1、膨胀土地区铁路路基病害形式及整治措施研究石家庄铁道大学毕业论文膨胀土地区铁路路基病害形式及整治措施研究Expansive soil in railway roadbed disease forms and regulation measures2015 届 专 业 铁道工程技术 学 号 学生姓名 指导教师 完成日期 2015年6月15日毕业论文成绩单学生姓名学号班级专业铁道工程技术毕业论文题目膨胀土地区铁路路基病害形式及整治措施研究指导教师姓名王天亮指导教师职称副教授评 定 成 绩指导教师 王天亮得分评阅人得分答辩小组组长舒玉得分成绩： 院长签字： 年 月 日毕业论文任务书题 目膨胀土地区铁路
2、路基病害形式及整治措施研究学生姓名学号班级 专业铁道工程技术承担指导任务单位 石家庄铁道大学指导教师 指导教师职称 副教授一、主要内容就膨胀土研究的历史、主要特性、主要研究内容、物理力学特性、分类、改良方法和发展趋势等方面进行综合介绍，基本反映了目前膨胀土研究的现状，为今后膨胀土理论分析和试验研究提供参考任务：通过文献查阅、现场调查、资料搜集等方式，调查膨胀土地区铁路路基病害形式，分析成因，并提出整治措施。二、基本要求1、收集有关工程施工的相关资料，熟悉相的基本理论，并针对具体的实例进行分析研究。2、论文应层次清楚、语句通顺、论点正确、论据充分，所引用的实证资料真实可靠。三、主要研究方法 1.
3、文献归纳法2.理论研究法3.实例分析法四、应收集的资料及参考文献1刘晓晖，潘爱华，刘小毅合六叶高速公路六安连接线膨胀土路基处理公路与汽运，2009，(02)2登峰，郭朋超膨胀土铁路路基施工技术uJ铁道标准设计2004，(06)3李国军膨胀土地段铁路路基施工技术铁道建筑，2000，(07)4陈善雄，李伏保，孔令伟弱膨胀土工程特性及其路基处治对策卟岩土力学，2006，(03)5杜翔斌铁路膨胀土路基填筑试验研究卟铁道工程学报，2007，(05)6扬若芳，扬灿文防治翻泉冒泥新技术一土工聚合物的应用M 北京：铁道出版杜1998：4117陆士强等土工合成材料应用原理M 北京：承利电力出版社，1994：68
4、728兖石铁路泉林段膨胀土路基翻浆冒泥成因及整治研究报告R烟台：鲁东大学土木工程学院、济南铁路局鸿运岩土工程公司，2005五、研究进度计划安排论文进度安排1. 第1周至第4周：分散实习，搜集相关资料；2. 第5周至第7周：集中实习，撰写开题报告；3. 第8周至第11周：撰写论文；4. 第11周至第12周：论文中期检查；5. 第12周至第15周：撰写并完善论文；6. 第16周：进行论文答辩。 教研主任签字： 时间： 年 月 日毕业论文开题报告题 目膨胀土地区铁路路基病害形式及整治措施研究学生姓名学号班级专业铁道工程技术一、研究背景作为在全世界范围内分布非常广泛的一种特殊豁土膨胀土有着这样的性质，
5、也就是膨胀土当遇水的时候会发生膨胀并且失水收缩开裂，而且当其反复胀缩将会导致土体强度的减小，这些都对于铁路建设工程安全性有都有着巨大隐患。因而对于铁路建设项目的施工以及后来的运营而言，需要地预防整治膨胀土地区铁路基床病害。这些病害主要有路基下沉等表现，而且其中里面基床翻浆最为明显，在全球范围内，膨胀土的分布都非常广泛，一直到当今为止，膨胀土所分布的地方以及国家遍布世界各地f11，例如中国、俄罗斯、加拿大、印度等国家，膨胀土年蒸发的蒸腾量超过甚至都超过了在半干旱地区年降雨量，而且膨胀土分布比较集中的位置大概处于在北纬60度至南纬50度的区间。可见膨胀土的分布之广，对于一些建设项目工程都有着很大的
