膨胀土路基

路基设计原理——膨胀土路基目录一、概述二、膨胀土的定义及判别三、膨胀土的成分、成因及地理分布四、膨胀土的工程性质及工程病害五、膨胀土工程病害处治技术六、国内外研究现状及发展方向一、概述特殊性黏（粘）土——自然地质过程，多裂隙和显著胀缩特性；极为严重的经济、资源损失，生态环境破坏与水土流失；工程界的“癌症”；成为公路、铁路交通建设中最突出的工程病害问题之一；研究的意义。二、膨胀土的定义及判别膨胀土的定义：我国文献：膨胀土、胀缩土、裂隙黏土、膨润土等；陕南一带：“黄胶泥”；南方诸省：“晴天一把刀，雨天一团糟”；印度、中非、东非：“黑棉土”；日本：“问题黏土”。……二、膨胀土的定义及判别膨胀土的定义：1）第二届国际膨胀土研究会议：一种对于湿热等环境变化非常敏感的土；湿热变化下随湿度的增加或减少而发生膨胀或收缩，并产生膨胀压力或收缩裂缝；影响胀缩性的主要成分：蒙脱石黏土矿物。2）国内对膨胀土的补充定义：一种吸水膨胀、失水收缩和往复胀缩变形的黏土；主要黏土矿物成分：蒙脱石-伊利石，或伊利石-蒙脱石。二、膨胀土的定义及判别膨胀土的判别及分类合理判别方法：现场定性和室内试验指标相结合。指标：自由膨胀率，膨胀率，膨胀力，胀缩总率等。二、膨胀土的定义及判别膨胀土的判别及分类工程特性指标：膨胀土的自由膨胀率按下式计算：二、膨胀土的定义及判别膨胀土的判别及分类工程特性指标：某级荷载下膨胀土的膨胀率按下式计算：二、膨胀土的定义及判别膨胀土的判别及分类工程特性指标：膨胀力：原状土样在体积不变时，由于浸水膨胀产生的最大内应力。膨胀力的确定方法：二、膨胀土的定义及判别膨胀土的判别及分类工程特性指标：线缩率：天然湿度下的环刀土样烘干或风干后，其高度减少值与原高度之比的百分率。——收缩试验收缩曲线示意图二、膨胀土的定义及判别膨胀土的判别及分类1）美国恳务局规定依据：胶粒含量、塑性指数、缩限和膨胀体变。表2-1美国恳务局对膨胀土工程地质分类二、膨胀土的定义及判别膨胀土的判别及分类2）塑性图法依据：塑性指数、液限B线B线以右A线以上A线二、膨胀土的定义及判别膨胀土的判别及分类3）《铁路工程特殊岩土勘查规程》（TB10035）的判别标准表2-2我国铁路的膨胀土工程地质分类二、膨胀土的定义及判别膨胀土的判别及分类4）《公路路基设计规范》规定原规范JTJ013-95中膨胀土的工程地质分类表2-3膨胀土工程地质分类二、膨胀土的定义及判别膨胀土的判别及分类4）《公路路基设计规范》规定三、膨胀土的成分、成因及地理分布膨胀土的成分黏土矿物：蒙脱石、伊利石和高岭石——决定性碎屑矿物：石英、斜长石和云母（水云母）——影响不大三、膨胀土的成分、成因及地理分布膨胀土的成分——黏土矿物共性：结晶度低、晶粒微细、胶体特性显著。蒙脱石：鳞片状矿物，强烈的结构膨胀性。伊利石：弱膨胀性。高岭石：基本不具有膨胀性。决定性“三明治”结构三、膨胀土的成分、成因及地理分布膨胀土的成因区域地质条件与水文、地貌条件；地质条件：各种火成岩（基性火山岩）、各类变质岩和沉积岩中的黏土岩、泥灰岩和碳酸盐岩等基岩广泛发育的基础上演化而成。地貌特征：各种母岩风化物经水流搬运沉积而成的冲积、洪积、湖积型；母岩风化物在原地堆积或在重力作用下沿山坡堆积而成的残坡积型。形成年代多在新生代第三纪(N3)至第四纪晚更新世(Q4)。三、膨胀土的成分、成因及地理分布膨胀土的地理分布明显的气候分带性和地理分带性规律。遍及亚洲、欧洲、北美洲、南美洲、非洲及大洋洲六大洲40多个国家和地区；我国：世界上膨胀土分布最广的国家之一，遍及20多个省份。三、膨胀土的成分、成因及地理分布四、膨胀土的工程性质及工程病害膨胀土的工程性质我国膨胀土的主要特征如下：（1）颗粒组成中黏粒(＜2μm)含量大于30%；（2）黏土矿物成分中，伊利石、蒙脱石等强亲水性矿物占主导地位；（3）塑性指数多大于17，属液限大于40%的高塑性土；（4）土体湿度增加时，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；（5）膨胀、收缩变形可随环境变化往复发生，导致土的强度衰减；（6）属超固结性黏土。