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专题调研


加筋对压实膨胀土裂隙发育规律的研究

加筋对压实膨胀土裂隙发展规律的研究

摘要

膨胀土是一种失水后收缩、吸水后膨胀的特殊土。气候的干湿循环导致膨胀土裂隙 的发育,裂隙会导致土体强度的降低,是造成膨胀土边坡、渠道发生滑塌的根本原因, 因此,在膨胀土工程中,只有掌握膨胀土开裂的规律,才能为减小膨胀土裂隙性带来的 灾害提出有价值的解决方案。

关键词:膨胀土;裂隙;干湿循环;加筋

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加筋对压实膨胀土裂隙发育规律的研究

第一章

绪论

1.1 论文背景
膨胀土在世界范围内分布非常广泛,迄今已经发现在世界上 40 多个国家都有不同 程度的膨胀土分布。中国是世界上膨胀土分布最广、面积最大的国家之一。在我国,膨 胀土主要分布于华中、华南和西南地区,区域人口超过三亿。我国关于膨胀土的研究工 作开展至今,已在其各个方面取得了很多有价值的研究成果,比如膨胀土的胀缩性、超 固结性、裂隙性以及强度衰减性研究,降水入渗对土坡稳定性的影响研究等。 膨胀土是在自然地质的形成过程中产生的一种多裂隙并且具有显著胀缩性的地质 体,其主要成分是强亲水性的矿物蒙脱石、伊利石及其混层粘土矿物。膨胀土对修筑在 其表面的各类浅表层轻型工程建设具有特殊的危害作用,新建膨胀土地区的路基往往是 “逢堑必滑,有堤必坍” ,因此,膨胀土也被称之为“工程中的癌症” 。 在公路工程中,膨胀土裂隙对路基及边坡的稳定性具有极大影响,因此,为减少膨 胀土裂隙性所带来的灾害而进行的方案研究十分必要。

1.2 研究意义
膨胀土的开裂对大量的工程地质性质产生重大影响。雨水的循环入渗和蒸发,使得 膨胀土产生循环的胀缩,逐步使土体产生裂缝,而裂隙的存在又进一步为雨水的入渗和 土水分的蒸发提供了通道,加快了土中含水量的波动和胀缩的反复发生,这又进一步导 致裂隙扩大并向土的深部发展。 膨胀土开裂后给雨水的进入大开方便之门, 雨水渗入后, 破坏了边坡土体的整体性和稳定性,随着稳定性的降低,边坡很容易出现滑坡。 因此,对膨胀土开裂防治措施的研究不仅显得特别紧迫与重要,而且具有非常现实 的意义。防治措施的研究对于减少工程灾害,减少工程预算,保护人民的生命财产安全 显得尤为重要。

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加筋对压实膨胀土裂隙发育规律的研究

第二章

膨胀土开裂对工程的影响

显而易见的是土体的开裂会降低膨胀土土体的强度。膨胀土的胀缩性、裂隙性和超 固结性是膨胀土特殊性质的主要表现,裂隙性是关键因素,胀缩性是裂隙的主要内因, 而超固结性则促进了裂隙的发育与发展。裂隙的产生、延伸、扩展和贯通,破坏了膨胀 土体的整体性,结构遭到破坏后,其强度和稳定性必然会下降,使得膨胀土滑坡成为难 以治理的“顽疾” 。同时,干湿循环气候影响下,膨胀土土体不断地收缩、膨胀,使其 裂隙得到发展,裂隙性是膨胀土的一大特性,裂隙性是引起膨胀土边坡、渠道滑塌的关 键原因。

