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桥梁工程施工膨胀土地基

futao 拆除工程 2019-04-28 400 0
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桥梁工程施工膨胀土地基

目前,国内外对膨胀土的名称和定义尚不统一,现规范对膨胀土的定义,是根据多年来对膨胀土固有的特性研究及在工程中的意义而得出。即膨胀土应是土中黏粒成分主要由亲水性矿物组成,同时具有显著地吸水膨胀和失水收缩变形特性的黏性土。

它包括三个内容:

(1)控制膨胀土胀缩势能大小的物质成分主要是土中蒙脱石的含量、离子交换量,以及小于2um黏粒含量。这些物质成分本身具有亲水特性,是膨胀土具有较大的胀缩变形的物质基础。

(2)除了亲水性外,物质本身的结构构造是很重要的,从电镜试验证明,膨胀土的微观结构属于面一面叠聚体,它比团粒结构有更大的吸水膨胀和失水收缩的能力。

(3)任何黏性土都具有膨胀收缩性,问题在于这种特性对构建物安全的影响程度。只有胀缩性能达到足以危害构建物安全使用,需要特殊处理时,才能按膨胀土地基进行设计施工和维护。

还要说明清楚,膨胀土同时具有膨胀和收缩两种变形特性,即吸水膨胀和失水收缩,再吸水再膨胀和再失水再收缩的胀缩变形可逆性。

我国膨胀土主要分布于广西、云南、湖北、河南、安徽、四川、山东等20多个省(区),总面积在10万km2以上。也广泛分布在美国、前苏联、印度、加拿大、澳大利亚、南非等40多个国家。现膨胀土的工程问题,已成为世界性的研究课题。自1965年在美国召开首届国际膨胀土学术会议以来,每四年一届。我国对膨胀土的工程问题也给予了高度重视,自1973年以来,有组织地在全国范围内展开大规模的研究工作,总结出勘察、设计、施工和维护等方面的成套经验,并已编制了《膨胀土地区建筑技术规范》(GB50112-2013)(以下简称《膨地建规》)。

全国通过膨胀土地区的铁路线占铁路总长度的15%~25%,因而带来的各种病害非常严重。我国过去修建的公路等级较低,膨胀土引起的工程问题不太突出。近年来由于高等级公路的兴建,在膨胀地区新建的高等级公路,出现了严重的病害,已引起公路交通部门的重视。

一、膨胀士特性因素和膨胀土地基的胀缩等级的判别

(一)影响膨胀土胀缩特性的主要因素

膨胀土具有胀缩特性的机理很复杂,属于当前国内外岩土界还在研究中的非饱和土的理论与实践的问题。定性分析认为,膨胀土之所以具有显著地胀缩特性,可归因于膨胀土的内在机理与外界环境影响的两个主要因素。

对膨胀土的成因可知,膨胀土的胀缩性质的自身特性机理,主要是矿物成分及微观结构两方面。膨胀土含大量的活性黏土矿物,最主要的是蒙脱石、伊利石和高岭石,它们都是晶质含水硅酸铝。蒙脱石是蚀变过程产生最多膨胀土的活性黏土矿物,其表面积大,在低含水率时对水有巨大的吸力,所以土中蒙脱石含量的多少直接决定着土的胀缩性质的大小。再者,除了矿物成分因素外,这些矿物成分在空间的连接结构状态也影响其胀缩性质。经对大量不同地点的膨胀土扫描电镜分析得知,层一层连接的叠聚体是膨胀土的一种普遍的结构形式,这种结构比团粒结构具有更大的吸水膨胀和失水收缩的能力。

膨胀土地区的外界环境变化,主要是季节性气候变化,尤其是大量降雨、严重干旱,是影响膨胀土含水率变化的最主要因素,可以说影响膨胀土胀缩特性的变化是水对膨胀土作用的结果。或者更确切地说,因为只有土中存在着可能产生水分迁移的梯度变化和进行水分迁移的途径,才有可能引起土的膨胀或收缩。尽管某一黏土具有较高的膨胀潜势,如果它的含水率保持不变,则不会有体积变化;当黏土的含水率发生变化,不一定是全饱和,若含水率较微变化仅1%~2%的增量值,就足以引起有害的膨胀。很明显,最重要的因素是水对膨胀土的作用。

