r e a t m e a tt e c h n i q u ew i t h “g e o c e l l ，c e m e n t l i m e s o i lp i l ea n da n t i s l i d ep i l e ”， s u m m a r i z i n gt e c h n i c sa n dn o t i c e dm a t t e r so fc o n s t r u c t i o n b ym e a n so fm o n i t o r i n go fa n t i s l i d ep i l ea n dd e e p - s e a t e dd i s p l a c e m e n to ft h es l i d e ，t h e w h o l em o n i t o r i n gs y s t e mo fe x p a n s i v es o i ls l i d ei sc r e a t e d ，a n dt h et r e a r m e a te f f e c t so fs l i d e a r es y n t h e t i c a l ya n a l y z e da n da p p r a i s e d k e y w o r d s ：e x p a n s i v es o i l ，s l i d e ，a n t i - s l i d ep i l e ，m o n i t o r i n gt e c h n o l o g y n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：缘喜勃b 口5 尸年r 月岁日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：雅喜扎 导师签 长安大学硕士学位论文 1 1 研究目的及意义 第一章绪论弟一早三百了匕 膨胀土是一种具有强胀缩性、多裂隙性、超固结性和强度衰减性的高塑性粘性土， 主要由强亲水性粘土矿物蒙脱石和伊利石组成。它是有别于黄土、红土、软土、冻土以 及普通粘土的一类特殊粘性土。 膨胀土分布十分广泛，它在世界六大洲中的4 0 多个国家均有发现。我国是其中分 布广、面积大的国家之一，先后已有2 0 多个省区发现有膨胀土，其中主要分布在陕西、 河南、湖北、广西等省。自1 9 3 8 年美国开垦局在俄勒冈州的一例基础工程中首次认识 了膨胀土问题起，膨胀土开始引起人们的关注和重视。膨胀土给人类的工程活动带来危 害，已成为全球性的地质灾害，估计全世界每年因膨胀土造成的经济损失约在1 5 0 亿美 元以上【1 1 。我国有人估计，每年因膨胀土灾害带来的经济损失约达1 0 亿元 2 1 。 膨胀土对浅表层轻型工程建设的危害是全球性技术难题，由于其不良工程特性导致 的工程问题或地质灾害的频繁发生，膨胀土及其工程问题一直是当今岩土工程和工程地 质领域中世界性的重大工程问题之一【2 】。虽经半个多世纪的广泛深入研究，但至今在各 国的工程建设中膨胀土引起的工程问题仍时有发生。膨胀土吸水膨胀、失水收缩并且反 复变形的性质，以及土体中分布的裂隙，对轻型建筑、路基、机场、边坡以及堤坝等都 有严重的破坏作用，特别是对建筑物所产生的变形破坏作用往往具有长期潜在危险的特 点。公路工程中的膨胀土问题十分突出，不少路基与边坡在施工与运行期间发生过大幅 沉降、隆起变形和严重的滑坡，为此耗费了巨大的工程费用。 我国高等级公路大规模建设始于2 0 世纪9 0 年代，因而在膨胀土的研究方面起步较 晚，对膨胀土路堑边坡失稳的机理和加固技术仍不十分成熟【3 】。实施西部大开发战略以 来，高速公路向山区、西部地区快速延伸，公路膨胀土问题也日益突出，由此造成的经 济损失和生态环境破坏十分严重。1 9 9 6 年云南楚雄一大理高速公路修建时，多处路段遇 到膨胀土问题。