一种宏观的能够在施工中判别土体膨胀性等级的方法技术

本发明专利技术一种宏观的能够在施工中判别土体膨胀性等级的方法，其特征在于：项目实施前，选取该工区代表性的试样进行自由膨胀率室内试验，建立膨胀性与岩性、土体结构、颜色、裂隙发育特征等之间的关系，以实现现场快速判别的准确性和科学性；选取土体膨胀性等级快速判别的宏观控制指标，开展控制指标分类描述和研究；建立土体膨胀性判别模型，确定各影响因子的权重，同时开展室内验证性试验，提高模型的可靠度和试验的准确性；按照得到的土体膨胀性判别模型，现场开展该工区土体膨胀性等级快速判别工作，它克服了现有技术中无法及时实施过程中需要根据膨胀等级调整处理方案和处理强度工程的缺点，具有现场施工过程中快速判别膨胀土的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于岩土工程与工程地质及水利水电工程
；更加具体来说是一种宏观的能够在施工中判别土体膨胀性等级的方法。
技术介绍
膨胀土是一种特殊岩土体，主要由蒙脱石、伊利石、高岭土等强亲水性黏土矿物组成，表现为多裂隙性、超固结性、强亲水性、反复胀缩性等。它是一种吸水膨胀软化、失水收缩干裂的特殊粘土，极易导致渠道、铁路、公路边坡，以及房屋、地下硐室、隧道等结构工程，产生较大的变形、开裂和滑坡等破坏，具有多次反复性和长期潜在危害性。膨胀土的判别和分类一直是工程界关心的问题，长期以来，许多专家和学者在这方面做了不懈的努力，提出了许多判别和分类方法，如柯尊敬等的最大胀缩性指标分类法，谭罗荣等的风干含水量分类法，李生林等的塑性图分类法汇，梁俊勋的灰色聚类法，陈新民等的灰色关联分析法，金波等的模糊数学方法等等。目前国内外提出作为判别膨胀土的分类方法和指标颇多，而且至今仍有意见分歧，尚未完全统一。各种方法所采用的判别指标大致可归纳为两大类：一类反映土的天然结构与状态，另一类反映土的物质组成成分与水的相互作用。前一类指标要求采用原状土样测定，故测定方法往往较多地受到条件限制，后一类指标反映土粒的基本特性，采用扰动样品即可测得，测定条件较简便易行，故采用较多。全国第二次膨胀土专题会议制定了膨胀土专门的判别方法，提出自由膨胀率Fs≥40％为膨胀土的主要判别指标，以液限WL≥40，液性指标IL≤0.25为参考判别指标，但在这三个指标中，影响自由膨胀率的因素较多，特别是受介质pH值和介质的浓度影响甚大，试验操作方法对自由的测定也有一定的影响。国标《岩土工程勘察规范》(GB50021—2001)和《膨胀土地区建筑技术规范》(GB50112—2013)中均以自由膨胀率大于或等于40％作为膨胀土的判别标准。其中《膨胀土地区建筑技术规范》(GB50112—2013)中提出膨胀土一般具有下列特征：a)裂隙发育，常有光滑面与擦痕，有的裂隙中充填灰白、灰绿色粘土，在自然条件下呈硬塑状态；b)多出露于二级或二级以上的阶地、山前丘陵和盆地边缘，地形平缓，无明显陡坎；c)常见浅层滑坡、地裂，新开挖的坑槽壁易发生坍塌；d)房屋裂缝随气候变化张开和闭合。具备以上条件可以判定为膨胀土。根据室内试验，自由膨胀率≥40％时定为膨胀土，40<δef≤65定为弱膨胀土，65<δef≤90定为中膨胀土，δef≥90％定为强膨胀土。