【正文】 夾層法 原理 膨脹土具有很高的膨脹潛勢(shì)，這與它含水量的大小變化有關(guān)，如果其 南寧至友誼關(guān)高速公路 K139+500～ K140+240路基處置方案設(shè)計(jì) 第 39 頁(yè) 共 70 頁(yè) 含水量保持不變，則不會(huì)有體積變化，在工程施工中，建造在含水量保持不變的膨脹土上的構(gòu)造物不會(huì)遭受由膨脹而引起的破壞，當(dāng)膨脹土的含水量發(fā)生變化，立即就會(huì)產(chǎn)生垂直或水平兩個(gè)方向的體積膨脹，含水量的輕微變化，僅 1%～ 2%的量值就足以引起有害的膨脹。路基施工土處于干燥狀態(tài)（稠度在 以上）壓實(shí)，土體會(huì)慢慢吸取水分而達(dá)到平衡含水量狀態(tài)。 （ 2） 石灰土悶料時(shí)間直接影響膨脹土浸水膨脹率，悶料 7d 后的 CBR 強(qiáng)度雖有大幅度下降，但其最低值無論是第一層的 %還是第二層的%，仍能較好地滿足下路堤對(duì)填料的要求，然而 CBR 浸水膨脹率則僅第二層弱膨脹泥巖（ 98 擊）仍較低（ %— %），第一層中等膨脹 土（ 98擊）則偏高（ %— %），說明處理第一層膨脹土?xí)r，悶料時(shí)間不能過長(zhǎng)；當(dāng)膨脹土天然含水量過高時(shí)，為保證悶土有足夠的時(shí)間攤鋪、晾曬，必須采用 2 次灰工藝。在前面我們進(jìn)行了室內(nèi)土工試驗(yàn)，結(jié)果如表 3表 析，按自由膨脹率和液塑圖法綜合判別：第一層為中等膨脹土，第二層為弱膨脹巖，但其 CBR 浸水膨脹率分別在 %和 %以上，遠(yuǎn)高于其他同等脹縮等級(jí)的膨脹土，說明該處膨脹土除有膨脹土的土質(zhì)共性外，還有浸 南寧至友誼關(guān)高速公路 K139+500～ K140+240路基處置方案設(shè)計(jì) 第 36 頁(yè) 共 70 頁(yè) 水后強(qiáng)膨脹的個(gè)性。 3）膨脹土中硅，鋁和鈣的含量對(duì)石灰處理膨脹土的四個(gè)作用都會(huì)有影響，而膨脹土中鐵，硫化物和有機(jī)質(zhì)含量過多，將會(huì)破壞以上四個(gè)作用。 2）石灰是適用于高塑性類土的最普及的穩(wěn)定劑，石灰與土之間發(fā)生化學(xué)作用是非常復(fù)雜的，但石灰穩(wěn)定膨脹土的過程主要有兩個(gè)，其一是隨著石灰中強(qiáng)的 鈣離子取代土中低價(jià)的離子，比如由粘土顆粒表面的鈉離子而發(fā)生陽(yáng)離子交換，沒有發(fā)生交換的鈣離子可能會(huì)被吸附，造成總的離子單位質(zhì)量增大；其二是石灰與土混合時(shí)通過粘土粒的絮凝，使土的組織發(fā)生變化，隨著石灰含量的增加，人為地減少了粘粒含量，因而也就相應(yīng)減少了脹縮性與塑性指數(shù)。 結(jié)論分析 根據(jù)以上分析，考慮南友路 K139+500～ K140+240 路段長(zhǎng)度 740 米，中線最大設(shè)計(jì)填高為 8m，因此在此些物理方法中考慮采用夾層法進(jìn)行路堤處治。 在氣候潮濕多雨或者工期緊張的情況下，靠曬晾降低含水量比較困難，據(jù)資料介紹，在英國(guó)由于氣候潮濕多雨，膨脹土填料常在最優(yōu)含水量的 倍的情況下碾壓，為提高碾壓質(zhì)量，常采用高含水量粘土和沙土層互層的方法進(jìn)行施工，稱為三明治結(jié)構(gòu)（ Sandwich Constraction），即采用某種土和膨脹泥巖夾層填筑，采用土工格柵包邊的夾層法，在采用這種方法時(shí)，高含水量粘土與其上下砂土層構(gòu)成雙層排水結(jié)構(gòu)，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的蒸發(fā)，能使粘土層底部的含水量有效降低，達(dá) 南寧至友誼關(guān)高速公路 K139+500～ K140+240路基處置方案設(shè)計(jì) 第 33 頁(yè) 共 70 頁(yè) 到較高 的壓實(shí)質(zhì)量。