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石灰处治膨胀土路堤长期稳定性试验研究 摘要 本文以广西百色典型膨胀土为研究对象，通过室内环境模拟试验、机 理试验、边坡稳定性分析计算，探讨环境因素作用下土体内温、湿度场的 分布变化规律，分析石灰处治膨胀土路堤边坡强度和长期稳定性的影响因 素及影响机理。 通过机理试验确定石灰处治膨胀土填筑时需用的最佳掺灰比、闷灰时 间、填筑含水量、压实度等技术指标，保证路堤填筑时的强度和稳定性。 通过对环境温湿度、降雨和日照的模拟，量测环境因素影响下土体内温度、 湿度变化的数据，观测土体表面裂缝、位移的发展情况。对模型试验结果 分析表明，环境温度、湿度的变化对土体表面裂缝发育、土体位移以及土 体强度存在一定的影响；日照降雨干湿循环使土体表面产生的裂缝最大宽 度5 m 左右，最大位移7 1 衄，日照降雨干湿循环对土体裂缝和位移的影响 比环境温、湿度循环要大。 室内干湿循环三轴强度试验结果表明，石灰处治膨胀土强度随含水量 的增加而减少，随干湿循环次数的增加而衰减；粘聚力与干湿循环次数存 在一定的线性关系，内摩擦角随循环次数变化不大，与循环次数的关系基 本呈一条水平线。 综合环境模拟和机理试验结果，运用g e o s t u d i o 软件的g e o s l o p e 模 块对石灰处治膨胀土路堤边坡进行稳定性分析，得出气候环境变化对边坡 的稳定性影响很大。随着温度、湿度、日照、降雨等气候环境因素的变化， 边坡的稳定性急剧降低；对于干湿循环后受水浸泡的边坡，其稳定性相对 其他环境因素影响衰减更大；石灰处治膨胀土路堤边坡稳定性与边坡高度 有较大的关系，相同气候环境下，坡高越大，边坡稳定系数则越小。 关键词：石灰处治膨胀土路堤环境因素长期稳定性试验研究 e x p e r i m e n l 噙ls t u i ) yo nt 胍l o n g t e r ms t a b i l i t yl i 娅a s hs t a b i l i z e d e x p a n si v es o ile 蛐3 伽咖n t a b s t ra c t t h et h e s i ss t u d i e s ，w h i c hd e a l i n g 、i t ht h er e p r e s e n t a t i v ee x p a n s i v es o i l i nb a i s ec i t y , g u a n g x i t h r o u g ht h ei n d o o re n v i r o n m e n ts i m u l a t i o nt e s t ，t h em e c h a n i s mt e s t sa n da n a l y s i s o fs l o p es t a b i l i t y , t h es t u d ye x a m i n e st h ee f f e c t so fe n v i r o n m e n t a lf a c t o r so nt h el o n g - t e r m s t a b i l i t yo ft h el i m es t a b i l i z e de x p a n s i v es o i le m b a n k m e n t ，w h i c hb a s e do nt h ed i s t r i b u t i o n a n dt h et r a n s m i s s i o no ft h es o i lt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yf i e l da n da p p l i e st h em e c h a n i s m i no r d e rt oe n s u r et h es t r e n g t ha n ds t a b i l i t yo fe m b a n k m e n t sf i l l i n g s o m et e c h n i c a l i n d i c a t o r s ，s u c ha sd e g r e eo fc o m p a c t i o n ，t h eb e s tr a t i oo fm i x e st h el i m e a s h ，s e a l i n g l i m e a s ht i m e ，s o i lw a t e rc o n t e n to ff i l l i n g ，a r ed e t e r m i n e dt h r o u g hm e c h a n i s mt e s t s b a s e do n t h ee n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y , r a i n f a l la n ds u n l i g h ts i m u l a t i o nt e s t ，t h es o i lb o d y i n n e rt e m p e r a t u r ea n dt h eh u m i d i t yd a t aa r em e a s u r e d ，a n dt h es o i ls u r f a c ec r a c k sa n dt h e d i s p l a c e m e n ta r eo b s e r v e d t h em o d e lt e s tr e s u l t ss h o wt h a te n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r ea n d h u m i d i t yc h a n g e sh a v eal i t t l ei m p a c to ns o i ls u r f a c ec r a c k s d e v e l o p m e n t ，t h ed i s p l a c e m e n t o fs o i l ，s o i ls t r e n g t h a f t e rt h es u n s h i n ea n dr a i n sc y c l i n g ，t h ew i d e s tc r a c kr