其中k 3 9 + 3 3 2 - - - k 3 9 + 6 8 4 路堑开挖中，两侧边坡上的膨胀土均出现多 次坍滑，3 5 3 米长路堑经多次整治，耗资千余万元，路堑开挖出的7 0 多万方膨胀土全部 作废方远弃，造成生态环境的破坏和工程投资的大幅增d i ( 4 ) 。2 0 0 2 年广西南宁一友谊关 高速公路在穿越宁明盆地边缘时，遇到连绵十几公里的宁明膨胀土，造成路基的严重破 坏，给工程施工带来极大困难，区域内几乎所有开挖堑坡都不同程度地坍滑，多处发生 溜塌，而路基填筑均采用远处借方、弃土换填，路堑开挖和清理坍塌边坡的膨胀土弃方 第。章绪论 量高达5 0 0 多万立方米，造成公路沿线大量水土流失和生态环境破坏【5 j 。 滑坡是膨胀土地区公路建设中经常发生、危害严重且难以治理的病害之一。由于公 路部门对膨胀土地区路基设计与施工技术的专门研究非常滞后，目前还没有专门的膨胀 土边坡分析的力学计算方法，缺乏可用且有效的治理手段。寻求一种既安全可靠又经济 合理的处治办法是膨胀土地区公路建设中亟待解决的问题。 陕西省境内秦岭以南汉江流域、嘉陵江流域、丹江、洛河流域的盆地及河谷中分布 着膨胀土，但以汉中盆地、西乡盆地、安康盆地分布最典型。陕西小河一安康高速公路 ( 下文简称小康高速公路) 是西部省际公路通道阿荣旗至北海线陕西境内公路的重要组 成部分，所经区域属秦岭南侧中低山地和沟( 河) 谷地貌，地形复杂。路线k 1 8 8 + 9 0 0 - - k 1 9 5 + 1 0 0 段经过河谷区的斜坡地段，残坡积层和月河二、三级阶地冲洪积地层，经勘 察确定为膨胀土地基。西安一汉中高速公路( 下文简称西汉高速公路) 是国道主干线网 及陕西省公路主骨架中的重要组成部分，政治和经济地位重要。路线穿越秦岭和汉中盆 地，地形地质条件复杂，工程艰巨，技术难题众多。西安一汉中高速公路穿越的勉县一 洋县路段，分布有大量的膨胀土，路段总长约5 0 k m 。由于膨胀土的胀缩变形以及由此 而致的滑坡灾害等，导致了大量建筑物、构筑物等的破坏，给人民以及交通运输造成了 巨大的经济损失。 基于此，本文拟以小康高速公路、西汉高速公路膨胀土滑坡为对象，广泛收集与之 有关的膨胀土工程特性、膨胀土滑坡特征、膨胀土滑坡治理等方面国内外研究资料，分 析了膨胀土滑坡破坏机理，提出了适合该地区膨胀土滑坡的治理措施，积累治理膨胀土 滑坡的经验并指导施工。 1 2 国内外研究现状 1 。2 。1 膨胀土工程特性研究 膨胀土的问题直到2 0 世纪3 0 年代后期才被土力学工程师们所认识。随着经济建设 的发展，膨胀土的研究越来越引起岩土工程界的注意。在美国，首次膨胀性粘土全国性 学术会议于1 9 5 9 年在科罗拉多州召开。国际膨胀土科研与工程会议每四年召开一次， 迄今为止己召开了七次。1 9 5 9 年至1 9 7 7 年，英国、美国、罗马尼亚、前苏联和日本相 继在正式的土工规范与铁路规范等文件中增列了有关膨胀土的条文内容，2 0 世纪8 0 年 代，我国制定了膨胀土地区建筑技术规范。可以认为膨胀土的研究已经从一个国家或地 2 长安大学硕士学位论文 区的研究逐渐发展成为世界性的共同课题，在膨胀土的成分、结构、强度、膨胀机理以 及变形等方面取得了许多很有价值的研究成果。 1 成分与结构研究 土质学的研究自6 0 年代以来，己跨入第三个发展阶段。将土的成分与微观结构的 研究放在重要位置。膨胀土的矿物成分，化学成分以及土粒的大小、形状、连结及其相 互排列的形式以及孔隙的大小、形状等都是膨胀土胀缩性能的重要决定因素。目前，膨 胀土矿物成分鉴定的方法主要有差热分析( t d a ) 、x 射线衍射( ) ( 】之d ) 【6 7 】、红外光谱( i r ) 【8 】 以及扫描电子显微镜( s e m ) 等。 运用扫描电子显微镜研究发现膨胀土在结构上的特点是层面裂隙较为发育，它们是 促使土体吸水、失水的良好通道，是使其具有强烈胀缩性能的重要因素。