所以，必須對(duì)膨脹土的路基進(jìn)行適當(dāng)處治才能應(yīng)用于工程建設(shè)。 南寧至友誼關(guān)高速公路 K139+500～ K140+240路基處置方案設(shè)計(jì) 第 31 頁(yè) 共 70 頁(yè) 第六章 路堤物理處治方法和化學(xué)處治方法分析 膨脹土是對(duì)環(huán)境的濕熱變化敏感的高塑性粘土，在自然狀況下，膨脹土多呈硬塑性或堅(jiān)硬狀態(tài)，具有黃、褐、灰白等色，它主要由親水性礦物質(zhì)組成，如蒙脫石、伊利石和高嶺石等。 地質(zhì)標(biāo)志推測(cè)法 該法通過現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)觀察實(shí)測(cè)開挖膨脹土邊坡的上部氧化層界面埋深和局部滯水活動(dòng)底截面埋深及土層，巖層中的張大豎向干縮 開裂的裂隙深度，取統(tǒng)計(jì)平均值作為推測(cè)值，該法依據(jù)地質(zhì)歷史分析方法，假定同一地區(qū)相同地質(zhì)成因的膨脹土的第四系地質(zhì)歷史中的氣候風(fēng)化作用具有可比性，該法只適用于施工地質(zhì)階段，結(jié)果除受方法的準(zhǔn)確性影響外，還受觀察著的工程地質(zhì)經(jīng)驗(yàn)和古今氣候變化幅度的影響，但卻具有成本低，快速，簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)。 濕度系數(shù)估計(jì)法 在《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》（ GBJ11387）提出的濕度系數(shù)估算大氣顯著影響層深度的方法 中，首先要求了解的是當(dāng)?shù)亟甑臍庀筚Y料。 （ 3）膨脹土路堤填筑后，邊坡表層與內(nèi)部填土的初期強(qiáng)度基本一致。 南友公路膨脹土路堤病害分析 根據(jù)南友公路寧明段膨脹土的工程特性和區(qū)域個(gè)性，路堤填筑成形后將會(huì)發(fā)生以下情況： （ 1）膨脹土初期結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高，在施工時(shí)不易粉碎，亦不易被壓實(shí)，即使經(jīng)粉碎碾壓，土體結(jié)構(gòu)雖然被破壞，但微結(jié)構(gòu)和土質(zhì)特性仍保留。從實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)含水量、干容量等外部及內(nèi)部因素對(duì)膨脹土所產(chǎn)生的力學(xué)變化。通俗的講，就是試樣膨脹到最大限度以后，再加荷載直到回復(fù)到其初始體積位置所需的壓力。膨脹率可以用來預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)物的最大潛在的膨脹量。 這表明膨脹土不可能避免的出現(xiàn)膨脹問題。 南寧至友誼關(guān)高速公路 K139+500～ K140+240路基處置方案設(shè)計(jì) 第 25 頁(yè) 共 70 頁(yè) 干容重 膨脹土的干容重與其天然含水量是息息相關(guān)的。