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1、膨胀土的工程特性和判定及路基设计,二、膨胀土的工程特性(一)胀缩性 膨胀土吸水体积膨胀，使其上的建筑物隆起，如果膨胀受阻即产生膨胀力；失水体积收缩，造成土体开裂，并使其上的建筑物下沉。膨胀土产生膨胀的强弱与黏土颗粒含量、黏粒的矿物成分以及晶体结构的差异有关。膨胀土的颗粒成分：粒径0.05mm 砂粒 含量较少；土的颗粒越细，膨胀土的特殊性质越强。,膨胀土路基,膨胀土路基,组成成分：我国膨胀土的主要成分为蒙脱石、伊利石和高岭石等。）蒙脱石是一种鳞状矿物，具有强烈的结构膨胀性；）伊利石的晶格结构和蒙脱石类似，但是活动能力较低，仅有中等膨胀性；）高岭石晶体结构比较稳定，属于低膨胀性土。微观结构方面：膨
2、胀土的微观结构和其成因类型、粘土矿物的种类和迭堆情况相关。,S,S,S,S,S,S,S,3,膨胀土及其工程问题膨胀土是一种富膨胀性粘土矿物且在环境干湿交替作用下发生体积明显胀缩和强度强烈衰减而常常导致工程变形破坏的非饱和粘性土。铝氧八面体,硅氧四面体,蒙脱石构型,钾离子,伊利石构型,微观特征：（1）以蒙脱石和伊利石及其混成粘土矿物为主，易吸水膨胀，失水收,缩；（2）比表面积大；（3）阳离子交换量大；（4）微裂隙发育。,高岭石构型,G,S,nH2OGS,G,SGS,铝氧八面体,硅氧四面体,GSGS,膨胀土路基,自由膨胀率ef将人工制备的磨细烘干土样，经无颈漏斗注入量杯，量其体积，然后倒入盛水的量
3、筒中，经充分吸水膨胀稳定后，再测其体积。增加的体积与原体积的比值ef称为自由膨胀率。,膨胀土路基,（二）多裂隙性 普遍发育各种形态的裂隙是膨胀土的另一个显著特征。膨胀土的形成与其成土过程、涨缩效应、风化作用等相关。分类：原生裂隙：地表以下3m的土体很少受气候变化的影响，成为原生裂隙。次生裂隙：分布在3m以内，用肉眼就能很容易观察到。,膨胀土路基,（三）超固结性 由于膨胀土大都是在更新世以前沉积的土层，在历史上曾经受过超压密作用，处于超固结状态。因此膨胀土：随着土体开挖，将产生明显的卸载膨胀，是土体内聚集的能量逐渐释放。（四）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
4、。（五）强度衰减性 由于胀缩效应和风化作用时间增加，抗剪强度大幅度衰减。,膨胀土路基,（二）膨胀土的判别标准和分类标准 膨胀土的判断标准和分类指标都采用综合判定的方法，及根据现场的工程地质特征、自由膨胀率、和建筑的破坏程度来综合确定。,标准吸湿含水率（%）,标准吸湿含水率,（%）,标准吸湿含水率,（%）,R=0.9461,R=0.9823,R=0.9211,y=0.0264x+0.69012,0,1512963,0,400,500,100 200 300比表面积（m2/g）,y=0.2649x+0.72662,0,1512963,0,40,50,10 20 30蒙脱石含量（%）,y=0.028
