膨脹土工程特性及路基工程處理技術

1、膨脹土工程特性與路基處理技術鄭萬鐵路湖北段路基工程施工培訓會陳善雄中國科學院武漢巖土力學研究所2017年7月提提 綱綱1 概述2 膨脹土危害3 物質組成與結構特征4 膨脹土的判別與分類5 壓實膨脹土的工程特性6 膨脹土滲透特性7 膨脹土改性8 膨脹土路基處治技術 9 路堤填筑施工工藝10 施工期降雨對膨脹土路堤填筑質量影響11 強膨脹土工程特性與渠坡處理12 路堤路塹現(xiàn)場試驗13 膨脹巖特性14 結語1 概述概述1.1 膨脹土定義 膨脹土是顆粒高分散、成分以粘土礦物為主、對環(huán)境的濕熱變化敏感的高塑性粘土。主要特征如下：粒度組成中粘粒(0s0s=0wmi0s0s0wmi0i0wmi=wmi,sa

2、twmi=wmi,sats0runoffi=0wmi0s0s0s0s=0i=0wmi=wmi,satwmiwmi,sats=0s2.02.02.0-0.52.0-0.50.5-0.250.25-0.0740.074-0.0020.002mmmmmmmmmmmmmmmm43.117.61.98.953.45.155.522.917.712.238.53.269.83415.29.728.33摻合比摻合比（%）顆粒組成（% ）顆粒組成（% ）石灰改性穩(wěn)定土脹縮特性指標石灰改性穩(wěn)定土脹縮特性指標 石灰摻石灰摻合比合比含水量含水量50kPa壓壓力下膨力下膨脹率脹率（%）（%）（%）420.40.280

3、.340.2836-1.625170.160.230.1631.8-0.34624.7-0.470.26-0.47收縮系收縮系數(shù)數(shù)脹縮總脹縮總率率（%）石灰改性穩(wěn)定土石灰改性穩(wěn)定土CBR試驗結果試驗結果 石灰摻合石灰摻合比比CBR（%）含水量含水量(%)(%)15.81.640.323.91.6448.120.41.620.00623.41.629022.71.540.0227.11.5492.823.61.580.00226.11.58105.726.41.550.00227.21.559029.71.50.04301.559.612.41.625.727.71.5326.515.31.62

4、0.0525.41.6278.7171.620.124.21.6287.719.61.610.00424.61.61108.4231.590.1626.51.59129.3261.55028.31.55120.528.81.51030.81.5191.331.81.450.0932.41.4562.519.41.530.0426.91.53101.423.51.550.00226.31.5562.3291.490.0229.81.4981.4膨脹量膨脹量(%)試驗后試驗后含水量含水量(%)干密度干密度(g/cm3)干密度干密度(g/cm3)456試驗前試驗前7 膨脹土改性膨脹土改性 經石灰改性

5、后中膨脹土的液限基本保持不變；塑限有較大幅度增大，相應塑性指數(shù)明顯減?。蛔杂膳蛎浡室裁黠@減??；細粒、粘粒含量明顯減少；最佳含水量增大，最大干容重降低；隨著石灰摻合比的增大，上述指標變化越顯著。石灰改性土相應的CBR值均大于60%，膨脹量小于0.04%，脹縮總率小于0.7%均可達到路用要求?？紤]到在路堤填筑施工過程中石灰均勻摻合較困難，建議中膨脹土石灰改性的質量摻合比為6.0%，壓實含水量按23.5%控制。 7 膨脹土改性膨脹土改性 u 中膨脹土粉煤灰改性7 膨脹土改性膨脹土改性 7 膨脹土改性膨脹土改性 經粉煤灰改性后中膨脹土的液限基本保持不變；塑限有所增大，塑性指數(shù)相應減??；自由膨脹率亦降低