第三章

膨胀土裂隙特征

膨胀土土体裂隙具有如下特点: (1) 裂隙的分布是随机的, 通过大量的室内外试验, 发现其裂隙发育又有一定的方向性,特别是是近乎直角的裂隙发育会比较发达。 (2)土 体裂隙的深度相对较浅,通常在 1-2m 左右,少数的情况也能达到 4m 左右,当气候较 为干旱地区, 或者膨胀土中所含的活性粘土含量比较高时, 个别的裂隙深度可以达到 7m 左右。 (3)裂隙表现为由表面向土体内部减小的趋势,其表面的开裂最大,但随着深 度的加大,裂隙会逐渐变小,以至最后消失。 (4)膨胀土的裂隙会随着含水率的变化张 开和闭合,干湿循环与其张开闭合是相对应的,在这种干湿循环的影响下,其强度不断 减小,特别是工程实际中,在不断地干湿循环下,其强度下降,造成安全隐患。膨胀土 土体不断的进行着干湿循环,不断的胀缩变形,会产生了大量的裂隙,加剧了膨胀土结 构的破坏。

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加筋对压实膨胀土裂隙发育规律的研究

第四章

膨胀土开裂规律

膨胀土是一种失水后收缩、吸水后膨胀的特殊土。气候的干湿循环导致膨胀土裂 隙的发育, 裂隙会导致土体强度的降低, 是造成膨胀土边坡、 渠道发生滑塌的根本原因, 因此,在膨胀土工程中,只有掌握膨胀土开裂的规律,才能为减小膨胀土裂隙性带来的 灾害提出有价值的解决方案。 但是一直以来,由于膨胀土裂隙发育和发展随着环境的不同具有复杂性、多变性, 并且裂隙的统计和观测手段的缺陷,针对膨胀土裂隙的定量分析的相关试验方向的研究 和讨论非常少。 大学期间曾经进行过关于干湿循环作用下膨胀土开裂规律及其对强度影 响的试验研究。实验主要的方法及成果如下:

4.1 室内开裂试验过程:
4.1.1 基本土性测试 通过滚搓法,把可塑状态的土在毛玻璃板上用手滚搓,在缓慢地单方向的搓动过程 中,土膏内的水分逐渐蒸发,如搓到土条直径为 3mm 左右时产生断裂为若干段,此时试 样的含水率为塑限含水率

wp

。圆锥仪法分别测定图样的塑限及液限。并去少量土样烘

干,测取最大干密度等基本数据。 4.1.2 试件制备 土样经风干后过 2 筛,制成含水率为最佳含水率的土样,土样在密闭袋子中放置 24
mm

小时。然后将土加入到玻璃容器中,制成压实度为 85%的土样,厚度为 2 ,表面用钢尺
cm

抹平。 同时采取不加筋及分别在距底层 1mm、5mm、 10mm、15mm、19mm 处加入窗纱。 每组三个平行试件,共制作 3*6=18 个试件。分别记为 A、B、C、D、E、F 组,平行试 件采用下标标注 A1、A2、A3 ,以此类推。 4.1.3 干湿循环 将烘箱调到 40 ?C ,将全部试件放入烘箱中,.每两小时称量土样质量变化,直到土 样质量变化小于 0.5 g 。用喷壶像容器内洒水,洒水的同时保证水雾均匀,洒水时间间 隔控制在一小时以上,以保证水与土的充分结合。按照液限含水率控制撒水量,待到洒
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加筋对压实膨胀土裂隙发育规律的研究

水后的重量达到要求的重量后停止喷水,并在密闭容器中放置 24 小时,使水分充分均 匀渗透,保证各个位置的水分一样,同时让土均匀的沉降。随后将试件放入烘箱中烘干 至最佳含水率即完成一次干湿循环。拍照记录一次干湿循环后裂隙发育状况。重复以上 步骤,直到五次干湿循环完成。

