膨胀土路基设计知识讲解

西部交通建设科技项目

合同号：2002 318 000 15

膨胀土路基设计、加固与施工

技术研究

研究报告简本

长沙理工大学

2007年6月

膨胀土路基设计、加固与施工技术

研究报告简本

长沙理工大学

摘要：依托广西、云南、湖南三省、区多条高速公路，通过广泛、深入的调研和系统的土性试验，认识了膨胀土公路路基病害的发生机理及破坏特点和规律。创造性地提出改进CBR试验方法并建立新的膨胀土填料分类指标体系，按照保湿防渗的基本原则，科学合理地运用封闭包盖技术，在三个省、区四条高速公路上成功修筑多段路堤实体工程，系统提出膨胀土路堤物理处治新技术。抓住干湿循环作用导致膨胀土路堑边坡破坏的本质特征，采用柔性支护结构，直接用膨胀土作加筋体填料，成功治理了膨胀土路堑边坡滑坍地质灾害。以非饱和土理论原理为基础，考虑干湿循环对膨胀土工程性质与力学参数的影响，建立工程实用型非饱和膨胀土本构模型、路基设计与稳定性分析方法。最终形成膨胀土地区公路路基设计、加固与施工的成套技术。1引言

膨胀土是一种多裂隙并具显著胀缩性的地质体，分布十分广泛。修筑在典型膨胀土分布区的路基常常是“逢堑必滑，有堤必坍”，其破坏还具有反复性和长期潜在危害性，被称之为“工程中的癌症”。中国是世界上膨胀性岩土分布最广的国家之一，据专家分析，膨胀土地质灾害为西部公路建设中最突

出的工程问题之一。2002年6月交通部专门立项，开展“膨胀土地区公路修筑成套技术研究”，目的是要解决好长期困扰我国公路建设尤其西部高速公路建设即将面临的更为严重的膨胀土地质灾害问题。长沙理工大学为该项目的牵头单位并承担第二分题“膨胀土路基设计、加固与施工技术研究”。

2项目研究目标与内容

2.1研究目标

（1）通过系统的室内试验、模型试验和现场试验，建立膨胀土直接用作路堤填料的分类分级标准以及压实控制方法，形成系统的膨胀土路堤处治技术及其设计和施工方法；

（2）深刻认识膨胀土路堑边坡破坏规律和机理，研究提出干湿循环显著影响区及其快速测定方法，按照保湿防渗原理，研究开发新型柔性支护综合处治技术，并建立相应的设计及稳定性验算方法。

（3）按照非饱和土理论，在系统试验的基础上，建立工程实用型非饱和膨胀土力学模型，并应用于膨胀土路基工程数值模拟分析，为有效处治膨胀土路基提供参考和依据；

（4）总结提出膨胀土路基设计、加固与施工技术，建立配套的设计和施工指南，指导膨胀土地区新建公路建设，确保工程质量和公路交通的畅通与安全。

2.2主要研究内容

（1）膨胀土土性及物理力学特性试验研究

（2）干湿循环显著影响层深度快速测定方法研究

（3）膨胀土路堤设计与施工技术研究

（4）膨胀土路堑设计与施工技术研究

（5）膨胀土路基防排水设计技术研究 （6）膨胀土地区路基和路面结构协调设计

3 主要研究成果

项目以典型膨胀土分布区广西、云南、河南和湖南的多条在建高速公路为依托，历时5年，通过现场调研、系统的大规模室内外试验、理论计算分析、实体工程修筑、检测和长期跟踪监测，取得极具工程实用价值的突破性成果，不仅解决了长期困扰公路建设的膨胀土工程问题，而且在工程应用和推广中已产生巨大经济和环保效益。

3.1 针对路基破坏的显著特点和非饱和土本质特性，创造性地设计并开展了系列室内试验并进行理论分析，提出工程实用型非饱和膨胀土本构模型，为膨胀土路基设计、施工与数值分析提供了实用参数和理论依据。

因吸力这一应力状态变量的引入使得非饱和土本构模型更加复杂，获取其渗透、变形、强度等参数难度大耗资费时，造成非饱和土理论难于在工程中应用。为搭建非饱和土理论与工程应用间的桥梁，以非饱和土基本原理为基础，抓住基质吸力与含水率之间由土水特征曲线表征的相关性，将各参数受吸力影响转化为受含水率的影响，利用常规仪器和试验方法确定其渗透、强度和变形参数，进而提出工程实用型非饱和膨胀土本构模型。 （1）膨胀土饱和－非饱和渗透特性及其参数

由压力板和收缩试验，运用VG 模型拟合以及非饱和渗透系数分析技术，获得非饱和膨胀土渗透系数随含水率的变化规律。得到重塑土渗透系数k 和孔隙率n 的关系：n =a1g k +b ；非饱和渗透系数与含水率的关系：θθb w ae k -=)(。

（2）膨胀土变形特性和膨胀量预估数学模型

膨胀土遇水膨胀失水收缩，膨胀受限时产生膨胀力，造成路基工程破坏。

针对广西宁明膨胀土，用常规固结仪和收缩仪开展有荷膨胀量、膨胀力和收缩试验，得到含水率、干密度和上覆荷载等因素影响下膨胀土膨胀量、膨胀力和收缩变形的变化规律，建立预估模型（式1～式3）；

膨胀量预估模型：

()000000.3431ln 0.1044ln 2.25880.6629

0.1422ln 0.0512ln 2.13750.5915

spw w p p w w p p w w w ε=

--+--+- （1）

胀限含水率预估模型：

'000.1422ln 0.0512ln 1.13750.5915w w w p p =--+

（2）

膨胀系数预估模型：

7937.10062.0)432.50623.0+⨯-∆⨯-⨯-=P W P （β （3）

（3）膨胀土强度特性及其参数

影响膨胀土抗剪强度的因素多且非常复杂。用常规直剪和三轴试验得到其饱和抗剪强度和残余抗剪强度指标；用GDS 非饱和三轴试验系统研究吸附强度随吸力变化规律，开展不同含水率状态下膨胀土直剪试验，获得抗剪强度随含水率的变化规律（见图1）：ωωb ae C -=)(；ωωϕd ce -=)(。

1.71.81.9

2.02.12.22.3

20%

22%

24%

26%

28%

30%

w

l g

C

0.91.01.11.21.31.41.520%

22%

24%

26%

28%

30%

w l g φ

图1 膨胀土抗剪强度指标随含水率的变化