膨胀土路基处治技术

2讲授内容一、膨胀土及其工程问题二、膨胀土路堤修筑技术三、膨胀土路堑边坡处治技术重点：膨胀土路基处治技术原理及常用方法难点：膨胀土的胀缩机理SSSSSSS3一、膨胀土及其工程问题1．什么是膨胀土(expansivesoils)？膨胀土是一种富含膨胀性粘土矿物且在环境干湿交替作用下发生体积明显胀缩和强度强烈衰减而常常导致工程变形破坏的非饱和粘性土。铝氧八面体硅氧四面体蒙脱石构型钾离子伊利石构型微观特征：（1）以蒙脱石和伊利石及其混成粘土矿物为主，易吸水膨胀，失水收缩；（2）比表面积大；（3）阳离子交换量大；（4）微裂隙发育。高岭石构型GSnH2OGSGSGS铝氧八面体硅氧四面体GSGS标准吸湿含水率（%）标准吸湿含水率（%）标准吸湿含水率（%）R=0.9461R=0.9823R=0.9211y=0.0264x+0.69012015129630400500100200300比表面积（m2/g）y=0.2649x+0.726620151296304050102030蒙脱石含量（%）y=0.0281x-0.455920151296306004200400阳离子交换量（me/kg）`一、膨胀土及其工程问题2．膨胀土的判别与分类（1）国内外现有膨胀土判别分类指标可分为两大类：宏观（间接）指标——通过工程实验评价其膨胀潜势；微观（直接）指标——反映胀缩机理的本质参数，如蒙脱石含量、比表面积、阳离子交换量。（2）公路部门：自由膨胀率、塑性指数；铁路部门：微观指标。（3）最新研究成果：测试简便、能反映膨胀土的胀缩本质的宏观指标——标准吸湿含水率。非膨胀土弱中强标准吸湿含水率Wf(%)塑性指数IP(%)自由膨胀率（%）＜2.5＜15＜402.5～4.815～3040～604.8～6.830～4560～90≥6.8≥45≥90注：标准吸湿含水率为在标准条件下（温度为25±2℃，相对湿度为60±3%）膨胀土试样从天然含水量脱湿至平衡后的含水量。5标准吸湿含水率的试验装置一、膨胀土及其工程问题2．膨胀土的判别与分类公路部门膨胀土的判别分类标准6年因其造成的损失达80亿美元。3．膨胀土的分布及特点膨胀土分布广，遍布六大洲、46个国家。美国50个州中40个州有膨胀土分布，每7膨胀土分布区分布广类型多性质复杂一、膨胀土及其工程问题中国膨胀土特点中国26个省区有膨胀土分布，中国加拿大合作研究表明：我国每年因膨胀土造成的经济损失达150亿美元！81我国西部地区拟建的21000km高速公路中有3300km穿越膨胀土地区94．膨胀土的工程特性：（1）超固结性地壳演变过程中沉积固结作用形成的膨胀土均具有显著的超固结性——强度高、容易产生卸荷松弛变形。（2）裂隙性原生裂隙较为发育，在风化、干湿循环和卸荷作用下易产生次生裂隙甚至大的裂缝。（3）膨胀性与强度衰减性膨胀土遇水发生显著膨胀，同时强度剧烈衰减。一、膨胀土及其工程问题５．膨胀土公路路基的常见病害（1）滑坡路堤路堑均有发生，是膨胀土路基最严重的病害。路堤滑坡往往发生在填土或基底为膨胀（岩）土层的情况，滑体一般宽20～50米，厚2～5米；路堑滑坡多发生在膨胀（岩）土分界面，裂隙面或软弱层处，宽数10米，厚一般3～4米，较少超过6米，具有成群分布、浅层性、牵引性、结构和构造性以及多次滑动性等特点。10一、膨胀土及其工程问题内蒙古呼集路大滑坡11（2）坍滑路基施工中到处可见，路堤坍塌多发生在路肩，坍壁一般不超过1米，宽几米或十几米不等；路堑坍塌较严重，多发生在堑顶，坍壁一般高2～3米，宽为几十甚至达到百米。一、膨胀土及其工程问题12（3）溜坍路堤一般在坡腰和坡脚发生，厚度多小于1米，路堑多在已剥落、冲蚀或臌胀的坡面上产生，高度和长度均在数米内，厚多在0.2～0.6米，在长路堑边坡中也可见多个溜坍体连成的溜坍裙。一、膨胀土及其工程问题13（4）结构物破坏由于膨胀土胀缩变形和膨胀力作用，挡墙推移，墙身被剪断，涵洞基础下沉开裂，洞身断裂或涵底隆起，桥台开裂，桥梁锥坡和挡墙开裂外移。