膨胀土路基设计

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=a1gk+b；非饱和渗透系数与含水率的关系：。（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：（1）胀限含水率预估模型：（2）膨胀系数预估模型：（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）：；。图1 膨胀土抗剪强度指标随含水率的变化（4） 非饱和膨胀土本构模型对膨胀土复杂性质面面俱到的表述必导致模型形式的复杂而失去实用价值。基于经典饱和土弹塑性本构模型，考虑湿度场的变化，提出工程实用型本构模型，其本构关系为：（4）式中：为弹性应变项， 参数、为体积应力和含水率的函数，由不同含水率和围压下常规三轴K0固结和弹性模量试验获得（图2和图3）：图2 泊松比随体积应力和含水率的变化曲线图3 弹性模量随体积应力和含水率的变化曲线为膨胀土湿胀变形项，系数由有荷膨胀量试验测得。（5） 膨胀土承载力及水稳性为确定膨胀土填筑路堤的合适状态和控制指标，进行了不同击实功下干法和湿法击实试验，浸水和不浸水条件下CBR和回弹模量试验，共计216组，获得有价值的结论：湿法重型击实试验的最佳含水率接近膨胀土天然含水率，其CBR及回弹模量最大，水稳性最好，工程中宜用湿法重型标准进行压实控制。（6） 膨胀土与筋材界面间的相互作用项目研究并实施的路基处治方案多采用土工加筋技术，有必要研究土与隔栅相互作用，为此开发了先进的大型数控拉拔试验系统（见照片1，试验箱内腔长120cm，宽50cm，高50cm），通过大量不同条件下试验，获得筋土界面摩擦强度、作用系数、似摩擦系数（图4）等设计和计算参数。 照片1 大型数控拉拔试验系统 图4 似摩擦系数随上覆压力变化曲线3.2 系统研究了大气作用下膨胀土的胀缩活动规律，首次提出干湿循环显著影响区概念及其快速测定方法，为膨胀土工程的处治设计奠定了基础。大气环境下，膨胀土的活动层深度是决定路基边坡稳定与有效支护的关键。在分析研究传统地质理论确定膨胀土风化层深度的基础上，以宁明膨胀土为对象，分别于干湿两季对6处路堑边坡进行3次标准贯入试验，得到水分变化显著影响的深度范围，据此提出膨胀土干湿循环显著影响区的概念并建立以标准贯入击数为指标的快速测定方法。通过对相邻路堤试验段含水率和变形长期跟踪观测，验证了其有效性。该方法可为合理确定“保湿防渗”有效封闭厚度提供依据。3.3 通过改进CBR试验方法，重新认识了膨胀土路用性能，建立新的填料分类指标体系。针对路堤的破坏规律和特点，坚持保湿防渗原则，合理运用封闭包盖技术，在不同地区成功修筑多段膨胀土路堤实体工程，总结提出膨胀土路堤物理处治技术。（1） 论证了膨胀土直接用作路堤填料的可行性鉴于膨胀土土性及在路堤填筑中的实际工况，标准CBR试验方法不能真实评价其路用性能，开展不同胀缩等级膨胀土与非膨胀土系列对比试验及分析论证，从浸水方式、泡水时上覆荷载、试样制件含水率三个方面改进了标准CBR试验方法并开发相关设备。研究表明，改进试验方法测得的CBR能更准确地表征膨胀土的承载能力，CBR峰值对应的含水率接近其天然含水率，且中、强膨胀土能直接用作路堤填芯材料。（2） 膨胀土路堤处治的实体工程及现场试验在室内外试验的基础上，研究提出非膨胀性粘土包边（图5）、土工格栅边部加筋（图6）、石灰改良膨胀土、土工布加固膨胀土路堤处治技术并在云南、 图5 非膨胀性粘土包边法 图6 土工格栅边部加筋广西、湖南四条公路的十一段、全长1120m膨胀土路堤实体工程中实施。对南友路四段实体工程进行回弹模量、弯沉检测，各膨胀土堤芯填筑层上的回弹模量为40MPa80MPa，回弹弯沉为173.0610-2mm199.4710-2mm；堤顶回弹弯沉值为97.010-2mm181.010-2mm。布设7个观测断面并埋设大量监测元件进行了长达一年半的湿度、变形、应力和沉降跟踪监测。结果表明路堤是稳定的；边坡土体湿度剧烈变化以及胀缩变形仅限于水平向3m范围以内，验证了路堤边坡处治厚度的可靠性。（3） 地下水对膨胀土路堤的影响室内修建足尺模型（长7.72m，宽3.0m，高3.7m）埋设元件进行长期监测，获得地下水对堤底的影响：毛细水影响范围约为0.5m，有压水影响范围约为1m；近水区含水率增大使水平膨胀压力明显增大；堤内土体温度变化与大气温度基本一致；获得物理处治膨胀土路堤应处治的基底范围。