（道路与铁道工程专业论文）地下水对膨胀土路堤影响的模型试验研究.pdf

摘要 因遇水吸湿后膨胀软化，强度骤减，以往在膨胀土地区修路，除非掺灰改性， 开挖的膨胀土只能废弃，弃土换填往往造成工程投资大大增加并引发严重的水土 流失和生态环境破坏。长沙理工大学课题组在开展西部膨胀土项目研究中采用封 闭包盖技术，在多条高速公路上直接用膨胀土修建路堤实体工程，成功解决了这 一工程技术难题。为验证和完善这种物理处治技术，需研究并获得地下水对路堤 填芯膨胀土的影响。为此，本文开展了受地下水作用的膨胀土路堤模型试验。 文中首先简述封闭包盖法修筑膨胀土路堤的技术思路及多段实体工程，对比 分析了各种包盖方案的处治效果，论证了这种物理处治技术的有效性。然后以百 色膨胀土为填料，分析其土性和路用性能，设计并修建了主要研究地下水影响的 足尺膨胀土路堤模型并埋设了相应的测试元件。通过改变堤底地下水条件，分别 获得了毛细水和有压地下水作用下路堤不同层位土体的含水率、孔隙水压力、土 压力以及不同季节其温度的变化规律。结果表明：由地下水引起的路堤不同层位 处的含水率变化成指数函数分布，其表达式为y = ae 。b ；堤内土体的孔隙水压力 和土压力随含水率变化有明显响应，同样可用指数函数表达膨胀力( 侧向土压力) 随含水率变化关系；地下水条件不变时，堤内土体的湿度还受气温变化的影响。 通过模型试验研究，获得了不同地下水条件下的膨胀土路堤内部含水率，孔 隙水压力和土压力变化规律，进而分析出其对堤底的有效影响范围，据此，对膨 胀土地区可能遇到的几种路堤基底状况，分别提出了处理措施，同时对封闭包盖 设计中包盖层厚度、填芯膨胀土填筑高度以及施工过程中的摊铺、碾压及压实控 制等方面提出建议。 关键词：膨胀土；路堤；封闭包盖法；模型试验；水分运移；基底处理 a b s t r a c t a se x p a n s i v es o i li se a s yt 0a b s o f bw a t e rt os w e ua n dt h e ns o f t e n ，w h i c hc a u s e st h e s 仃e n g t hd e g r a d a t i o n ，e x p a n s i v e s o i li s0 f t e nm o d i f i e db ym i x i n ga s h ，o t h e r w i s e a b a n d o n e di nt h es u b g r a d ec o n s t r u c t i o no fp a s te x p f e s s w a y s t h u st h ei n v e s t m e n tc o s t o fh i g h w a yc o n s t n l c t i o ni n c r c a s e s ，s o i la n dw a t e r1 0 s sw i ua p p e a r a n de n v i r o n m e n t w i l lb ed e s 扛1 l c t e d t h er e s e a r c h g r o u po fc h a n g s h au n i v e r s i t y o fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g yp u tf o r w a r dam e m o do fe n v e l o p i n ga n dw f a p p i n gu s i n ge x p a n s i v es o i lt 0 f i l lm ee m b a n l ( m e n td i r c c t l yi ns o m et r i a ls e c t i o n so fs e v e f a le x p r e s s w a y s f o r t c s t i f y i n ga n di m p r o v i n g s u c hap h y s i c a l t r e a t i n gt e c h n i q u e ， m ei n n u e n c eo f g m u n d w a t e rt o t l l e e x p 瓶s i v e s o i l si nm ec e n t c r0 fe m b a n k m e n t si sr e s e a r c h e d t h e r e f o r c ，t h ep a p e rc a r r y so u tt i l em o d e le x p e r i m e n t a lf c s e a r c ho fe x p a n s i v es o i l e m b a n 蛔e n t su n d c rt h ea c t i o