6、，脹縮總率小于0.7%；細粒、粘粒含量相應減少；最大干容重降低； CBR值均大于8%；可滿足路用要求；建議粉煤灰摻合量為40%，壓實含水量按19.0%控制效果最佳。7 膨脹土改性膨脹土改性 經石灰-粉煤灰改性后，膨脹性基本消除，擊實土樣CBR值均大于100%，改性效果明顯。但考慮到該改性方案在實際施工過程中難以實施，未能做進一步的深入研究。 u 石灰-粉煤灰綜合改性7 膨脹土改性膨脹土改性 u 膨脹土水泥改性7 膨脹土改性膨脹土改性 u 膨脹土水泥改性7 膨脹土改性膨脹土改性 u 膨脹土水泥改性7 膨脹土改性膨脹土改性 u 膨脹土水泥改性7 膨脹土改性膨脹土改性 改性土最大干密度隨水泥摻量增加

7、呈線性增長，且最優(yōu)含水率與水泥摻量成較好的線性減小關系。 飽和膨脹土的應力應變關系為應變硬化型，而飽和改性土表現(xiàn)為應變軟化，呈脆性破壞，且水泥的摻入對齡期28 d后的飽和強度提高非常顯著，表明它能很好地抑制強度軟化。 飽和膨脹土屬高壓縮性土，摻入6%水泥的改性土呈低壓縮性 水泥改具有良好的水穩(wěn)定性換填法：方法可靠，建設成本高物理化學改性：摻石灰、水泥、粉煤灰、礦渣等 摻石灰處理膨脹土是最普通和有效的方法 建設成本高封閉包蓋法（包邊法） 通過邊對路堤進行封閉，阻隔干濕循環(huán)作用對膨脹土路堤的影響，達到穩(wěn)定膨脹土路堤的目的， 在南友、襄荊應用，其優(yōu)點是施工便利、造價低、環(huán)境效益好，夾層法 采用膨脹土

8、和砂性土夾層填筑，砂層構成雙層排水，使粘土層底部的含水量有效降低，從而達到較高的壓實質量和路基整體強度 該法施工最便捷、生態(tài)和經濟效益好 膨脹土更易通過砂性土夾層吸水而軟化，降低路基質量。 8 膨脹土路基處治技術膨脹土路基處治技術 砂礫墊層+邊溝膨脹土改性+邊溝最常見砂礫墊層+邊溝下設置管式滲溝膨脹土改性+邊溝下設置管式滲溝防滲土工布+砂礫墊層(膨脹土改性)+邊溝下設置管式滲溝 8 膨脹土路基處治技術膨脹土路基處治技術 u 膨脹土路堤結構型式8 膨脹土路基處治技術膨脹土路基處治技術 u 膨脹土路堤結構型式1:n路床：6改性土路堤：4改性土路中心線1:n路中心線中膨脹土路床 6%改性土4%改性土

9、1:n弱膨脹土路床：6改性土4改性土或砂石墊層路中心線弱膨脹土直填弱膨脹土直填路堤斷面形式路堤斷面形式 中膨脹土包中膨脹土包邊路堤形式邊路堤形式 中膨脹土全斷中膨脹土全斷面改性路堤面改性路堤 8 膨脹土路基處治技術膨脹土路基處治技術 u 零填及挖方膨脹土路基處置技術 8 膨脹土路基處治技術膨脹土路基處治技術 零填及挖方膨脹土路基處置技術 8 膨脹土路基處治技術膨脹土路基處治技術 膨脹土路塹坡面防護方法8 膨脹土路基處治技術膨脹土路基處治技術 膨脹土路塹坡面防護方法 8 膨脹土路基處治技術膨脹土路基處治技術 9 路堤填筑施工工藝路堤填筑施工工藝 對于不改良包邊段路堤填心部分而言，其填筑壓實含水量

10、宜按略低于其塑限含水量控制； 對于對石灰改良段路堤，其填料壓實含水量按其最優(yōu)含水量2.0%控制是可行的，且根據不同填筑部位，壓實含水量的控制范圍還可以適當放寬，但不宜超過其最優(yōu)含水量4.0%。壓實含水量壓實含水量的控制對保證路堤填筑質量至關重要的控制對保證路堤填筑質量至關重要路拌次數(shù)、松鋪厚度、碾壓遍數(shù)路拌次數(shù)、松鋪厚度、碾壓遍數(shù)對路堤填料均勻性、粒級組成以及壓對路堤填料均勻性、粒級組成以及壓實度均有實度均有影響影響u 混合料拌和方法混合料拌和混合料拌和方法方法路拌法路拌法廠拌法廠拌法u 路拌法，廣泛采用，可分為路拌法和集中場拌法，施工簡便，但易受天氣影響，均勻性不如廠拌法u 廠拌法，南水北調