表1 膨胀土填料分类指标体系等级CBR（%）（%）可否直接填筑9 11可6-9123.9-62331不可（4） 物理处治技术的提出根据大量试验和众多实体工程的成功修筑，建立以改进CBR、CBR膨胀量和稠度三指标的填料分类体系（见表1），总结提出以保湿防渗为基本原则的膨胀土路堤物理处治技术，并制订了相应的设计及施工技术指南。3.4 在系统滑坍边坡调查、地质勘探和室内外试验的基础上，认清了膨胀土堑坡破坏规律和失稳机理并总结出其破坏模式，分析了路堑边坡的湿度场分布与变化特征，通过大型模型实验对边坡的干湿循环特征进行深入研究，抓住干湿循环导致浅层破坏这一本质特征，采取封闭包盖、刚柔相济的技术思路，创造性提出并实施了保湿防渗、柔性支护等处治措施，成功解决了膨胀土“逢堑必滑”技术难题。（1） 膨胀土路堑边坡的变形与破坏机理对滑坍边坡进行系统调查、地质勘探，总结提出其破坏模式及分类，即受风化作用控制、受裂隙软弱结构面控制的浅表层破坏和受层间软弱结构面控制的破坏模式。得到膨胀土路堑坡破坏一般规律：浅层性、顺层性、平缓性、季节性、滑面形态多为折线。降雨48小时后降雨24小时后降雨12小时后初始状态图7 不同时刻含水率随深度分布曲线通过室内模型研究膨胀土路基边坡水损害机理。裂隙水、地表水的入渗是诱发路基水损害的直接外因，而气候干湿循环作用则是主导因素。针对土的非饱和特性，考虑渗透系数随瞬态湿度场的变化，利用温度场代替湿度场，模拟了降雨入渗条件下膨胀土边坡增湿变形过程（图7），表明边坡表层是严重湿化区，且水分易聚集于土岩界面，致使边坡体沿土岩界面滑动。因此，必须全面采用有效防排水措施。此外采用生死单元法和工程实用型本构模型模拟边坡干缩开裂变形过程，获得前述三种破坏模式的机理，为提出工程处治方法提供了理论依据。（2） 膨胀土路堑边坡的有效处治方案图8 支撑渗沟处治方案设计图通过土性、边坡破坏原因和规律研究，考虑水文地质特点和环保要求，对大量方案进行性价比分析，以保湿防渗为基本原则，突破膨胀土路堑边坡主要采用刚性加固防护处治的传统模式，提出不同破坏模式下路堑边坡处治方案，在广西南友路、河南南邓路上，用支撑渗沟（图8）和柔性支护（图9）等综合处治技术成功修筑7段实体工程，近一年的变形跟踪监测表明各处治工程坡面变形小，边坡稳定。柔性支护以其完备的防排水体系最能体现保湿防渗原则，能确保路堑边坡的稳定（稳定系数由处治前的0.75提高到2.5），并具有技术可靠、经济合理、图9 土工格栅加筋柔性综合支护方案设计图节约资源、生态环保且施工简便的特点，其中直接用膨胀土作加筋体填料更体现其优越性，已在广西多条高速公路上推广。因此建立和完善其设计方法至关重要，项目组通过深入研究加筋土体力学行为，提出加筋设计方法以及整体和局部稳定性验算方法， 3.5 首次研究了膨胀土路基路面协调设计问题，提出膨胀土路堤、路堑增湿变形与路面结构强度要求的相互协调技术和控制标准、路基承载能力协调设计方法，并成功地应用于南友路。研究表明，为防止路基路面出现变形不协调，路基顶面下11.2m应换填满足CBR要求的填料，并设置隔水层，边沟下需设置渗沟以汇集和排出地下水。4 创新点（1） 对宁明膨胀土的土性有了全新的正确认识。改进了CBR试验方法并开发配套仪器、制定试验规程，建立了新的填料分类、分级新标准以及路堤压实控制方法。系统总结提出膨胀土路堤修筑的物理处治新技术。（2） 通过系统室内试验和理论研究，提出工程实用型的非饱和膨胀土本构模型，并在膨胀土边坡稳定性分析的数值模拟中得到应用。（3） 提出干湿循环显著影响区的概念并建立了相应的快速测定方法。（4） 在系统膨胀土滑坍边坡调查、地质勘探和破坏原因分析的基础上，总结出其破坏模式及其分类。创造性提出并成功实施保湿防渗、柔性支护综合处治技术，建立了设计和施工方法及其稳定性验算方法。（5） 研究并提出膨胀土路基路面协调设计与施工方法。（6） 获得了8项专利技术，5 研究成果所产生的经济社会效益项目提出的膨胀土路堤、路堑处治新技术在广西南友路膨胀土路段得以成功应用，并在广西、湖南、云南、河南等省（区）十多条高速公路上100公里膨胀土路段得到大范围、大规模推广，使长期困扰公路建设的膨胀土地质灾害问题得以彻底解决，节约大量土地，有效改善了公路沿线的生态环境，带来显著经济、社会和环境效益，分别为广西南宁友谊关、南宁百色和百色罗村口高速公路建设节省直接工程费7717万元、13405万元和6270.24万元。在湖南的醴陵湘潭、常德张家界、湘潭衡阳、常德吉首等几条高