n0 fg r o u n d w a t e f f i r s t l y ，t h ep a p e rr e p r e s e n t st h ec o n c e p to f b u i l d i n ge x p a n s i v es o i le m b a n k m e n t s t h r o u g ht h em e t h o do fe n v e l o p i n ga n dw r a p p i n g ，a n a l y z e st r e a t i n ge f f e c t so fe v e r y e n v e l o p i n gs c h e m e s 姐dd e m o n s t r a t e st h ev a l i d i t yo ft h ep h y s i c a lt r e a t i n gs c h e m e s s e c o n d l y ，t a k cb a i s ee x p 姐s i v es o i la sf i l l s ，觚a l y z et h es o i lc h 啪c t e r s 姐di t sr o a d r e l a t e d p e r f b 珊a n c e s ，d e s i g n a n db u i l df u l l s c a l em o d e lo f e x p a n s i v e s o i l e m b 觚k m e n t s ，i nw h i c hc o f r e s p o n d i n gt e s t i n gc o m p o n e n t sw e r cb u f i e d b yc h a n g i n g t h ec o n d i t i o n so fg m u n d w a t c ru n d e re m b a n l 【m e n t s ，t h ev a f i a t i o nl a w s0 fw a t e r m o i s t u r c ，p o r cw a t e rp r e s s u f e ，s o i lp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r ea r ca c q u i 佗d t h er e s u l t s m a n i f c s tm a t ：a st h ev a r i a t i o nc u r v eo fw a t e rc o n t e n ti nd i f f e r e n tl a y e r so f e m b 她k m e n t sc 卸s e db yg r o u n d w a t e ri sd i s t r i b u t e d 硒e x p o n e n t i a lf u n c t i o n ( y = ae - b ) ； a st h e r e 盯ee v i d e n tr e s p o n s e sf o rt h ev a r i a t i o no ft l l ep o r ew a t e fp f e s s u r ea n ds o i l p r e s s u r et 0w a t c rc o n t e n t ，t h em l a t i o no fs w e l l i n gp r e s s u r e ( 1 a t e r a lp f c s s u r e ) c h a n g e d w i t hw a t e rc o n t e mc a na l s ob ed e s c r i b e dw i t he x p o n e n t i a lf u n c t i o n ；u n d c ft h e u n c h a n g e a b l ec o n d i t i o no fg r o u n d w a t e r ，t h es o i lw a t e rc o n t e n t0 fe m b a n k m e n t s c h a n g e sw i t ht h ee n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r ev a r i a t i o n t h r o u g ht h em o d e le x p e r i m e n t a lr e s e a f c h ，t h ev a r i 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rm i g r a t i o n ；s u b s t r a t et r e a t m e t 