11、中線工程全面采用，效果好，受天氣影響小9 路堤填筑施工工藝路堤填筑施工工藝施施 工工 放放 樣樣準準 備備 下下 承承 層層整整 形形拌拌 和和 灑灑 水水攤攤 鋪鋪 石石 灰灰 或或 水水 泥泥整整 形形 輕輕 壓壓備備 料料 、 攤攤 鋪鋪 土土灑灑 水水 悶悶 料料養(yǎng)養(yǎng) 生生碾碾 壓壓接接 縫縫 和和 調調 頭頭 處處 處處 理理u 路拌法施工工序要點：工藝流程要牢記切莫顛倒與混淆要點：工藝流程要牢記切莫顛倒與混淆機具配備應齊全高速有序效果好機具配備應齊全高速有序效果好9 路堤填筑施工工藝路堤填筑施工工藝9 路堤填筑施工工藝路堤填筑施工工藝成成 型型 10 施工期降雨對膨脹土路堤填筑質量

12、影響施工期降雨對膨脹土路堤填筑質量影響 u 弱降雨對膨脹土路堤填筑質量影響 雨水入滲量對碾壓層的影響很小 表面覆蓋層土的含水量隨深度的增加而增加，壓實度隨深度的增加而減小表4.7.1 降雨后壓實度測試結果試驗段試驗段號號日期日期填土填土類型類型降雨前降雨前含水量含水量(%)(%)覆蓋層以下取樣覆蓋層以下取樣深度深度(cm)(cm)含水率含水率(%)(%)平均含平均含水率水率(%)(%)干密度干密度(g/cm(g/cm3 3) )壓實度壓實度(%)(%)平均壓平均壓實度實度(%)(%)1#1#6.296.29素土素土17.6417.643 317.1217.1218.1718.171.801.8

13、099.599.596.9096.908 818.6918.691.741.7496.396.3151518.7118.711.721.7294.994.92#2#6.296.29素土素土覆蓋層以內覆蓋層以內131319.6019.6021.1821.181.611.6188.888.887.2587.25u 強降雨對膨脹土路堤填筑質量影響 強降雨對路堤含水量的影響深度為表面覆蓋層以下30cm； 素土在雨水入滲后，體積發(fā)生顯著膨脹，其干密度有較大程度減小； 灰土的含水量有一定程度的增長，但其壓實度變化不大。10 施工期降雨對膨脹土路堤填筑質量影響施工期降雨對膨脹土路堤填筑質量影響 u 針對施工

14、期降雨的膨脹土路基處置對策 對于持續(xù)時間較短、雨量較小的降雨(30mm)，僅對表面覆蓋層重新進行翻曬、破碎和碾壓。 對于持續(xù)時間較長、雨量較大的強降雨(30mm300mm)，建議對表面覆蓋層以下30cm范圍內的碾壓土層進行摻灰處理，以快速降低填土的含水量，并按灰土的填筑標準重新進行翻曬、破碎和碾壓。 建議對于表面覆蓋層，在填筑過程中設定一較大的橫坡，以利于雨水的消散，并嚴禁出現(xiàn)低洼的不平的坑洞。 10 施工期降雨對膨脹土路堤填筑質量影響施工期降雨對膨脹土路堤填筑質量影響 l 南水北調中線工程全長1400余km，膨脹土(巖)渠段 387公里，占27%弱膨脹土渠段 約170.5 km 弱膨脹巖渠段