4.2 试验方法及所得初步结论
通过在室内对膨胀土进行开裂试验,用数码相机拍摄裂隙图像,再运用图像处理软 件进行处理,得到裂隙的裂隙参数,从量化上分析了膨胀土开裂的规律,包括裂隙的萌 生、发展、稳定。 通过试验,研究了干湿循环对膨胀土开裂的影响规律。结果表明:随着干湿循环次 数的增加,开裂的程度增加。第一次干湿循环对开裂的影响最为显著,随着干湿循环次 数的增加,裂隙逐渐趋于稳定。 目前膨胀土边坡中柔性支护技术已经非常成熟,但是对于格栅对膨胀土土体开裂的 抑制机理、 抑制规律的研究还未开展, 我们进行了相关的试验研究, 并得出了相关规律。 试验中通过在膨胀土土块中加入窗纱来模拟加筋对土体开裂的影响作用,并通过改变加 筋位置,来分析加筋位置对开裂的不同作用。结果表明:加筋能够在一定程度上抑制膨 胀土土体的开裂,随着加筋位置的不同,会对膨胀土土体开裂产生不同的影响。 土体的开裂会降低膨胀土土体的强度,以往的研究大多集中在干湿循环下强度的变 化规律,而裂隙是导致膨胀土强度降低的重要原因,裂隙与强度之间的相关关系的研究 还处于初级阶段,本文通过对不同干湿循环下的膨胀土试样进行直剪试验,得到干湿循 环对膨胀土土体强度的影响,并通过拍照,得到裂隙参数,包括裂隙率、分形维数、裂 隙平均长度、平均宽度等,再把得到的裂隙参数与强度进行分析比较,得到两者之间的 关系。具体表现为,随着干湿循环次数的增加,土体的抗剪强度减小,强度指标表现为, 粘聚力变化显著,而内摩擦角变化不大。随着干湿循环次数的增加,抗剪强度指标随着 裂隙面裂隙率、分形维数、裂隙平均长度、平均宽度的增加而减小,呈现线性递减的关 系。

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加筋对压实膨胀土裂隙发育规律的研究

第五章

膨胀土开裂的控制与治理措施

下面将重点介绍长沙理工大学“膨胀土地区公路修筑成套技术”课题组提出的“土 工格栅加筋土柔性支护综合处置”与“膨胀土填筑路堤物理处治技术”的方案。

5.1 土工格栅加筋土柔性支护综合处置
由上一章,我们不难想到加筋对于抑制膨胀土开裂的作用。将加筋与不加筋相比, 加筋材料(土工格栅,土工布等土工合成材料)的加入,通过改变土块的结构,使土块 的正常开裂受到了抑制。 与不加筋的土块相比较, 加筋膨胀土土块的裂隙表现为细而浅, 裂隙的平均长度和平均宽度都减小,裂隙率和分形维数在数值上也减小了,说明将加筋 材料加入在底层通过改善土体的结构,降低开裂的程度。同时不难发现,加筋材料的位 置对开裂产生了不同的作用,随着加筋材料加入的位置变深,裂隙变得粗而深。 交通部西部膨胀土研究项目课题组在充分研究了宁明膨胀土工程性质和路堑滑坡 特征的基础上提出了“保湿防渗” 、 “刚柔结合”的支当处治原则,并首创了采用土工格 栅加筋柔性支护处治方案,完成了试验边坡的施工,取得了较好的处治效果。

5.2 膨胀土填筑路堤物理处治技术
化学改良是以往膨胀土地区筑路研究和倡导(尤其是国外)的主要技术措施,但因 工艺复杂、施工设备要求高、不经济而无法推广。我国西部膨胀土地区筑路往往采取弃 土换填,造成土地资源浪费、水土流失生态环境破坏,同样导致工程投资大为增加。 含水率是影响膨胀土强度的重要因素。 不泡水条件下 CBR 随土样含水率增加而降低, 且含水率为 11 %~ 15 %和大于 25% 后,曲线下降趋势较缓;当含水率≤ 25% 时, CBR 均>10%,说明只要设法使膨胀土满足不饱水条件,尤其保持土体含水率较低时其强度较 大。试验结果给人以启示:通过采取有效的封闭包盖措施,把握好路堤土含水率的变化 范围,膨胀土作填料完全能满足强度要求。因此,根据路基不同层位的工作状态和受力 特点,将膨胀土填于特定的路堤部位,物理处治技术的合理应用,能有效避免膨胀土地 区筑路引起的大量借土废方, 带来良好的经济效益并解决好沿线水土流失及生态环境破

