第1章緒論
1.1引言
膨脹土的主要礦物成分是強親水性的蒙脫石和伊利石,因此它的特性主要表現在吸水膨脹、失水收縮,是一種具有較大往復脹縮變形的特殊粘土。由於該類土在天然狀態下,其強度高,壓縮性也低,所以經常被誤評定是工程性質較好。人們首次認識該類土的缺陷,始於1938年美國開墾局在俄勒網州的一次重大事故中,鋼製倒虹吸管基礎破壞造成了這次嚴重事故⑴。
膨脹土在世界各地分布很廣,它是一種區域土,至今為止發現存在這種土的國家有很多個,遍及各大洲。這種土一般位於干早或半乾旱地區。而我國是這種土分布較廣的國家之一,我國很多個省區先後發現有這種土[2-6]。因為這種土的特性很顯著,因此給各國造成的經濟損失每年達數十億元道路工程(包括鐵路、公路等)、水利設施、機場設施、房屋以及其他各種建築等常常遭受到很嚴重的破壞。
長期以來,膨脹土因其自身特有的工程性質,包括超固結性、裂隙性、遇水膨脹、失水收縮並幵裂等,所以岩土工程研究領域中一直把膨脹土及其工程問題當作世界性的重大研究課題[",12]。工程建築因膨脹土會產生不同程度的破壞作用,是嚴重的自然災害之一,因此人們都稱之為“無聲的地震”、“隱藏的災難"。膨脹土造成工程建築的危害處處可見,它是各類輕型淺表層建築的全球性技術難題。據KRON和SLOSSON在1980年統計資料分析,僅美國每年因為這種土的變形對上層建築物造成的損失遠遠超過賜風、龍捲風、洪水和地震所造成的損失的總和,每一年都要損失七十億美元[13]。SNETHEN經多年的深入探尋研究,從經濟上講,這種危害性大的土是美國付出代價最大的自然災害之一。
膨脹土不止給美國的工程建設帶來嚴重的經濟損失,還給世界上其他國家的工程建設帶來嚴重的經濟損失。在中國,膨脹土地區的鐵路,基床翻裝冒泥、路基下沉、邊坡滑坡等病害時有發生,對不少地段防護工程也產生很大危害。鐵路[14]、公路及建築物受到的危害也很嚴重。膨脹土每年都會造成大量工程建築物遭受的嚴重危害。據統計我國達數萬平方米的建築面積由於膨脹土地基而損害的。我們國家鐵路相關部門總結膨脹土地區修建鐵路的經驗時,認為“逢暫必滑、無堤不坊”。僅據襄(樊)渝(重慶)鐵路施工決算統計,每公里路基的造價增加了 91.45萬元,實際投資已達設計造價的三倍,這都是由於膨脹土在施工期間造成的破壞所引起的。我國以往在膨脹土地區進行工程建設的經驗證明,只有對膨脹土的土性作出正確分析、判斷,對其釆取相應措施,才能有效避免工程事故的發生減少造成巨大工程經濟損失。
在四川,成都的這種土分布廣泛、並且斷斷續續地分布在川西平原二級階地和三級階地上,屬於典型的裂隙粘土,俗稱為“成都粘土"。尤以成都市以東,洛帶以西,金堂以南,新店子以北地區三級階地上呈大面積連續分布的膨脹土最為典型。其上部為黃褐色較均質,向下顏色轉紅,裂隙發育。隨著經濟的迅速發展,成都市城區建設規模日益擴大,在成都膨脹土分布的地區,修建了許多工業及民用建築、道路橋樑、水利工程。在這些建築物的修建和運營過程中,建築物常因膨脹土脹縮而引起開裂,且經常不同程度地發生了事故和病害。如四川省某倉庫的滑坡、某部隊辦公樓和成都地質學院一幢家屬宿舍均因地基變形而導致房屋拉裂、成昆鐵路獅子山段滑坡、東風渠岸坡跨塌、許多已建建築物由於膨脹土地基的沉降引起開裂,特別是近年來在成都膨脹土地區施工的建築基坑連續出現了多起跨塌事故,均與成都膨脹土的工程特性有關,尤其與脹縮性有關。