高国瑞( 1 9 8 1 9 1 ， 1 9 8 4 1 0 1 ) 等对粘土矿物叠片体与其工程性质的关系作了较多的研究，廖世文( 1 9 8 4 1 】) 、 李生林( 1 9 9 2 1 1 1 ) 、施斌( 1 9 9 5 1 2 1 ) 等通过对膨胀土微观结构的研究，得出了膨胀土的 胀缩性、强度特性以及变形特性在很大程度上取决于膨胀土结构特性的结论。 2 胀缩机理的研究 膨胀土胀缩机理的理论研究是一项极为复杂的工作，前人提出了各种理论，例如粘 土矿物晶格扩张理论、陈宗基和孙钧等的流变本构方程的膨胀理论、c t c h o p m e n 的双电 层理论、s o h o f i e l d 的吸力势理论、刘振明的力学分析理论、温度应力场理论，t e r z a g h i 的弹性理论、表面张力理论、膨胀潜势理论、自由能变化理论、粘土矿物叠片体作用理 论和弹性弯曲等1 3 】。在这些理论中，应用较普遍的是晶格扩张理论和双电层理论。晶格 扩张理论认为，膨胀土晶格构造中存在膨胀晶格构造，水易渗入晶层间形成水膜夹层， 从而引起晶格扩张，使土体体积增大。但晶格扩张理论仅仅局限于晶层间吸附结合水膜 的楔入作用，而没有考虑粘土颗粒间及聚集体间吸附结合水的作用；双电层理论认为双 电层内的离子对水分子具有吸附能力，被吸附的水分子在电场力作用下按一定取向排 列，在粘土矿物颗粒周围形成表面结合水膜，由于结合水膜增厚“楔开”土颗粒，从而使 固体颗粒之间的距离增大，导致土体膨胀，是晶格扩张理论的有利补充。 3 判别与分类的研究【】 在膨胀土地区进行各类工程建筑的勘察、设计中，最先遇到和最迫切需要解决的问 题就是对膨胀土的判别与分类。若将膨胀土漏判或将强膨胀土判为弱膨胀土，会给工程 埋下隐患；若将普通土误判为膨胀土或将弱膨胀土判为强膨胀土，会造成经济的巨大浪 费。已有的工程教训证明，许多膨胀土的工程危害是由工程人员对膨胀土误判造成。目 第一章绪论 前，国内外关于膨胀土判别分级的指标有几十种之多，且至今仍有分歧，归纳起来大体 可分为两类：一类反映土的天然结构与状态，另一类反映土的物质组成与水的相互作用。 主要有以下几种判别方法：( 1 ) 原国家建委膨胀土地区建筑技术规范( g b j l l 2 8 7 ) 的判别指标为：自由膨胀率f s 4 0 或蒙脱石的含量大于7 、地基沉降量s 。 1 5 r a m 即为膨胀土，其主要是按自由膨胀率与地基变形量来分类的；( 2 ) 多指标分类法，比如 美国垦务局u s b r 法、柯尊敬的最大胀缩指标分类法、自由膨胀率和胀缩总率分类法、 多指标综合分类法、印度黑棉土分类法等：( 3 ) 南非威廉姆斯分类法，采用作图法，简 单明了。但采用分类指标为 0 0 0 2 m m 粘粒含量百分比与塑性指数，利用南非威廉姆斯 分类法对膨胀土进行分类，结果明显偏高，且理论依据不是很明确；( 4 ) 中国科学院武 汉岩土力学研究所谭罗荣教授建立了风干含水量和液限的关系图，提出风干含水量判别 法；( 5 ) 铁路系统2 0 0 1 年经过修编铁路工程岩土分类标准( t b l 0 0 7 7 2 0 0 1 1 2 3 2 0 0 1 ) 对膨胀土的分类标准进行了较大的修改，提出了以蒙脱石含量和阳离子交换量为 主要指标的判别与分类方法较为合理，但对蒙脱石含量和阳离子交换量测试较为困难， 难于推广；( 6 ) 近年来，李生林教授等不少学者对灰色优化理论模型及人工神经系统网 络理论在膨胀土的判别分类中的运用作了大量研究，但其建模和大量的复杂数据取得在 一般工程中很难，所以应用不是很广泛。 1 2 2 膨胀土滑坡治理研究 膨胀土滑坡治理必须贯彻“以防为主、防重于治 的总原则，在勘察、设计、施工、 养护的每一个环节都要时刻认识到膨胀土不同于普通粘性土的特殊工程程性质，在此基 础上，把影响滑坡稳定的各种因素作为一个统一的整体来考虑和分析，根据各影响因素 在滑坡稳定中所起的作用，按照“有先有后、有主有次、有选择性”的对边坡进行“防 水、防风化、防反复胀缩循环、防强度衰减 等综合防治措施。