膨胀土路基病害与防治

第八章膨胀土路基病害与防治第一节膨胀土的定义及其基本特性一、膨胀土的定义膨胀土是一种吸水膨胀、失水收缩开裂的特种黏性土。其矿物成分以强亲水性矿物蒙脱石和伊利石为主。在自然条件下，多呈硬塑或坚硬状态，裂隙较发育，常见光滑面和擦痕，裂缝随气候变化张开和闭合，并具有反复胀缩的特性；多出露于二级及二级以上的阶地，山前丘陵和盆地边缘，地形坡度平缓，无明显自然陡坎。主要特征有胀缩性、裂隙性和超固结性。二、膨胀土的基本特性从上面的定义可以看出，膨胀土有以下几个显著的基本特性：(1)膨胀土中的黏土矿物成分主要是由亲水性矿物组成的，而蒙脱石则是最典型的强亲水性矿物，伊利石(水云母)具有中等亲水性，这两类黏土矿物都具有膨胀的微结构。所以，当土含有蒙脱石、伊利石的有效成分，且在土中达到一定数量时，这一类土对湿度状态的变化就特别敏感。(2)膨胀土同时具有吸水膨胀和失水收缩两种变形特性，而且，这种变形是可逆的，即可以吸水膨胀、失水收缩，再吸水再膨胀、再失水再收缩，并胀缩变形显著。(3)膨胀土吸水膨胀后强度减小，并有随之湿化崩解的现象；而失水收缩后土的强度增大，一般比较干硬，但常伴有裂隙产生。(4)膨胀土一般具有高液限、低塑限以及塑性指数较高的特性，因而，从土质分类与土的工程分类意义来讲，属于高塑性黏性土范畴。三、膨胀土的判别方法1.判别原则决定膨胀土特殊工程性质的因素是多方面的，有膨胀土的成因、结构特征和物质成分等土体本身的内在因素，也有水和气候等外部条件。但结构特征和黏土矿物成分是内在的主要固定属性，是控制膨胀土工程特性的决定性因素。因此，要鉴别某种土是否属于膨胀土，应根据土体本身的主要属性来进行区分，同时，选用的判别方法亦不宜过于繁琐。为此，采用宏观结构特征、黏土矿物成分，以及土体特征指标作为判别膨胀土的三要素。2.指标选择为了选择合理的判别指标，首先，必须研究反映膨胀土基本性质的各指标间的相互关系，以及这些指标的各种组合规律。经分析认为，在确定膨胀土的判别指标时，若能着重考虑胀缩机理，选择表征膨胀土特征的独立指标和采用数学手段对各指标作相关分析，选出相关性最大的特征指标，并建立判别函数，这样就能比较理想地实现膨胀土的判别目的。土的界限含水量是反映土粒与水相互作用的灵敏指标之一，在一定程度上反映了土的亲水性能。它与土的颗粒组成、黏土矿物成分、阳离子交换性能、土的分散度和比表面积，以及水溶液的性质等有着十分密切的关系。对于工程具有较大实用意义的界限含水量，通常有液限、塑限、缩限三种定量指标。一般来说，膨胀土是具有高塑性和高收缩性的黏性土，液限越高、缩限越低，则土的膨胀潜势就越大。因此，采用界限含水量特征值，作为膨胀土的判限指标是可行的。胀缩总率能反映膨胀土的黏土矿物成分和结构特征，在一定条件下，它是膨胀土比较稳定的属性指标，同时，也是水利工程有实用价值的重要指标。因此，也可以作为膨胀土判别指标之一。粒度成分是反映膨胀土物质组成的基本特性指标。土中小于0.005mm的黏粒与小于0.002mm胶粒成分的含量越高，一般表明蒙脱石成分较多，分散性较好，比表面积大，亲水性强，膨胀性越大。所以，采用土中黏粒含量指标，也同样可以区分膨胀土与非膨胀土。3.判别方法1)根据膨胀土特征指标判别膨胀土的判别标准，国内外尚不统一，各行业亦不统一。根据多年来工程实践中的经验总结和工程地质特征，采用现场定性和室内试验指标相结合的方法判别较为合理。在工程中，大多采用自由膨胀率Fs与其他指标相配合的判别方法。自由膨胀率Fs是以一定体积的扰动风干土，在水中增加的体积与原有体积的百分比来表示的土的膨胀性，采用自由膨胀率的缺点是忽略了土的结构性。(1)初判根据地形地貌、土的天然结构特征、膨胀土具有的裂隙性、胀缩性等特征，进行初步判别。①建筑、水电等系统提出的临界判别值为：自由膨胀率Fs≥40％；液限WL≥40％。②铁路系统提出的临界判别值为：自由膨胀率Fs≥30％；液限WL≥40％。