15、 約76.8km中膨脹土渠段 約103.5 km 中膨脹巖渠段 約58.7km強膨脹土渠段強膨脹土渠段 約約 5.69 km 強膨脹巖渠段強膨脹巖渠段 約約34.2kml 雖然強膨脹土（巖）分布的長度少于弱、中等膨脹土(巖)，但由于其具有更強的膨脹潛勢，比弱、中等膨脹土（巖）更易造成渠坡失穩(wěn)，對渠道的危害更為嚴重l 目前，中線工程已全面開工建設，但是強膨脹土強膨脹土（巖）渠道設計基本是參考中等膨脹土的處理方（巖）渠道設計基本是參考中等膨脹土的處理方法，只是適當增加了改性土處理層的厚度，可能法，只是適當增加了改性土處理層的厚度，可能存在工程安全風險存在工程安全風險陶岔陶岔外環(huán)河外環(huán)河團城湖團城湖

16、方城埡口方城埡口穿黃工程穿黃工程11 強膨脹土工程特性與渠坡處理11 強膨脹土工程特性與渠坡處理強膨脹土工程特性與渠坡處理TS95-1試驗段TS92+95093+250，渠底強膨脹土，al-plQ2粘土TS13試驗段TS13+45013+765，渠坡強膨脹土，plQ1粘土TS95-2試驗段TS94+90095+310，渠底強膨脹土，al-plQ2粘土TS106試驗段TS105+600106+350，渠底強膨脹巖， N粘土巖TS216試驗段TS215+400216+200，渠坡強膨脹巖， N粘土巖ZG39試驗段ZG39+70040+400，渠坡強膨脹巖， N粘土巖強膨脹土強膨脹巖l 強膨脹土（巖

17、）工程特性及地質結構研究11 強膨脹土工程特性與渠坡處理強膨脹土工程特性與渠坡處理 強膨脹土現(xiàn)場試驗C值為室內試驗的40%80%，值為60%90%；強膨脹巖現(xiàn)場試驗C值為室內試驗的50%70%，值為90%100% 揭示了強膨脹土裂隙對抗剪強度的影響因素：(1)裂隙面占剪切面的比例；(2)裂隙面傾角；(3)裂隙面起伏差；(4)剪切方向開展室內基本物理、力學試驗，現(xiàn)場大剪抗剪強度試驗，提出強膨脹土（巖）體物理力學參數(shù)的推薦值。l 強膨脹土（巖）工程特性及地質結構研究11 強膨脹土工程特性與渠坡處理強膨脹土工程特性與渠坡處理強膨脹土巖化學成分統(tǒng)計表（各段平均值）強膨脹土巖化學成分統(tǒng)計表（各段平均值）

18、試驗段PH值 HCO3- Cl- SO42- Ca2+ Mg2+ K+Na+ 易溶鹽總量有機質含量燒失量 SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO CaO Na2O K2O TiO2 P2O5 MnO陽離子交換量g/kgg/kgg/kgg/kgg/kgg/kgg/kg%m mol/100gTS13段 6.96 0.470 0.059 0.059 0.063 0.060 0.063 0.7751.24 10.8259.88 16.10 6.53 1.87 1.13 0.24 2.41 0.82 0.06 0.14 42.25 TS95段 7.08 0.444 0.049 0.040 0.048

19、0.046 0.050 0.6771.40 10.1264.78 15.11 5.80 1.24 1.11 0.09 0.78 0.84 0.07 0.02 31.90 TS106段 6.97 0.398 0.054 0.047 0.056 0.056 0.047 0.6581.08 5.4368.57 15.59 6.33 1.01 1.02 0.15 0.99 0.91 0.09 0.16 31.03 TS216段 6.98 0.432 0.049 0.045 0.052 0.053 0.054 0.6851.21 8.1169.14 12.49 5.26 1.20 0.80 0.07 1

20、.73 0.73 0.14 0.10 32.13 ZG39段 7.19 0.502 0.050 0.048 0.056 0.052 0.058 0.7661.75 10.4461.13 16.43 6.02 1.62 1.29 0.33 1.71 0.75 0.09 0.05 38.04 強膨脹土巖礦物組成統(tǒng)計表（各段平均值）強膨脹土巖礦物組成統(tǒng)計表（各段平均值）試驗段粘土礦物碎屑礦物蒙脫石 伊利石 綠泥石 高嶺石 石英 長石 白云石TS13段5010103540TS95段533404010TS106段450504810TS216段435414620ZG39段553223430 化學成分以Si