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成 果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 书巍够 口 日期：秒年月岁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长 沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 篡事秽吻缸寻篡豸徽 1 1 问题的提出 第一章绪论 膨胀土是自然地质过程中形成的一种多裂隙并具有显著胀缩性的地质体，它 具有超固结性、多裂隙性、吸水显著膨胀软化、失水收缩开裂且反复变形等不同 于正常固结粘土的工程性质。修筑在典型膨胀土分布区的公路膨胀土路基常常是 “逢堑必滑，有堤必坍”，且这种破坏作用常具有多次反复性和长期潜在危害性。 膨胀土对工程的危害早在上世纪五六十年代就引起人们重视，成为铁路和公路建 设中的一大技术难题i l 2 】。 由于土中主要粘粒成分是强亲水性粘土矿物一蒙脱石及其混层矿物，膨胀土 土体湿度增大时，体积膨胀并形成膨胀压力；土体干燥失水时，体积收缩并形成 收缩裂缝【2 】，含水率变化是引起膨胀土体胀缩变形的决定因素，也是导致膨胀土强 度降低，路基破坏主要原因。公路修建中，开挖膨胀土往往都被废弃，路堤均采 用借土填筑。随着大规模的高等级公路建设的展开，不少路段不得不穿越大面积 的膨胀土分布区，若将开挖的膨胀土全部废弃，采用借土换填，将增加工程投资， 使工程经济性差；另一方面，借弃土还往往造成严重的水土流失，对沿线自然景 观、当地气候、自然生态造成严重破坏。对于公路建设中遇到的膨胀土问题，长 沙理工大学西部膨胀土项目课题组明确提出应优先考虑采用膨胀土填筑路堤，并 采用封闭包盖法在国内三省四条高速公路上修建了试验段实体工程。这些实体工 程均经受住了三年多时间的考验，达到了提高工程的经济性，减少借弃土方和由 于借弃土方造成的水土流失和环境破坏的效果。 封闭包盖法填筑的膨胀土路堤能成功，换句话说路堤能否保持稳定在很大程 度上与路堤的湿度密切相关。膨胀土并非好填料的主要原因在于其水稳性差，因 此土中湿度变化是影响膨胀土路用性能的重要因素。引起路基湿度变化的水源有 大气降水、地面水、地下水和毛细水等，从实体工程的现场监测数据来看，封闭 包盖法通过合理布设地表排水系统和采用合适包盖技术能有效的阻碍大气降水和 地面水浸入路堤内部，但地下水、毛细水受气候、地形和地质条件的影响，且其 埋藏深度、含水层的厚度等变化较大，若对它们的工程性质的特殊性没有全面的 了解并采取合理的处治措施，让其浸入路基，引起路基含水率变化从而造成路堤 强度衰减直至破坏。因此，要真正建立配套有效的膨胀土路堤物理处治技术，确 保路基的强度和稳定性，除了确定封闭包盖这一原则以外还必须正确模拟、分析 地下水和毛细水对膨胀土路堤的影响，找出水分在膨胀土路堤内部的运移规律并 提出膨胀土路堤填筑的处治措施，为膨胀土地区公路路堤修筑提供理论支持。因 此，为进一步完善封闭包盖法填筑膨胀土路堤的设计、施工技术，有必要开展不 同地下水条件下膨胀土路堤模型试验研究。 1 2国内外研究现状 1 2 1 膨胀土的研究现状 膨胀土分布十分广泛，在世界六大洲中的4 0 多个国家先后发现膨胀土，由于 其特殊的工程性质，常常给膨胀土地区的工程建设造成严重的破坏，给人民的财 产造成巨大的损失。 膨胀土工程问题直到上世纪3 0 年代后期才被岩土工程师所认识，1 9 3 8 年美国 开垦局工程人员在俄勒冈州的一例膨胀土基础工程中领悟到建筑物或构筑物的破 坏，除了由于地基沉陷造成损坏外，还有膨胀土造成的损坏。美国于1 9 5 9 年在科 罗拉多州召开了首届膨胀性粘土全国性学术会议；国际膨胀土科研与工程会议每4 年召开一次。膨胀土的研究从一个国家或地区的研究逐渐发展成为世界性的共同 课题。现在膨胀土问题己引起各国工程人员的高度重视，自1 9 5 9 年以来，英国、 美国、罗马尼亚、前苏联和日本都相继在正式颁布的土木规范与铁路规范等文件 中增加了有关膨胀土的条文内容。 上世纪5 0 年代初，我国在修建成渝铁路工程中，首次遇到成都膨胀粘土危害 问题，从而拉开了我国膨胀土研究的序幕。7 0 年代中期，我国开展了大规模的膨 胀土普查工作，建立了科学研究试验基地，开展了卓有成效的研究，取得了一定 的科研成果和工程经验。8 0 年代，我国制订了膨胀土地区建筑技术规范。1 9 9 0 年 在成都召开了全国首届膨胀土科学研讨会，我国膨胀土研究从此进入一个新的阶 段。2 0 0 4 年在南宁召开了第二届全国膨胀土科学研讨会，系统总结了膨胀土地区 进行公路、铁路、水利、建筑等工程建设的工程实践经验，加强了对膨胀土工程 研究成果的学术交流和探讨，提高了对膨胀进一步研究的水平。