隨著成都膨脹土地區建築物的大規模修建,建築物越來越高,地下室越來越深,膨脹土地區幵挖的基坑深度越來越大,儘管設計人員在進行基坑和邊坡設計計算時,對勘察本文中提出的成都膨脹土力學參數(C、cp值)建議值進行了一定程度的折減,但基坑邊坡開裂和跨塌事故仍連續發生,成都膨脹土邊坡的穩定己成為影響工程安全和經濟效益的主要因素之一。目前,針對成都膨脹土地E基坑和邊坡的事故逐漸增多,行業內相關勘察單位及研究機構對成都膨脹土力學參數的取值問題存在相當大的爭議。故為保障成都地區膨脹土地區工程和建築的安全、降低工程投資,對成都地區膨脹土力學特性進行深入研究具有非常重要的意義。
1.2膨脹土的基本性質
膨脹土具有反覆脹縮變形性、非飽和性及結構不穩定性的區域性特殊粘性土[15],且含有大量的親水礦物質並,親水礦物變形受約束時產生較大內應力,故吸水急劇膨脹軟化,失水後顯著收縮開裂,同時濕度變化也會產生較大體積的變化。
在國家標準《膨脹土地區建築技術規範》(GBJ112-87)中,這種土被定義為:土中的粘粒成分主要是由親水礦物組成,同時具有顯著的吸水膨脹和失水收縮兩種變形特徵的粘性土。但世界存在各種說法則對膨脹土的定義稍微有所差異。
第2章成都地區膨脹土的室內試驗研究
2.1成都地區膨脹土的基本物理力學性質研究
根據野外觀察和鑽孔揭露,成都膨脹土顏色呈黃色或黃褐色,裂隙發育,其傾角陸緩不一,隙壁由灰白色粘土組成,裂隙交叉呈現網紋狀,土內含媽質、鐵猛結核。成都膨脹土中各色粘土的粘粒含量均高,並以白色粘土的粘粒含量為最高可達65%,粘土礦物的成分主要有伊利石和高嶺石,並且含有一定量的蒙脫石,其中灰白色粘土中脫石含量較高。在保證實驗中的土樣是研究區典型的膨脹土的情況下,試驗中採用的所有的膨脹土土樣都是在龍潭寺的科創中心項目基坑中取得,試驗所用膨脹土土樣均為新開挖的典型的成都膨脹土。
第3章成都地區膨脹土現場直剪試驗研究..........22
3.1工程中選擇現場直剪試驗的意義..........22
3.2現場直剪試驗方案..........23
3.2.1大剪儀法試驗方案..........23
3.2.2 —次水平剪切法試驗方案..........24
3.3現場直剪試驗結果..........26
3.3.1大剪儀法試驗結果..........26
3.3.2 一次水平剪切法試驗結果..........32
3.4本章小結..........44
第4章成都地區膨脹土抗剪強度相關性研究..........46
4.1室內外試驗抗剪強度指標對比分析..........46
4.2膨脹土的強度特性分析..........47
4.3影響膨脹土強度的主要因素..........48
4.4膨脹土抗剪強度的尺寸效應..........49
4.5本章小結..........49
第5章結論與展望..........51
5.1結論..........51
5.2展望..........52
結論
本文圍繞成都膨脹土的物理力學性質和工程特性展開全面的研究,針對成都龍潭寺科創中心項目和望江錦園項目基坑中膨脹土的各項物理力學指標做了深入分析,並進行了室內常規試驗和室內外直剪試驗,利用各項試驗數據進行了一系列的分析研究,以下為主要結論:
1)通過含水量的測試,膨脹土中灰白色粘土的含水量要比黃色粘土的含水量大10%左右。
2)根據相關的液塑限試驗試值,根據多指標綜合判別分類及膨脹土脹縮性與表征脹縮性指標分類法,龍潭寺的成都膨脹土按上述分類法該土應屬於中等膨脹土。
3)從試驗結果中可知,兩種粘土的壓縮係數和壓縮模量試驗值相差不大,對比土的壓縮性評價表可知,成都膨脹土屬中壓縮性土。