具体来说应该在工程勘 察、处治设计、施工、养护的每个环节都要认识到膨胀土的特殊性，慎重对待【1 4 1 。 为了正确设计滑坡治理方案。首先必须查明滑坡的工程地质条件，以便提出边坡稳 定性计算参数，分析和预测因工程活动引起的滑坡稳定性的变化。从而确定人工边坡的 最优开挖坡形和坡率，提出治理措施和监测方案。 1 防排水：防止地表水和大气降水渗入斜坡土体，同时要及时疏导地下水。排水 防护措施是防止水流对坡面冲蚀和坡体的浸入，其方法主要是在斜坡周边及斜坡体上布 设环形截水沟，沿坡面布置纵向向下的排水沟，在坡脚设置排水沟及支撑渗沟孔等组成 4 长安大学硕士学位论文 整体的防排水体系。 2 防风化：坡面防护加固措施是防风化，防止冲蚀，溜塌与胀缩变形，保护坡面 稳定的作用。常用的有效方法是支撑渗沟、植被防护、坡面混凝土面板、浆砌石防护等。 3 换土：包括全部换填，部分掺合与外包换土等多种类型，这是膨胀土胀缩效应 的特殊措施。 4 支挡：采用支挡工程治理膨胀土滑坡，也是一种常用的有效措施。在膨胀土滑 坡整治中使用支挡工程，必须勘察清楚滑坡性质，滑动面层次和位置及土体结构等，然 后根据滑坡的具体情况，分别采用一级支挡或多级支挡。当斜坡较高大，滑面很多，而 且一级支挡不能保证其稳定时，一般应采用台阶式分级设挡方案较为合适。最普遍使用 的支挡措施是抗滑挡墙、抗滑桩、钢管桩和预应力锚索( 杆) 等。 1 2 3 膨胀土滑坡监测技术研究 滑坡监测是一门综合性很强的应用技术，它是以工程地质学、土力学、岩石力学、 钢筋混凝土力学及土木工程设计理论和方法等学科为理论基础，以仪器仪表、传感器技 术、计算机与通信技术、大地测量技术、测试技术、信息科学等学科为技术支持，同时 还融合土木工程施工工艺和工程实践经验，以岩土体及工程结构的稳定性动态评估为主 要目的的综合性应用技术。早在2 0 世纪5 0 年代，国外即开展了滑坡的监测技术研究。 1 9 5 6 年前苏联学者叶米里扬诺娃编写滑坡观测技术指南一书，对滑坡位移观测的原 理、方法和应用进行了系统总结。k w j o l l n ( 1 9 7 7 ) 讨论了与岩质边坡设计有关的监测。 g m u l l e r ( 1 9 7 7 ) 、d k i r s c h k e ( 1 9 7 7 ) 、c o x ( 1 9 8 3 ) 、k o v a r i ( 1 9 8 3 1 、p i l o t ( 1 9 8 4 ) 、u g l a u s e ( 1 9 9 3 ) 、n s h i m i z u ( 1 9 9 4 ) 、s a k u r a i ( 1 9 9 4 ) 等讨论了边坡岩土体稳定监测的方法。哥 伦比亚水电局( b c h y d r o ) ( 1 9 8 3 ) 研制了大坝和滑坡监测的自动数据采集系统。日本土谷 尚等( 1 9 8 7 ) 研制了滑坡自动监测系统i l5 1 。 目前，滑坡灾害的监测与防治己越来越受到全社会、全人类的普遍关注，各国政府 及各级主管部门对此问题十分重视，诸多国际学术组织，如图际大地测量协会( i a g ) 、 国际测量师联合会( p i c ) 、国际岩石力学协会( i s r m ) 、国际大坝委员会( i c o l d ) 、国际矿 山测量协会( i s m ) 等，非常活跃地定期召开专业会议进行学术交流和研究合作。经过广 大科技工作者和工程技术人员近三十年的共同努力，我国在变形与滑坡监测领域，取得 了丰硕的理论研究成果，并发挥了实用效益。 滑坡监测技术的进步和发展具体表现在以下两个方面：一是监测方法和仪器本身的 第一章绪论 进步。现代物理，特别是电子技术的成就，己经广泛应用于新型监测仪表器具中，如各 种材料不同形式的收敛计、多点位移计、应力计、压力盒、远视沉降仪、各类孔压计及 测斜仪等的设计与制作，优化了仪表结构性能，提高了精度和稳定性；二是监测内容的 不断扩大与完善，分析方法的不断提高。