膨胀土工程特性与路基工程处理技术

膨胀土工程特性与路基处理技术,陈善雄中国科学院武汉岩土力学研究所2017年7月,提纲,1概述2膨胀土危害3物质组成与结构特征4膨胀土的判别与分类5压实膨胀土的工程特性6膨胀土渗透特性7膨胀土改性8膨胀土路基处治技术,9路堤填筑施工工艺10施工期降雨对膨胀土路堤填筑质量影响11强膨胀土工程特性与渠坡处理12路堤路堑现场试验13膨胀岩特性14结语,1概述,1.1膨胀土定义膨胀土是颗粒高分散、成分以粘土矿物为主、对环境的湿热变化敏感的高塑性粘土。主要特征如下：粒度组成中粘粒(2m)含量大于30%；粘土矿物成分中，伊利石-蒙脱石等强亲水性矿物占主导地位；土体湿度增高时，体积膨胀并形成膨胀压力；土体干燥失水时，体积收缩并形成收缩裂缝；膨胀、收缩变形可随环境变化往复发生，导致土的强度衰减；属液限大于40%的高塑性土；属超固结性粘土。,众所周知，一般粘性土均具有一定的膨胀和收缩变形，但其量不大，对工程没有太大的影响；而膨胀土的膨胀收缩再膨胀的周期性变形特性非常显著，且其量值较大，常给工程带来危害，因此，工程上将其从一般粘性土中区别出来，作为特殊土对待,灾害土,1概述,1.2膨胀土分布,膨胀土在我国分布很广，云南、广西、贵州、河北、河南、湖北等地均有分布，山西、陕西、安徽、四川、山东等省也有不同程度的分布。,膨胀土的工程地质分类按膨胀土的成因及特征分为三个基本类型：湖相沉积及其风化层，粘土矿物成分以蒙脱石为主，土的胀缩性极为显著冲积、冲洪积、坡积物类型，主要分布在河流阶地上，粘土矿物以水云母为主，土的胀缩性也很显著碳酸盐类岩石的残积、坡积及洪积的红粘土，液限高，但自由膨胀率小于40%，因而常被误判为非膨胀土。,1概述,1.4膨胀土的基本属性胀缩性膨胀土吸水后体积膨胀，使其上的建筑物隆起，如果膨胀受阻即产生膨胀力；膨胀土失水体积收缩，造成土体开裂；击实膨胀土的膨胀性比原状膨胀土大，密实越高，膨胀性也越大。多裂隙性膨胀土中的裂隙，主要可分垂直裂隙、水平裂隙和斜交裂隙三种类型。这些裂隙将土层分割成具有一定几何形状的块体，从而破坏了土体的完整性，同时，为水分入渗开启了方便之门超固结性膨胀土大多具有超固结性，天然孔隙比小，密实度大，初始结构强度高,膨胀土的三性,1概述,崩解性膨胀土浸水后体积膨胀，发生崩解。强膨胀土浸水后几分钟即完全崩解；弱膨胀土则崩解缓慢且不完全。风化特性膨胀土受气候因素影响很敏感，极易产生风化破坏作用。开挖后，在风化作用下，土体很快会产生破裂、剥落，从而造成土体结构破坏，强度降低。受大气风化作用影响的深度各地不完全一样，云南、四川、广西地区约至地表下35m，其他地区则在地表下2m左右。强度衰减性膨胀土的抗剪强度为典型的变动强度，具有峰值强度极高而残余强度极低的特性。在风化带以内，湿胀干缩效应显著，经过多次湿胀干缩循环以后，特别是粘聚力C大幅度下降，而内摩擦角变化不大，一般反复循环23次以后趋于稳定。,1概述,1概述,1.5影响膨胀土胀缩特性的主要因素内在机制矿物成分。膨胀土含大量的蒙脱石、伊利石等亲水性粘土矿物，它们比表面积大，有强烈的活动性，既易吸水又易失水。微观结构。矿物成分在空间的联结状态也影响膨胀土的胀缩性质。扫描电镜分析表明，面-面连接的分散结构是膨胀土的一种普遍的结构形式，这种结构比团粒结构具有更大的吸水膨胀和失水吸缩的能力。外部因素水的作用。水分的迁移是控制土胀、缩特性的关键外在因素。因为只有土中存在着可能产生水分迁移的梯度和进行水分迁移的途径，才有可能引起土的膨胀或收缩。,1.6蒙脱石晶体缩胀机理,膨胀土的缩胀性基本由蒙脱石矿物决定，蒙脱石晶格扩张的原因有以下几个方面：层间阳离子水化能力强，易吸取水分子进入层间使层间扩张；蒙脱石具有强大的水化能力，将极性水分子吸引进晶体的层间使晶体膨胀；晶体自身水化能力较强，水沿连接较弱的节理面水化使晶体膨胀。