一、膨胀土及其工程问题14水泥路面纵向开裂一、膨胀土及其工程问题（5）路面变形、开裂和断板沥青路面变形15（6）水土流失等生态环境破坏路基施工中的借弃土方占用了大量宝贵的土地，破坏了地表植被，引起较严重的水土流失问题。一、膨胀土及其工程问题16二、膨胀土路堤修筑技术1．膨胀土路堤存在的主要技术问题（1）膨胀土一般浸水CBR均小于3，不满足路堤填料最小强度要求；（2）膨胀土的天然含水率高，难以达到干法重型击实试验确定的压实控制标准。（3）即使达到压实标准，干湿循环作用下也易产生变形和破坏。172．国内外对膨胀土路堤采取的主要工程措施换填法化学改良借弃方量大、造价高、生态环境破坏严重。二、膨胀土路堤修筑技术施工困难、造价高、工期长。浸水深度/cmCBR18二、膨胀土路堤修筑技术3．膨胀土直接用作路堤填料的可行性(1)标准CBR试验用于评价膨胀土填料承载力存在不合理性2.0%1.5%4.0%3.5%3.0%13%15%17%25%27%29%19%21%23%含水率最佳含水率（干法）标准试验得到的CBR随制件含水率的变化42.5%681012标准CBR试件含水率随试件轴向深度的变化长沙粘土低液限粘土宁明膨胀土中膨胀土百色膨胀土强膨胀土②浸水方式不合理非膨胀性土含水率沿试件深度变化量较小，膨胀土变化剧烈。且表层土接近流塑状态。含水率/%16182022242628303202①制件含水率不合理干法重型击实确定的最佳含水率所对应的CBR，远小于其最大值。CBR(%)压力（2.7kPa）小远小于封闭包19率较高，膨胀土的CBR仍有较大的数值。010080604020812162024283236含水量(%)堤的工作状态与浸水CBR试验状态不一致由于渗透性差封闭包盖条件下的膨胀土不可能达到浸水状态。而不浸水时即使制件含水路面和基层（下路堤）④封闭包盖条件下膨胀土路封闭包盖法路堤实际工况非膨胀性土膨胀土标准CBR试验浸水时的上覆2m盖路堤的膨胀土填料所承受的上(40kPa)覆压力（大于40kPa）。二、膨胀土路堤修筑技术③浸水时的上覆压力不合理上覆压力：试件浸水过程中，根据需要在试件顶面施加不同的荷载，在荷载板和土体之间还放置一块圆形垫板，以便荷载在土体顶部均匀分布。制件含水率：采用湿法重型击实标准的最佳含水率。测向浸水CBR筒增加的上覆荷载20二、膨胀土路堤修筑技术(2)CBR试验方法的改进改进的CBR试验装置及方法浸水方式：水位不超过试件顶面（距顶面15mm），以保证水不漫过试件，原来的上部浸水改为侧向浸水。CBR/%21制件含水率对测试结果有很大影响。天然含水率附近压实的膨胀土，其强度和水稳性最好。制件含水率与浸水方式的影响侧向浸水CBR变化曲线均位于对应的上部浸水CBR变化曲线的上方，说明改进试验方法能够提高膨胀土的CBR强度的试验值。087654321103015邓县土上部宁明土侧向20含水率/%邓县土侧向百色土上部25宁明土上部百色土侧向二、膨胀土路堤修筑技术改进的CBR试验方法对试验结果的影响9CBR/%CBR/%CBR/%22与2.7kPa上覆压力相比，20kPa下测得的CBR峰值增大较多。三种膨胀土都满足填料的强度要求，采用改进CBR试验方法评价填料时强膨胀土也可用作下路堤填料。上覆荷载对CBR的影响0642810121416182022242628302.7Kpa20Kpa24356121416182022242.7Kpa20Kpa201214161820222426制件含水率/%制件含水率/%强膨胀土1816141210864制件含水率/%中膨胀土2.7Kpa20Kpa弱膨胀土二、膨胀土路堤修筑技术干密度(g/cm3)CBR不同制件含水率的CBR试验结果23浸水CBR值远小于最大值。最优含水率远小于膨胀土天然含水率。