会议编辑出版 了膨胀土处治理论、技术与实践文集，本书收录的5 8 篇学术交流论文，反映 了我国膨胀土尤其是公路膨胀土工程处治技术研究的现状、研究热点、发展趋势 和取得的一些最新成果【3 1 0 】。此次会议的成功召开标志着我国膨胀土研究已达到 一个新的高度。 1 2 2 含水率对膨胀土性质的影响 膨胀土对含水率的变化非常敏感，含水率的变化是膨胀土产生强度变化、干 湿循环和胀缩变形等重要特性的基础，是影响边坡稳定的重要因素，研究表明， 含水率只要改变l ，膨胀土的工程性质就会发生显著变化。 1 ) 含水率变化引起膨胀土土体强度发生变化。处在自然状态下的膨胀土常表 2 现为非饱和土的特征，目前，比较典型的的非饱和土强度表达式为f r c d l u n d 的双 变量公式： f ，= c + b 一。蛔妒+ “。一。妇缈6 ( 1 1 ) 式中见一。为非饱和土中的吸力，用只表示吸力对非饱和土的抗剪强度的贡 献非常可观【1 1 】，所以含水率较低时膨胀土的抗剪强度很高。当含水率增大时，也 增大，吸力则降低，抗剪强度就会明显降低：当土体饱和时，吸力几乎完全丧失， 它对土体抗剪强度的贡献也就不存在了。 缪林昌1 2 1 用于密度为1 4 5 9 c m 3 ，含水率分别为2 4 3 ，2 9 2 和3 1 6 的试样 进行直剪试验得出的结论显示：随着含水率的增加，吸力减小，强度明显降低， 试样含水率增加2 0 粘聚力下降6 5 摩擦角下降4 l ；土样含水率增加3 0 ，粘 聚力下降8 8 ，摩擦角下降4 8 。由此也可看出，土体含水率对膨胀土的强度起 决定性作用。 2 ) 含水率变化引起膨胀土产生干湿循环。在许多膨胀土分布地区，其气候特 征存在较明显的干湿循环，如我国长江中下游地区，梅雨季节气候湿润、降雨集 中，地下水位普遍升高，而秋冬季节降雨量较少，地下水位下降。这种干湿循环 对膨胀土的胀缩特性有较大影响，会造成许多土木工程的破坏。许多研究结论得 出以下规律：前一级的膨胀率总是大于后一级的膨胀率，总的膨胀变形量是在不 断增大的，而且击实膨胀土经过几次干湿循环后膨胀变形趋于稳定；随着干湿循 环次数的增加，后一级膨胀至稳定的时间是在不断缩短的，击实膨胀土的首次膨 胀率的大小和其初始的含水率有关系；在最佳含水率附近l 。2 位置，初次膨胀 率最大。另外，经过多次干湿循环作用将使得击实膨胀土的强度大大降低。 3 ) 含水率的变化引起膨胀土体发生胀缩变形。含水率增加时，膨胀土体积显 著增大，表现出了强烈的膨胀性，膨胀变形试验结果表明【l ”，膨胀土的膨胀量与 含水率之间的关系为： 艿，= 4 1 w o 曲1 ( 1 2 ) 式中6 。为压力p 作用下的膨胀量；。为初始含水率；a l ，b 1 为试验常数。 如果在膨胀土膨胀变形受到限制，则在土中产生内应力。杨庆【1 4 】通过对多组 试验的试验数据进行分析也发现，膨胀力和含水率之间存在良好的指数关系： 以= 钟一 ( 1 3 ) 式中a ，b 是由土的性质决定的参数，对于同种土，a ，b 均是常数。 相反，当土中含水率减少时，土体会收缩，并产生收缩应力。 可见，膨胀土路基中含水率的变化超过一定的限度，膨胀土的强度等方面的 性质会发生改变，这对路基的稳定是非常不利的，因此，应在实际工程中尽可能 3 的采用一些手段，控制膨胀土路基中的土体含水率变化在一定范围内。 1 2 3 非饱和土中水分运移的驱动势 非饱和土中水分运移是一种十分复杂的物理、化学作用过程，受多种力和能 量的控制和制约1 5 1 钔。含水率梯度、基质吸力梯度、水力梯度和温度梯度都可能 是水分运动的驱动力，从土体特性、水分形态、大气压力、地温梯度、能量均衡 等不同的角度来研究，都会发现不同的表现形式。许多研究者依此先后提出了多 种理论方法。 1 ) 毛管势理论。毛管势理论最初把土壤孔隙比作一束毛细管，以后又假定球 形土粒成规则排列所成的孔隙为粗细相问的念珠状( 葫芦状) 管道，水分受毛细 作用在毛细管道中从毛管势高的地方流向毛管势低的地方。这种理论把包气带水 分运移的驱动力完全归结为毛细力。多年以来的研究成果表明，毛管势理论存在 两大缺陷，一是土壤孔隙形状的概化严重失实和水驱动力种类考虑的不全面。显 微照像和计算机图象分析技术的快速发展，已显示出土壤颗粒极少是球形的，土 壤孔隙的截面形状极不规则，孔隙在各个方向上连续所成的管道形状也极不规则。 因此，假定水分沿管道运移的任何理论都失去了客观实际的支持。二是理论依据 不足。土壤保持水的力除毛管力外还有土粒表面的吸附力，后者要比前者大得多， 尤其是在粘性土中更是如此。毛细作用表现较明显的土壤孔隙低限在l 3um 之 间，而水分子的直径约为3 1 0 4 c m ，细孔隙周围吸附若干水分子层后，就会有一 部分或全部孔隙被堵塞，使水能借毛管力通过的孔隙变得狭小得多，甚至完全堵 死。并且要排出细孔隙中的水实际需要的压力要比由毛细作用计算的压力大得多。 因此，完全用毛细作用来解释细孔隙中水分的运移，理论上根据不足。 2 ) 层流理论。