,1概述,膨胀土公路病害路面病害波浪变形、路面开裂、溅浆冒泥路堑病害剥落、冲蚀、泥流；溜塌；坍塌；滑坡路堤病害沉陷；坍肩；纵裂；溜塌；坍塌；滑坡,路面开裂,边坡表层坍塌,沉陷,塌肩,2膨胀土危害,病害特征共性表现为：路面纵裂、破碎石灰稳定土底基层破损路肩外倾、塌陷边坡由浅层滑移逐步发展为深层牵引式滑移矮挡墙外鼓,膨胀土沟渠病害渠道膨胀土边坡滑坡，造成渠道的淤塞,312国道六叶段_淠河总干渠滑坡,312国道六叶段_淠河总干渠滑坡,2膨胀土危害,膨胀土房屋建筑病害,膨胀土变形造成房屋开裂,2膨胀土危害,2膨胀土危害,铁路路基病害,基床翻浆冒泥（南昆铁路百色盆地）,2膨胀土危害,铁路路基病害,兰新高速铁路在站前、站后施工基本结束后，对部分无柞轨道进行静态精调时，发现350m范围内轨顶面高程异常，沿线路方向呈拱形上拱，最高点里程断面实测轨顶高程较设计轨顶高程已高出42.4mm，且呈持续上拱趋势。下卧泥质粉砂岩，夹有薄层泥岩，泥质胶结，岩质软弱，具有膨胀性。路基的拱起与该处泥岩的遇水膨胀性和断裂破碎后造成泥岩浸水厚度增加之间有密切的关系。,膨胀土路基病害产生的原因沿线膨胀土土质鉴别的力度不够膨胀土处置方案不合理膨胀土处置深度不够路基压实控制标准不合理施工方法不合理、维护不及时,膨胀性岩土性质具有强烈的不确定性，针对具体工程，应开展有针对性的试验，然后提出切实可行的处置方案，才能保证工程建设的成功。,2膨胀土危害,膨胀土的矿物成分是由黏土矿物和碎屑矿物组成，黏土矿物主要是蒙脱石、伊利石、高岭石等；碎屑矿物大多是粗颗粒的组成物质，大部分为石英、长石、方解石、绿泥石等。黏土矿物成分与膨胀土的物理、化学、力学及胀缩性之间有密切的关系，主要是细颗粒的物质组成，当以蒙脱石为主时，结构单元是两层二氧化二铝和一层三氧化二铝组成，层间联结很弱，水分子可以渗入层间，生成水夹层，产生晶内膨胀；蒙脱石含有较多的钠、钙阳离子，由于阳离子的吸附作用，还产生粒间膨胀。伊利石的晶格与蒙脱石相似，但晶格之间结合的不是水，而是正价钾离子，因而伊利石的晶架结构比较牢固，浸水后产生粒间膨胀，比蒙脱石的晶内膨胀弱的多。高岭石矿物晶架联结牢固，一般很少有交换能力的阳离子，浸水膨胀性很弱,3物质组成与结构特征,膨胀土的物质组成,膨胀土中，普遍存在蒙脱石、伊利石、高岭石等黏土矿物。这些矿物颗粒大多为鳞片状或扁平状，彼此相互集聚形成叠聚体，构成膨胀土中活动性的基本结构单元在膨胀土中黏土矿物颗粒大多以面-面的方式彼此叠聚形成长扁平形的微叠聚体，正是这种叠聚体构成了膨胀土吸水膨胀与失水收缩的结构特征膨胀土中这些微叠聚体相互连结和排列的方式，存在着各种不同的取向(图1、图2），因而影响着膨胀土的胀缩变形程度在膨胀土中微叠聚体彼此连结后形成的定向程度差异较大，有的显示高度的定向性，各叠聚体相互连成平层状结构(图3），有的部分定向性(图4），各叠聚体紧密相连形似一环扣一环的链球状、蜂窝状、网格状结构(图5），也有的叠聚体是无序的，显现出黏土基质絮状、丝状结构(图6）,3物质组成与结构特征,膨胀土的结构特征,3物质组成与结构特征,膨胀土的结构特征,4膨胀土的判别与分类,膨胀土的判别与分类是膨胀土研究的首要问题尚无一种普遍适用的膨胀土的判别与分类方法，开展膨胀土的判别与分类方法研究具有意义。膨胀土判别的目的是为了正确区分膨胀土与非膨胀土，以便将膨胀土与其它土类区别开来。膨胀土分类的工程意义确定工程处理措施预测可能出现的问题,膨胀土的鉴定特征（野外怎样识别膨胀土）膨胀土地区建筑技术规范中规定，凡具有下列工程地质特征的场地，且自由膨胀率ef40%的土应判定为膨胀土。裂隙发育，常有光滑面和擦痕，有的裂隙中充填着灰白、灰绿色粘土。在自然条件下呈坚硬或硬塑状态；多出露于二级或二级以上阶地、山前和盆地边缘丘陵地带，地形平缓，无明显自然陡坎；常见浅层塑性滑坡、地裂，新开挖坑（槽）壁易发生坍塌等；建筑物裂缝随气候变化而张开和闭合。,4膨胀土的判别与分类,4膨胀土的判别与分类,膨胀土的膨胀潜势-膨胀土地区建筑技术规范分类法,铁路工程地质膨胀土勘测规则(TB10042-1995)分类法,4膨胀土的判别与分类,初判现场地貌、土的颜色、结构、土质以及自然地质现象符合膨胀土的现场宏观特征，且自由膨胀率，液限时，应判定为膨胀土。,详判时，采用自由膨胀率、蒙脱石含量与阳离子交换量三项指标来判定，详见表2.1。当符合其中两项指标时，应判定为膨胀土。