4)成都膨脹土的粘聚力試驗值較大,內摩擦角的試驗值相對來說要小一些;從膨脹土中兩種不同粘土的c、cp值進行比較來看,在直剪、UU、CU三種試驗條件下,黃色粘土與裂隙中灰白色粘土的粘聚力c的比值分別為1.43、1.55、1.14,內摩擦角cp的比值分別為1.45、1.42、1.51;在相同試驗條件下,成都膨脹土中的黃色粘土均較裂隙中灰白色粘土的c、cp值高40%~50%。
5)成都膨脹土中黃色粘土的自由膨脹率平均為48.8%,具有弱膨脹潛勢,屬於弱膨脹土,而膨脹土中灰白色粘土的自由膨脹率平均在80%,具有中等膨脹潛,屬於中等膨脹土。綜合而言,成都膨脹土是具有弱一中等膨脹潛勢的膨脹土。
6)從50kPa膨脹率試驗和膨脹力試驗結果可以看出,成都膨脹土中灰白色粘土的膨脹性較黃色粘土的膨脹性要大得多,但從收縮係數的試驗值上看,黃色粘土與灰白色粘土的收縮係數相差不大,表明兩種粘土的脹縮變形能力也相差不大。
7)龍潭寺科創中心和望江錦園的膨脹土均具有特殊的結構特徵,裂隙發育,黃色粘土和灰白色粘土混合,由於兩者物質組成、化學成份、物理性質、微觀結構不同,使得土體力學特徵存在較大差異,同時,土體含水量的變化對土體力學性質影響較大。
8)從現場直剪試驗的結果來看,大剪儀法的試驗效果較好,但在裂隙發育膨脹土上採用一次水平剪切法進行現場直剪試驗時,效果非常差,一般剪切面的走向都沿著裂隙面,無法形成弧線狀的剪切面,一次水平剪切法直剪試驗不適合在裂隙發育的膨脹土上實施。
9)通過總結室內外試驗抗剪強度指標的相關試驗數據並對比分析,總結出了室內試驗、室外試驗、以及室內外試驗在不同狀態、不同取樣方式下所測出的不同抗剪強度指標之間的關係。
10)對於膨脹土抗剪強度指標的獲取來講,室外大剪試驗相對室內試驗,結果更加可靠,更科學。
11)影響膨脹土強度的主要因素有:成都膨脹土的粘聚力c和內摩擦角(p均隨蒙脫石的含量增加而逐漸降低;成都天然狀態膨脹土的抗剪強度與土的裂隙和結構面有著較大的關係,裂隙越多,裂隙中的灰白色粘土愈厚,膨脹土的抗剪強度就越低;膨脹土的強度與土體含水有著密切的聯繫,它弱化了膨脹土土體結構,從而使得土體強度大幅度降低。
12)在成都膨脹土的抗剪強度指標建議值中,c值取室內天然快剪試驗平均值的0.3-0.4 iB, (p值一般取室內天然快剪試驗值的0.45~0.55倍比較合理,對於項目場地濕潤、土體內部含水量較大、裂隙較發育、隙間灰白色粘土較厚時,應取小值,反之應取大值。
參考文獻:
[1]劉特洪.工程建設中的膨脹土問題[M].北京:中國建築出版社,1997
[2]李生林.中國膨脹土工程地質研究[M].南京:江蘇科技出版社,1992
[3]曹凈,歐孝奪,周東等.南寧膨脹土脹縮模糊評判分析[J].中國公路工程,2004,29(3):15~18
[4]高國瑞.膨脹土的微結構和膨脹勢[J].岩土工程學報,1984,6(2):40?48
[5]譚羅榮,孔令偉.特殊岩土工程土質學[M],科學出版社,2006
[6]張天鵬.合肥膨脹土地基的岩土工程勘察[J].當代建設,2001,5:47
[7]何光武,機場工程特殊土地基處理技術[M].北京:人民交通出社,2003
[8]郝月清,朱建強.膨脹土脹縮變形的有關理論及評析[J].水土保持通報,1999,19(6):58-61
[9]曲永新,張永雙.中國膨脹性岩、土一體化工程地質分類的理論與實踐[C].中國工程地質五十年論文集,2000
[10]Jones D.E., Holtz W.G., et al. Expansive soils-the hidden disaster. Civil Engineering,ASCE, 1973, 43
1.1引言