认为土壤水的运移是层流，直接用达西定律描述非饱和土中的 非饱和流既缺乏实验依据，也缺乏理论依据。在现有技术条件下，由于无法保证 用于实验的土柱中各断面的含水率、土水势梯度大致相同。因此，水的非饱和流 动规律实验( 等含水率、等土水势梯度的实验) 无法实现。所以，直接移植饱和 流的达西定律用于非饱和流无实验依据。另外，非饱和流应用达西定律明显不妥。 一是达西定律是在恒温条件下得出的，而非饱和带不是恒温地带，存在较大的地 温梯度。在基质势与重力势达到近似平衡( 除雨季外，全年绝大部分时间如此) 的水分剖面上，地温场的作用可能是水分运移的主要因素。二是达西定律是在饱 和状态下得出的定律，水在非饱和土中的运移不是饱和流。非饱和流动与饱和流 动之间在水分运移参数( 导水率、渗透系数) 上存在明显的差异。 3 ) 湿润锋面入渗理论。湿润锋面入渗理论认为，只要补给充足，在入渗的任 何时刻( 入渗水到达潜水面以前) 检查剖面都可以见到：地表数毫m 至l 厘m 左 右的饱和层，中部处于饱和一非饱和状态的传导层以及最下部的湿润层。湿润层 4 的最前端为一干、湿交界的锋面，称作湿润锋。在湿润锋处，往往水停滞不前， 只有当水积蓄到接近饱和时，湿润锋才骤然向前推进一步，然后又停滞下来继续 聚水，过一段时间再推进一步，如脉冲一样，跳跃式前进。但是，众多的实验结 果与该理论的描述不一样。通过大量的入渗模拟试验表明入渗现象与湿润锋面入 渗理论不吻合，入渗水的下移不是齐头并进的，而是沿土体中的大孔隙呈现捷径 式的优先入渗方式。 4 ) 土水势理论。土水势理论是以能量守恒原理和质量守恒原理为基础建立起 来的，土水势矿是指基质势、重力势势 j ，。、溶质势、压力势妒，和温度势个 分势的和。即： 缈= l f ，一十g + 缈，+ p + 缈 ( 1 4 ) 在实际应用时，通常作如下的假定：由于温差存在造成的土壤水分运动通量 相对是很小的，温度势的作用可忽略，= 0 ；在非饱和带中土壤孔隙具有连通性， 各点所承受的压力均为大气压，故各点附加压强为零，压力势为零，y 。= o ；如果 只考虑水在土壤中的运动，而不涉及土壤向植物根系供水，由于在土壤中不存在 半透膜，溶质势可考虑为零，= o 。于是，上式变为：缈= 妒。+ 。这个公式是 当前研究土壤水运移和模拟土壤水运动最常用的土水势表达式。而在实际情况中， 温度和压力对非饱和带水分运移能产生显著的影响。当土壤含水率一定时，随着 温度的升高，水的粘滞度和表面张力均降低，水的吸力值也降低，土水势上升。 这种变化直接影响土壤水分运动参数。在温度的影响下，土壤中的水分可以从温 度高处流向低处。另外，当温度状况引起水的相交，则会明显影响水分的入渗速 度和累计入渗量。此时，土壤温度成为水热运移的一个重要因素。非饱和土中存 在闭塞的未充水的孔隙气泡，其中与土壤水相平衡的气压可能不同于大气压，由 此产生的压力势称为气压势。闭塞气泡及相应气压势的存在，对较深层的土壤水 分运动状态也有一定的影响。因此，对公式的过分简化引起了土水势理论的不足。 在研究土壤水的运移时采用简化后的土水势公式不考虑温度势、压力势和溶质势 的作用是不合适。 1 2 4 对路基中水分运移的研究 土是由固相、液相和气相组成的，液相即水是土的三相组成中最活跃的因素。 根据土的固相、液相、气相的组成比例可将土分为饱和土和非饱和土两大类， 人 们对饱和土体中水分运动问题的研究始于法国工程师达西( h d a r c y ) 所进行的试 验，经不断完善和发展，其科学理论逐渐形成了现在的地下水动力学。1 9 世纪下 半叶以来，非饱和土体中水分运动问题一直是土体学研究的重要课题之一。 1 8 5 6 年法国工程师达西( h d a r c y ) 通过均质砂土中液体渗流试验的研究总 5 结出渗流的基本公式一一达西定律，自此，渗流理论及其应用研究得到了迅速发 展。1 9 3 1 年，r i c h 盯d s 将d a r c y 的线性渗流理论推广应用到非饱和渗流中，水相 流所满足的控制方程( r i c h a r d s 方程) 便很快建立起来。基于r i c h a r d s 方程的饱 和一非饱和渗流后来得到了深入的研究，并成功地应用到许多实际工程中【l “”j 。 l a m 和f r c d l u n d 对饱和一非饱和土渗流问题作了比较完整的论述，把非饱和土体 水运动理论与非饱和土固结理论相结合，得到了符合岩土工程师使用习惯的饱和 一非饱和渗流控制方程，并运用二维有限元方法对复杂地下水流动系统的几个暂 态渗流实例问题进行了数值模拟。s 锄m o r i 和t s n b o y a n m a 【2 1 】采用g a l e r k i n 有限 元法模拟了恒定降雨强度下边坡暂态渗流过程，并对边坡的稳定性进行了参数研 究，其中考虑了斜坡长度、土层深度、横截面形状和土的性质等因素的影响。结 果表明对斜坡稳定性不利的参数取值情况是较低的导水率，较长的斜坡，较浅的 土层和凹形斜坡表面。