6、威胁。 对于膨胀土而言，有明显胀缩性、多裂隙性等特点，而且这些特征都会引起铁路工程施工及维护方面的不安全圆。到现在为止，中国的京九、南昆等几条铁路干(支)线，运行通车后这些膨胀土地区的路基段都产生了路基病害，甚至有的路基损坏率达到75，路基基床病害很常见。二、国内外研究现状最早的膨胀土的工程问题是1938年美国垦务局在一座钢制虹吸管工程中首认识并报道的，随后引起了世界范围内的广泛关注。自1965年在美国召开首届国膨胀土会议之后，每4年1届；国际工程地质大会、国际土力学及基础工程大会以及许多地区性的国际会议中都将膨胀士工程问题列为重要的议题。英国、前苏联、美国、日本和罗马尼亚等国都高度重视并组织
7、力量专门研究膨胀土的工程性质，制定有关的规范。20世纪70年代初，我国也开始有组织、有计划地在全国范围内开始大规模进行膨胀土特性的试验及理论研究工作。先后进行了膨胀土普查并选择了若干试验研究基地建立长期观测网。在试验技术、基础理论研究及与工程建设密切相关的膨胀土处理措施等方面都积累了丰富的资料，取得了一些成果，并已编制出膨胀土规范。2O世纪8090年代膨胀土的研究重点主要集中在铁路路基处理上，铁路系统曾连续3次组织召开了全国膨胀土工程研究学术会议。此外，全国土力学及基础工程学会、铁道学会和工程地质学会等在全国性的学术会议中也设膨胀土专题讨论。20世纪90年代以后，随着高速公路和基础设施建设的发
8、展，针对膨胀土工程问题的系统试验研究和试验成果分析，在论和实践上获得了很多有价值的资料。膨胀土的工程问题已成为世界性的研究课题，引起了各国学术暴和工程暴的高度重视。自1965年在美国召开首届国际膨胀土会议之后，每四年一届，今年在美国DALLAs召开了第七届会议。此外，国际工程地质大会、国际土力学及基础工程大会以及许多地区性的国际会议都将膨胀土工程问题列为重要的议题。英国，前苏联，美国、日本和罗马尼亚等国都先后组织力量专门研究膨胀土的工程性质，制定有关的规范，充分反映了各国对膨胀土工程问题的高度重视及采取的科学态度。我国对膨胀土的工程问题给予了极大的重视。在七十年代开始，有组织地在全国范围内开展
9、了大规模韵膨胀土研究工作。在垒国十余个省区进行了膨胀土普查，并在此基础上选择了若干试验研究基地，建立了长期观测网。在处理工程问题的实践经验、试验技术和基础理论等方面都积累了丰富的资料，取得了一批成果。八十年代后期铁道部重点课题“裂土的工程性质及其在铁路工程中的应用技术条件的研究”的研究成果获国家科技进步二等奖，从一个方面代表了我国现在的研究水平。原国家建委系统先后两次组织了全国膨胀土地基设计专题研究学术讨论会铁路系统连续三次组织召开了垒国膨胀土(裂土)工程研究学术会议。此外，全国土力学及基础工程学会、铁道学会和工程地质学会等在全国性的学术会议中也设膨胀土专题讨论。我国膨胀土研究工作主要集中在以
10、下几个方面：(1)工民建膨胀土地基问题，(2)膨胀土地区的筑路工程问题J(3)膨胀土的筑坝问题，(4)膨胀土工程性质及测试技术等。其研究成果集中体现在有关的技术规范中。自1978年以来，先后制定了“膨胀土地区建筑技术规范一、“铁路路基裂土(膨胀土)工程技术条件暂行规定 J “铁路膨胀土工程地质勘铡规则”也正在编制，“膨胀土地区营房建筑技术规定”也巳制定在军队内实施“胀缩土筑坝巳纳入“碾压式土石埙设计手册”。四、预期达到的结果了解认识膨胀土的特征、工程性质、以及膨胀土对路基施工的危害.首先，文献归纳。检索与本课题有关的文献，认真阅读，收集有价值的资料。其次，理论研究。整理膨胀土的相关概念，通过收
11、集来的资料进行理论究。最后，实例分析。结合理论研究与实际案例进行分析，得出实用的方案。指导教师签字：时 间：年 月 日摘要膨胀土是影响道路及其它构造物建设的一种特殊土质，在实际工程中，其破坏力是巨大的。解决膨胀土的问题，应着重从影响其物理.力学性质变化的内在因素和外在因素上考虑，从而通过改变土的力学性质达到处理的目的。膨胀土及其工程病害问题一直是当今国内外工程地质领域一直没有妥善解决的世界性技术难题，全世界每年因此造成的经济损失达150亿美元以上，其中我国是受灾害最严重的国家之一。因此对于膨胀土的研究还任重而道远。关键词： 膨胀土 特殊土质 严重 工程病害AbstractExpansive s