,铁路工程地质膨胀土勘测规则(TB10042-1995)分类,4膨胀土的判别与分类,公路路基设计规范(JTGD30-2004)分类法,4膨胀土的判别与分类,4膨胀土的判别与分类,襄荆高速公路采用的膨胀土分类方法提出了以液限、塑性指数、自由膨胀率、0.005mm颗粒含量、胀缩总率等五个指标作为膨胀土的判别指标，建立了一种新的膨胀土判别与分类方法,5压实膨胀土的工程特性,膨胀土的压实性状,（以襄荆膨胀土为例）,击实膨胀土的最佳含水量和最大干密度随击实功、膨胀土种类变化而变化同一种膨胀土，压实功愈高，土的最大干密度也愈大，而对应的最佳含水量愈小；不同种类的膨胀土，上述指标存在明显差异，相同击实功条件下的弱膨胀土最大干密度较中膨胀土高，而对应的弱膨胀土最佳含水量较中膨胀土低。,5压实膨胀土的工程特性,膨胀特性,5压实膨胀土的工程特性,膨胀土胀缩特性-膨胀力,击实弱膨胀土膨胀力与干密度关系曲线,击实中膨胀土膨胀力与干密度关系曲线,击实膨胀土的膨胀力同时受到起始含水量和干密度的控制，膨胀力随起始含水量的增大而减少，随干密度的增大而增大。,5压实膨胀土的工程特性,击实膨胀土的膨胀特性，主要取决于土质、含水量与干密度。同类土击实后的含水量愈大，膨胀量愈小；控制含水量一定时，膨胀率随干密度的改变而变化；含水量对膨胀量的影响比干密度显著；在相近含水量条件下中膨胀土的膨胀量明显高于弱膨胀土的膨胀量。,因此，要想控制路基填方段不致产生过大的膨胀变形，必须同时兼顾填筑含水量与干密度两个条件，从膨胀土的膨胀特性角度看，只有当填筑含水量控制在较最佳含水量稍大，干密度较最大干密度稍低的条件下，填筑膨胀土的膨胀和孔隙压力可以获得均衡，对于填土的稳定性比较有利。,5压实膨胀土的工程特性,收缩特性,缩限是土固有的特性含水量与干密度对其无明显影响,5压实膨胀土的工程特性,体缩率随含水量增加而增大，近似成直线关系；收缩系数随含水量增加而增大；干密度对收缩指标影响甚微。,5压实膨胀土的工程特性,中膨胀土的缩限、收缩系数和体缩率均较弱膨胀土高，尤其是体缩率在相近含水量条件下远大于弱膨胀,5压实膨胀土的工程特性,从膨胀土的收缩特性看，如膨胀土路基填筑含水量超过最佳含水量较大时，需要重点考虑其收缩变形。因此，从膨胀土的收缩特性角度考虑，膨胀土路基填筑含水量又不宜超过最佳含水量过多。,5压实膨胀土的工程特性,膨胀土的压实效果与胀缩特性首先取决于土质本身；一定土质条件，压实特性还取决于土的压实含水量和压实功；胀缩特性则取决于起始含水量和密度。综合膨胀土的压实性状和胀缩特性，膨胀土路基填筑含水量宜控制在较最佳含水量稍大，干密度较最大密度略低，如此施工，方能保证填土的压实度要求和水稳定性。,弱膨胀土的强度（CBR）特征不同击实功下弱膨胀土CBR值随含水量的变化规律类似于击实曲线在击实功较大时（每层击数N=98、59、45），其CBR最大值所对应的含水量比最佳含水量大3.0%在击实功相对较小时（每层击数N=36、27），CBR最大值所对应的含水量才与最佳含水量相等在最佳含水量条件进行压实、压实度超过95%的弱膨胀土CBR值仅3.0%左右在超过最佳含水量3.0%的填筑含水量（w=21.5%）进行压实，只要压实功能满足要求，其压实度不难达到95%，CBR值能达到6.0%以上当含水量小于最佳含水量时，虽然压实度易满足要求，但其CBR值均小于3.0%,含水量是满足弱膨胀土压实度和CBR的关键性因素。,5压实膨胀土的工程特性,中膨胀土的强度（CBR）特征,不同击实功下中膨胀土CBR值随含水量的变化规律类似于击实曲线；在击实功较大时（每层击数N=98、59），其CBR最大值所对应的含水量均达到32.1%，比最佳含水量（w=21.2%）大得多，大近11%；在击实功相对较小时（每层击数N=36、27），CBR最大值所对应的含水量也比最佳含水量大2.3%。对于中膨胀土而言，其CBR值均较小，一般都小于3.0%,中膨胀土无法同时满足填筑路基压实度和CBR值的规范要求。