岩土体竖向变形和侧向位移、岩土中初始应力 及二次应力、土体侧向压力、基础结构内力、接触面应力、孔隙水压力以及施工环境诸 多因素和对象的反应监控等都能较全面地得到实施。前者为后者的实施提供了技术手段 保证，而后者又促进了前者的技术更新与改进。 目前主要的滑坡监测方法按照监测的内容大致可以分为：地表变形监测、水文因素 监测、地音监测、环境因素监测、深部变形监测、支护结构监测、巡视监测。 1 2 4 存在的问题 1 目前，由于对膨胀土滑坡机理的认识仅能做到定性分析，还没有一种能根据膨 胀土滑坡机理而建立起来的相对比较成熟的边坡稳定性分析方法；传统的边坡稳定性计 算方法应用于膨胀土滑坡分析时，其获得的结果往往与实际不符。正因为膨胀土边坡分 析方法相对滞后，使得其稳定性分析和治理技术成为公路建设中的难点。 2 对于膨胀土滑坡治理的研究甚少，还没有一套既安全可靠又经济合理的治理手 段。小康高速公路采用抗滑桩治理，但由于抗滑桩的设计是建立在传统的滑坡理论基础 上，如何考虑膨胀土的膨胀力对抗滑桩结构的影响也是急需解决的问题。 3 西汉高速公路采用了“土工格室植被防护+ 水泥灰土桩+ 抗滑桩的综合处治 措施，取得了很好的效果。但土工格室植被防护在膨胀土边坡应用中并未推广，必须建 立土工格室植被防护的成套设计、施工和验收标准。 1 3 主要研究内容 膨胀土滑坡治理是膨胀土地区公路建设中的难点问题，目前并没有好的理论方法和 有效的治理手段。本文以小康高速公路和西汉高速公路建设为研究背景，在对该地区膨 胀土土性研究和滑坡破坏特征研究的基础上，提出适用于这些地区膨胀土滑坡治理的方 法。 主要研究内容如下： 1 通过试验研究，分析了小康高速公路、西汉高速公路沿线膨胀土的成因、物质 6 长安大学硕七学位论文 组成、颗粒成分、物理力学性质和工程分类的特征，为膨胀土滑坡治理设计提供计算参数。 2 通过滑坡调查和现场试验，弄清该地区膨胀土滑坡的特征规律及失稳的主要原 因。 3 通过依托工程的修建，总结了抗滑桩治理和“土工格室植被防护+ 水泥灰土桩 + 抗滑桩”综合治理的设计方法、施工工艺。 4 对滑坡治理效果进行评价。通过对支护结构应力应变的监测、滑坡深层水平位 移监测，总结了滑坡支护设计经验，并进一步校验滑坡支护的设计理论。利用滑坡监测 数据校验滑坡防治设计理论，对抗滑桩的设计理论提出建议。 7 第二章膨胀上工程特性 第二章膨胀土工程特性 2 1 概述 膨胀土是指土中粘土矿物成分主要由亲水性粘土矿物( 蒙脱石和伊利石) 组成，除具 有一般粘土所共有的物理化学性质外，同时具有显著的吸水膨胀软化和失水急剧收缩硬 裂两种往复变形特性的高塑性粘性土。膨胀土一般是指新第三纪和第四纪以来的各种类 型的膨胀性粘土。 膨胀土由于其组成含有大量的强亲水性粘土矿物，所以它具有吸水量大、高塑性、 快速崩解性、以及剧烈的膨胀性与收缩性等特征。同时又因膨胀土沉积时代较早，固结 状态较好，因此，其压缩性不大。这些性质构成膨胀土区别其它土类的独有的工程地质 特征。他们是对膨胀土进行工程性质评价比较重要的基本技术指标，同时也是工程设计 中应研究的一些基本参数。 2 1 1 地形地貌特征 1 小康高速公路 小康高速公路位于安康盆地境内，沿线膨胀土分布于汉江、月河、黄洋河二、三级 河谷阶地、洪积台地及洪一湖积台地部位。分布于二级阶地的一般为弱膨胀土，时代为 g ，多呈双层结构堆积，分布面积较小，仅见于汉江两岸；分布于三级阶地及洪积台地 的中一强膨胀土，时代为q 2 ，多呈双层或多层结构堆积，其中除以透镜体和薄夹层存在 的为强膨胀土外，其余均为中等膨胀土，它们分布于付家河以东的汉江两岸及恒河以西 的月河南岸；在恒河以东广泛分布的洪一湖积台地强膨胀土，是安康盆地膨胀土主体。 2 西汉高速公路 西汉高速公路位于汉中盆地境内，穿越膨胀土地区主要跨两大地貌单元：盆地和阶 地垄岗。