12、oil is the influence of the construction of roads and other structures a kind of special soil, in the practical engineering, the damage is huge. Should solve the problem of expansive soil, emphatically from affect its physical.The internal factors and external factors of mechanical properties change
13、, and by changing the mechanical properties of soil to achieve the purpose of processing. Expansive soil and its engineering disease problem has always been the engineering geology field both at home and abroad has not been properly solve technical problem worldwide, every year around the world ther
14、efore, the economic losses caused by more than $15 billion of our country is one of the worst affected by the disaster. So the research for the expansive soil is still a long way to go.Key words: expansive soil Special soil serious engineering diseases第1章 绪论1.1膨胀土研究的意义膨胀土及其工程病害问题一直是当今国内外工程地质领域一直没有妥善
15、解决的世界性技术难题，全世界每年因此造成的经济损失达150亿美元以上，其中我国是受灾害最严重的国家之一。我国是膨胀土分布广、面积大的国家之一，先后己有20多个省市发现有膨胀土，其中主要分布膨胀土是粘粒成分主要由亲水矿物(主要是蒙脱石、伊利石、高岭石等)组成，液限大于40%，同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩两种变形特征的粘性土。在自然条件下，一般多呈硬塑或坚硬状态，具黄、红、灰白等色，裂隙较发育，常见光滑面和擦痕。膨胀土分布广泛，在世界六大洲的40多个国家都有分布。据统计，美国由于膨胀土造成的损失平均每年高达20亿美元以上，已超过洪水、飓风、地震和龙卷风所造成的损失的总和，全世界每年造成的损失达
16、50亿美元以上。在河南、湖北、广西、云南等省，在内蒙、东北等地也有发现。早在五六十年代，就因其工程问题引起人们对它的重视。我国由于膨胀土地基致害的建筑面积达1000万m2左右，铁路、公路及建筑物受到的危害也很严重。南水北调中线工程将穿过三百余公里的膨胀土地区，膨胀土渠坡的稳定问题对工程的正常运行至关重要。研究解决膨胀土边坡稳定问题具有实际意义。因此对于膨胀土的研究还任重而道远。1.2国内外研究现状最早的膨胀土的工程问题是1938年美国垦务局在一座钢制虹吸管工程中首认识并报道的，随后引起了世界范围内的广泛关注。自1965年在美国召开首届国膨胀土会议之后，每4年1届；国际工程地质大会、国际土力学及