,5压实膨胀土的工程特性,CBR强度特征,起始含水量对膨胀土CBR值影响显著CBR峰值含水量大于最优含水量，在相同的击实功下，膨胀潜势越强，CBR峰值含水量与最优含水量的差值越大并不是击实功越大，其CBR值就越大在现场碾压过程中，应对干密度进行适当控制，不能要求过高，以免出现“过压实”现象,5压实膨胀土的工程特性,含水量增加，抗剪强度指标大幅度下降堤身防水防风化至关重要,抗剪强度特性,5压实膨胀土的工程特性,无侧限抗压强度,膨胀土的无侧限抗压强度在最优含水量附近取得最大膨胀土吸水软化明显，饱和无侧限抗压强度远低于非饱水值饱和无侧限抗压强度在最优含水量3附近取得最大现场碾压按最优含水量3进行控制，可以获得浸水强度的最大化,5压实膨胀土的工程特性,双环试验,6膨胀土渗透特性,圭夫仪(Guelphpermeameter),表层渗透性量测结果,经过大量的现场双环试验，获得了膨胀土地表裂隙发育区的饱和渗透系数为：,ks=2.310-8米/秒,双环试验的初始入渗率比达到饱和时的稳定入渗率要高好几倍甚至12个数量级。本次试验测得初始入渗率为：,ki=1.8810-7米/秒,6膨胀土渗透特性,膨胀土优势流,大孔隙（裂隙）虽然只占整个土壤体积的小部分，但对水及溶质在土壤中的运移有着深刻影响。采用室内土柱出流试验揭示大孔隙（裂隙）对水在土壤中运移的影响。,人工降雨试验装置,土柱出流试验,土柱出流试验装置,6膨胀土渗透特性,膨胀土优势流,6膨胀土渗透特性,小雨强,大雨强,持续降雨,持续降雨,膨胀土优势流,6膨胀土渗透特性,试验结果：,裂隙土出流时间较早，小强度降雨条件下15分钟左右出现初始出流，大强度降雨条件下10分钟左右即出现初始出流；而回填土由于入渗能力较小，表面很快出现积水，放置两个月后才出现初始出流。对于含有大孔隙的土壤，出流量绝大部分发生在初始出流和拖尾之间。,膨胀土优势流,6膨胀土渗透特性,采用Germann运动波模型对试验结果进行了分析、拟合，模型拟和与观测值较为一致,膨胀土优势流,6膨胀土渗透特性,两域水分交换情况,裂土边坡水分运动优势流模型,6膨胀土渗透特性,基质域：控制方程采用Richards方程裂隙区：运动波方程大孔隙域向基质域的辐射：动态水头边界条件来表示降雨过程中大孔隙水分向基质域的运移,裂土边坡水分运动优势流模型,6膨胀土渗透特性,计算模型,边坡高为6m，坡比1：2，以模型底面为基准面，初始地下水位边界左端为3m，右端为0m。,6膨胀土渗透特性,降雨10小时,降雨30小时,降雨72小时,裂隙区周围含水量在随着时间升高，尤其是靠近表层含水量上升得更快，部分影响区域相互重叠,6膨胀土渗透特性,降雨72小时,降雨72小时,不考虑优势流,考虑优势流,6膨胀土渗透特性,裂隙优势流大大增强了雨水对裂隙区的影响，比不考虑裂隙优势流含水量上升明显。由于优势流的补给作用，裂隙区下含水量也较不考虑裂隙优势流上升明显，这种影响的范围达到裂隙区下23米,6膨胀土渗透特性,7膨胀土改性,中膨胀土石灰改性石灰改性后中膨胀土的基本特性,石灰改性后中膨胀土的颗粒组成,石灰改性稳定土胀缩特性指标,石灰改性稳定土CBR试验结果,7膨胀土改性,经石灰改性后中膨胀土的液限基本保持不变；塑限有较大幅度增大，相应塑性指数明显减小；自由膨胀率也明显减小；细粒、粘粒含量明显减少；最佳含水量增大，最大干容重降低；随着石灰掺合比的增大，上述指标变化越显著。石灰改性土相应的CBR值均大于60%，膨胀量小于0.04%，胀缩总率小于0.7%均可达到路用要求。考虑到在路堤填筑施工过程中石灰均匀掺合较困难，建议中膨胀土石灰改性的质量掺合比为6.0%，压实含水量按23.5%控制。,7膨胀土改性,中膨胀土粉煤灰改性,7膨胀土改性,7膨胀土改性,经粉煤灰改性后中膨胀土的液限基本保持不变；塑限有所增大，塑性指数相应减小；自由膨胀率亦降低，胀缩总率小于0.7%；细粒、粘粒含量相应减少；最大干容重降低；CBR值均大于8%；可满足路用要求；建议粉煤灰掺合量为40%，压实含水量按19.0%控制效果最佳。,7膨胀土改性,经石灰-粉煤灰改性后，膨胀性基本消除，击实土样CBR值均大于100%，改性效果明显。但考虑到该改性方案在实际施工过程中难以实施，未能做进一步的深入研究。