(二)膨胀土的工程特性指标

1.自由膨胀率(84)试验是按定量(最大称量200g)人工制备的磨细烘干土样,用取土匙取适量土经无颈漏斗全部落入量土杯中,要进行两次量土和称量,差值不得大于0.1g。然后在量筒内注入30mL纯水,并加入5mL浓度为5%的纯氯化钠溶液。将试样土倒入量筒内,上下搅拌各10次。两次读数差值不大于0.2mL,可取其中值。在水中增加的体积与原体积的比值8称为自由膨胀率,按下式计算:V.-V。

式中:V.——土样在水中膨胀稳定后的体积(mL);V。——土样原有体积(mL)。

试验用于判定黏性土在无结构力影响下的膨胀潜势,为判别膨胀土提供指标。但是,它不能反映原状土的胀缩变形,因此,不能用来评价地基土的胀缩性。

2.膨胀率(6.。与850)与膨胀力(p。)膨胀率8。表示原状土在侧限压缩仪中,在一定压力下,试样增加的高度与原高度之比,按下式计算:

式中:V.——土样在水中膨胀稳定后的体积(mL);V%——土样原有体积(mL)。

试验用于判定黏性土在无结构力影响下的膨胀潜势,为判别膨胀土提供指标。但是,它不能反映原状土的胀缩变形,因此,不能用来评价地基土的胀缩性。

2.膨胀率(6。n与0)与膨胀力(p。)

膨胀率8。表示原状土在侧限压缩仪中,在一定压力下,试样增加的高度与原高度之比,按下式计算:

h。-ho式中:h。——土样浸水膨胀稳定后的高度(mm);ho——土样的原始高度(mm)。

为了比较不同土的膨胀性,需要统一规定压力值,规范规定50kPa压力下的膨胀率试验,按下式计算50kPa压力下的膨胀率8s0:

8s0=3s0+z。

式中:6s0—一在50kPa压力下的膨胀率(%);z0——压力为50kPa时,试样膨胀稳定后百分表的读数(mm);z.——压力为50kPa时,仪器的变形值(mm);z0——压力为零时,百分表的初读数(mm);ho——试样的原始高度(mm)。

8.。用于计算地基的实际膨胀变形量或胀缩变形量,6s0用于计算地基的分级变形量,划分地基的胀缩等级。

压力可根据工程的要求确定,但要略大于试样

的膨胀力。压力分级,当要求的压力等于或大于

150kPa时,可按50kPa分级;当压力小于150kPa时,可按25kPa分级。试样压缩稳定的标准为连续两次读数值不超过0.01mm。

以各级压力下的膨胀率6。为纵坐标,压力P为

横坐标,绘制膨胀率6n与压力P的关系曲线,该曲线与横坐标的交点即为试样膨胀力pe(图9-2)。膨胀力是表示原状土样,在体积不变时,由于浸水膨胀产生的是最大内应力,为计算地基的膨胀变形量和确定地基承载力的标准值提供参数。

图9-2膨胀率一压力曲线图

图9-2膨胀率一压力曲线图

3.线收缩率8。与收缩系数入。

天然土含水率较高,会出现收缩变形,失水收缩所引起的是垂直下沉,所以其收缩性可用线收缩率8,与收缩系数A。表示。采用收缩仪器进行收缩试验,按某次式样重量和式样烘干后的重量与对应的式样含水率,按下式计算线收缩率:

8.24-20(9-28)ho式中:z—某次百分表读数;

0——百分表初始读数;ho——试样原始高度;