17、基础工程大会以及许多地区性的国际会议中都将膨胀士工程问题列为重要的议题。英国、前苏联、美国、日本和罗马尼亚等国都高度重视并组织力量专门研究膨胀土的工程性质，制定有关的规范。20世纪70年代初，我国也开始有组织、有计划地在全国范围内开始大规模进行膨胀土特性的试验及理论研究工作。先后进行了膨胀土普查并选择了若干试验研究基地建立长期观测网。在试验技术、基础理论研究及与工程建设密切相关的膨胀土处理措施等方面都积累了丰富的资料，取得了一些成果，并已编制出膨胀土规范。2O世纪8090年代膨胀土的研究重点主要集中在铁路路基处理上，铁路系统曾连续3次组织召开了全国膨胀土工程研究学术会议。此外，全国土力学及基础
18、工程学会、铁道学会和工程地质学会等在全国性的学术会议中也设膨胀土专题讨论。20世纪90年代以后，随着高速公路和基础设施建设的发展，针对膨胀土工程问题的系统试验研究和试验成果分析，在论和实践上获得了很多有价值的资料。自1965年在美国召开首届国际膨胀土会议之后，每四年一届，今年在美国DALLAs召开了第七届会议。在七十年代开始，有组织地在全国范围内开展了大规模韵膨胀土研究工作。在垒国十余个省区进行了膨胀土普查，并在此基础上选择了若干试验研究基地，建立了长期观测网。在处理工程问题的实践经验、试验技术和基础理论等方面都积累了丰富的资料，取得了一批成果。八十年代后期铁道部重点课题“裂土的工程性质及其在
19、铁路工程中的应用技术条件的研究”的研究成果获国家科技进步二等奖，从一个方面代表了我国现在的研究水平。原国家建委系统先后两次组织了全国膨胀土地基设计专题研究学术讨论会铁路系统连续三次组织召开了垒国膨胀土(裂土)工程研究学术会议。1978年以来，先后制定了“膨胀土地区建筑技术规范一、“铁路路基裂土(膨胀土)工程技术条件暂行规定 J “铁路膨胀土工程地质勘铡规则”也正在编制，“膨胀土地区营房建筑技术规定”也巳制定在军队内实施“胀缩土筑坝巳纳入“碾压式土石埙设计手册”。1.3研究内容及方法就膨胀土研究的历史、主要特性、主要研究内容、物理力学特性、分类、改良方法和发展趋势等方面进行综合介绍，为今后膨胀土
20、理论分析和试验研究提供参考任务：通过文献查阅、现场调查、资料搜集等方式，调查膨胀土地区铁路路基病害形式，分析成因，并提出整治措施。第2章 膨胀土的工程特性2.1膨胀土的简介2.1.1膨胀土的定义膨胀土是一种主要由强亲水性黏土矿物成分(蒙脱石和伊利石)组成的，具有膨胀结构以及多裂隙性、强胀缩性和强度衰减性的高塑性粘性土，也是典型的非饱和土。因其较大的往复胀缩性，也称胀缩土；有的裂隙很发育，被称为裂土 。其化学成分主要为SiO2，AL 03，Fe20。三种氧化物，总含量为81 86 。其分布范围较广，具有较强的胀缩特性和裂隙性，对工程建设的危害较大，防治较为困难。随着膨胀土工程问题的增多，对膨胀土
21、的研究已成为当前岩土工程的重要研究方向之一，并成为世界性的共同课题.膨胀土的矿物成分主要是蒙脱石,为一种高塑性粘土，一般承载力较高，具有吸水膨胀、失水收缩和反复胀缩变形、浸水承载力衰减、干缩裂隙发育等特性，性质极不稳定。常使建筑物产生不均匀的竖向或水平的胀缩变形，造成位移、开裂、倾斜甚至破坏，且往往成群出现，尤以低层平房严重，危害性很大，裂缝特征有外墙垂直裂缝，端部斜向裂缝和窗台下水平裂缝，内、外山墙对称或不对称的倒八字形裂缝等；地坪则出现纵向长条和网格状的裂缝。一般于建筑物完工后半年到五年出现。2.1.2主要性质主要成分由亲水性矿物组成，有较强的涨缩性，多含有钙质或铁锰质结构，一般呈棕、黄、
