膨脹土力學(xué)性質(zhì)分析及處置方案研究

張 鐵

(四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610017)

0 前 言

成都某公路工程路線經(jīng)過的平原段，對(duì)應(yīng)里程約K46+800～K56+100及K57+050～K76+139.48，屬岷江Ⅲ級(jí)階地及冰水扇狀平原，其中K46+800～K50+200段為Q31fgl地層，K50+200～K56+100及K57+050～K76+139.48段為Q2fgl+gl地層。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及鉆孔取芯，土層多呈褐黃色、黃褐色及棕紅色，夾灰綠色條帶、鐵錳質(zhì)及鈣質(zhì)結(jié)核，局部較為細(xì)膩，黏性較高，易干裂。對(duì)上述土層進(jìn)行取樣試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，該黏土屬膨脹土，多數(shù)具有弱膨脹性，個(gè)別具有中等膨脹性。且其分布不具有明顯規(guī)律，對(duì)路基填筑影響大，必須處理。

1 膨脹土物質(zhì)組成及性狀

膨脹土的黏粒成分主要由親水礦物伊利石、蒙脫石等組成，成都膨脹土的礦物成分還有少量高嶺石、綠泥石和石英，工程沿線不同層位、不同地點(diǎn)和不同顏色的黏土中，各種礦物的相對(duì)含量有明顯的差異。其pH值為7.2～7.8，呈弱堿性。

膨脹土富含親水礦物，當(dāng)土體吸水時(shí)，體積膨脹并產(chǎn)生膨脹力，強(qiáng)度顯著降低，當(dāng)土體失水時(shí)，體積收縮，導(dǎo)致土體干裂。其工程性質(zhì)差，在工程中被稱作“災(zāi)害土”。在未經(jīng)處理的天然膨脹土上直接填筑路基易造成路基沉陷變形、開裂等，無法滿足路基填筑質(zhì)量要求。膨脹土亦不能直接作為路基填料使用。

2 膨脹土的基本力學(xué)性質(zhì)分析

為保證試驗(yàn)土樣是研究區(qū)典型膨脹土，試驗(yàn)中所采取的所有膨脹土均來自上述項(xiàng)目新開挖的典型 “成都黏土”。

本次試驗(yàn)土樣分為兩種，一種取自K46+800～K50+200段Q31fgl地層，另一種取自K50+200～K56+100及K57+050～K76+139.48段Q2fgl+gl地層，取樣現(xiàn)場(chǎng)見圖1。

圖1 取樣現(xiàn)場(chǎng)

2.1 含水量試驗(yàn)

含水量是反映膨脹土物理性質(zhì)的重要指標(biāo)，其直接影響膨脹土的脹縮性，若含水量較大，則膨脹土的收縮性將較強(qiáng)，若含水量較小，則遇水后其膨脹性較強(qiáng)。

根據(jù)《土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123—1999)，計(jì)算得出Q31fgl地層中膨脹土含水量約為23.0%，Q2fgl+gl地層中膨脹土含水量約為29.8%，Q2fgl+gl地層中膨脹土的含水量要比Q31fgl地層中膨脹土的含水量大6%左右，詳見表1～2。

表1 Q2fgl+gl地層含水量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 Q31fgl地層含水量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2 液塑限試驗(yàn)

液塑限反映了黏土顆粒與水作用時(shí)的屬性，和一般細(xì)粒土比較，膨脹土的液限和塑性指數(shù)較高，根據(jù)《土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123—1999)的液塑限測(cè)定法，測(cè)得所取樣品的液塑限如表3～4所示。

表3 Q2fgl+gl地層液塑限試驗(yàn)數(shù)據(jù)(樣本數(shù)37)

表4 Q31fgl地層液塑限試驗(yàn)數(shù)據(jù)(樣本數(shù)14)

2.3 自由膨脹率試驗(yàn)

自由膨脹率是反映黏性土膨脹性的指標(biāo)之一，常用該指標(biāo)測(cè)定黏性土的脹縮特性，并用此指標(biāo)對(duì)膨脹土進(jìn)行分級(jí)。

根據(jù)《土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123—1999)中自由膨脹率的試驗(yàn)方法，測(cè)得所取樣品的自由膨脹率如表5～6所示。