s h i m a d a 等【2 2 】用g “e r l 【i n 有限元法模拟了不同降雨强度和 不同土的类型条件下的二维非饱和渗流。并采用刚体弹簧模型进行了斜坡稳定性 数值分析。结果表明较高降雨强度引起安全因数显著降低，渗透性函数对斜坡安 全因数降低影响较小，接近饱和时，基质吸力较小改变可引起斜坡安全因数大幅 度降低。 国内近十几年来在这方面也开展了许多工作。李广信( 1 9 9 2 ) 等应用伽辽金 有限元法对三维饱和一非饱和士渗流问题进行计算研究，介绍了数值方法和主要 计算公式，给出了典型算例的计算结果，并与前人的试验资料进行比较。该研究 成果表明，在进行渗流分析时，该方法比只在饱和区内进行饱和渗流分析更接近 实际。另外，将饱和区与非饱和区耦合在一起分析可以避开难以处理的自由水面 边界问题。因而使水位升降、降雨和蒸发等引起的饱和一非饱和渗流问题得到较 好的解决。 吴宏伟【2 习等针对香港地区一种典型非饱和土斜坡，用有限元法模拟雨水入渗 引起的暂态渗流场，然后将计算得到的暂态孔隙水压力分布用于斜坡的极限平衡 分析。研究了降雨特征、水文地质条件及坡面防渗处理等因素对暂态渗流场和边 坡安全因素的影响。但是该文在研究中没有考虑雨水入渗随着土体入渗能力的变 化而变化的特性，而只是把入渗量按降雨量的一定比例降低来大致确定。 陈善雄，陈守义聊。捌用积分有限差分方法模拟了降雨条件下土体中水分的 运动情况，并对降雨条件下非饱和土坡的稳定性的分析方法做了研究。 李兆平2 7 1 以土体体系含水率作为控制变量，应用非饱和土水分运动基本理 论建立了降雨入渗过程中土体瞬态含水率的计算模型，采用非饱和土强度理论和 极限平衡方法，得出了可以考虑基质吸力影响的边坡安全系数计算公式，最后通 过具体的算例，讨论了降雨入渗对土质边坡稳定性的影响。但在对渗流场进行模 拟时，采用的是一维垂直入渗模型，没有考虑水平方向的影响。 6 姚海林、郑少河【2 8 】等专门针对非饱和膨胀土边坡在考虑暂态饱和一非饱和渗 流的情况下进行了参数研究，在研究中着重考虑了裂隙对边坡中孔隙水压力和体 积含水率分布的影响，认为对于膨胀土而言，渗透系数越低，越应注意裂隙的作 用。 上述研究大部分侧重于理论和计算模型及其在边坡工程中的应用。水对路基 工程的影响同样非常大。国内外在这方面也开展了大量的研究，取得了很多的研 究成果。 路基土是一种典型的非饱和土。含水率变化是路基水分运移最直观的体现， 由于路基含水率变化是环境因素和路基土吸力共同作用的结果，国外从2 0 世纪5 0 年代就开展了对土的吸力的研究，并根据土吸力和饱和度的关系提出了土水特征 曲线方程。在a a s h t 0 2 0 0 2 路面设计指南【2 9 】中就应用到了土水特征曲线模型。 w a i 【3 0 1 【3 1 1 采用干湿循环模拟路基土湿度变化，试验结果表明湿度增大会引起路基 回弹模量的减小，同时，干湿循环也会影响路基回弹模量。美国路面长期性能 ( l t p p ) 研究项目在季节性观测路段中开展了路基土含水率的季节性跟踪观测， 探索了含水率的变化规律p ”。 。 国内这方面的研究大多数集中在黄土和冻土地区路基的水分运移，对膨胀土 地区的路基水分运移研究较少。 柳利霞【3 3 】针对半刚性路面结构路基局部浸水饱和状态，将车辆荷载考虑为动 力荷载，运用m a r c 有限元计算软件，采用弹塑性理论对路基的变形与应力进行了 分析。在分析过程中，将浸润区沿路面横向和深度方向进行变化，通过比较来说 明路基含水率的不同对变形和应力的影响。根据路面水破坏的机理，对防治和降 低水对路基路面的破坏提出了设计、选材、施工和道路竣工投入使用后的管理等 各方面的措施。 刘巍然【3 4 一习运用有限单元法对压实黄土路基的水分迁移进行数值模拟，在室 内试验基础上，结合实体工程现场实测含水率分析了路基内部的水分迁移规律。 卢靖【3 6 】在室内试验的基础上，研究了非饱和黄土渗透系数的确定方法及影响 因素和模拟有无路面覆盖层的情况下路基黄土中的水分分布差异，在此基础上探 讨7 非饱和黄土水分迁移的动力问题。 姜涛【37 】结合陕西省关中、陕北黄土地区的公路普遍出现路基沉陷和水毁实际 工程，分析了黄土路基沉陷形成的条件、原因以及黄土湿陷的影响因素，指出黄 土路基沉陷与水有密切的关系，湿陷性是黄土本身具有的特性，实际工程不可能 大面积的换填，因此要防止湿陷，加强防排水，减少水的影响是一条行之有效的 途径。为阻断水分进入路基工作区，提出了湿陷性黄土地区公路常用的排水设施 设计、施工应注意的要点，重点介绍了黄土地区边沟排水、路面表面排水、中央 分割带排水及地下排水措施，提出了改进边沟设计的方法和设计步骤。 7 原国红【弼】以吉林一松原、吉林一四平、吉林北线三条公路路基为研究对象， 通过现场含水率监测、冻深监测、地温监测和室内试验，对吉林省季节冻土中水 分迁移进行了系统的研究。分析了上体中温度与地表温度之间的关系，提出水势 梯度造成了水分的迁移，并根据非饱和土水动力学建立起冻土水、热、盐耦合的 偏微分方程。 