四、膨胀土的工程性质及工程病害膨胀土的工程性质1）结构特性宏观结构——多裂隙性；按成因：原生裂隙，次生裂隙（风化裂隙、减荷裂隙、斜坡裂隙、滑坡裂隙等）。主要影响膨胀土的膨胀与收缩特性、强度特性及变形特性。微观结构——膨胀土在一定的地质环境和条件下，由土粒、孔隙、凝胶结构等组成的整体结构。是决定膨胀土物理力学性质及其他性质的重要因素。四、膨胀土的工程性质及工程病害膨胀土的工程性质膨胀土结构特征与工程地质性质的关系：具有复杂形式的特殊结构体系——膨胀与收缩性及强度特征。各种微孔隙的存在——水分迁移变化的必要条件。各种胶结物质的胶结作用——一定的结构强度四、膨胀土的工程性质及工程病害膨胀土的工程性质2）强度特性抗剪强度——颗粒间相互移动和胶结作用而形成摩擦阻力黏粒含量，亲水性矿物，复杂的颗粒结构形式，裂隙分布的随机性，胶结物质的存在——比普通黏土更加复杂。抗剪强度具有典型的变动强度特性：峰值强度极高，残余强度极低，土体吸水软化。影响因素：物质成分、周围环境水分变化（干湿循环）、土体密实程度和初始含水率、上覆压力、裂隙的发育等。四、膨胀土的工程性质及工程病害膨胀土的工程性质3）变形特性外加荷载作用下的压缩变形；外加荷载和外水入渗或浸水共同作用下的湿胀、湿化变形，或外加荷载与蒸发、风干和水位下降等综合作用的干缩变形。变形特性研究成果：膨胀变形试验研究和膨胀变形计算研究。膨胀土胀缩变形特性与其物质成分、上覆压力、土体干密度和初始含水率有关。四、膨胀土的工程性质及工程病害膨胀土的工程性质3）变形特性《膨胀土地区建筑技术规范》（CBJ112-87）推荐地基膨胀变形计算经验公式：四、膨胀土的工程性质及工程病害膨胀土的工程病害波浪路面开裂、断板四、膨胀土的工程性质及工程病害膨胀土的工程病害翻浆冒泥四、膨胀土的工程性质及工程病害膨胀土的工程病害路堑破坏类型：剥落；冲蚀；泥流；溜塌；滑坡；……四、膨胀土的工程性质及工程病害膨胀土的工程病害路堤破坏类型：沉陷；纵裂；坍肩；滑坡；……五、膨胀土工程病害处治技术夯实法；物理化学改良法；封闭包盖法（包边法）；换填法。坡面防护法；支挡法。五、膨胀土工程病害处治技术夯实法增大干密度，减少含水量五、膨胀土工程病害处治技术物理化学改良法——按一定比例掺入物理化学改良剂改善或抑制膨胀土的胀缩特性主要改良剂：石灰类改良剂水泥类改良剂工业废渣类改良剂水玻璃类改良剂有机类改良剂五、膨胀土工程病害处治技术封闭包盖法采用非膨胀土、石灰改性土或其它改性土包边进行封闭、隔水。防渗复合土工膜采用“二布夹一膜”五、膨胀土工程病害处治技术换填法换填时宜采用非膨胀性土、灰土或改良土；适用于膨胀土层较薄的地区；膨胀土层较厚的地基可采用部分挖除，铺设砂、碎石垫层的方法。五、膨胀土工程病害处治技术坡面防护法——设置圬工结构或植物防护措施支挡法——挡墙、抗滑桩六、国内外研究现状及发展方向膨胀土的物质组成与结构目前，膨胀土矿物成分鉴定方法主要有差热分析(TDA)、X-射线衍射(XRD、红外光谱(IR)以及扫描电镜(SEM)等；化学成分的研究手段主要有全化学分析和微量元素分析等。耿建彬将裂隙分为原生裂隙和次生裂隙，并研究了影响次生裂隙形成发育的因素。易顺民结合分形几何和裂隙结构，探讨了膨胀土裂隙研究的定量化模式。20世纪80年代，高国瑞等对黏土矿物叠片体与其工程性质的关系作了较多的研究。随后，廖世文、李生林等对膨胀土微结构进行了研究，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其结构特性的结论。