6..——与z对应的竖向线收缩率(%)。

根据收缩试验过程,按时按次测读收缩数值,直至读数不小于0.01mm为止,整理资料计算出相同次的式样含水率。按不同时刻的线收缩率及相应含水率,以含水率为横坐标,竖向线收缩率为纵坐标,绘制收缩曲线图(图9-3)。从图9-3中看出,随着土中水分的蒸发,含水率降低,线收缩率增大,图中ab段为直线收缩段,bc段为曲线收缩过渡段,至c点水平段,表明含水率虽然仍继续减少,但体积收缩已基本停止。

收缩曲线的直线收缩段不应少于三个试验点数据,如不符合此要求,说明该试验曲线无明显直线段,应在试验资料中注明。收缩系数A。利用直线段求得,定义是:原状土样在直线收缩阶段,含水率减少1%时的竖向线收缩率按下式计算。

A6.

图9-3收缩曲线图

图9-3收缩曲线图

A.=30式中:△6—收缩过程中与两点含水率之差对应的竖向线收缩率之差(%),A8.=82-61;Aw——收缩过程中直线变化阶段两点含水率之差(%),A2w=w1-1w2。


线收缩率与收缩系数为地基评价和计算地基的收缩变形量提供参数。膨胀率与收缩系数是设计计算变形的两项主要指标。

(三)膨胀土的判别和地基评价

1.膨胀土的判别

我国目前主要用综合方法判别膨胀土。首先膨胀土应是土中黏粒成分,主要由亲水性矿物组成,同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩两种变形特性的黏性土。还必须根据膨胀土的特性和工程性质要求,综合考虑气候特点、地形地貌条件、土中水分的变化情况等因素进行判别,但最终决定的因素仍是胀缩总率及胀-缩的循环变形特性。

规范规定:具有下列工程地质特性的场地,且自由膨胀率大于或等于40%的土,应判定为膨胀土。

(1)裂隙发育,常有光滑面和擦痕,有的裂隙中充填着灰白、灰绿色黏土,在自然条件下呈坚硬或硬塑状态。

(2)多出露于二级或二级以上阶地、山前和盆地边缘丘陵地带,地形平缓,无明显自然陡坎。

(3)常见浅层塑性滑坡、地裂,新开挖坑(槽)壁易发生坍塌等。

还规定,由自由膨胀率用来判定膨胀土在无结构影响下的膨胀潜势分类。

2.膨胀土地基评估

膨胀土固有的特性是胀缩变形,土的含水率是胀缩变形的重要条件。自然环境不同,对土的含水率影响将随之有异,必然导致胀缩变形的显著区别。平坦场地和坡地场地各处于不同的地形地貌单元之上,具有各自的自然物理环境,便形成了独自的工程地质条件。现以平坦场地的膨胀土地基为主,将地基的膨胀、收缩的影响程度进行划分,评价其地基的胀缩等级。我国规范还规定以50kPa压力下测定土的膨胀率,计算地基分级变形量,作为划分胀缩率等级标准,表9-18给出了膨胀土地基的胀缩等级。

膨胀土地基的胀缩等级表9-18

膨胀土地基的胀缩等级表9-18

二、膨胀土地基设计计算

(一)膨胀土地基变形量计算

任何黏性土都具有膨胀收缩性。问题在于这种特性对建筑物的安全的影响程度。只有胀缩性能达到足以危害建筑物安全使用,需要特殊处理时,才能按膨胀土地基进行设计施工维护。

膨胀土地基的胀缩变形形态与当地气候变化特点、地形地貌条件、土中水分变化情况以及地面覆盖、树木植被、热源影响、建筑物重力等因素有关,在不同的环境条件下,膨胀土地基变形可分为三种不同变形形态:上升型、下降型、上升~下降循环型。

膨胀土地基变形量(图9-4),可按下列三种情况分别计算。

图9.4地基土变形计算示意图

图9.4地基土变形计算示意图

(1)当离地表1m处地基土的天然含水率等于或接近最小值时,或地面有覆盖且无蒸发可能时,以及建筑物在使用期间,经常有水浸润的地基,可按膨胀变形量计算。

(2)当离地表1m处地基土的天然含水率大于1.2倍塑限含水率时,或直接受高温作用的地基,可按收缩变形计算。

(3)其他情况下可按胀缩变形量计算。

地基变形量计算仍采用分层总和法。下面将上述三种变形量计算方法。

1.地基土的膨胀变形量s。

地基土的膨胀变形量应按下式计算:

s.=.26m6·h(9-30)式中:s。——地基土的膨胀变形量(mm);