5、1x-0.45592,0,1512963,0,600,4200 400阳离子交换量（me/kg）,膨胀土及其工程问题2膨胀土的判别与分类（1）国内外现有膨胀土判别分类指标可分为两大类：宏观（间接）指标通过工程实验评价其膨胀潜势；微观（直接）指标反映胀缩机理的本质参数，如蒙脱石含量、比表面积、阳离子交换量。（2）公路部门：自由膨胀率、塑性指数；铁路部门：微观指标。（3）最新研究成果：测试简便、能反映膨胀土的胀缩本质的宏观指标标准吸湿含水率。,膨胀土路基,膨胀土的初判判断指标,膨胀土路基,膨胀土评判指标,膨胀土分级,注：当有2项指标符合时，即判定为该等级。,膨胀土公路路基的常见病害,（1）滑坡路堤
6、路堑均有发生，是膨胀土路基最严重的病害。路堤滑坡往往发生在填土或基底为膨胀（岩）土层的情况，滑体一般宽2050米，厚25米；路堑滑坡多发生在膨胀（岩）土分界面，裂隙面或软弱层处，宽数10米，厚一般34米，较少超过6米，具有成群分布、浅层性、牵引性、结构和构造性以及多次滑动性等特点。10,膨胀土及其工程问题,内蒙古呼集路大滑坡,11,（2）坍滑,路基施工中到处可见，路堤坍塌多发生在路肩，坍壁一般不超过1米，宽几米或十几米不等；路堑坍塌较严重，多发生在堑顶，坍壁一般高23米，宽为几十甚至达到百米。,膨胀土及其工程问题,12,（3）溜坍,路堤一般在坡腰和坡脚发生，厚度多小于1米，路堑多在已剥落、冲蚀
7、或臌胀的坡面上产生，高度和长度均在数米内，厚多在0.20.6米，在长路堑边坡中也可见多个溜坍体连成的溜坍裙。,膨胀土及其工程问题,13,（4）结构物破坏,由于膨胀土胀缩变形和膨胀力作用，挡墙推移，墙身被剪断，涵洞基础下沉开裂，洞身断裂或涵底隆起，桥台开裂，桥梁锥坡和挡墙开裂外移。,膨胀土及其工程问题,14,水泥路面纵向开裂,膨胀土及其工程问题（5）路面变形、开裂和断板沥青路面变形,（一）膨胀土路堤设计边坡高度不大于10m时，边坡坡度和平台设计标准,膨胀土地区的路基设计,膨胀土路基,在膨胀土地区设计路堤时，还应该考虑下面的要求：（1）用膨胀土作路基填料，土块应击碎。（2）强膨胀土不可做路基填料，
8、不得已时候要进行改良。（3）膨胀土路堤应该预留沉降加宽量，可根据路堤高度，每侧加宽。,(1)非膨胀性土包边技术,(2)土工格栅（网）边部加筋技术(3)膨胀土与碎石夹层、格栅包边技术(4)石灰改良膨胀土、格栅包边技术25,推荐方案,膨胀土路堤修筑技术5膨胀土直接用作路堤填料的处治技术（物理处治方法）封闭包盖,H8.0,6.0,7.5,1.5,:1.,26,非膨胀性土包边技术,碎石土,膨胀土,非膨胀土,24.5,3.5,3.5,1,75,尺寸单位：m设计要点：,破面封闭选择具有一定强度且隔水性好的非膨胀性粘土包边，包边厚度由当地膨胀土干湿循环显著影响区深度确定。底面隔水应对基底进行处理，防治地下水
9、和毛细水的影响。顶面封闭选择非膨胀性粘土填筑于上路堤和路床。,膨胀土路堤修筑技术,膨胀土路堤整体稳定性检算 膨胀土路堤整体稳定性，进行圆弧法分析进行分析计算。强度采用浸水后的指标，不计滑弧通过路堤表层1.0M的范围内的抗剪强度，设计安全系数1.25。如小于1.25，则需要修改路基断面直到满足为止。膨胀土路堤边坡表层稳定性检算 膨胀土路堤竣工初期，表层和内部土的强度基本上是一致的。但经过风化作用后，由于干缩湿涨反复作用变形，表层土中产生了很多裂隙，雨水沿着不断发育的裂隙深入，使土块崩解、软化、膨胀，密度减小，导致大量的边坡浅层溜坍发生。表层抗滑安全稳定系数计算公式:C黏聚力，约等于无侧限抗压强度