膨脹土的主要礦物成分是強親水性的蒙脫石和伊利石,因此它的特性主要表現在吸水膨脹、失水收縮,是一種具有較大往復脹縮變形的特殊粘土。由於該類土在天然狀態下,其強度高,壓縮性也低,所以經常被誤評定是工程性質較好。人們首次認識該類土的缺陷,始於1938年美國開墾局在俄勒網州的一次重大事故中,鋼製倒虹吸管基礎破壞造成了這次嚴重事故⑴。
膨脹土在世界各地分布很廣,它是一種區域土,至今為止發現存在這種土的國家有很多個,遍及各大洲。這種土一般位於干早或半乾旱地區。而我國是這種土分布較廣的國家之一,我國很多個省區先後發現有這種土[2-6]。因為這種土的特性很顯著,因此給各國造成的經濟損失每年達數十億元道路工程(包括鐵路、公路等)、水利設施、機場設施、房屋以及其他各種建築等常常遭受到很嚴重的破壞。
長期以來,膨脹土因其自身特有的工程性質,包括超固結性、裂隙性、遇水膨脹、失水收縮並幵裂等,所以岩土工程研究領域中一直把膨脹土及其工程問題當作世界性的重大研究課題[",12]。工程建築因膨脹土會產生不同程度的破壞作用,是嚴重的自然災害之一,因此人們都稱之為“無聲的地震”、“隱藏的災難"。膨脹土造成工程建築的危害處處可見,它是各類輕型淺表層建築的全球性技術難題。據KRON和SLOSSON在1980年統計資料分析,僅美國每年因為這種土的變形對上層建築物造成的損失遠遠超過賜風、龍捲風、洪水和地震所造成的損失的總和,每一年都要損失七十億美元[13]。SNETHEN經多年的深入探尋研究,從經濟上講,這種危害性大的土是美國付出代價最大的自然災害之一。
膨脹土不止給美國的工程建設帶來嚴重的經濟損失,還給世界上其他國家的工程建設帶來嚴重的經濟損失。在中國,膨脹土地區的鐵路,基床翻裝冒泥、路基下沉、邊坡滑坡等病害時有發生,對不少地段防護工程也產生很大危害。鐵路[14]、公路及建築物受到的危害也很嚴重。膨脹土每年都會造成大量工程建築物遭受的嚴重危害。據統計我國達數萬平方米的建築面積由於膨脹土地基而損害的。我們國家鐵路相關部門總結膨脹土地區修建鐵路的經驗時,認為“逢暫必滑、無堤不坊”。僅據襄(樊)渝(重慶)鐵路施工決算統計,每公里路基的造價增加了 91.45萬元,實際投資已達設計造價的三倍,這都是由於膨脹土在施工期間造成的破壞所引起的。我國以往在膨脹土地區進行工程建設的經驗證明,只有對膨脹土的土性作出正確分析、判斷,對其釆取相應措施,才能有效避免工程事故的發生減少造成巨大工程經濟損失。
在四川,成都的這種土分布廣泛、並且斷斷續續地分布在川西平原二級階地和三級階地上,屬於典型的裂隙粘土,俗稱為“成都粘土"。尤以成都市以東,洛帶以西,金堂以南,新店子以北地區三級階地上呈大面積連續分布的膨脹土最為典型。其上部為黃褐色較均質,向下顏色轉紅,裂隙發育。隨著經濟的迅速發展,成都市城區建設規模日益擴大,在成都膨脹土分布的地區,修建了許多工業及民用建築、道路橋樑、水利工程。在這些建築物的修建和運營過程中,建築物常因膨脹土脹縮而引起開裂,且經常不同程度地發生了事故和病害。如四川省某倉庫的滑坡、某部隊辦公樓和成都地質學院一幢家屬宿舍均因地基變形而導致房屋拉裂、成昆鐵路獅子山段滑坡、東風渠岸坡跨塌、許多已建建築物由於膨脹土地基的沉降引起開裂,特別是近年來在成都膨脹土地區施工的建築基坑連續出現了多起跨塌事故,均與成都膨脹土的工程特性有關,尤其與脹縮性有關。