在特殊情况下，尚可以根据蒙脱石含量确定，当蒙脱石含量≥7％时可以判定为膨胀土。在交通部部颁现行《公路路基设计规范》(JTG D30-2004)中采用粘粒含量小于2μm的百分比和自由膨胀率及膨胀总率三个指标，把膨胀土分为强膨胀土、中膨胀土和弱膨胀土三个级别。界限含水量可以反映土粒与水相互作用的灵敏度，在一定程度上反映了土的亲水性能。它与土的颗粒组成、粘土矿物成分、阳离子交换性能、土的分散度和比表面积，以及水溶液的性质等有着十分密切的关系。通常有液限、塑限、缩限3个定量指标。胀缩总率反映膨胀土粘土矿物成分和结构特征。粒度组成反映膨胀土物质组成特性，土中小于0.005μm的粘粒与小于0.002μm胶粒成分的含量愈高，表明蒙脱石成分较多，分散性越好，比表面积大，亲水性强，膨胀性愈大。自由膨胀率反映土的吸水膨胀能力，与粘粒含量、矿物成分、表面电荷等有关。比表面积和阳离子交换量与膨胀土中蒙脱石粘土矿物成分的含量、颗粒组成有着密切的关系。矿物成分不同，必然在其物理化学、力学和水理性质方面反映出明显的差异。当膨胀土蒙脱石的含量达到5％时，即可对土的胀缩性和抗剪强度产生明显的影响，蒙脱石含量超过30％时，则土的胀缩性和抗剪强度基本由蒙脱石控制。1964年南非土木工程研究所Vander Merwe利用塑性指数、≤2μm粘粒含量、粘土活性三个因素，建立粘土膨胀土膨胀势判别图，很快得到了同行的认可。该方法1980年经Williams和Donadson修正后，在国际上得到了广泛的应用。在理论上，塑性指数是粘性土物质成分(粘土矿物、粘性含量)和物理化学活性的综合影响的结果。同时该方法又突出了粘粒含量(≤2μm)和活性(IP与≤2μm粘粒含量之比)的控制作用。根据粘土膨胀势判别图把粘土膨胀势划分为低、中等、高、很高四级；国内外判别岩土膨胀性的指标和方法较多，归纳起来有单指标、多指标、综合指标三大类，常用的单指标有：膨胀率、膨胀力、自由膨胀率、液限、塑限、缩限、蒙脱石等矿物含量、粘粒含量等直接指标和吸水指标、活动指数和胀缩系数等间接指标等；多指标则是其中几个指标的组合，如张金富提出的膨胀岩多指标判别法，建议采用蒙脱石+伊利石矿物含量(>20％)、自由膨胀率(>35％)、液限(>35％)、膨胀力(>100kPa)、小于2μm的粘粒含量(>20％)、风化岩试块吸水率(≥20％)作为判别膨胀岩的标准；综合指标方法更为广泛，如西方国家采用较多的塑性图法、BP网络神经法、灰色聚类法、最大胀缩性指标分类法、模糊数学法等、等效数值法等。上述众多指标都从某个角度反映了土体的膨胀性能，但在工程应用时同时测试所有指标不仅耗时耗人力，也将造成很大浪费。2005-2009年，曾对南水北调中线历年完成的上万组试验数据进行了统计分析，发现不同试验指标之间，大部分都有很好的相关性，如自由膨胀率与粘粒含量、塑限、液限、蒙脱石含量、缩限、胀缩总率等之间相关性都在0.9以上，因此，采用自由膨胀率单指标基本可以反映土体的膨胀性。目前，我国现行的《土工试验规程》(SL237-1999)和《公路土工试验规程》(JTG E40-2004)等土工试验规程中均以体积法来测试土样品的自由膨胀率：以人工制备的松散的，干燥的试样，在纯水中膨胀稳定后的体积增量与原体积之比，用百分数表示。