膨胀土路基处治技术

8 7 6 5 CBR/% 4 3 2 1 0
10
15
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
21
30
二、膨胀土路堤修筑技术
6 5 4 CBR/% 3 2.7Kpa 20Kpa 10 8 6 CBR/% 4 2 0 12 14 16 18 20 22 制件含水率/% 24 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 制件含水率/% 2.7Kpa 20Kpa
碎石土 膨胀土
24.5
3.5
1.5 6.0 7.5 H>8.0
非膨胀土
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。
式中，λ （0）与λ （s）分别为饱和与非饱和
屈服面
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
12
一、膨胀土及其工程问题
（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。
13
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 水泥路面纵向开裂
14
一、膨胀土及其工程问题
（6）水土流失等生态环境破坏
Ⅲ级
Ⅳ级
24
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
(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
推荐方案
(4) 石灰改良膨胀土、格栅包边技术
25
二、膨胀土路堤修筑技术
非膨胀性土包边技术
3.5 75 1:1.
100 80 60 40 CBR(%) 20 0 8 12 16 20 24 含水量 (%) 28 32 36
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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。 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。
上覆荷载对CBR的影响
与2.7kPa上覆压力相比，
2
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。
强膨胀土
18 16 14 12 10 CBR/% 8 6 4 2 0 制件含水率/%
中膨胀土
2.7Kpa 20Kpa
铝氧八面体
S G S
硅氧四面体
S G S S G S S
硅氧四面体
nH2O S
G S
钾离子
G S G S
蒙脱石构型
伊利石构型
高岭石构型
铝氧八面体
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。
3
一、膨胀土及其工程问题
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
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 年因其造成的损失达80亿美元。
6
一、膨胀土及其工程问题
16
二、膨胀土路堤修筑技术
2．国内外对膨胀土路堤采取的主要工程措施 换填法 借弃方量大、造价高、生态环境破坏严重。 化学改良 施工困难、造价高、工期长。
17
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
① 制件含水率不合理 ② 浸水方式不合理
4.0% 3.5% 3.0%


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。
CBR
2.5% 2.0% 1.5%
1.65 干密度 (g/cm3) 1.60 8% 10% 12% 14% 16% 18% 20% 22% 24% 26% 含水量
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。
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 /% 16 18 20 22 24 26 28 30 32 0 2 4 浸水深度/cm 6
4.0% 3.5% 3.0%
CBR
2.5% 2.0% 1.5%
10
内蒙古呼集路大滑坡
一、膨胀土及其工程问题
（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。
11
一、膨胀土及其工程问题
（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。
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
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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
和 G 为弹性参数 式中，v =1+e，patm 为大气压力，κ ， sκ
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
2
一、膨胀土及其工程问题
1．什么是膨胀土(expansive soils)？ 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Baidu Nhomakorabea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。
15 12 y = 0.0264x + 0.6901 R = 0.9461
2
6 标准吸湿含水率（%） 3
`
9
15 y = 0.2649x + 0.7266 2 12 R = 0.9823 9 （%） 6 标准吸湿含水率 3
0
400 500
15 y = 0.0281x - 0.4559 2 12 R = 0.9211 9 （% 6） 标准吸湿含水率 3 0 50 0 600 200 400 阳离子交换量（me/kg）
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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
受干湿循环作用控制 的浅层破坏
受层间软弱结构面控 制的破坏
受裂隙软弱结构面控制28 的浅层破坏
三、膨胀土路堑边坡处治技术
2．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。
26
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 填料等 级 Ⅰ级 Ⅱ级 Ⅲ级 Ⅳ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 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
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 晒至其稠度大于1；当天然稠度 包边 为0.7～0.9时需采用石灰改良处 治，当天然稠度<0.7时应弃用。 化学（石灰）改良或弃土
（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。
9
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。
标准CBR试验浸水时的上覆 >2m 压力（2.7kPa）小远小于封闭包 盖路堤的膨胀土填料所承受的上 (>40kPa) 覆压力（大于40kPa）。
路面和基层
非膨胀性土 膨胀土 （下路堤）
④ 封闭包盖条件下膨胀土路
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 率较高，膨胀土的CBR仍有较 大的数值。
中国膨胀土特点

膨胀土分布区
分布广 类型多 性质复杂
7

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！
1
我国西部地区拟建的21000km高速公路中有3300km穿越膨胀土地区
8
一、膨胀土及其工程问题
4．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。
4
0
0 100 200 300 比表面积（m2/g）
0
10 20 30 40 蒙脱石含量（%）
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
非膨胀土 标准吸湿含水率 Wf (%) 塑性指数 IP (%) 自由膨胀率（%） ＜2.5 ＜15 ＜40 弱 2.5～4.8 15～30 40～60 中 4.8～6.8 30～45 60～90 强 ≥6.8 ≥45 ≥90
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。
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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。
测向浸水CBR筒
增加的上覆荷载 20
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
9
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。 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。
最佳含水率 （干法）
25% 27% 29%
8 10 含水率 12
13% 15% 17% 19% 21% 23%
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
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标准试验得到的CBR随制件含水率的变化
标准CBR试件含水率随试件轴向深度的变化
二、膨胀土路堤修筑技术
③ 浸水时的上覆压力不合理 封闭包盖法路堤实际工况
最佳含水率 （干法）
最佳含水率 （湿法）
13% 15% 17% 19% 21% 23% 25% 27% 29%
23
膨胀土干湿法击实对比试验结果
不同制件含水率的CBR试验结果
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 填料等级 Ⅰ级 Ⅱ级 CBR值 9以上 6～9 3.9～6 <3.9 CBR膨胀量 <1 1～2 2～3 >3 <1 不可直接填筑 天然稠度 ≥1 填筑要求 可直接填筑
12 14 16 18 20 22 24 26
弱膨胀土
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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：

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。
1.85 1.80 1.75 1.70 湿法 干法