杨果林【3 9 4 1 1 针对广西南友公路宁明地段中等膨胀土和湖南常张公路慈利地 段弱膨胀土进行室内试验，模拟了不同排水边界、不同压实条件下，积水、阴天、 日照、降雨对膨胀土路基边坡的影响及土中含水率的变化规律、水的入渗和蒸发 速度等，并分析了原因。对指导膨胀土路基的设计和施工具有一定的理论和工程 实际意义。 从上述国内外研究成果看，虽然许多学者对土体的水分运移进行了大量的研 究，但大多是针对地表水，大气降水对路基边坡的入渗问题，针对路基中的水分 运移的研究主要集中在冻土地区和黄土地区，对膨胀土地区路基的水分运移则涉 及的很少，综合考虑温度、密度及含水率对膨胀土路基水分运移规律的影响的研 究则更少【4 2 “】，而考虑不同地下水条件下膨胀土路堤内部的水分运移规律的研究 还没有。 1 3 本文研究意义和内容 1 3 1 研究意义 膨胀土在我国分布十分广泛，近年来，新修高速公路穿越膨胀土地区的越来 越多，西部地区多条在建和拟建的公路都面临较为严重的膨胀土工程问题，交通 部西部交通建设科技项目“膨胀土地区公路修筑成套技术研究”采用理论与实际 相结合，在总结以往膨胀土处治的经验教训的基础上，探索出一整套以封闭包盖 法为核心的膨胀土路堤修建物理处治技术，并在多条高速公路上铺设试验路段， 取得了很好的经济和社会效益。由于膨胀土的水敏感性，封闭包盖法的处治效果 如何，采用此法填筑膨胀土路堤能否保证路堤的使用性能，这主要取决于封闭包 盖法是否能有效防止水分进入路基。而国内外对膨胀土路基基底的水分运移和湿 度变化规律研究还非常少见。为预防膨胀土路基水毁、沉陷等病害的发生，并进 一步完善膨胀土路堤的封闭包盖法设计，很有必要开展膨胀土路基的地下水分运 移规律研究。这对节省膨胀土地区公路工程建设投资，控制和防止水土流失及保 护沿线生态环境具有重大理论和工程实际意义。 1 3 2研究内容 基于上述分析，为解决由于地下水影响膨胀土路堤可能出现的问题，本文以 广西百色膨胀土为填料修建路堤模型，开展了模拟地下水对膨胀土路堤影响的试 验研究。主要从以下几个方面的开展工作： 1 ) 简述膨胀土路堤修建的封闭包盖技术思路，分析采用封闭包盖法填筑的路 堤实体工程的处治效果，验证了其有效性； 2 ) 采用多种方法进行室内试验，获得百色膨胀土的基本土性参数和工程特性； 3 ) 进行试验路堤方案设计，通过模型试验模拟路堤底部的多种不同地下水情 况，根据路堤内部的含水率、孔隙水压力、土压力以及温度变化监测数据，分析 路堤内部的水分运移规律，从而论证了封闭包盖法的合理性和适用性。 4 ) 在路堤模型试验的基础上，总结提出膨胀土路堤填筑的基底处治措施和路 堤填筑中应注意的问题。 9 第二章用封闭包盖技术修筑的路堤实体工程 由于现行公路路基设计规范( j t j 2 0 0 4 ) 规定的细粒土用作高速公路路基填料 的最小强度( 标准c b r ) 3 ) 并不适合膨胀土，而在此条件的限制下，几乎所有的 膨胀土均不能直接用作路堤填料，因此导致了在以往的膨胀土地区公路建设中， 大都选择借土换填，或对膨胀土进行化学改性，从而提高了工程造价，造成了严 重的水土流失和环境污染等问题。 在查阅了大量的资料，参考国际上一些岩土工作者( 如以色列的j o b u z a n ， 台湾的杨树荣等) 在室内测定粘性土的静回弹模量时对试样的准备、浸水方式、 模拟土体现场含水率变化方面做的很多更加符合路基土实际工作状况的改进的基 础上，长沙理工大学西部膨胀土项目课题组总结提出了适用于膨胀土填料的改进 c b r 试验方法和填料选择原则及方法。研究结果表吲”】，采用新的膨胀土填料选 择原则及方法，并对c b r 强度试验方法进行改进后，弱膨胀土、中等膨胀土、中 等一强膨胀土一般均可以用作路堤填料。基于室内试验研究成果，课题组应采用 封闭包盖法在不同膨胀土分布区修建了大量的路堤实体工程试验段。 2 1 实体工程修筑概况 封闭包盖法是膨胀性土物理处治技术中一种很重要的方法，它通过对填芯部 分膨胀土的四周用非膨胀性土来封闭包盖，使外界干湿循环的影响主要作用在非 膨胀土包边部分，限制膨胀土与外界发生水分交换，从而减小外界干湿循环气候 对填芯膨胀土的影响，使填芯膨胀土的湿度保持在一定范围内变化，因而其强度 也不会发生大的衰减变化。这样，只要措施得当，就能达到保湿防渗的效果，直 接采用膨胀土填筑的路堤的强度和稳定性也就可以得到保证。长沙理工大学西部 膨胀土项目课题组以云南、广西、湖南三省、区内膨胀土分布区的四条公路为依 托，对不同地区、不同胀缩等级的膨胀土路堤填筑技术作了较系统而全面的研究， 采用封闭包盖法修建了九段不同包边方案的实体工程，它们分别是：云南楚大路 ( k 2 3 9 + 3 3 2 。k 2 3 9 + 8 1 0 段) 边部土工格网加筋处治方案，湖南常张路 ( k 8 5 + 9 0 0 。