Delage认为对非饱和土力学性质的理解需要用可靠的概念模型来实现。第一种概念模型涉及到非饱和土的微结构，第二种模型即非饱和土的弹塑性模型。刘松玉、徐永福用分形理论研究了膨胀土的微观结构，并建立了相应的数学模型六、国内外研究现状及发展方向膨胀土的胀缩机理膨胀土膨胀的矿物学理论——从矿物晶格构造出发；膨胀土膨胀的物理化学理论——渗透理论、双电层理论应用较普遍；膨胀土膨胀的物理力学理论——包括有效应力理论、毛细管理论和弹性理论等。膨胀土的判别分类南非土木工程研究所VanderMerwe(1964)利用塑性指数、小于2μm颗粒含量及黏土活性三个因素建立黏土膨胀势判别分类图对膨胀土进行判别分类。谭罗荣提出了风干含水量判别法；部分研究者采用多指标数学判别式对膨胀土进行判别与分类。六、国内外研究现状及发展方向膨胀土的变形与固结特性徐永福根据膨胀土的膨胀变形试验，提出膨胀土膨胀变形的模型，得到了膨胀变形与含水量和压力之间的定量关系。徐永福运用速率过程理论，研究了非饱和膨胀土的膨胀变形特征，根据速率过程理论，证明了膨胀土膨胀变形速率与时间在双对数坐标上呈直线相关，膨胀变形量是时间的幂函数或对数函数。刘祖德对膨胀土渠坡在剪切过程中的应力-应变关系作了深入的研究，用平面应变试验模拟实际渠坡的应力应变特征，并在真三轴仪中进行了试验，得到反映主应力差与轴向应变关系的曲线。Weston根据不同干密度的黑棉土的膨胀变形资料，总结得到膨胀量(线膨胀量)的经验公式；Hung和Fredlund采用二维有限元预测了膨胀土体积变形。六、国内外研究现状及发展方向膨胀土的强度特性1、渐进性破坏理论：Bjerrun认为超固结膨胀土边坡的破坏是渐进性的，强度不一，其抗剪强度并非在滑动面上同时发挥；Skempton认为在渐进性破坏时，强度并不一定降低到残余强度，并且初次滑动的强度明低于峰值强度；廖济川利用现场滑动面推求现场平均强度，其值介于峰值强度与残余强度之间。2、滞后破坏理论：膨胀土边坡破坏往往是在开挖后几个月或若干年后才发生。Chandler，Skempton认为滞后破坏的根本原因除了存在裂隙的关系使c随时间降低外，更主要的是由于孔隙水压力达到平衡的速度非常缓慢所致。3、胀缩效应理论：廖世文等认为膨胀土边坡的变形演化实际上是土体在内营力作用下，经往复干缩湿胀(干湿循环)，其抗剪强度逐渐衰减的过程；孔官瑞认为胀缩变形和干湿循环次数只影响有效凝聚力，对内摩擦角影响不大。4、气候作用层理论；5、分期分带理论；……六、国内外研究现状及发展方向膨胀土的渗透性Richards将Darcy定律推广应用到非饱和渗流中，建立起水相渗流所满足的控制方程，通常称为Richards方程。在有限差分数值模拟方面，Rubin研究了二维饱和-非饱和土中的非稳定流，用有限差分方法给出了二维Richards方程的数值解。Freeze研究了三维地下含水层饱和-非饱和非稳定流，并给出了数值解法。黄俊等采用Galerkin有限元法结合隐式向后差分法，编制出简单合理和切实可行的计算程序SUSED。包承纲根据实验结果对压实非饱和土依其含水量的不同，提出了气相的完全连通、部分连通、内部连通和完全封闭四种气相形态，并研究了不同气相形态与孔隙压力消散规律的关系，并以毛细压力试验、气渗透性试验以及孔隙压力消耗试验进行了验证。六、国内外研究现状及发展方向膨胀土地基处理措施陈善雄，李伏保，孔令伟研究了弱膨胀土路基的压实性状，并提出了路基处治对策。李妥德等提出用矿渣复合料改善膨胀土的工程性质，结果表明，掺入无机料对膨胀土的改良是行之有效且经济的方法。陈善雄探讨了膨胀土的石灰改性；刘广武，李建宇、谢宝玉把NCS固化剂中加入消石灰或石膏提高了改良效果。王明芳就砂石垫层在膨胀土地基处理中的应用作了深入细致的分析。杨世基，王玉泉论述泰安膨胀土路基的处理技术，包括采用外掺料改良膨胀土、全断面封闭膨胀土路基顶层，并进行砂垫层、石灰