③塑性图判别法：以塑性指数IP为纵轴，以液限WL为横轴的直角坐标图。《公路土工试验规程》(JTJ051-93)，对膨胀土的判别为：膨胀土为高液限黏土(CHE)，分布范围为WL50％，A线以上IP＝0.73(WL－20)。(2)详判①国家标准《膨胀土地区建筑技术规范》(GDJ112-1987)评判标准，将膨胀土胀缩等级分为三级，评判指标为自由膨胀率和地基分级变形量(表8-1)。②交通部《公路路基设计规范》(JTGD30-2004)标准，将膨胀土胀缩等级分三级，评判指标为自由膨胀率、膨胀总率和小于0.002mm黏粒含量(表8-2)。《膨胀土地区建筑技术规范》(GDJ112-1987)膨胀土胀缩等级分级标准表8-1级别指标自由膨胀率Fs(%)地基分级变形量Sc(mm)强膨胀土中膨胀土弱膨胀土≥9065-9040-85≥7035-7015-35《公路路基设计规范》(JTGD30一2004)膨胀土胀缩等级标准表8-2级别指标＜0.002mm黏粒含量自由膨胀率Fs(%)膨胀总率eps(%)强膨胀土中膨胀土弱膨胀土509035-50359065-9040-654702-40.7-22)根据膨胀土宏观结构特征判别膨胀土的另一个重要鉴别方法，是直接在野外观察膨胀土在长期自然地质作用过程中形成的特殊地质地貌景观的宏观判别法。膨胀土的野外宏观地质地貌特征，主要有以下五个方面。①地貌特征：具有垄岗式地貌景观，常呈垄岗与宽谷相间，地形平缓无自然陡坎，坡面冲蚀构槽发育，多出露于二级以上阶地与平原、缓丘；②土体结构：具有多裂隙性，常见有垂直、水平和斜交三组，裂面光滑常有擦痕，并可见灰白色或黑色薄膜与条带等，土块可层层分割，成规则的几何形体；③土质特性：黏土质重，滑感较强，常含有钙质与铁锰质结核或豆石；④土的颜色：多为棕、黄、褐等色夹灰白、灰绿色，亦常见灰白色、灰绿色等；⑤自然地质作用：常见边坡表层溜塌与浅层塑性滑坡，以及地裂等。当道路通过具有上述宏观地质地貌特征的地区，应当首先考虑膨胀土的可能性。然后，再采取代表性土样，进行工程性质测试试验，选择微观判别指标和方法，对可能的膨胀土进行判别。若野外宏观地质地貌符合以上特征，判别指标又达到临界判别值以上的土，则应判定为膨胀土。3)根据黏土矿物成分判别膨胀土的黏土矿物成分是决定其工程特性的主要内在因素，已有研究资料表明，当黏土矿物中蒙脱石含量超过20％，则土的工程性质主要由蒙脱石所决定，一般蒙脱石含量在12％以上的土，则具有较强的胀缩性。四、膨胀土主要工程性质及其对路基稳定性的影响1．涨缩性与收缩性影响膨胀土涨缩性的因素有矿物成分、颗粒组成、初始含水量、压实度及附加荷重等。其中，除了矿物成分和颗粒组成的内因因素影响外，初始含水量、压实度及附加荷重的外因因素影响也很大。(1)初始含水量的影响膨胀土的膨胀量与含水量成反比，含水量越小，遇水后土体吸水越多，膨胀量越大。收缩量与含水量成正比，含水量越小，干燥失水后收缩量越小。公路沿线土体的天然含水量是变化的，各处膨胀土的膨胀量和收缩量不是定值，同一种土的膨胀量随当地的含水量变化而变化。(2)压实度的影响采用重型压实标准，由不同压实度下膨胀量试验可知，压实度越大，膨胀量有所增加，而压实度对收缩量影响很小。(3)附加荷重的影响土体膨胀量受附加荷重(压力)控制，压力越大，膨胀量越小，当压力为0-0.05MPa时，影响最显著。工程施工中可采用增加上覆压力来减少膨胀量。膨胀土填方路堤因土的自重压力作用，下部、内部的膨胀是很小的，膨胀量大的部位是路堤顶部和边坡表层，路堤破坏往往先从这些地方发生。2．抗剪强度特性(1)膨胀土涨缩等级的影响膨胀土随涨缩等级的提高，土体内摩擦角反而降低，黏聚力却与等级无关。因此，为保证膨胀土路基的稳定性，对膨胀等级不同的膨胀土应加以区别对待，分别采用相应措施，强膨胀土不能作为路基填料。(2)含水量的影响无论哪种等级的膨胀土，含水量减小，摩擦角、黏聚力则随之增大。当最佳含水量收缩到塑限时，抗剪强度成倍地增长。膨胀土变湿时抗剪强度比修筑时小得多。