21、O2、 Al2O3為主，粘土礦物以蒙脫石為主，碎屑礦物以石英為主 相同位置試樣的化學礦物組成基本相近；不同試驗段試樣存在一定的差異 強膨脹巖燒失量、陽離子交換量、蒙脫石含量等指標小于強膨脹土，而強膨脹土的石英含量略低l 強膨脹土（巖）工程特性及地質結構研究11 強膨脹土工程特性與渠坡處理強膨脹土工程特性與渠坡處理 自由膨脹率受到沉積環(huán)境與物質來源的影響，范圍值較大；其他脹縮性指標也有一定的差異性。 除了強膨脹土的縮限比強膨脹巖略高、收縮系數(shù)略低外，二者的其他收縮特性指標差異不明顯。 強膨脹巖出現(xiàn)壓縮狀態(tài)時的垂直壓力一般比強膨脹土大。膨脹土（巖）脹縮特性統(tǒng)計表（各段平均值）試驗段自由膨脹率無荷載

22、膨脹率不同起始壓力膨脹率ep膨脹力收縮特性壓力（kPa）垂直 側向 縮限收縮系數(shù)線縮率體縮率efe02550 100 150 200pepewsssiv%kPa%TS13段85 0.9 0.6 -0.2 -0.6 -1.0 -1.3 -1.5 6.2 10.5 0.391 6.83 19.1 TS95段107 4.4 4.2 0.3 -0.3 -0.9 -1.4 -2.0 39.1 40.0 9.2 0.464 7.03 21.8 TS106段94 1.4 1.6 0.5 -0.1 -0.9 -1.5 -2.6 58.3 38.6 9.2 0.538 7.91 22.1 TS216段81 3.

23、5 3.5 0.2 -0.2 -0.4 -0.7 -0.9 36.3 8.1 0.488 6.15 18.1 ZG39段90 2.1 2.1 0.0 -0.4 -0.8 -1.2 -1.5 38.5 35.0 l 強膨脹土（巖）工程特性及地質結構研究11 強膨脹土工程特性與渠坡處理強膨脹土工程特性與渠坡處理 強膨脹土（巖）具中等-極微透水性，現(xiàn)場試驗滲透系數(shù)均比室內試驗滲透系數(shù)大 強膨脹土的室內垂直滲透系數(shù)一般大于強膨脹巖，水平滲透系數(shù)相差不大。強膨脹土的現(xiàn)場試驗滲透系數(shù)一般略大于強膨脹巖 強膨脹土的孔隙比與土體垂直滲透性有較好的對應關系；強膨脹巖的裂隙發(fā)育情況對滲透性影響較大 表層大氣影響帶

24、的土（巖）體垂直滲透系數(shù)大于水平滲透系數(shù)；大氣影響帶以下關系不明顯 初始含水率越小、膨脹性越強、裂隙越發(fā)育且張開程度越大，試樣崩解速度越快、崩解量越大試驗段地層時代現(xiàn)場注水試驗成果表 室內滲透試驗統(tǒng)計表（平均值） 高程(m)滲透系數(shù)(cm/s) 滲透性分級滲透系數(shù)（cm/s）k20 k20 TS13 plQ1 1545.26E-05弱滲透性6.16E-075.83E-04 4.80E-071.64E-041527.81E-06微滲透性TS95-1 al-plQ2 1341.46E-052.60E-05 弱滲透性1.96E-076.28E-04 2.34E-079.63E-051334.17E-

25、05弱滲透性1346.25E-057.29E-05 弱滲透性2.43E-071.35E-05 2.45E-074.64E-05TS95-2 1331.04E-05弱滲透性TS106 N 1342.34E-05弱滲透性3.81E-078.28E-041332.60E-05弱滲透性TS216 N 1282.60E-05弱滲透性6.97E-081.43E-05 7.53E-083.77E-041262.08E-05弱滲透性ZG39 N 83.81.40E-04中等滲透性9.40E-088.72E-06 9.93E-085.51E-0485.83.82E-04中等滲透性l 強膨脹土（巖）工程特性及地質