最大干密度大，现场压实度控制难以实现。二、膨胀土路堤修筑技术(3)膨胀土用作路堤填料的压实标准以重型干法击实试验确定的压实控制标准存在不合理性：2.0%1.5%4.0%3.5%3.0%2.5%13%15%17%19%21%23%25%27%29%最佳含水率（干法）1.651.601.851.801.751.708%10%12%14%16%18%20%22%24%26%含水量湿法干法膨胀土干湿法击实对比试验结果最佳含水率（湿法）湿法重型击实最佳含水率远大于干法击实所确定的最佳含水率，接近膨胀土的天然含水率，便于施工控制。按此含水率填筑，路堤承载力高且运营期内含水率比较稳定。24填料等级Ⅰ级Ⅱ级Ⅲ级Ⅳ级CBR值9以上6～93.9～63.9CBR膨胀量11～22～33天然稠度≥11填筑要求可直接填筑不可直接填筑二、膨胀土路堤修筑技术4.膨胀土路堤填料分类膨胀土填料分类指标(1)非膨胀性土包边技术(2)土工格栅（网）边部加筋技术(3)膨胀土与碎石夹层、格栅包边技术(4)石灰改良膨胀土、格栅包边技术25推荐方案二、膨胀土路堤修筑技术5．膨胀土直接用作路堤填料的处治技术（物理处治方法）——封闭包盖H8.06.07.51.5:1.26非膨胀性土包边技术碎石土膨胀土非膨胀土24.53.53.5175尺寸单位：m设计要点：破面封闭—选择具有一定强度且隔水性好的非膨胀性粘土包边，包边厚度由当地膨胀土干湿循环显著影响区深度确定。底面隔水—应对基底进行处理，防治地下水和毛细水的影响。顶面封闭—选择非膨胀性粘土填筑于上路堤和路床。二、膨胀土路堤修筑技术晒至其稠度大于1；当天然稠度27天然稠度Ⅲ级以上填料当天然稠度要求1，方可选用表中相应处治方案；当治，当天然稠度0.7时应弃用。填料等级Ⅰ级Ⅱ级处治方案非膨胀性土土包边、土工格栅包边非膨胀性土包边、土工格栅包边Ⅲ级土工格栅包边、非膨胀性土夹层＋土工格栅天然稠度为0.9～1时填料需经晾包边为0.7～0.9时需采用石灰改良处Ⅳ级化学（石灰）改良或弃土二、膨胀土路堤修筑技术膨胀土路堤处治方案的选择膨胀土路堤处治方案选择分类表受干湿循环作用控制的浅层破坏受裂隙软弱结构面控制28的浅层破坏受层间软弱结构面控制的破坏三、膨胀土路堑边坡处治技术膨胀土路堑边坡滑坍是膨胀土地区最严重、最易发生和最难治理的地质灾害。1．膨胀土路堑边坡破坏模式292．膨胀土路堑边坡破坏的数值模拟(1)数值模拟的关键技术之一——非饱和土特性的描述①本构方程（如何考虑基质吸力的影响）②膨胀模型：膨胀变形与含水率、干密度、上覆压力之间的关系③本构方程中变形和强度参数随饱和度和体积应力的变化规律三、膨胀土路堑边坡处治技术30屈服面硬化规律流动法则参数测试需要特殊昂贵专用试验设备，时间长且难获取难以应用于工程实践①本构方程（如何考虑基质吸力的影响）已有非饱和膨胀土弹塑性本构模型（Gens-Alonso模型）简斯－阿隆索弹性变形式中，v=1+e，patm为大气压力，κ，κs和G为弹性参数式中，λ（0）与λ（s）分别为饱和与非饱和状态下土的正常压缩线（v:lnp）的斜率，p*0与p0分别为饱和与非饱和状态下土体前期固结应力，参数pc和各向等屈服应力p0随吸力s而变化。β为反映土刚度随s增长的参数试验参数多且与吸力相关dijdijdij(P,)1sinsinfI1sinccosJ2cos塑性应变：dijd31ep12GdI19KdSijdSij(P,Sr)SrijdSijdmijdSijijdije1E12E12GdI19KpdSijfij0考虑湿度场变化对变形的影响，本构方程为：弹性应变：选择mohr-columb屈服准则，则弹性参数Eμ屈服参数C33本构模型中参数为体积应力与饱和度的函数，即：非饱和膨胀土工程本构模型E＝EP,Sr＝P,Sr可通过常规三轴试验获得C＝CSr＝Sr可通过常规直剪试验获得考虑了胀缩变形spw0.3431w0lnp0.1044lnp2.2