,石灰-粉煤灰综合改性,7膨胀土改性,膨胀土水泥改性,7膨胀土改性,膨胀土水泥改性,7膨胀土改性,膨胀土水泥改性,7膨胀土改性,膨胀土水泥改性,7膨胀土改性,改性土最大干密度随水泥掺量增加呈线性增长，且最优含水率与水泥掺量成较好的线性减小关系。饱和膨胀土的应力应变关系为应变硬化型，而饱和改性土表现为应变软化，呈脆性破坏，且水泥的掺入对龄期28d后的饱和强度提高非常显著，表明它能很好地抑制强度软化。饱和膨胀土属高压缩性土，掺入6%水泥的改性土呈低压缩性水泥改具有良好的水稳定性,8.1国内外膨胀土路堤处治方法,换填法：方法可靠，建设成本高物理化学改性：掺石灰、水泥、粉煤灰、矿渣等掺石灰处理膨胀土是最普通和有效的方法建设成本高封闭包盖法（包边法）通过边对路堤进行封闭，阻隔干湿循环作用对膨胀土路堤的影响，达到稳定膨胀土路堤的目的，在南友、襄荆应用，其优点是施工便利、造价低、环境效益好，夹层法采用膨胀土和砂性土夹层填筑，砂层构成双层排水，使粘土层底部的含水量有效降低，从而达到较高的压实质量和路基整体强度该法施工最便捷、生态和经济效益好膨胀土更易通过砂性土夹层吸水而软化，降低路基质量。,8膨胀土路基处治技术,8.2零填及挖方膨胀土路基处治方法,砂砾垫层+边沟膨胀土改性+边沟最常见砂砾垫层+边沟下设置管式渗沟膨胀土改性+边沟下设置管式渗沟防渗土工布+砂砾垫层(膨胀土改性)+边沟下设置管式渗沟,8膨胀土路基处治技术,膨胀土路堤结构型式,8膨胀土路基处治技术,膨胀土路堤结构型式,弱膨胀土直填路堤断面形式,中膨胀土包边路堤形式,中膨胀土全断面改性路堤,8膨胀土路基处治技术,零填及挖方膨胀土路基处置技术,8膨胀土路基处治技术,零填及挖方膨胀土路基处置技术,8膨胀土路基处治技术,膨胀土路堑坡面防护方法,8膨胀土路基处治技术,膨胀土路堑坡面防护方法,8膨胀土路基处治技术,9路堤填筑施工工艺,对于不改良包边段路堤填心部分而言，其填筑压实含水量宜按略低于其塑限含水量控制；对于对石灰改良段路堤，其填料压实含水量按其最优含水量2.0%控制是可行的，且根据不同填筑部位，压实含水量的控制范围还可以适当放宽，但不宜超过其最优含水量4.0%。,压实含水量的控制对保证路堤填筑质量至关重要,路拌次数、松铺厚度、碾压遍数对路堤填料均匀性、粒级组成以及压实度均有影响,混合料拌和方法,路拌法，广泛采用，可分为路拌法和集中场拌法，施工简便，但易受天气影响，均匀性不如厂拌法厂拌法，南水北调中线工程全面采用，效果好，受天气影响小,9路堤填筑施工工艺,路拌法施工工序,9路堤填筑施工工艺,总之，应做到,坚实平整,结构强度稳定，无显著变形,材料均匀一致,表面干净无松散颗粒,干燥,实，稳，匀，洁，干,9路堤填筑施工工艺,成型,10施工期降雨对膨胀土路堤填筑质量影响,弱降雨对膨胀土路堤填筑质量影响雨水入渗量对碾压层的影响很小表面覆盖层土的含水量随深度的增加而增加，压实度随深度的增加而减小,表4.7.1降雨后压实度测试结果,强降雨对膨胀土路堤填筑质量影响强降雨对路堤含水量的影响深度为表面覆盖层以下30cm；素土在雨水入渗后，体积发生显著膨胀，其干密度有较大程度减小；灰土的含水量有一定程度的增长，但其压实度变化不大。,10施工期降雨对膨胀土路堤填筑质量影响,针对施工期降雨的膨胀土路基处置对策对于持续时间较短、雨量较小的降雨(30mm)，仅对表面覆盖层重新进行翻晒、破碎和碾压。对于持续时间较长、雨量较大的强降雨(30mm300mm)，建议对表面覆盖层以下30cm范围内的碾压土层进行掺灰处理，以快速降低填土的含水量，并按灰土的填筑标准重新进行翻晒、破碎和碾压。建议对于表面覆盖层，在填筑过程中设定一较大的横坡，以利于雨水的消散，并严禁出现低洼的不平的坑洞。