22、褐色及灰白。膨胀土路堤会出现沉陷、边坡溜塌、路肩坍塌和滑坡等破坏现象。路堑会出现剥落、冲蚀、溜塌、滑坡等破坏。膨胀土按粘土矿物分类，可以归纳为两大类：一类以蒙脱石为主，另一类以伊利石土和高岭土为主。按膨胀性分类可分为：弱膨胀、中膨胀、强膨胀三类。蒙脱石粘土在含水量增加时出现膨胀，而伊利石和高岭土则发生有限的膨胀，引起膨胀土发生变化的条件，分析概述如下：2.1.3含水量膨胀土具有很高的膨胀潜势，这与它含水量的大小及变化有关。如果其含水量保持不变，则不会有体积变化。在工程施工中，建造在含水量保持不变的粘土上的构造物不会遭受由膨胀而引起的破坏。当粘土的含水量发生变化，立即就会产生垂直和水平两个方向的
23、体积膨胀。含水量的轻微变化，仅1%2%的量值，就足以引起有害的膨胀。在安康地区，膨胀土对人们的危害较大，建造在膨胀土上的地板，在雨季来临时，土中含水量增加引起的地板翘起开裂屡见不鲜。一般来讲，很干的粘土表示有危险。这类粘土能吸收很多的水，其结果是对结构物发生破坏性膨胀。反之，比较潮湿的粘土，由于大部分膨胀已经完成，进一步膨胀将不会很大。但应注意的是，潮湿的粘土，在水位下降或其它的条件变化时，可能变干，显示的收缩性也不可低估。综上所述，膨胀土的变化除了土的膨胀内在的因素外，含水量的变化则是个非常重要的外在因素。准确地了解膨胀土的特性及变化的条件，就有可能估计到建造在这个地基上的路基及构造物将会产
24、生怎样的变形，从而采取相应的地基处理措施。2.2膨胀土的分布情况2.2.1我国膨胀土分布我国是世界上膨胀土面积大、分布广的国家之一。膨胀土在我国的分布范围很广，如广西、云南、河南、湖北、四川、陕西、河北、安徽、江苏等地均有不同范围的分布。总面积在10万平方千米以上。2.2.2世界膨胀土分布在世界范围内有40多个国家发现有膨胀土。膨胀土在美国、前苏联、中国、澳大利亚、加拿大、中国、印度、以色列、墨西哥、南非等40多个国家的年蒸发蒸腾量超过年降雨量的半干旱或半湿润地区，其地理位置在北纬60那位50之间。在公路铁路和水利建设及维护中，许多国家和地区都遇到过膨胀土。2.3膨胀土的工程特性2.3.1膨胀
25、土的裂隙性杂的物理力学效应，大大降低了膨胀土的强度，导致膨胀土的工程地质性质恶化。长期以来，膨胀土裂隙一直是人们的重点研究内容，但由于膨胀土裂隙演化的不确定性和随机性，其研究多裂隙性是膨胀土的典型特征，多裂隙构成的裂隙结构体及软弱结构面产生了复进展缓慢，定量化程度低。膨胀土中普遍发育的各种形态裂隙，按其成因可分为两类，即原生裂隙和次生裂隙，而次生裂隙可分为：风化裂隙、减荷裂隙、斜坡裂隙和滑坡裂隙等。原生裂隙具有隐蔽特征，多为闭合状的显微裂隙，需要借助光学显微镜或电子显微镜观察。次生裂隙则具有张开状特征，多为宏观裂隙，肉眼下即可辨认。次生裂隙一般又多由原生裂隙发育发展而成，所以，次生裂隙常具有继
26、承性质。膨胀土中的垂直裂隙，通常是由于构造应力与土的胀缩效应产生的张力应变形成，水平裂隙大多由沉积间断与胀缩效应所形成的水平应力差而产生。裂隙面上黏土矿物颗粒具有高度定向性，常见有镜面擦痕，显蜡状光泽。裂隙面大多有灰白色黏土，薄膜成条带，富水软化，使土的裂隙结构具有比较复杂的物理化学和力学特性，严重影响和制约着膨胀土的工程特性。膨胀土中普遍存在23组以上的裂隙，形成各种各样的裂隙结构体。一般而言，从裂隙组合的形状看，膨胀土中的裂隙在平面上都表现为不规则的网状多边形裂隙特征及裂隙分岔现象。网格状多边形裂隙在膨胀土中分布最广，裂隙将膨胀土体切割成一定几何形态的块体，例如棱柱体、短柱体、鳞片状及块状