沿汉水河谷形成盆地与阶地，呈带状分布，主要由各类火成岩和变质岩系风化 破碎，极度分解，形成的地质时代为q q 3 ，主要有冲积和洪积两种成因类型。 冲积型：主要位于河流冲积平原地带，沿线分布于桩号k 1 5 + 0 0 0 至k 4 0 + 1 8 6 及 k 8 3 + 0 0 0 之间。主要是由粘土、亚粘土、砂性土及碎石类土组成，其中粘土层厚度2 5m 2 1 3m 不等，粘土层多为褐色、棕黄色、灰黄色，含有铁锰结核及高岭土。 洪积型：主要位于构造剥蚀丘陵或垄岗地带，即分布于路线里程桩号k 4 + 0 0 0 至 k 1 3 + 0 0 0 及k 8 9 + 0 0 0 至k 9 6 + 0 0 0 段之间。主要由粘土及亚粘土组成，厚度0 2m 1 2 5m ， 长安大学硕士学位论文 为褐色、褐红色、黄褐色，含铁锰质结核。k 1 6 8 + 8 0 0 至k 1 6 9 + 3 4 0 ，k 1 7 0 + 1 0 0 至k 1 7 3 + 0 0 0 及k 1 7 4 + 3 0 0 至k 1 8 0 + 4 0 0 段之间，膨胀土厚度2 0m - 1 0 om ，为低液限粘土，褐红色 含钙质结核。 2 1 2 区域水文气候条件 1 小康高速公路 小康高速公路路线所属区域为秦岭南侧，月河由北西向南东方向流入汉江。安康盆 地内水系发育，池河、青泥河、恒河、付家河、苟河等支流形成丰富的地表径流，成为 该地区地下水的重要补给源。 该区属半湿润温暖山地气候，冬季多北西风，夏季多南西风；年平均气温1 5 2 1 5 7 ，极端最低气温一9 5 。c ，极端最高气温4 1 7 ；雨季主要集中在6 - - - , 9 月份，年平均 降水量7 9 2 1 - - - , 8 2 6 5 m m 。 2 西汉高速公路 路线所属区域为秦岭南麓，沿线水系发育，均属长江水系，汉江支流主要河流有： 汶水河、蒲河、金水河、酉水河、以及马家沟、良心河、店子河等支流。 沿线气候湿润，植被发育，雨量充沛，地下水位较高，潜水是地下水的主要形式之 一，形成地表径流的主要来源。 路线地处亚热带半湿润性气候带，四季分明。春季天气多变，时寒时暖，乍雨乍晴； 夏季气温高，温度湿度大，较为炎热，遇暴雨会形成洪涝灾害；秋季天气凉爽，气候变 化明显，有时会出现连阴雨；冬季较稳定，湿冷无严寒，降雨少，积雪时间短。年平均 日照为1 6 9 5 3 h ，年平均气温1 3 4 。c ，极端最高气温3 8 7 ，极端最低气温一1 3 1 ，年 平均蒸发量1 2 2 1 9 m m 。降雨时间较短但集中，年均降水量8 8 0 5 m m ，年最高降水量达 1 3 7 6 1 m m 。 2 2 膨胀土的颗粒组成及矿物组成特征 2 2 1 膨胀土的颗粒组成 相对于普通粘土的粒度成分而言，膨胀土的特点是粘粒( 小于0 0 0 5 m m 的颗粒) 含量 非常高，属高分散性土。粘粒含量一般均超过3 0 ，大多数在4 0 以上【1 3 , 1 6 1 。粘粒组含 量高、比表面积大是膨胀土的重要特征，同时也是膨胀土遇水膨胀、失水收缩的重要因 素之一。通过不同地点和不同深度的颗粒分析可以确定膨胀土粒度成分空间变化规律， 9 第二章膨胀i 二工程特性 反映膨胀土的风化作用和变异特性。 对小康高速公路和西汉高速公路具有代表性的两个膨胀土滑坡分层分别采取土样， 采用x 射线衍射分析及差热分析、化学全分析、颗粒组成分析等方法确定其矿物化学成 分及颗粒组成，其颗粒成分如下表2 1 所示。 表2 1 膨胀土粒级含量表 粒级含量( ) 土样位置 0 5 0 2 5 0 0 5 3 0 最大膨胀率6 印( ) 2 44 77 1 0 1 0 2 按自由膨胀率与膨胀总率进行分类 根据室内直接测得胀缩性指标，综合国内有关专家提出划分类别的界限值归纳如表 第二章膨胀土工程特性 2 5 。表中对于地基土按线胀缩总率( 瓦) 进行评价时，其膨胀率是在5 0 k p a 荷载下获 得的，因此，膨胀等级划分标准也不一，即强膨胀土瓦 5 ，中膨胀土屯= 5 2 ，弱膨胀土6 。 