另外，国内也有部分学者提出通过测试土壤电导率，根据膨胀岩粘土矿物的自由电荷使粘土矿物具有一系列化学、物理特性的原理，利用电荷数量与膨胀岩的膨胀性之间具有的相关性，建立土壤自由膨胀率与电导率的关系曲线图，从而间接测试判定土体的膨胀等级的方法。膨胀土工程特性极为复杂，由于膨胀岩土不均一，膨胀性空间变化较大，岩性、膨胀性、裂隙发育特征以及水文地质条件等变化频繁，受勘察精度及膨胀土沉积环境的控制，地质条件可能存在较大变化，工程实施过程中需要根据膨胀等级，及时调整处理方案和处理强度。因此需要研究岩土膨胀等级的快速判别技术，以满足设计方案的优化和快速施工的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述
技术介绍
的不足之处，而提出一种宏观的能够在施工中判别土体膨胀性等级的方法。本专利技术一种宏观的能够在施工中判别土体膨胀性等级的方法；它包括如下具体步骤：①、项目实施前准备：在一个新工作区开展现场快速判别前，选择具代表性的试样进行自由膨胀率室内试验，建立膨胀性与岩性、土体结构、颜色、裂隙发育特征等之间的关系；②、宏观指标选取：现场试样的选取和鉴定按照如下具体的明显特征，依次进行选取试样和进行评分；(2.1)、地貌X1：膨胀土地区的主要地貌形态为孤山、岗地、山前平原、河流一，二级阶地、河床等；从地形地貌上而言：分布在岗顶岗坡者一般为中膨胀土或岩，岗顶表层一般分布弱膨胀土，岗凹一般为弱膨胀土，大型河流两侧平原一般本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种宏观的能够在施工中判别土体膨胀性等级的方法，其特征在于：它包括如下步骤：①、项目实施前准备：在一个新工作区开展现场快速判别前，选择具代表性的试样进行自由膨胀率室内试验，建立膨胀性与岩性、土体结构、颜色、裂隙发育特征之间的关系；②、宏观指标选取：现场试样的选取和鉴定按照如下具体的明显特征，依次进行选取试样和进行评分；(2.1)、地貌X1：膨胀土地区的主要地貌形态为孤山、岗地、山前平原、河流一，二级阶地、河床；从地形地貌上而言：分布在岗顶岗坡者一般为中膨胀土或岩，岗顶表层一般分布弱膨胀土，岗凹一般为弱膨胀土，大型河流两侧平原一般为弱膨胀土，河间地块一般分布为中膨胀土；下述为具体地貌的评分；岗顶7‑8分；岗坡4‑7分；岗坡脚3‑5分；岗间凹地0‑3分；河间地块6‑8分；冲积平原4‑7分；平原前缘4‑5分；平原后缘6‑7分；II级阶地2‑4分，I级阶地0‑2分；在现场施工过程中，上述地貌单元选择其中一类进行赋分；(2.2)、地层X2；土体的膨胀性及膨胀等级与土体所处的时代及岩性有密切相关；在颗粒组成基本相同的情况下，不同时代土体膨胀性顺序为N>Q1>Q2>Q3>Q4，其中N代表新近系，Q为第四系；即地层越老，膨胀性越强；下述为具体的赋分；Q4 0分；Q3 3‑4分；Q2 6‑7分；Q1 