建造在膨脹土上的地板 ，在雨季來臨時(shí)，土中含水量增加引起的地板翹起開裂屢見不鮮。如果其含水量保持不變，則不會(huì)有體積變化。 膨脹土的物理性質(zhì)及力學(xué)性質(zhì)分析 膨脹土按粘土礦物分類，可歸納為兩大 類：一類以蒙脫石為主，另一類以伊力土和高嶺土為主。而且缺少任何一個(gè)基因，脹縮變形的過程也是不完全的。 (6) 膨脹土具有超固結(jié)特性孔隙比小，干容量較大。所以，帶負(fù)電荷的蒙脫石顆粒吸附水化陽(yáng)離子，在水介質(zhì)中的電動(dòng)電位比其他礦物都高，特別是鈉蒙脫石的電動(dòng)電位更高，并且它的電動(dòng)電位隨離開顆粒表面距離的加大呈緩慢下降，可以延伸至比較遠(yuǎn)的距離，也就是說蒙脫石礦物顆粒表面雙電層中擴(kuò)散層的厚度較大，因而結(jié)合水膜也較厚，水膜“楔”顆粒間的距離增 大。在靜電引力的作用下，顆粒表面必然吸附密有相反電荷的離子（即交換性陽(yáng)離子）來平衡，在雙電層中的離子對(duì)水分子具有吸附能力，被吸附的水分子在電場(chǎng)引力作用下，按一定取向排列被約束積聚在粘土礦物顆粒的周圍，形成表面結(jié)合水（水化膜）。應(yīng)用晶格擴(kuò)張理論，對(duì)于認(rèn)識(shí)膨脹土的脹縮變形，特別是解釋含有不同粘土礦物成分的膨脹土，在不同起始濕度條件下的膨脹程度，有一定意義。例如，蒙脫石組礦物的晶格構(gòu)造，在硅氧四面體 — 鋁氧八面體 — 硅氧四面體單位疊置時(shí)都是以氧為公共原子相連接的弱鍵組合， 具有膨脹晶格構(gòu)造，而且具有勁歌內(nèi)部離子交換的特性。 粘土礦物學(xué)研究表明，在粘土礦物的原子晶格構(gòu)造中，有一種構(gòu)造型式是在各晶層之間有弱鍵相連接的晶格構(gòu)造，晶層與晶層之間的結(jié)合彼此很不牢固。 其他環(huán)境條件，如地質(zhì)地理?xiàng)l件，地形地貌條件，氣候條件，水文條件和植被條件等，都是促使土體結(jié)構(gòu)變化和土的濕度變化的間接外因，也將起著重要作用。膨脹土的脹縮特性首先是由土的內(nèi)部固有因素所決定的，同時(shí)受外部條件的控制。大量的調(diào)查研究表明，大氣影響深度是一定的，已有研究資料和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研表明，寧明膨脹土的大氣活動(dòng)層（區(qū)）深度為 。膨脹土的抗剪強(qiáng)度為典型的變動(dòng)強(qiáng)度，具有極高的峰值，而其殘余強(qiáng)度又極低。而膨脹土在失水時(shí)的收縮常常造成膨脹土路堤表面龜裂和邊坡變形。超固結(jié)的膨脹土，其孔隙比較正常固結(jié)土的為小，在同一外荷載作用下，超固結(jié)土由于具有較高的初始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，壓縮性小，土基的總沉降量將小于正常固結(jié)土或欠固結(jié)土。裂層面填充有次生灰白色粘土，具蠟狀光澤，有鏡面擦痕。包括風(fēng)化裂隙、卸荷裂隙、斜坡裂隙與滑坡裂隙等。工程技術(shù)人員不得不反復(fù)采取多種工程措施加以修復(fù)和防范，使工程造價(jià)顯著提高。在自然狀態(tài)下，膨脹土多呈硬塑性或堅(jiān)硬狀態(tài)，具有黃、褐、灰白等色，膨脹土主要由強(qiáng)親水性粘土礦物組成的，具有吸水膨脹軟化、失水收縮開裂和重復(fù)脹縮變形的特性。 