1 8 8 4 2 3 8 0 中膨胀土1 2 1 86 - - 82 - - 41 6 2 35 0 8 0 弱膨胀土 8 1 24 - 60 7 28 1 63 0 5 0 3 多元线性函数判别法 即采用数学法进行主因子分析与逐步回归分析，提出了综合指标的分类： z = 0 2 9 w l + o 3 2 w , + o 3 8 & 盯+ 0 1 2 以一0 3 3 w o + 1 0 9 e o ( 2 2 ) 分类的临界值为： z 2 2 膨胀土； 2 2 z 2 6 弱膨胀土； 2 6 z 4 8 2 5 3 0 0 4 0 8 中膨胀土3 5 5 0 4 0 , - - - 4 81 8 2 51 5 0 3 0 03 0 - 4 06 8 弱膨胀土 3 5 4 0 1 8 1 5 0 3 04 6 5 根据塑性图分类 塑性图系由a 卡萨格兰首先提出，后来李生林教授作了深入的研究，它是由塑性 指数为纵轴。因此，运用塑性图联合使用塑性指数与液限来判别膨胀土，不仅能反映直 接影响胀缩性能的物质组成成分，而且也能在一定程度上反映控制形成胀缩性能的浓差 渗透吸附结合水的发育程度。 6 按自由膨胀率与地基变形量分类 国家标准膨胀土地区建筑技术规范( g b j l l 2 8 7 ) 的胀缩等级划分如表2 7 。 1 7 第二章膨胀士工程特性 表2 7 膨胀土胀缩等级划分 自由膨胀率西( ) 地基分级变形量( m m ) 级别 4 0 6 。r 6 5 1 5 s 3 5 弱膨胀士 6 5 西 3 0 强膨胀士2 0 3 l7 1 2 2 5 4 1 2 0 3 0 中等膨胀土 1 3 2 3 1 0 1 61 5 2 81 0 2 0 弱膨胀土 1 5 2 5 8 0 中膨胀土 8 1 21 8 2 55 0 8 0 弱膨胀土5 - 7 1 73 0 5 0 根据上述分类方法，本文对小康高速公路、西汉高速公路试验段的膨胀土进行分类， 试验结果见表2 1 0 。 表2 1 0 小康高速公路、西汉高速公路膨胀土分类 。岿 ! 粝胀缩总率( )塑性指数( )自由膨胀率( ) 膨胀潜势 舻 小康高速公路 6 6 10 。715 3 2 0 34 3 5 5 弱、中 郑家湾滑坡 西汉高速公路 8 9 9 1 3 8 72 4 7 3 1 47 8 9 6中、强 洋县勉县段 从上表可以看到，小康高速公路郑家湾滑坡膨胀土主要以弱、中膨胀土为主，西汉 高速公路勉县一洋县段膨胀土主要以中、强膨胀土为主。 2 5 膨胀土的工程特性 2 5 1 湿胀干缩性 土中含有较多强亲水性粘土矿物，如蒙脱石、伊利石等。当土体浸水时，土颗粒表 面的结合水膜增厚，使颗粒间距拉大，从而引起土体膨胀。当土体失水时，结合水膜减 薄，颗粒间距缩小，从而引起土体收缩。由于土中含水量的变化与气候有关，因此膨胀 土的胀缩变形是重复进行的，这使得膨胀土上的建筑物容易开裂破坏。 1 9 第二章膨胀土工程特性 2 5 2 多裂隙性 由于往复的干缩湿胀，致使土中的裂隙十分发育。裂隙不仅破坏了土体的连续性和 完整性，使土体强度降低，为渐近破坏提供条件，而且也为地表水的浸入形成了通道， 使土体胀缩效应显著，风化加剧。水的浸入加速了土体的软化和裂隙生成，两者互为因 果，相互促进，形成恶性循环，使土体强度大大降低。裂隙造成应力集中，破裂面常依 附于裂隙面形成，为边坡的连续破坏创造了条件。 2 5 3 超固结性 组成膨胀土的颗粒在沉积过程中，在重力的作用下逐渐堆积，土体将随着堆积物的 加厚产生固结压密。由于自然环境的变化和地质作用的复杂性，土在自然界的沉积作用 下，并不一定都处于持续的堆积加载过程，而是常常因地质作用而发生卸载作用，于是 土体由于先期固结所形成的部分结构强度，阻止了卸载可能产生的膨胀而处于超固结状 态。引起膨胀土的超固结性原因有风化、冲刷、剥蚀地质作用，冰川消融，地下水位长 期下降，物理化学作用，上覆压力卸除等很多因素，有的是单一因素形成，有的则是多 因素综合作用的结果。