10、的一半（kpa）土的容重 土的倾角 H滑面的高度 D滑面的深度，即表层软化深度,膨胀土路堑设计膨胀土路堑地区断面形式应根据膨胀土的特性，防治地表水的渗入，冲蚀，防止风化作用发展，防止胀缩变形和强度衰减为出发点。因此路堑边坡按照下面图式设计：,膨胀土路堑横断面形式,膨胀土路基设计,路堑边坡坡度和平台宽度,3 膨胀土路堑边坡的稳定性分析 坡面冲蚀和表层溜坍是一种浅层破坏现象，一般不作边坡横断面设计依据。大量实践表明，膨胀土地区的滑坡多由边坡开挖，切断了下部支撑，在地下水作用下，使斜坡土体失去平衡而产生滑动所致，故在开挖前应探明有无产生滑坡的可能性，设计中考虑防止措施。对膨胀土路堑边坡稳定性分析方法
11、是：边坡坍滑的静力学平衡分析法，其理论基础为圆弧条分法。,受干湿循环作用控制的浅层破坏,受裂隙软弱结构面控制28的浅层破坏,受层间软弱结构面控制的破坏,膨胀土路堑边坡处治技术膨胀土路堑边坡滑坍是膨胀土地区最严重、最易发生和最难治理的地质灾害。1膨胀土路堑边坡破坏模式,39,刚性支护，以圬工结构（重力式挡墙、抗滑桩和片石护面墙等）为主，并辅以其他必要综合处理措施，它是目前最常用的处治方法。,3膨胀土路堑边坡常用处治技术,不允许被支护土体产生变形。,积蓄的膨胀能和膨胀压力大，可能,导致支档结构物的破坏。,施工困难、周期长、造价高。,膨胀土路堑边坡处治技术,40,膨胀土路堑边坡处治技术4柔性支护结构
12、,回填碎石土,带孔,管,两布一膜封层,回填碎石土,渗沟,水泥盖板,0.5,0.5,浆砌片石,单层土工布封层砖砌,膨胀土填料,填筑碎石,带孔,管,防水土工布路面70,主要适用于各类膨胀土路堑,边坡的滑坡处治，也可用于边坡,开挖后的及时支护。,回填碎石适用对象：,结构形式,41,柔性支护结构特征采用土工格栅分层摊铺锚固，回填非膨胀土或膨胀土压实形成足够厚度的柔性挡墙，再辅以坡顶的封闭、墙背及基底的排水处理可发挥如下功效：土工格栅与填土之间的摩擦力和咬合力以及格栅的层间联结、反包可提供足够的抗剪强度，使加筋土体构成一个整体来抵抗边坡的作用；柔性挡墙允许边坡土体产生一定的变形可释放开挖边坡的大部分应力
13、和膨胀力，“以柔克刚”；坡率为1:1.5、厚度大于3.5m、高度大于三分之二坡高以上的的柔性墙体能覆盖新近开挖堑坡的主要坡面，其足够的自重可以抵抗土压力的作用；足够的墙体厚度可隔绝和防止风化作用对坡体膨胀土的影响（大于有效活动层深度），阻止裂隙进一步发展和浅表层滑坍。各个防排水设施之间相互联系，形成了路堑边坡坡后、坡体、路基、路面、地表之间综合防排水体系。,膨胀土路堑边坡处治技术,42,气候季节变化和晴雨交替作用的影响，地表水平面以下自然土体水分发生显著变化的深度范围。干缩开裂显著影响区,增湿膨胀（产生膨胀力或膨胀变形）裂隙和裂缝干湿循环影响下的膨胀土边坡,膨胀土路堑边坡处治技术5柔性支护结构设计 处治范围边坡破坏现场调查和数值模拟分析结构已经表明膨胀土的破坏以浅表层为主，干湿循环是主要肇因。因此，路基处治范围应该由膨胀土的干湿循环显著影响区而定。干湿循环显著影响区是指受,支挡结构整体性强 破坏了原坡体的结构面,柔性支护处治技术的评价,可吸收墙后坡体膨胀变形的能量 有利于坡面的排水和坡体排水 减弱地表水下渗及干湿循环作用 具有良好的环保效益，施工便捷，技术简单，造价低廉4.柔性支护结构的设计方法5.柔性支护边坡稳定性分析方法47,路堑边坡处治前、后情况对比照片（1）,路堑边坡处治前、后情况对比照片（2）,膨胀土路堑边坡处治技术,