隨著成都膨脹土地區建築物的大規模修建,建築物越來越高,地下室越來越深,膨脹土地區幵挖的基坑深度越來越大,儘管設計人員在進行基坑和邊坡設計計算時,對勘察本文中提出的成都膨脹土力學參數(C、cp值)建議值進行了一定程度的折減,但基坑邊坡開裂和跨塌事故仍連續發生,成都膨脹土邊坡的穩定己成為影響工程安全和經濟效益的主要因素之一。目前,針對成都膨脹土地E基坑和邊坡的事故逐漸增多,行業內相關勘察單位及研究機構對成都膨脹土力學參數的取值問題存在相當大的爭議。故為保障成都地區膨脹土地區工程和建築的安全、降低工程投資,對成都地區膨脹土力學特性進行深入研究具有非常重要的意義。
1.2膨脹土的基本性質
膨脹土具有反覆脹縮變形性、非飽和性及結構不穩定性的區域性特殊粘性土[15],且含有大量的親水礦物質並,親水礦物變形受約束時產生較大內應力,故吸水急劇膨脹軟化,失水後顯著收縮開裂,同時濕度變化也會產生較大體積的變化。
在國家標準《膨脹土地區建築技術規範》(GBJ112-87)中,這種土被定義為:土中的粘粒成分主要是由親水礦物組成,同時具有顯著的吸水膨脹和失水收縮兩種變形特徵的粘性土。但世界存在各種說法則對膨脹土的定義稍微有所差異。
第2章成都地區膨脹土的室內試驗研究
2.1成都地區膨脹土的基本物理力學性質研究
根據野外觀察和鑽孔揭露,成都膨脹土顏色呈黃色或黃褐色,裂隙發育,其傾角陸緩不一,隙壁由灰白色粘土組成,裂隙交叉呈現網紋狀,土內含媽質、鐵猛結核。成都膨脹土中各色粘土的粘粒含量均高,並以白色粘土的粘粒含量為最高可達65%,粘土礦物的成分主要有伊利石和高嶺石,並且含有一定量的蒙脫石,其中灰白色粘土中脫石含量較高。在保證實驗中的土樣是研究區典型的膨脹土的情況下,試驗中採用的所有的膨脹土土樣都是在龍潭寺的科創中心項目基坑中取得,試驗所用膨脹土土樣均為新開挖的典型的成都膨脹土。
第3章成都地區膨脹土現場直剪試驗研究..........22
3.1工程中選擇現場直剪試驗的意義..........22
3.2現場直剪試驗方案..........23
3.2.1大剪儀法試驗方案..........23
3.2.2 —次水平剪切法試驗方案..........24
3.3現場直剪試驗結果..........26
3.3.1大剪儀法試驗結果..........26
3.3.2 一次水平剪切法試驗結果..........32
3.4本章小結..........44
第4章成都地區膨脹土抗剪強度相關性研究..........46
4.1室內外試驗抗剪強度指標對比分析..........46
4.2膨脹土的強度特性分析..........47
4.3影響膨脹土強度的主要因素..........48
4.4膨脹土抗剪強度的尺寸效應..........49
4.5本章小結..........49
第5章結論與展望..........51
5.1結論..........51
5.2展望..........52
結論
本文圍繞成都膨脹土的物理力學性質和工程特性展開全面的研究,針對成都龍潭寺科創中心項目和望江錦園項目基坑中膨脹土的各項物理力學指標做了深入分析,並進行了室內常規試驗和室內外直剪試驗,利用各項試驗數據進行了一系列的分析研究,以下為主要結論:
1)通過含水量的測試,膨脹土中灰白色粘土的含水量要比黃色粘土的含水量大10%左右。
2)根據相關的液塑限試驗試值,根據多指標綜合判別分類及膨脹土脹縮性與表征脹縮性指標分類法,龍潭寺的成都膨脹土按上述分類法該土應屬於中等膨脹土。
3)從試驗結果中可知,兩種粘土的壓縮係數和壓縮模量試驗值相差不大,對比土的壓縮性評價表可知,成都膨脹土屬中壓縮性土。