圖 CBR 膨脹量隨時(shí)間變化關(guān)系圖 碎石土的土性特征 采用路塹開挖的寧明膨脹泥巖風(fēng)化破碎土，其基本土性指標(biāo)如下表33。 圖 不泡水 CBR 試驗(yàn) CBR 值與含水量的關(guān)系 由試驗(yàn)結(jié)果可知：該膨脹土的不泡水 CBR 值隨含水量變化總趨勢(shì)是隨 南寧至友誼關(guān)高速公路 K139+500～ K140+240路基處置方案設(shè)計(jì) 第 16 頁(yè) 共 70 頁(yè) 含水量增大而降低，但在含水量為 11%～ 15%及 25%以后的兩區(qū)段下降趨勢(shì)變緩，含水量在 25%以下， CBR 值均 10%，由此可見，只路基土的含水量保持在 25%以下，該膨脹土用作路基填料能滿足路堤填料對(duì)強(qiáng)度的要求。 按現(xiàn)行分類判別標(biāo)準(zhǔn)：依自由膨脹率和液塑圖法綜合判別，第一層為中等膨脹土，第二層則為弱膨脹土，但填料的 CBR 浸水膨脹率，第二層土達(dá) %以上，而第一層土則高達(dá) %以上，均遠(yuǎn)高于其他地區(qū)分布的同等漲縮等級(jí)的膨脹土，高 CBR 浸水膨脹率充分說明寧明盆地的膨脹土不僅具有典型膨脹土的土質(zhì)特性，其填料浸水后的強(qiáng)膨脹性更為區(qū)域特有的土質(zhì)個(gè)性，這一點(diǎn)在選擇填料處治方法時(shí)必須充分考慮。 路塹開挖揭露的邊坡土體典型地質(zhì)剖面可分為三層：頂部表土層以紅色為主，帶黃色斑點(diǎn)的高液限土或耕植土，厚 ～ ；中部為紅黃色或灰白色斑紋狀膨脹土層，厚度為 2m～ 6m；下部為深灰色、灰褐色粘土頁(yè)巖，厚度大未被揭穿。 膨脹土的分類判斷 按現(xiàn)行分類判別標(biāo)準(zhǔn)表 23，根據(jù) 22 實(shí)驗(yàn)路段土樣的物理性質(zhì)指標(biāo)，依自 由膨脹率和液塑圖法綜合判別，第一層為中等膨脹土，第二層為弱膨脹土。 南寧至友誼關(guān)高速公路 K139+500～ K140+240路基處置方案設(shè)計(jì) 第 11 頁(yè) 共 70 頁(yè) 第二章 場(chǎng)地膨脹土的脹縮等級(jí)判別 判斷膨脹性 膨脹土是一種粘粒成分主要由親水礦物（蒙脫石、伊利石）組成的高液限粘土，其主要特征表現(xiàn)為吸水顯著膨脹、軟化，失水急劇干縮開裂，此外，還具有易崩解性、多裂縫性和超固結(jié)性。在實(shí)際工程中，可以通過檢測(cè)土壓力的變化來檢測(cè)路基穩(wěn)定性。與地下水引起的路堤含水率變化在路堤不同高度處成指數(shù)函數(shù)分布。由于場(chǎng)地邊坡破面植被較不發(fā)育，地表水對(duì)擬建場(chǎng)地有較強(qiáng)的沖刷作用。第一層為黃褐色高液限粘土或耕植土，厚度為 0～ ，第二層為灰白色膨脹 土，厚度為 2～ 6m；第三層為深灰色膨脹巖，厚度為 0～ 12m。構(gòu)成邊坡坡體的土體上部為松軟的素填土，下部為膨脹土：素填土在大氣降水的作用下易形成小型泥石流或滑坡，膨脹土在大氣降水的作用下或經(jīng)暴曬后可能膨脹，開裂而形成淺層滑坡，損壞路基 。年降雨天數(shù)在 150 天左右，年雷暴雨天書 100 天左右，勘察場(chǎng)地附近無大的常流河通過，暴雨期間附近的山間溝谷中匯聚一定的水流。 勘察等級(jí) 本工程重要性等級(jí)屬于三級(jí)，場(chǎng)地復(fù)雜程度等級(jí)屬于一級(jí)，地基復(fù)雜程度等 級(jí)屬于二級(jí)，邊 坡安全等級(jí)屬于二級(jí)，重要性系數(shù) γ 0=，綜合評(píng)定本工程 巖土工程勘察等級(jí)為甲級(jí)。 