27、等，可将土体层层分割，使膨胀土体具有不连续特征。这类裂隙存在各种规模和间距，并且同等级的裂隙一般近似表现出等间距的形式。实际上，自然地质环境中的膨胀土裂隙具有随机分形特征，大都由不同规模和间距的网状裂隙组成，形成一系列大小不一致的多边形块体，虽然看起来杂乱无章，但具有统计意义上的自相似性。膨胀土的风化作用强烈，胀缩作用频繁，加剧了膨胀土裂隙的变形和发展，使土中原生裂隙逐渐显露张开，并不断加宽加深，由于地质作用的不均匀性，膨胀土裂隙经常产生分岔现象。膨胀土裂隙的存在，破坏了膨胀土的均一性和连续性，导致膨胀土的抗剪强度产生各向异性特征，且易在浅层或局部形成应力集中分布区，产生一定深度的强度软弱带。
28、膨胀土的多裂隙结构，首先切割土体产生机械破碎，同时，在原先裂隙的基础上又发育了风化裂隙，这就加剧了土体的破碎与破坏程度，使膨胀土具备了物理风化与化学风化的天然破碎条件。裂隙的发育为水的渗入与蒸发创造了良好通道，促进了水在土中的循环，一方面加剧了土体的干缩湿胀效应，引起土体的变形和破碎；另一方面，有限的淋溶进一步促使化学风化的进行，有利于土体中伊利石和蒙脱石的形成。这种后期的化学风化作用在裂隙结构面上表现最为活泼，其主要标志是在膨胀土中的裂隙面上，普遍发育有灰白色次生蒙脱石黏土条带或薄膜，有的富集呈块。显然，这使膨胀土的亲水性大大增强，常表现在裂隙面上灰白黏土的吸水性要比两侧土体高得很多，膨胀性
29、与崩解性也同样增强，这对于土体的稳定性是十分不利的。膨胀土中各种特定形态的裂隙，是在一定的成土过程和风化作用下形成的，产生裂隙的原因主要是由于膨胀土的胀缩特性，即吸水膨胀失水干缩，往复周期变化，导致膨胀土土体结构松散，形成许多不规则的裂隙。裂隙的发育又为膨胀土表层的进一步风化创造条件，同时，裂隙又成为雨水进入土体的通道，含水量的波动变化反复胀缩，从而又导致裂隙的扩展。另外，膨胀土的裂隙发育程度，除受膨胀土的物质组成和成土条件控制外，还与开挖土体的时间和气候条件密切相关，卸荷(或开挖)土体中的应力状态发生变化也产生裂隙，或促进裂隙的张开和发展。2.3.2膨胀土的胀缩性从土质学观点，膨胀土由于具有
30、亲水性，只要与水相互作用，都具有增大其体积的能力，土体湿度也同时随之增加。膨胀土吸水体积增大而产生膨胀，可使建筑在土基上的道路或其它建筑物产生隆起等变形破坏。如果土体在吸水膨胀时受到外部约束的限制，阻止其膨胀，此时则在土中产生一种内应力，即为膨胀力或称膨胀压力。与土体吸水膨胀相反，倘若土体失水，其体积随之减小而产生收缩，并伴随土中出现裂隙。膨胀土体收缩同样可造成其土基的下沉及道路的开裂等变形破坏。十分清楚，由于膨胀土水体系中水介质的变化而引起土中内应力的改变，从而导致土体积的膨胀与收缩。假如只有膨胀土的存在，而没有水介质参与相互作用，或土中含水量保持恒定，不发生水分的迁移变化时，所谓土的膨胀与
31、收缩都将不可能显示。有的即使在膨胀土水体系中出现含水量增加的现象，如若土中产生的膨胀力不能突破外部荷载的阻抗，同样也不可能见到有土体积膨胀的现象发生。然而，此时在土体内部确是积储了相当的膨胀潜势，一旦膨胀力突破外部阻抗或外部荷载在某种条件下被解除，土体则即刻显示其强烈的膨胀。同样，在膨胀土水体系中，如果含水量已经小到一定程度，即土体已处于比较干燥的状态，此时含水量即使再继续减小，其土体积的收缩也将是很微弱的，然而，一旦吸水则膨胀却十分惊人。由此可见，膨胀土的膨胀与收缩变形的产生，实际上是土中水分的得与失而引起土体积的变化。不过，膨胀土中水分的得失变化是一个相当复杂的物理化学力学效应作用的过程。它除了取决于膨胀土本身的物质组成与微结构特征，同时，还与膨胀土所处环境条件有密切关系。地表水与地下水的动态变化可引起土中水分的变化，气候(大气降雨、蒸发、温度)的变化可促使土中水分的迁移、变化，水的渗漏可导致土中水分增加，热力传导可促进土中水分散失，这些都将直接引起膨胀土胀缩变形的产生。膨胀土的黏土矿物成分中含有较多的蒙脱石、伊利石和多水高岭石，这类矿物具有较