7‑8分；地表残坡积Q：3‑5分；(2.3)、岩性X3：不同岩性的岩土体膨胀性顺序为：黏土>粉质黏土>粉质壤土>壤土>泥质粉砂；粉质壤土0‑3分；粉质黏土4‑6分；黏土7‑10分，壤土0‑2分；泥质粉砂0‑1分；；(2.4)、大裂隙发育程度：土体的膨胀性越强，裂隙越发育，条数越多，土体的膨胀性越低，裂隙越低，条数越低；尽管同一膨胀等级的膨胀岩土裂隙发育有差异，但随着膨胀性增强，裂隙发育密度存在统计意义上的增大趋势；非膨胀土土体裂隙不发育或者条数越少；弱膨胀土大裂隙不发育，灰白色黏土条带较少，因为含较多的粉粒，土体结构相对松散，开挖面平整度好，开挖渣料粒度小，旱季开挖时很少出现大土块；中膨胀土体大裂隙和长大裂隙发育，裂隙多呈光滑镜面，裂隙面分布灰白色黏土，土体密实坚硬，开挖面可见到较多的裂隙面，开挖渣料存在较多10‑20cm的土块；强膨胀土裂隙极发育，裂隙面光滑，开挖坡面遍布裂隙面，开挖渣料主要呈扁形块体，天然情况下含水量较高，呈硬可塑状；裂隙密度作为判断的基本因子，长大裂隙作为补充因子，总分不超过10分；(X4)：X4＜0.4条/m2或<1条/m，0‑3分；X4＝0.4‑1条/m2或1‑5条/m，5‑7分；X4＞1条/m2或>5条/m，8‑10分；长大裂隙长度＜5m时，评分总体上+0分；长大裂隙长度为5‑10m时；评分总体上+1分；长大裂隙长度＞10m时；评分总体上+2分；(2.5)、颜色X5：棕黄色、姜黄色、桔黄色、紫红色黏性土为中膨胀土，浅黄色、灰黄色、褐黄色、褐色为弱膨胀土，灰白色、灰绿色为中‑强膨胀性，白色黏性土一般具强膨胀性；Q1为棕红色、浅砖红色4‑6分；砖红色、紫红色7‑9分；青灰色7‑10分；Q2为灰褐色、黄褐色、灰色、棕红色2‑4分；黄色、姜黄色、棕黄色、褐黄色4‑7；棕黄色夹青灰色或灰绿色6‑8分；灰绿色或青灰色8‑10分；Q3为浅黄色、土黄色、灰黄色0‑3分；褐黄色、灰褐色3‑5分；棕黄色夹灰绿色5‑7分；dlQ为第四系不明时代坡积物且颜色灰褐色、褐色、灰黄色时；赋分为2‑4分；(2.6)、钙质结核X6；钙质结核是地层形成以后在大气环境作用下的产物，其形成条件与气候环境、土层化学成分、地层水文地质特性等相关；钙质结核普遍存在于膨胀岩土体中，一般呈姜状，具同心圆结构，大小不一，最大直径可达20cm，一般直径3‑8cm；一般来说，若土体开挖发现有钙质结核必定为膨胀土，膨胀土中含钙质结核越多，膨胀性越强；有成层钙质结核分布的具中等膨胀性；土体中分布有零星的钙质结核一般具弱膨胀性；Q2、Q1中膨胀土一般分布有钙质结核及钙质结核层，Q3一般含少量风化钙质结核；若Q3土体分布有原地钙质结核层者多为中等膨胀土；Q2、Q1第一层钙质结核层或富集层以上一般为弱膨胀土，第一层钙质结核层或富集层以下为中等膨胀土；地表不明时代地层一般少含钙质结核或不含，为弱膨胀土；层内钙质结核含量没有的0‑3分；层内钙质结核含量零星3‑4分；层内钙质结核含量富集5‑6分；在层内钙质结核含量富集层下方6‑8分；层内钙质结核含量富集层上方3‑5分；(2.7)、开挖坡面及开挖渣料特征X7；开挖坡面平整度好，无或极少有长大裂隙面分布，开挖渣料松散且小于10cm比例超过70％，赋分0‑4分；开挖坡面存在有裂隙面构成的凹坑，大和长大裂隙较发育，开挖渣料小于10cm比例在50％左右，土块坚硬，赋分5‑7分；开挖坡面因大量...