k 8 5 + 9 6 0 段) 膨胀土填芯非膨胀土包边处治方案，湖南常张路 ( k 8 6 + 0 2 0 。k 8 6 + 0 8 0 段) 土工格栅边部加筋处治方案，广西水南路 ( k 3 2 1 + 1 3 5 。k 3 2 l + 2 6 0 段) 土工布加固处治方案，广西水南路 ( k 3 2 1 + 3 1 8 。k 3 2 l + 4 9 5 段) 土工格栅边部加筋处治方案，广西水南路 ( k 3 2 2 + 1 1 旷k 3 2 2 + 1 8 6 段) 为砾石土包边膨胀土填芯处治方案，广西南友路 ( k 1 3 3 + 6 4 旷k 1 3 3 + 8 1 0 段) 非膨胀性粘土包边处治方案，广西南友路 ( a k 2 + 3 0 0 。a k 2 + 5 0 0 段) 土工格栅加筋包边处治方案，广西南友路 ( k 1 3 5 + 4 2 旷k 1 3 5 + 5 1 0 段) 膨胀土与碎石土夹层、土工格栅包边处治方案。其中， 广西南友路膨胀土为残积型泥页岩中强膨胀土，湖南常张路属于碳酸盐残积型膨 胀土，云南楚大公路的膨胀土属于砂质泥岩残积型中膨胀土。按包边方案可将封 闭包盖法分为三类：一是非膨胀性土包边类，二是土工格栅( 网) 边部加筋类， 三是土工布加固类。修筑这些实体工程主要是探讨直接用膨胀土作填料修建路堤 的可行性和效果，分析提出膨胀土地区路堤设计的可行方案，并通过在路堤实体 工程中埋设测试仪器进行跟踪监测，研究路堤膨胀土的湿度变化及变形特征和规 律，为建立膨胀土地区路堤设计规范和提供施工工艺提供第一手资料。 2 2 封闭包盖法包边方案及其处治效果 封闭包盖法是膨胀土物理处治技术中一种很重要的方法，它通过对填芯膨胀 土的四周封闭包盖，减小外界干湿循环气候对填芯膨胀土的影响，使填芯膨胀土 的湿度保持在一定范围内变化，强度也不发生大的衰减。这样，就保证了膨胀土 路堤的强度和稳定性。以下将分别介绍每个包边方案的一处实体工程及其处治效 果。 2 2 1 非膨胀土包边方案及其处治效果 广西南友路k 1 3 3 + 6 4 旷k 1 3 3 + 8 1 0 段采用非膨胀性粘土包边方案处治，该路堤 实体工程处于两挖方路堑中间，地形起伏较大，最大填方高度为1 2 m ，膨胀土上 路堤顶填方长度为1 7 0 m ，填芯膨胀土分为2 4 层填筑，最大高度为6 m 。于2 0 0 3 年1 1 月开工，2 0 0 4 年4 月底膨胀土下路堤的填筑完工。 图2 1 非膨胀性粘土包边法路堤横断面( 单位：m ) 非膨胀性粘土包边法的路堤横断面设计如图2 1 所示。路基宽2 4 5 m ，最大设 计填高为1 2 m ，膨胀士填芯高度最大为6 m ，包边粘性土宽度为3 5 m ，边坡坡率采 用l ：1 7 5 ，采用一坡到底的形式。按照路基设计规范要求，填方边坡高度大于8 m 需要变坡，一般上边坡采用l ：1 5 ，下边坡采用1 ：1 7 5 ，考虑到填料的特殊性， 另外在这个填方段大于8 m 的路段并不长，为保险和统一起见，故该路段全部采用 1 ：1 7 5 坡率；此外边坡培填耕植土后植草绿化，以保护路基和美化道路景观。图 2 2 为施工中和通车后的路堤。 a ) 建设中 图2 2 粘土包边膨胀土路堤 b ) 通车后 粘性土包边路堤的填芯膨胀土采用路堑开挖的灰黑色宁明膨胀泥岩风化破碎 土，取土地点为k 1 3 3 + 6 5 0 处左侧弃土场和k 1 3 5 + 3 0 0 路堑挖方段，其基本土性见 表2 1 。 表2 1 宁明膨胀页岩风化破碎土工程特性测试结果 容重含水率 干容重线缩自由膨胀率 比重孔隙比塑性指数 ( g c m 3 ) ( ) ( g c m 3 ) ( )( ) 0 2 22 4 9 1 8 42 7 50 5 32 6 32 54 2 填筑在填芯膨胀土四周的包边粘性土填料的取土地点为k 1 3 1 + 8 0 0 处的边坡 上部，这种粘土是以碳酸盐为主的基岩经过红土化作用的产物，该土细粒含量多， 有足够的强度，为非膨胀性粘土。其基本土性见表2 2 。 表2 2 含砂高液限粉土土性指标 天然含水率 天然密度最佳含水率最大干密度c b r 抗剪强度 土粒比重 ( )( g c m 3 ) ( ) ( g c m 3 ) ( ) f c 1 9 7 32 6 61 9 1 61 71 06 6 3 82 6 2 下路堤基底采用砂土填筑，土样取自k 1 3 4 + 0 l o 处路线右侧的一个山坡借土 场( 距路线1 5 k m ) 。该土强度大，压实性好，透水性好，是一种良好的高速公路 路基填料，其性质指标见表2 3 。 表2 3 碎石土的土性指标 天然含水率天然密度 颗粒分析( m m ) 最佳含水率最大干密度 c b r ( ) ( g c m 3 ) 5 02 0 5 0 2 0 边部加筋法充分利用了土工格栅( 网) 的抗拉 强度，土与格栅( 网) 的相互咬合、摩擦作用。一方面，通过土中格栅( 网) 吸 收一部分土体因干燥失水收缩产生