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郑万铁路湖北段路基工程施工培训会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(2μm)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3~5m，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φ变化不大，一般反复循环2～3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ef≥40%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表1膨胀土的现场宏观特征分类野外地质特征强膨胀土灰白、灰绿色、粘土细腻，滑感特强，网状裂隙发育，有腊面，易风化成细粒状、鳞片状中膨胀土以棕、红、灰色为主，粘土中含有少量粉砂，滑感特强，裂隙较发育，易风化成碎粒状，含钙质结核弱膨胀土黄褐色为主，粘土中含较多粉砂，有滑感，裂隙发育，易风化成碎粒状，含较多钙质结核或铁锰结核膨胀土的膨胀潜势--《膨胀土地区建筑技术规范》分类法膨胀率ef/（％）膨胀潜势破坏程度40≤ef＜65弱轻微65≤ef＜90中中等ef≥90强严重《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%40sF%40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膨胀土的压实性状图4.1不同击实功的弱膨胀土击实曲线1.501.561.621.681.741.80101418222630含水量（%）干密度（g/cm3）N=98N=59N=45N=36N=27图4.2不同击实功的中膨胀土击实曲线1.241.341.441.541.641.74101724313845含水量（%）干密度（g/cm3）N=98N=59N=45N=36N=27（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图4.5弱膨胀土50kPa膨胀量与干密度的关系-202461.471.541.611.681.751.82干密度（g/cm3）50kPa膨胀量（%）w=11.5%w=14.8%w=18.5%w=21.5%w=24.0%w=26.1%图4.6中膨胀土50kPa膨胀量与干密度的关系-202468101.401.471.541.611.681.75干密度（g/cm3）50kPa膨胀量（%）w=14.7%w=18.4%w=21.2%w=24.1%w=26.4%w=29.1%w=32.1%图4.7弱膨胀土50kPa膨胀量与含水量的关系-113571014182226含水量（%）50kPa膨胀量（%）ρd=1.71g/cm3ρd=1.61g/cm3图4.8中膨胀土50kPa膨胀量与含水量的关系-202468101418222630含水量（%）50kPa膨胀量（%）ρd=1.49g/cm3ρd=1.54g/cm3ρd=1.61g/cm3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601201802403001.651.671.691.711.731.75干密度（gcm³)膨胀力(kPa)w＝13.5％w＝16.5％w＝19.5％1001502002503003504004501.601.621.641.661.681.70干密度(g/cm³)膨胀力(kPa)w＝16.2％w＝19.2％w＝22.2％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。