表5 Q2fgl+gl地層自由膨脹率試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表6 Q31fgl地層自由膨脹率試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.4 標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率試驗(yàn)

《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(JTG C20—2011)將標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率作為膨脹土分級(jí)的指標(biāo)之一，因此本次對(duì)工程區(qū)兩不同地層的膨脹土的標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率指標(biāo)進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果如表7～8所示。

表7 Q2fgl+gl地層標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率試驗(yàn)

表8 Q31fgl地層標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率試驗(yàn)

根據(jù)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(JTG C20—2011)的膨脹土分級(jí)方法，自由膨脹率在40%～60%，塑性指數(shù)在15%～28%，標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率在2.5～4.8為弱膨脹土。由上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，工程區(qū)膨脹土屬弱膨脹土，具有弱膨脹潛勢(shì)，兩種地層的黏土性質(zhì)、膨脹性均無較大區(qū)別。

3 膨脹土對(duì)工程的影響

膨脹土的濕脹干縮特性決定了其對(duì)工程具有重大危害。易造成路堤邊坡外鼓、路肩坍滑、雨季路面翻漿冒泥等塑性變形。膨脹土的脹縮作用影響常導(dǎo)致膨脹土邊坡變形失穩(wěn)，進(jìn)而發(fā)展為滑坡并逐步惡化。另外，膨脹土作為建筑物基底填料，則常見墻體開裂等變形現(xiàn)象，如不處理，將嚴(yán)重影響工程運(yùn)營。

3.1 對(duì)路基的危害

膨脹土路基遇水后，土體膨脹，強(qiáng)度急劇下降，在干旱季節(jié)，隨著水分蒸發(fā)，膨脹土將收縮干裂，雨水通過縫隙灌入土體深處，使下部土體濕軟膨脹，并產(chǎn)生膨脹力，當(dāng)膨脹力超過臨界荷載后，路基會(huì)出現(xiàn)崩解，從而造成路基產(chǎn)生裂縫或隆起甚至局部坍塌。

3.2 對(duì)邊坡的危害

膨脹土地區(qū)邊坡變形明顯，濕漲干縮效應(yīng)和自然環(huán)境的長期影響，導(dǎo)致該類邊坡土體崩解，土體抗剪強(qiáng)度降低的主要原因，從而造成邊坡的溜塌、滑坡等災(zāi)害。

4 膨脹土的處理

膨脹土的處理方法通常為土性改良法、保濕法、換土法等。其中土性改良法又分為夯實(shí)法、物理改良法、化學(xué)改良法三類。

對(duì)于膨脹土的處理應(yīng)結(jié)合工程的實(shí)際情況，因地制宜地采取各類處理措施。

對(duì)于本工程，挖方段應(yīng)進(jìn)行超挖，對(duì)基底膨脹土進(jìn)行換填，換填深度宜大于大氣急劇影響深度，同時(shí)在換填基底及下路床底層分別鋪設(shè)防滲土工布，換填路基基坑側(cè)壁有條件時(shí)采用防滲土料護(hù)壁；對(duì)填方段，填方高度小于3 m時(shí)，建議對(duì)基底土部分換填，同時(shí)在換填基底及下路床底層分別鋪設(shè)防滲土工布，換填路基基坑側(cè)壁有條件時(shí)采用防滲土料護(hù)壁。對(duì)填方高度大于3 m段，建議進(jìn)行清表夯壓處治，同時(shí)在基底及下路床底層分別鋪設(shè)防滲土工布。為避免造成工程浪費(fèi)，換填出來的膨脹土應(yīng)進(jìn)行改良，滿足設(shè)計(jì)要求后作為路基填料使用。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合成都某公路工程的實(shí)際情況，重點(diǎn)研究了成都地區(qū)膨脹土的力學(xué)性質(zhì)和處理措施，對(duì)類似工程有一定的借鑒意義。但各地區(qū)膨脹土的物理力學(xué)性質(zhì)存在差異性，實(shí)際工程中應(yīng)綜合分析膨脹土的各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行分級(jí)，在治理時(shí)，還應(yīng)結(jié)合施工條件，因地制宜采取措施，節(jié)約工程造價(jià)，將膨脹土的危害降到最低。

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