,10施工期降雨对膨胀土路堤填筑质量影响,南水北调中线工程全长1400余km，膨胀土(岩)渠段387公里，占27%弱膨胀土渠段约170.5km弱膨胀岩渠段约76.8km中膨胀土渠段约103.5km中膨胀岩渠段约58.7km强膨胀土渠段约5.69km强膨胀岩渠段约34.2km虽然强膨胀土（岩）分布的长度少于弱、中等膨胀土(岩)，但由于其具有更强的膨胀潜势，比弱、中等膨胀土（岩）更易造成渠坡失稳，对渠道的危害更为严重目前，中线工程已全面开工建设，但是强膨胀土（岩）渠道设计基本是参考中等膨胀土的处理方法，只是适当增加了改性土处理层的厚度，可能存在工程安全风险,11强膨胀土工程特性与渠坡处理,11强膨胀土工程特性与渠坡处理,强膨胀土,强膨胀岩,强膨胀土（岩）工程特性及地质结构研究,11强膨胀土工程特性与渠坡处理,强膨胀土现场试验C值为室内试验的40%80%，值为60%90%；强膨胀岩现场试验C值为室内试验的50%70%，值为90%100%揭示了强膨胀土裂隙对抗剪强度的影响因素：(1)裂隙面占剪切面的比例；(2)裂隙面倾角；(3)裂隙面起伏差；(4)剪切方向,开展室内基本物理、力学试验，现场大剪抗剪强度试验，提出强膨胀土（岩）体物理力学参数的推荐值。,强膨胀土（岩）工程特性及地质结构研究,11强膨胀土工程特性与渠坡处理,化学成分以SiO2、Al2O3为主，粘土矿物以蒙脱石为主，碎屑矿物以石英为主相同位置试样的化学矿物组成基本相近；不同试验段试样存在一定的差异强膨胀岩烧失量、阳离子交换量、蒙脱石含量等指标小于强膨胀土，而强膨胀土的石英含量略低,强膨胀土（岩）工程特性及地质结构研究,11强膨胀土工程特性与渠坡处理,自由膨胀率受到沉积环境与物质来源的影响，范围值较大；其他胀缩性指标也有一定的差异性。除了强膨胀土的缩限比强膨胀岩略高、收缩系数略低外，二者的其他收缩特性指标差异不明显。强膨胀岩出现压缩状态时的垂直压力一般比强膨胀土大。,强膨胀土（岩）工程特性及地质结构研究,11强膨胀土工程特性与渠坡处理,强膨胀土（岩）具中等-极微透水性，现场试验渗透系数均比室内试验渗透系数大强膨胀土的室内垂直渗透系数一般大于强膨胀岩，水平渗透系数相差不大。强膨胀土的现场试验渗透系数一般略大于强膨胀岩强膨胀土的孔隙比与土体垂直渗透性有较好的对应关系；强膨胀岩的裂隙发育情况对渗透性影响较大表层大气影响带的土（岩）体垂直渗透系数大于水平渗透系数；大气影响带以下关系不明显初始含水率越小、膨胀性越强、裂隙越发育且张开程度越大，试样崩解速度越快、崩解量越大,强膨胀土（岩）工程特性及地质结构研究,11强膨胀土工程特性与渠坡处理,强膨胀土（岩）小裂隙极发育，大裂隙较发育，长大裂隙较为少见裂隙主要倾向24组，倾角以缓中倾角为主。裂隙面一般起伏不大；裂隙充填物多为灰绿色粘土,土（岩）体中裂隙以次生裂隙为主，部分为原生裂隙，构造裂隙仅在ZG39段可见。,强膨胀土（岩）工程特性及地质结构研究,11强膨胀土工程特性与渠坡处理,强膨胀土裂隙的张开情况大致可分三类：快速出现张开；滞后出现张开；不张开；强膨胀岩裂隙均为快速出现张开。强膨胀土裂隙发展最快时间段为8-10天，强膨胀岩裂隙发展最快时间段为7天；强膨胀岩裂隙发展速度、张开程度比强膨胀土快，原因是强膨胀岩初始含水率较强膨胀土的含水率小，加之强膨胀岩超固结性更大，卸荷回弹比强膨胀土更明显。,第二天,第四天,第六天,第八天,强膨胀岩TS106段观察面,强膨胀土（岩）工程特性及地质结构研究,11强膨胀土工程特性与渠坡处理,裂隙面的抗剪强度低于土块的抗剪强度；裂隙面的抗剪强度现场大剪试验一般比室内试验度低，但受裂隙面的影响，可能会出现异常。,裂隙面抗剪强度推荐值,裂隙面抗剪强度汇总表,强膨胀土（岩）工程特性及地质结构研究,11强膨胀土工程特性与渠坡处理,强膨胀土（岩）体主要由片状粘土矿物及长石、石英颗粒等组成；粘土矿物一般呈不规则排列；大部分试样内微孔隙、微裂隙较发育极发育；部分试样可见一、两个方向的线性擦痕。强膨胀土长石、石英含量低于强膨胀岩；粘土矿物的定向排列性略高于强膨胀岩；微孔隙、微裂隙发育程度略低于强膨胀岩。,不规则片状粘土矿物,定向排列粘土矿物,长石或石英颗粒,线性擦痕,微裂隙,强膨胀土（岩）工程特性及地质结构研究,11强膨胀土工程特性与渠坡处理,强膨胀土（岩）体通常在颜色、裂隙发育情况、胶结物等方面与其他土（岩）体的宏观结构分层明显。某一层强膨胀土（岩）而言，其宏观结构分层不明显。仅少数段受地下水的影响，裂隙产状或部分物理力学指标存在分带性。,强膨胀土（岩）宏观分带,强膨胀土（岩）体内裂隙密集带,强膨胀土（岩）工程特性及地质结构研究,11强膨胀土工程特性与渠坡处理,抗剪强度C值、值均随胀缩次数的增加而减小。