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加筋对压实膨胀土裂隙发育规律的研究

坏。 膨胀土填筑路基的物理处治技术包括以下几种方案:非膨胀性粘土包边,碎石土与 膨胀土互层、土工格栅包边,土工格栅包边等。 物理处治技术之所以能够取得良好的效果,是因为膨胀土填筑路堤后其填芯部分含 水率的变化、强度及总体稳定性均能满足路基正常工作状态的要求。物理处治后的路基 真实强度。 膨胀土直接用作路堤填料是否可行,关键在于对其工程性质及填筑后强度的认识是 否正确,这也是确立物理处治技术并要推广所必须解决的问题。所谓物理处治技术是针 对膨胀土地区路堤修建采取化学改良或弃土换填等传统方法而提出的,无论从工程的经 济性、施工的便捷性、土地资源占用量及生态环保效应等方面都有着传统方法所不能比 拟的优越性,它是一种有效节能环保的新技术。物理处治的基本思路是将膨胀土填于特 定的路基部位(下路堤) ,并限制填芯部分的总高度(按目前的研究宜在 6m 以内) ,同

时采取有效的保湿防渗措施进行封闭,控制堤中膨胀土湿度在一定范围内变化,从而使 路堤保持足够的强度和稳定性。

第六章

结语与展望

6.1 结语
膨胀土是一种失水后收缩、吸水后膨胀的特殊土。气候的干湿循环导致膨胀土裂隙 的发育,裂隙会导致土体强度的降低,是造成膨胀土边坡、渠道发生滑塌的关键因素, 因此,在膨胀土工程中,掌握膨胀土开裂的规律,才能为减小膨胀土裂隙性带来的灾害 提出有价值的解决方案。

6.2 展望
膨胀土开裂问题本身比较复杂。针对膨胀土开裂规律开展的系统的室内实验研究, 研究了干湿循环下加筋膨胀土和未加筋膨胀土裂隙的发展规律,同时也对裂隙对土体强 度的影响规律进行了初步研究,这些都取得了一定的成绩。但是由于理论和技术方面的 制约,研究还不够深入,同时对部分试验结果不能完全解释清楚。个人发现,今后的研 究还可以往以下方面继续进行: 1. 通过室内试验,可以获取膨胀土的裂隙参数,并建立裂隙与强度之间的关系,
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加筋对压实膨胀土裂隙发育规律的实验研究 但是在现场怎样进行整个边坡的裂隙观测和强度预测,还亟待研究。 2. 在膨胀土裂隙的研究中,对于裂隙深度的研究还很少,可以开展裂隙深度测量、 统计方法,以及裂隙的深度与表面裂隙的关系相关研究。 3.研究大多集中在土体裂隙的分形特征参数的研究,而较少涉及基于分形理论的强 度理论以及本构关系的研究。

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加筋对压实膨胀土裂隙发育规律的实验研究

参考文献
[1]刘特洪.工程建设中的膨胀土问题[M].北京:中国建筑工程出版社,1997 [2]郑建龙,杨和平. 公路膨胀土工程[M].北京:人民交通出版社,2009 [3]孙长龙,殷宗泽,王福生,等. 膨胀土性质研究综述[J].水利水电科技进展,1995 [4]廖济川.开挖边坡中膨胀土的工程地质特性[A].中国土木工程学会土力学与基础工程 学会,1992,101—108 [5]李生林.中国膨胀土工程地质研究[M].南京:江苏科学技术出版设,1992 [6]姚海林,郑少河,葛修润,等.裂隙膨胀土边坡稳定性评价[J].岩石力学与工程学报, 2002, (21)

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