【技术特征摘要】
1.一种宏观的能够在施工中判别土体膨胀性等级的方法，其特征在于：它包括如下步骤：①、项目实施前准备：在一个新工作区开展现场快速判别前，选择具代表性的试样进行自由膨胀率室内试验，建立膨胀性与岩性、土体结构、颜色、裂隙发育特征之间的关系；②、宏观指标选取：现场试样的选取和鉴定按照如下具体的明显特征，依次进行选取试样和进行评分；(2.1)、地貌X1：膨胀土地区的主要地貌形态为孤山、岗地、山前平原、河流一，二级阶地、河床；从地形地貌上而言：分布在岗顶岗坡者一般为中膨胀土或岩，岗顶表层一般分布弱膨胀土，岗凹一般为弱膨胀土，大型河流两侧平原一般为弱膨胀土，河间地块一般分布为中膨胀土；下述为具体地貌的评分；岗顶7-8分；岗坡4-7分；岗坡脚3-5分；岗间凹地0-3分；河间地块6-8分；冲积平原4-7分；平原前缘4-5分；平原后缘6-7分；II级阶地2-4分，I级阶地0-2分；在现场施工过程中，上述地貌单元选择其中一类进行赋分；(2.2)、地层X2；土体的膨胀性及膨胀等级与土体所处的时代及岩性有密切相关；在颗粒组成基本相同的情况下，不同时代土体膨胀性顺序为N>Q1>Q2>Q3>Q4，其中N代表新近系，Q为第四系；即地层越老，膨胀性越强；下述为具体的赋分；Q4 0分；Q3 3-4分；Q2 6-7分；Q1 7-8分；地表残坡积Q：3-5分；(2.3)、岩性X3：不同岩性的岩土体膨胀性顺序为：黏土>粉质黏土>粉质壤土>壤土>泥质粉砂；粉质壤土0-3分；粉质黏土4-6分；黏土7-10分，壤土0-2分；泥质粉砂0-1分；；(2.4)、大裂隙发育程度：土体的膨胀性越强，裂隙越发育，条数越多，土体的膨胀性越低，裂隙越低，条数越低；尽管同一膨胀等级的膨胀岩土裂隙发育有差异，但随着膨胀性增强，裂隙发育密度存在统计意义上的增大趋势；非膨胀土土体裂隙不发育或者条数越少；弱膨胀土大裂隙不发育，灰白色黏土条带较少，因为含较多的粉粒，土体结构相对松散，开挖面平整度好，开挖渣料粒度小，旱季开挖时很少出现大土块；中膨胀土体大裂隙和长大裂隙发育，裂隙多呈光滑镜面，裂隙面分布灰白色黏土，土体密实坚硬，开挖面可见到较多的裂隙面，开挖渣料存在较多10-20cm的土块；强膨胀土裂隙极发育，裂隙面光滑，开挖坡面遍布裂隙面，开挖渣料主要呈扁形块体，天然情况下含水量较高，呈硬可塑状；裂隙密度作为判断的基本因子，长大裂隙作为补充因子，总分不超过10分；(X4)：X4＜0.4条/m2或<1条/m，0-3分；X4＝0.4-1条/m2或1-5条/m，5-7分；X4＞1条/m2或>5条/m，8-10分；长大裂隙长度＜5m时，评分总体上+0分；长大裂隙长度为5-10m时；评分总体上+1分；长大裂隙长度＞10m时；评分总体上+2分；(2.5)、颜色X5：棕黄色、姜黄色、桔黄色、紫红色黏性土为中膨胀土，浅黄色、灰黄色、褐黄色、褐色为弱膨胀土，灰白色、灰绿色为中-强膨胀性，白色黏性土一般具强膨胀性；Q1为棕红色、浅砖红色4-6分；砖红色、紫红色7-9分；青灰色7-10分；Q2为灰褐色、黄褐色、灰色、棕红色2-4分；黄色、姜黄色、棕黄色、褐黄色4-7；棕黄色夹青灰色或灰绿色6-8分；灰绿色或青灰色8-10分；Q3为浅黄色、土黄色、灰黄色0-3分；褐黄色、灰褐色3-5分；棕黄色夹灰绿色5-7分；dlQ为第四系不明时代坡积物且颜色灰褐色、褐色、灰黄色时；赋分为2-4分；(2.6)、钙质结核X6；钙质结核是地层形成以后在大气环境作用下的产物，其形成条件与气候环境、土层化学成分、地层水文地质特性等相关；钙质结核普遍存在于膨胀岩土体中，一般呈姜状，具同心圆结构，大小不一，最...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡耀军，阳云华，王小波，朱瑛洁，李亮，强鲁斌，张胜军，
申请(专利权)人：长江勘测规划设计研究有限责任公司，水利部长江勘测技术研究所，
类型：发明
国别省市：湖北;42