。—计算膨胀变形量的经验系数,宜根据当地经验确定;

8m一基础底面下第;层土在该层土的平均自重压力与平均附加压力之和作用下的膨胀率,由室内试验确定;h.——第i层土的计算厚度(mm);

——自基础底面至计算深度内所划分的土层数[图9-4a)],计算深度应根据大气影响深度确定;有可能浸水时,应按浸水影响深度确定。

2.地基土收缩变形量s.

地基土的收缩变形量,应按下式计算:

5.=名A“Awih(9-31)式中:s.—地基土的收缩变形量(mm);

.——计算收缩变形量的经验系数,宜根据当地经验确定;A.——第i层土的收缩系数,应由室内试验确定;Am——地基土收缩过程中,第;层土可能发生的含水率变化的平均值(以小数表示);

——自基础底面至计算深度内所划分的土层数[图9-4b)],计算深度可取大气影响深度;当有热源影响时,应按热源影响深度确定。

在计算深度内,各土层的含水率变化值,应按下式计算:

Au,=Am1-(Awg-0.01)!(932) Z.-1

A01=w1-V.0p(9.33)式中:01、w——地表下1m处土的天然含水率和塑限含水率(以小数表示);

/。——土的湿度系数;z——第i层土的深度(m);z.——计算深度,可取大气影响深度(m)。

在地表下4m土层深度内,存在不透水基岩时,可假定含水率变化值为常数[图9-4c)]。

在计算深度内有稳定地下水时,可计算至水位以上3m。

膨胀土湿度系数,应根据当地10年以上的土的含水率变化及有关气象资料统计求出,没有资料时,可按下式计算:

少。=1.152-0.726-0.00107c(9-34)式中:——膨胀土湿度系数,在自然气候影响下,地表下1m处土层含水率可能达到最小值与其塑限值之比;

—一当地9月至次年2月的蒸发力之和与全年蒸发力之比,我国部分地区蒸发力及降水量值,可按《膨地建规》附录H采用;c——全年干燥度大于1.00的月份的蒸发力与降水量差值的总和(mm)。

大气影响深度,应由各气候区土的深层变形观测或含水率观测及地温观测资料确定;无此资料时,可按表9-19采用。

大气影响深度(m)表9-19

大气影响深度(m)表9-19

注:1.大气影响深度是在自然气候作用下,由降水、蒸发、地温等因素引起土的升降变形的有效深度。

2.大气影响急剧层深度系指大气影响特别显著的深度。

3.大气影响急剧层深度,可按表9-19中的大气影响深度值乘以0.45采用。

3.地基土的膨缩变形量s大量现场调查及沉降观测证明,膨胀土地基上的建筑物损坏,均为长期不稳定的地基土膨缩变形所引起。地基土的胀缩变形量,应按下式计算。

s=/(6p;+A·Aw.)h(9-35)

式中:——计算胀缩变形量的经验系数,可取0.7。

其他符号含义同前。

(二)膨胀土地基承载力

膨胀土地基的承载力同一般地基土的承载力有明显区别:一是膨胀土在自然环境或人为因素等影响下,将产生显著地膨胀变形;二是膨胀土的强度具有显著的衰减性,地基承载力实际上是随若干因素而变动的。其中,地基膨胀土湿度状态的变化,会明显地影响土的压缩性和承载力。

全国在膨胀土地区进行过大量的旁压试验及触探试验,希望经过统计找到规律性东西,但因膨胀土成因复杂,土质不均,所得结果离散性大,所以目前还没有可能建立全国性的承载力表。鉴于不少地区已有较多的荷载试验资料及实测已建构筑物变形资料,可以建立地区承载力表。