第一次胀缩循环后，C值衰减15-45%，值衰减25%42%；但随后抗剪强度的衰减趋于稳定，最终C值衰减28-58%，值衰减43%56%。不同试验段强膨胀土（岩）试样的衰减程度存在差异；总体上说，强膨胀岩比强膨胀土抗剪强度的衰减幅度小。,TS13段,ZG39段,强膨胀土（岩）工程特性及地质结构研究,11强膨胀土工程特性与渠坡处理,强膨胀土（岩）剪应力随着含水率的增加而减小；含水率较低时，剪应力随含水率增加，衰减速度快，后逐渐放缓。含水率较低时，原状样剪应力大于重塑样，随含水率的逐渐增加两者趋于一致。强膨胀土原状样的抗剪强度随含水率增加的降幅略大于强膨胀岩；重塑样则相反。,TS95段,TS106段,强膨胀土（岩）工程特性及地质结构研究,11强膨胀土工程特性与渠坡处理,物理参数推荐值，一般采用室内试验的算术平均值（剔除异常值后）压缩系数为室内试验的大值平均值平均值抗剪强度参数推荐值一般先采用（室内试验的小值平均值平均值）尺寸效应系数进行折减，再根据裂隙发育情况、工程经验等进行适当调整。强膨胀土岩抗剪强度C值的尺寸效应系数一般取0.4-0.6、值的尺寸效应系数一般取0.8-0.9,强膨胀土（岩）工程特性及地质结构研究,11强膨胀土工程特性与渠坡处理,强膨胀土（岩）渠坡滑动破坏和膨胀变形规律研究,11强膨胀土工程特性与渠坡处理,探明了强膨胀土渠坡滑坡变形破坏特征揭示了强膨胀土渠坡滑动破坏机理，即同时受强膨胀土（岩）夹层或强膨胀土及地表垂直裂隙控制的滑动模式,强膨胀土,强膨胀土（岩）渠坡滑动破坏和膨胀变形规律研究,11强膨胀土工程特性与渠坡处理,强膨胀土渠道处理技术研究,随着渠坡水泥改性土的换填厚度增加，渠坡的安全系数相应提高，水泥改性土换填厚度从1.5m增加至2m时，渠坡安全系数增加幅度较大，2m以后安全系数增长趋势减缓无论土体的膨胀性如何，当上覆荷载超过50kPa时，土体的膨胀率都会趋向一个很小的值。强膨胀土渠坡过水断面水泥改性土换填厚度2m，已经满足工程要求。,11强膨胀土工程特性与渠坡处理,强膨胀土渠道处理技术研究,距开口线最大距离不超过9m，坡顶开口线与截流沟之间10m范围换填水泥改性土，封闭因卸荷和干缩形成拉裂缝，是合适的,11强膨胀土工程特性与渠坡处理,强膨胀土渠道处理技术研究,11强膨胀土工程特性与渠坡处理,提出了抗滑结构计算分析方法弹性地基梁法抗滑桩桩间土稳定复核按照土工效应进行复核，抗滑桩+坡面梁桩间土稳定复核根据桩间土剪断强度复核抗滑桩设计中应复核桩长、桩间距、桩前土的稳定,强膨胀土渠道处理技术研究,抗滑桩按照水工混凝土结构设计规范(SL191-2008)规定的圆形截面受弯构件计算坡面梁按照水工混凝土结构设计规范(SL191-2008)规定的压弯构件来计算,11强膨胀土工程特性与渠坡处理,强膨胀土渠道处理技术研究,11强膨胀土工程特性与渠坡处理,仅水泥改性土换填时，完建检修工况安全系数为0.9433,水泥改性土+抗滑桩，完建检修工况安全系数为1.203.,强膨胀土渠道处理技术研究,为防止坡面水土流失，并加速坡面水的疏导，减小降水入渗引起膨胀土含水量变化，坡面采用C20混凝土拱骨架+植草进行防护拱骨架不仅能减小降水对膨胀土的影响，同时对坡面具有一定的支挡作用，对浅表层滑动具有一定的预防作用,拱骨架+植草防护结构布置图,拱骨架+植草防护结构照片,11强膨胀土工程特性与渠坡处理,强膨胀土渠道处理技术研究,11强膨胀土工程特性与渠坡处理,强膨胀土渠道处理技术研究,坡面观测,雨淋沟防护效果明显,防护措施实施后,防护措施实施前,11强膨胀土工程特性与渠坡处理,坡比1:2.75；降雨强度为：中雨持续24h；水泥改性土换填层湿润深度0.15m,强膨胀土渠道处理技术研究,12路堤路堑现场试验,12.1现场剪切试验路堤段石灰改良段不浸水石灰改性土：c69.9kPa，39.1浸水石灰改性土：c48.1kPa，33.5根据现场取样测定，不浸水时石灰土的平均含水量为24.4%，平均干密度为1.55g/cm3，浸水后石灰土的平均含水量为26.6%，平均干密度为1.53g/cm3。