4)成都膨脹土的粘聚力試驗值較大,內摩擦角的試驗值相對來說要小一些;從膨脹土中兩種不同粘土的c、cp值進行比較來看,在直剪、UU、CU三種試驗條件下,黃色粘土與裂隙中灰白色粘土的粘聚力c的比值分別為1.43、1.55、1.14,內摩擦角cp的比值分別為1.45、1.42、1.51;在相同試驗條件下,成都膨脹土中的黃色粘土均較裂隙中灰白色粘土的c、cp值高40%~50%。
5)成都膨脹土中黃色粘土的自由膨脹率平均為48.8%,具有弱膨脹潛勢,屬於弱膨脹土,而膨脹土中灰白色粘土的自由膨脹率平均在80%,具有中等膨脹潛,屬於中等膨脹土。綜合而言,成都膨脹土是具有弱一中等膨脹潛勢的膨脹土。
6)從50kPa膨脹率試驗和膨脹力試驗結果可以看出,成都膨脹土中灰白色粘土的膨脹性較黃色粘土的膨脹性要大得多,但從收縮係數的試驗值上看,黃色粘土與灰白色粘土的收縮係數相差不大,表明兩種粘土的脹縮變形能力也相差不大。
7)龍潭寺科創中心和望江錦園的膨脹土均具有特殊的結構特徵,裂隙發育,黃色粘土和灰白色粘土混合,由於兩者物質組成、化學成份、物理性質、微觀結構不同,使得土體力學特徵存在較大差異,同時,土體含水量的變化對土體力學性質影響較大。
8)從現場直剪試驗的結果來看,大剪儀法的試驗效果較好,但在裂隙發育膨脹土上採用一次水平剪切法進行現場直剪試驗時,效果非常差,一般剪切面的走向都沿著裂隙面,無法形成弧線狀的剪切面,一次水平剪切法直剪試驗不適合在裂隙發育的膨脹土上實施。
9)通過總結室內外試驗抗剪強度指標的相關試驗數據並對比分析,總結出了室內試驗、室外試驗、以及室內外試驗在不同狀態、不同取樣方式下所測出的不同抗剪強度指標之間的關係。
10)對於膨脹土抗剪強度指標的獲取來講,室外大剪試驗相對室內試驗,結果更加可靠,更科學。
11)影響膨脹土強度的主要因素有:成都膨脹土的粘聚力c和內摩擦角(p均隨蒙脫石的含量增加而逐漸降低;成都天然狀態膨脹土的抗剪強度與土的裂隙和結構面有著較大的關係,裂隙越多,裂隙中的灰白色粘土愈厚,膨脹土的抗剪強度就越低;膨脹土的強度與土體含水有著密切的聯繫,它弱化了膨脹土土體結構,從而使得土體強度大幅度降低。
12)在成都膨脹土的抗剪強度指標建議值中,c值取室內天然快剪試驗平均值的0.3-0.4 iB, (p值一般取室內天然快剪試驗值的0.45~0.55倍比較合理,對於項目場地濕潤、土體內部含水量較大、裂隙較發育、隙間灰白色粘土較厚時,應取小值,反之應取大值。
參考文獻:
[1]劉特洪.工程建設中的膨脹土問題[M].北京:中國建築出版社,1997
[2]李生林.中國膨脹土工程地質研究[M].南京:江蘇科技出版社,1992
[3]曹凈,歐孝奪,周東等.南寧膨脹土脹縮模糊評判分析[J].中國公路工程,2004,29(3):15~18
[4]高國瑞.膨脹土的微結構和膨脹勢[J].岩土工程學報,1984,6(2):40?48
[5]譚羅榮,孔令偉.特殊岩土工程土質學[M],科學出版社,2006
[6]張天鵬.合肥膨脹土地基的岩土工程勘察[J].當代建設,2001,5:47
[7]何光武,機場工程特殊土地基處理技術[M].北京:人民交通出社,2003
[8]郝月清,朱建強.膨脹土脹縮變形的有關理論及評析[J].水土保持通報,1999,19(6):58-61
[9]曲永新,張永雙.中國膨脹性岩、土一體化工程地質分類的理論與實踐[C].中國工程地質五十年論文集,2000
[10]Jones D.E., Holtz W.G., et al. Expansive soils-the hidden disaster. Civil Engineering,ASCE, 1973, 43
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