规范中提出承载力的试验方法,采用现场浸水荷载试验,以确定地基土的承载力和浸水时膨胀变形量。具体试验要点见《膨地建规》附录C。研究结果要绘制各级荷载下的变形和压力曲线图以及分层测标变形与时间的关系曲线,以确定土的承载力和可能的膨胀量。一般应取试验破坏荷载的一半作为地基土承载力的基本值。在特殊情况下,可按地基设计要求的变形值在P-s曲线上选取所对应的荷载作为地基土承载力的基本值。

三、膨胀土地区桥涵基础工程的问题要点

现今我国高等级公路建设发展很快,已经形成全国公路交通高速公路骨干网,同时各地区也在修建高等级公路的干线。高等级公路的大桥和特大桥是自选桥位控制路线,中小桥梁是服从路线建桥,其桥位是路线中需要建桥的位置处。由此,中小桥和涵洞为必建处。

桥梁墩台基础是桥梁支承和传力的结构,单孔跨度大,则上部结构自重荷载大,车辆的活荷载也大,而墩台基础体积与自重荷载也要大。所有荷载通过基础底,以集中力形式传至地中,也就是最后传到地基膨胀土中。一般情况,跨度较大的桥梁,基础多采用桩基础,即使采用刚性扩大基础,跨度较大的桥梁也很少见到膨胀土的变形损害。

以下对在膨胀土地基上中小跨径桥梁、涵洞及附属设施等工程可能存在的工程问题予介绍,以作参考。

(1)相邻桥墩或桥台之间虽然相距不远,是各自独立基础,如跨越河沟滩头墩身高度不同基础深度不一,地质结构也有差异,不同跨度的过渡墩等都会产生不均匀沉降,造成桥面不平顺跳车,逐渐发展会造成桥面与伸缩缝破损。

(2)桥台与引道相结合部位,由于桥面高程较高引道也高,桥台为刚性体,引道为弹塑性夯实土体,虽然引道有搭板,在车辆荷载长期作用下,引道就会产生不均下沉。桥台引道车载与土压力、膨胀土膨胀引起侧膨胀力共同作用台背上,桥台自身不均匀下沉,坡体变形,沿坡下发生蠕动和滑坡现象,对桥台或整座桥发生危害影响。

(3)涵洞因基础埋置深度较浅,自重荷载又很小,一方面直接受地基土胀缩变形影响,另一方面还受洞顶回填膨胀土不均匀沉降与膨胀力的影响,故变形破坏比较普遍。如涵洞翼墙和端墙的变形开裂、涵顶开裂、洞底膨胀与开裂等。

(4)一些特殊桥梁周围环境具有可开发风景旅游区的条件,还有在城镇附近修建上跨高速公路、一级路的桥梁。结合桥位处环境特点,修建具有艺术色调的附属建筑物,如桥梁入口的“界分”标志,桥头建筑造型、上下步梯等。由于这些附属建筑物基础比较浅小,很容易由地基土膨缩变形而至损坏。

(5)在设计施工时,应考虑气候特点、地形地貌条件、土中水分变化情况的要求,尤其气候变化骤降大雨,会使土质发生大变形。土中水分的变化不仅与气候有关,还受覆盖、植被、热源等影响,这些都是设计时必须考虑的,由施工单位制订相应的技术要求和措施的规定。比如开挖工程,应在达到设计开挖面前1m距离处,采取严格保护措施,防止膨胀土遭受长时间曝晒、风干、浸湿或充水破坏。

(6)桥涵的维修管理是非常重要的工作。桥涵是集水排泄的结构,由于地表膨胀土的风化剥落,在雨季地表径流夹带大量泥土向桥涵宣泄而造成淤积堵塞,是膨胀土地区的一种病害现象。

(7)桥梁使用是百年大计,桥梁建成后,不仅应在桥位墩台处进行“点式”勘察钻探取样试验,还应扩大一定范围,除要查明不良地质现象外,更要对是否有隐形裂隙存在,有否发育的可能及方向,必要时要进行长期观测工作。


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