膨胀土路基处治技术

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

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
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。
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%
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
12 14 16 18 20 22 24 26
弱膨胀土
22
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
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
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
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。
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
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
最佳含水率 （干法）
最佳含水率 （湿法）
13% 15% 17% 19% 21% 23% 25% 27% 29%
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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
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）
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。
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。
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。
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。
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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。
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
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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。
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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
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
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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。
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：
ห้องสมุดไป่ตู้
（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。
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
Ⅲ级
Ⅳ级
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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
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二、膨胀土路堤修筑技术
非膨胀性土包边技术
3.5 75 1:1.
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
（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。
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。