具體填挖高度見坡場(chǎng)地工程地質(zhì)剖面圖。根據(jù)土體體積含水量和吸力值的野外監(jiān)測(cè)結(jié)果，得出了邊坡坡頂土體不同深度的野外土一水特征曲線。第一種結(jié)合比較典型的有：沈珠江院士在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)完成后，應(yīng)用非飽和土簡(jiǎn)化固結(jié)理論，建立有限元模型，模擬棗陽(yáng)膨脹土邊坡在人工降雨過程中 孔 隙壓力變化和變形的發(fā)展過 程，數(shù)值計(jì)算結(jié)果在定性上與實(shí)例觀測(cè)資料一致。 按照觀測(cè)實(shí)施條件的不同，可分為自然型和人為控制型。 根據(jù)西部交通科技項(xiàng)目的要求，楊果林、劉義虎等人在常張高速公路的第十一標(biāo)慈利東互通設(shè)立膨脹土試驗(yàn)路段，在 3個(gè)不同的處治路段 (原狀土路段，改良土路段和加筋土路段 )分別埋設(shè)沉降管，觀測(cè)結(jié) 果表明： (1)在路堤填筑過程中，沉降量均小于 150mm，說明在試驗(yàn)路段采取的土工膜隔水，摻石灰改良膨脹土，加筋處治膨脹土等措施取得了較好的效果。 1996年，長(zhǎng)江科學(xué)院包承綱等人在南水北調(diào)中線工程所經(jīng)過的湖北棗陽(yáng)引唐灌區(qū)開展現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)研究工作，運(yùn)用了國(guó)產(chǎn)熱傳導(dǎo)探頭和張力計(jì)監(jiān)測(cè)膨脹土邊坡在 南寧至友誼關(guān)高速公路 K139+500～ K140+240路基處置方案設(shè)計(jì) 第 4 頁(yè) 共 70 頁(yè) 降雨期間的吸力反映。信息分析法是從系統(tǒng)科學(xué)、信息論的高度考慮各種影響因素間的復(fù)雜關(guān)系，對(duì)大量的信息進(jìn)行抽象和綜合，以期得出考慮全面的、客觀性較強(qiáng)的結(jié)論。硬件”方面，研制開發(fā)了一系列觀測(cè)精度高、穩(wěn)定性好，智能化和自動(dòng)化程度高的先進(jìn)監(jiān)測(cè)儀器，如意大利舍利 (Seli)公司生產(chǎn)的變磁阻感應(yīng)式遙測(cè)垂線坐標(biāo)儀，可鉆出孔徑76mm、深達(dá) lOOm．孔偏差小于 lOmm的倒垂線孔 ，并采用自動(dòng)對(duì)中僅從埋設(shè)點(diǎn)向上沿垂線進(jìn)行多點(diǎn)三向位移觀測(cè)；伺服加速度傳感器的使用，使測(cè)斜儀的精度可達(dá)3μ m，相應(yīng)應(yīng)變精度可達(dá) 3 106，加拿大 Saskachewan大學(xué)研制的熱傳導(dǎo)探頭，可在野外測(cè)量超過 1000kpa的基質(zhì)吸力。 80年代以來，我國(guó)先后制定了 《 混凝土大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》 (SDJ33689)，《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》 (SL6094)．《鋼弦式壓力傳感器》 (GB／ T1360692)等一系列規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。在這