所以，当采用膨胀土修筑的路基边坡无覆盖时，其抗剪强度可能全部丧失，是造成边坡溜坍、坍塌和浅层滑动的主要原因。(3)上覆压力的影响膨胀土随土层深度加大其摩擦角、黏聚力值也增大。利用膨胀土的这种特性，填筑路堤时应充分考虑增大压力来提高抗剪性，许多路基产生变形从坍肩开始就是由于没有上覆压力而造成的。(4)填筑条件的影响土体填筑干密度越大，抗剪强度越大；含水量越高，抗剪强度越低。但击实土在膨胀后摩擦角和黏聚力的最大值却是出现在最佳含水量击实到最大干密度的条件下。因此，为保证用膨胀土填筑路基在施工中及建成后都具有较高的强度和稳定性，仍应采用在最佳含水量条件下压实到最大干密度来控制施工。3．渗透特性膨胀土的体积变化主要是土中水分变化引起的，了解土的渗透性对分析已成路基和边坡水分变化的原因有重要意义。膨胀土渗透性差，其渗透性与上部压力、土体密实度有关。压实度增大，膨胀性越强的土，渗透性越小。但膨胀土一经暴露于大气，在风化应力作用下，失水收缩开裂后，透水性将会显著增大，这点在工程设计中应充分考虑。第二节膨胀土地区路基的变形与破坏一、路堑变形破坏类型1．剥落剥落是路堑边坡表层受大气物理风化作用，使土块碎解成细粒状、鳞片状，在重力作用下沿坡面剥落的现象。剥落主要发生在旱季，干旱时间愈长，蒸发愈强烈，剥落愈严重。一般强膨胀土较弱膨胀土剥落更甚，阳坡比阴坡剥落要严重。剥落物堆积于边坡坡脚或边沟内常造成边沟堵塞。2．冲蚀冲蚀是坡面松散表土在大气降雨或地表径流的集中水流冲刷侵蚀作用下，沿坡面形成的沟状冲蚀现象。冲蚀主要发生在雨季，与水流作用的强度和时间成正比例关系，水流越集中，冲蚀越严重，常使坡面由纹沟发展成细沟，进而形成冲沟，遍布坡面。一方面造成边坡不断后退，一方面冲沟深切将导致坡面土体局部破坏。3．泥流泥流是坡面松散土粒与坡脚剥落堆积物在雨季被水流裹带搬运形成。一般，在膨胀土长大坡面、风化剥落严重且地表径流集中时最易形成。泥流常造成边沟或涵洞堵塞，严重者可冲毁路基、淹埋路面。4．溜塌边坡表层强风化层内的土体，吸水膨胀软化，处于过饱和状态，在重力与渗透压力作用下，沿坡面向下产生塑流状塌移的现象。溜塌是膨胀土边坡表层最普遍的一种病害形式，常发生在雨季，与降雨稍有滞后关系。可在边坡的任何部位发生，与边坡坡度无关，有的以单个溜塌出现，但长大边按正常可见到多个溜塌体相连形成带状溜塌裙。溜塌上方有弧形小坎，无明显裂缝与滑面，塌体移动距离较短且很快自行稳定于坡面，呈片状分布。溜塌厚度受强风化层控制，大多在1.0m以内，不超过1.5m。5．坍滑边坡浅层膨胀土体，在湿胀干缩效应与风化作用影响下，由于裂隙切割以及水的作用，土体强度衰减，边坡丧失其稳定性，土体沿一定滑面整体滑移并伴有局部坍落的现象。坍滑常发生在雨季，较之降雨稍有滞后，滑面清晰且有擦痕，滑体裂隙密布，多在坡脚或软弱夹层处滑出，破裂面上陡下缓，滑面含水富集明显高于滑体，呈横展式分布。坍滑若继续发展，常沿后缘牵引逐步形成滑坡。坍滑发展除与膨胀土类型、边坡陡度有关，还受土体结构严格控制。其破坏厚度一般在风化作用层内，多为1.0-3.0m。6．滑坡边坡开挖土体临空，由于坡脚支撑或软弱夹层被切断，胀缩效应与风化作用使边坡土体结构破坏，强度衰减，在水的促滑作用下，使边坡土体丧失稳定平衡，沿一定滑面整体向下位移滑动。滑坡常在雨季发生，与降雨稍有滞后。具有弧形外貌，有明显的滑床与滑动面及擦痕。滑床后壁陡直，前缘比较平缓，主要受裂隙控制。滑坡多呈牵引式出现，具叠瓦状、浅层性和成群发生。滑面大多受软弱面制约，滑体裂缝密布，呈纵长式。有的滑坡从坡脚可一直牵引到边坡顶部，具有很大的破坏性。二、路堤变形破坏类型膨胀土路堤变形与破坏类型，按其变形破坏机理与位置，可划分为以下几类：1．沉陷由于膨胀土初期结构强度较高，在施工时不易被粉碎，亦不易被压实。在路堤填筑后，由于大气物理风化作用和温胀干缩效应，土块崩解，在上部路面、路基自重与汽车荷载作用下，路堤易产生不均匀下沉，如果在下沉中伴随