石灰改性土浸水后，含水量增加，干密度随之降低，抗剪强度指标有所下降，其中c值下降较大，从69.9kPa降到48.1kPa，下降约31%；值从39.1下降到33.5，下降约14%。,不改良石灰包边段路芯不浸水路芯中膨胀土：c94.5kPa，28.0。浸水路芯中膨胀土：c68.7kPa，12.2。不浸水时中膨胀土的平均含水量为25.1%，平均干密度为1.60g/cm3，浸水时中膨胀土的含水量为27.1%，平均干密度为1.51g/cm3。中膨胀土浸水后，含水量增加，干密度随之降低，强度指标明显下降，其中c值从94.5kPa下降到68.7kPa，约27%，值下降较大，从28.0下降到12.2，约56%。,12路堤路堑现场试验,不浸水：路堑中膨胀土不浸水的抗剪强度：c37.2kPa，27.2；残余剪切强度：c22.8kPa，17.4。浸水：路堑中膨胀土浸水的抗剪强度：c24.9kPa，11.3残余剪切强度c17.6kPa，6.6。路堑段膨胀土在浸水前平均含水量为28.9%，平均干密度为1.51g/cm3；浸水后平均含水量为30.5%，平均干密度为1.45g/cm3。对比可见，浸水与不浸水相比，抗剪强度降低，其中c值从37.2kPa降到24.9kPa，降约33%，值从27.2降到11.3，降约58%；残余强度也下降，其中c值从22.8kPa降到17.6kPa，降约23%，值下降很大，从17.4降到6.6，降约62%。从总体上说，浸水后的抗剪强度比浸水前的抗剪强度降低很多,路堑段,12路堤路堑现场试验,12.2现场载荷试验,石灰改良段试验不浸水载荷试验,石灰改良段路基的承载力基本值为258kPa，变形模量为20.6MPa。石灰改良段具有良好的承载特性。,12路堤路堑现场试验,浸水载荷,浸水后石灰改性土的承载力基本值为165kPa。回弹模量为46.3MPa。石灰改性土水稳性较好。,1点浸水前预先施加250kPa的荷载值，当浸水一段时间，承载板的沉降稳定后，再继续分级增加荷载至破坏为止；2点当试验坑充分浸水以后，按“承载板测定土基回弹模量试验方法（T0943-95）”进行试验,12路堤路堑现场试验,不改良石灰包边段不浸水载荷,不改良石灰包边段路基的承载力基本值为287kPa，变形模量为23.0MPa。不改良石灰包边段路基具有良好的承载特性。,12路堤路堑现场试验,浸水载荷,1点浸水前预先施加150kPa的荷载值，当浸水一段时间，承载板的沉降稳定后，再继续分级增加荷载至破坏为止；2点当试验坑充分浸水以后，按“承载板测定土基回弹模量试验方法（T0943-95）”进行试验,浸水后素填中膨胀土的承载力基本值为100kPa。回弹模量值为21.4MPa。素填中膨胀土水稳性较差。,12路堤路堑现场试验,12.3动力触探试验,不浸水动探,95、93和90区不浸水素填中膨胀土平均承载力值都不小于150kPa,12路堤路堑现场试验,浸水后93、90区的石灰改性土平均承载力值都大于200kPa。,浸水后93和90区的素填中膨胀土平均承载力值都大于100kPa。,浸水动探石灰改良段不改良石灰包边段,12路堤路堑现场试验,12.4结论中膨胀土经石灰改性后，其抗剪强度和地基承载力和变形（回弹模量）均较高，即使在浸水条件下，其力学指标虽有所下降，但仍保持了较高值，可满足路基使用要求。由此可见，用石灰对中膨胀土改性是有效的，成功的。中膨胀土路堤在不浸水条件下，抗剪强度指标、地基承载力和变形（回弹模量）都比较高，可以满足路基使用要求；但在浸水条件下，上述指标有明显下降，难以满足路基使用要求，因此必须进行适当处理。石灰改性段和石灰包边段93区和95区弯沉结果均满足设计要求，但对于不同处治方式的路基，综合承载能力还是存在一定的区别：石灰改性段的综合承载能力明显好于石灰包边段。受土体本身变异性和裂隙面的影响，路堑段中膨胀土的抗剪强度指标变异性比较大，路堑边坡设计中参数的选取与施工均应考虑到上述因素；残余剪切强度指标和反复剪切强度指标较低，这将不利于路堑边坡的长期稳定，应对边坡防护予以足够的重视。,12路堤路堑现场试验,13膨胀岩的特性,膨胀岩的含义,膨胀岩是指含有较多亲