但是一般来讲，主要还是由于上部卸载作用造成。 超固结性不仅使边坡坡脚产生较大的剪应力，而且还会带来强度的应变软化。随着 土体的开挖，将产生明显的卸荷膨胀，使土体内积聚的能量逐渐释放，原有的较大水平 应力完全由坡体内相应水平面上的剪应力承担，并在坡脚附近产生很大的应力集中，形 成塑性区，对新坡稳定极为不利。这就是为什么在同样坡度和高度条件下，膨胀土边坡 更易失稳的根本原因之一。 2 5 4 崩解性 在膨胀土边坡遭受降雨过程中，坡面松散的主要原因是崩解。崩解是土体没入水中 后，水进入孔隙或裂隙中的情况不平衡，引起粒间扩散层增厚的速度也不平衡，以致粒 间斥力超过吸力的情况，产生应力集中，使土体沿着斥力超过吸力最大的面崩落下来。 崩解性是膨胀土浸水所发生的一种吸水湿化现象。由于土块表面颗粒首先吸附水分 子形成水化膜，使颗粒间连结削弱。同时一部分胶结构物被水溶解，破坏了土的结构连 结。而且膨胀土多裂隙，雨水渗入土体中很快沿裂隙浸湿两侧土壁并使土体内产生不均 匀内力。于是在水膜楔入效应的作用下，使土块周围首先出现各种形状不一的土粒或小 块掉落与崩解等解体现象。对于裂隙不发育的土块，崩解作用一般是从外部向土块中心 逐渐发展的，若裂隙发育的土块，则崩解作用主要受裂隙分布控制。 2 0 长安大学硕十学位论文 室内测试膨胀土的崩解性表明，烘干试样在水中崩解的速度很快，一般在三分钟内 即可全部崩解完毕。部分失水的土样崩解速度较快，天然含水量状态下的试样，崩解速 度慢。影响膨胀土崩解作用的因素主要是膨胀土的矿物成分、结构特征、胶结物、土的 起始含水量和失水历时。在工程实践中，通过膨胀土在水中的崩解特征来初步判定膨胀 土的工程性状。 2 6 本章小结 通过试验研究，分析了小康高速公路、西汉高速公路沿线膨胀土的矿物组成、颗粒 成分、物理力学性质和工程分类的特征： 1 该地区膨胀土主要以伊利石、蒙脱石为主，其中蒙脱石含量达1 0 2 5 ，伊 利石含量为1 4 3 1 ，高岭石含量为1 0 - 1 7 ，其它还含有方解石、石英、云母、 绿泥石等矿物。 2 膨胀土粒度成分以粘粒为主，其中小于o 0 0 2 m m 的粒级占有相当大的比例，最 高达到3 1 2 ，说明该膨胀土具有高分散性。 3 总结了膨胀土的不同工程分类方法，提出适用于小康高速公路、西汉高速公路 膨胀土的工程分类方法。判断出小康高速公路试验段膨胀土以中、弱膨胀土为主、西汉 高速公路试验段膨胀土以中、强膨胀土为主。 4 膨胀土由于其组成含有多量的强亲水性粘土矿物，所以它具有特殊的工程特性， 主要表现为湿胀干缩性、多裂隙性、超固结性和崩解性。 2 1 第三章膨胀土公路滑坡特征分析 第三章膨胀土公路滑坡特征分析 3 1 概述 膨胀土边坡破坏是膨胀土地区一种最普遍、最特殊的斜坡变形和失稳现象。无论是 膨胀土天然边坡，还是开挖的膨胀土路堑、人工填筑的路基，破坏现象都十分普遍，常 常形成地域性灾害。通过对小康高速公路和西汉高速公路膨胀土边坡的破坏情况勘察， 发现其主要破坏形式有如下几种： 1 滑坡 滑坡是指在一定的地形地质条件下，由于各种自然或人为因素的影响，破坏了岩土 体的力学平衡条件，使山坡上的不稳定岩土体在重力作用下，沿着山体内部某一软弱面 ( 带) 作整体缓慢的、间歇性滑动的不良地质现象。其特点是：滑体在向下滑动时始终与 下伏滑床保持接触，其水平移动分量一般大于垂直移动分量。滑坡按物质组成成份可分 为：粘性土滑坡、膨胀土滑坡、黄土滑坡、堆积层滑坡、堆填土滑坡、破碎岩滑坡、岩 层滑坡；按滑坡体厚度可分为：浅层滑坡、中层滑坡、厚层滑坡、巨厚层滑坡；按滑坡 体积可分为：小型滑坡、中型滑坡、大型滑坡、巨型滑坡；按形成原因可分为：自然滑 坡、工程滑坡；按引起滑动的力学性质可分为：推移式滑坡、牵引式滑坡。 膨胀土滑坡是膨胀土地区最主要的工程地质问题之一。公路工程上在膨胀土地区开 挖路堑时，常遭受区域性