26、結構研究11 強膨脹土工程特性與渠坡處理強膨脹土工程特性與渠坡處理270300330030609012015018021024002.5條01020304050607080900102030405060708090100(%)()10.223.721.516.416.45.13.41.71.7緩傾角中傾角陡傾角條數(shù)%9855.46737.9126.8結構面傾角分組統(tǒng)計表傾向玫瑰花圖傾角直方圖TS106 裂隙傾向玫瑰圖及傾角直方圖結構面條數(shù) = 177 強膨脹土（巖）小裂隙極發(fā)育，大裂隙較發(fā)育，長大裂隙較為少見 裂隙主要傾向24組，傾角以緩中傾角為主。裂隙面一般起伏不大；裂隙充填物多為灰綠色粘土

27、土（巖）體中裂隙以次生裂隙為主，部分為原生裂隙，構造裂隙僅在ZG39段可見。270300330030609012015018021024005.8條01020304050607080900102030405060708090100(%)()6.622.228.821.713.23.43.20.50.5緩傾角中傾角陡傾角條數(shù)%23657.615738.3174.1結構面傾角分組統(tǒng)計表傾向玫瑰花圖傾角直方圖結構面條數(shù) = 410TS13裂隙傾向玫瑰圖及傾角直方圖l 強膨脹土（巖）工程特性及地質結構研究11 強膨脹土工程特性與渠坡處理強膨脹土工程特性與渠坡處理 強膨脹土裂隙的張開情況大致可分三類：快

28、速出現(xiàn)張開；滯后出現(xiàn)張開；不張開；強膨脹巖裂隙均為快速出現(xiàn)張開。 強膨脹土裂隙發(fā)展最快時間段為8-10天，強膨脹巖裂隙發(fā)展最快時間段為7天； 強膨脹巖裂隙發(fā)展速度、張開程度比強膨脹土快，原因是強膨脹巖初始含水率較強膨脹土的含水率小，加之強膨脹巖超固結性更大，卸荷回彈比強膨脹土更明顯。第二天第四天第六天第八天強膨脹巖TS106段觀察面l 強膨脹土（巖）工程特性及地質結構研究11 強膨脹土工程特性與渠坡處理強膨脹土工程特性與渠坡處理裂隙面的抗剪強度低于土塊的抗剪強度；裂隙面的抗剪強度現(xiàn)場大剪試驗一般比室內試驗度低，但受裂隙面的影響，可能會出現(xiàn)異常。裂隙面抗剪強度推薦值裂隙面抗剪強度匯總表l 強膨脹

29、土（巖）工程特性及地質結構研究11 強膨脹土工程特性與渠坡處理強膨脹土工程特性與渠坡處理 強膨脹土（巖）體主要由片狀粘土礦物及長石、石英顆粒等組成；粘土礦物一般呈不規(guī)則排列；大部分試樣內微孔隙、微裂隙較發(fā)育極發(fā)育；部分試樣可見一、兩個方向的線性擦痕。 強膨脹土長石、石英含量低于強膨脹巖；粘土礦物的定向排列性略高于強膨脹巖；微孔隙、微裂隙發(fā)育程度略低于強膨脹巖。不規(guī)則片狀粘土礦物定向排列粘土礦物長石或石英顆粒線性擦痕微裂隙l 強膨脹土（巖）工程特性及地質結構研究11 強膨脹土工程特性與渠坡處理強膨脹土工程特性與渠坡處理 強膨脹土（巖）體通常在顏色、裂隙發(fā)育情況、膠結物等方面與其他土（巖）體的宏觀結構分層明顯。 某一層強膨脹土（巖）而言，其宏觀結構分層不明顯。僅少數(shù)段受地下水的影響，裂隙產狀或部分物理力學指標存在分帶性。強膨脹土（巖）宏觀分帶強膨脹土（巖）體內裂隙密集帶l 強膨脹土（巖）工程特性及地質結構研究11 強膨脹土工程特性與渠坡處理強膨脹土工程特性與渠坡處理 抗剪強度C值、值均隨脹縮次數(shù)的增加而減小。第一次脹縮循環(huán)后，C值衰減15-45%， 值衰減25% 42%；但隨后抗剪強度的衰減趨于穩(wěn)定，最終C值衰減28-58%， 值衰減43% 56% 。 不同試驗段強