e a c h e st h ew i d t h o fa b o u t5m m ，t h ed e p t ho f3 - 4c m ，t h el a r g e s td i s p l a c e m e n to f7 1m m r a i n f a l ls u n s h i n e w e t t i n ga n dd r y i n gc y c l e sh a v em o r ee f f e c to ns o i lc r a c k sa n dd i s p l a c e m e n tt h a nt h ei m p a c to f t h ee n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yt ot h ec y c l e t h et h r e e a x i ss t r e n g t ht e s to ft h ei n d o o rw e t t i n ga n dd r y i n gc y c l ec o m e st ot h er e s u l t s t h a tt h es t r e n g t ho ft h el i m es t a b i l i z e de x p a n s i v es o i ld e c r e a s e s 、析t ht h ei n c r e a s eo fs o i lw a t e r c o n t e n ta n dt h en u m b e ro fw e t t i n ga n dd r y i n gc y c l e ，c o h e s i o nh a v eac e r t a i nl i n e a rr e l a t i o n w i t ht h en u m b e ro fc y c l e i na d d i t i o n ，t h en u m b e ro fi n n e rf r i c t i o na n g l ev a r i e sal i t t l e ，a n d h a sah o r i z o n t a ll i n e a rr e l a t i o nw i t hw e t t i n ga n dd r y i n gc y c l e s 1 1 b a s e do nt h er e s u l t so ft h ee n v i r o n m e n t a ls i m u l a t i o na n dt h em e c h a n i s m t e s t s ，a n a l y z i n g t h es t a b i l i t yo ft h el i m es t a b i l i z e de x p a n s i v es o i le m b a n k m e n ts l o p et h r o u g ht h em o d u l e g e o s l o p eo fg e o s t u d i os o f t w a r e ，t h a tc h a n g e so fc l i m a t ea f f e c tt h es t a b i l i t yo ft h es l o p e g r e a ti so b t a i n e d w i t ht h et e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y , s u n l i g h t ，r a i n f a l la n do t h e re n v i r o n m e n t a l f a c t o r so fc l i m a t ec h a n g er a p i d l y , s l o p es t a b i l i t yc o r r e s p o n d i n g l ya n di n t e n s i v e l yd e c r e a s e s o nt h eo t h e rh a n d ，c o m p a r e dt oo t h e re n v i r o n m e n t a lf a c t o r s ，i t s s t a b i l i t yd e c r e a s e dm o r e w h e nt h es l o p ei ss o a k e da f t e rt h ew e ta n dd r yc y c l e s t a b i l i t yo fl i m es t a b i l i z e de x p a n s i v e s o i le m b a n k m e n ts l o p ei sr e l a t e dt ot h eh e i g h to ft h a t t h a ti st o s a yt h a t ，u n d e rt h es a m e c o n d i t i o n st h eb i g g e rt h eh e i g h to ft h a t ，t h es m a l l e rt h ef a c t o ro f s t a b i l i t y k e yw o r d s ：l i m es t a b i l i z e d e x p a n s i v es o i l ；e m b a n k m e n t ；e n v i r o n m e n t a lf a c t o r s ； l o n g t e r ms t a b i l i t y ；e x p e r i m e n t a ls t u d y i i i 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 引件晋、 炒8 年 学位论文使用授权说明 衫月oe l 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 函即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 一：珊如嗽：【艰a 舻口日 广西大学硕士学位论文石灰处治膨胀土路堤长期稳定性试验研究 1 1 问题的提出 第一章绪论 广西地处亚热带，具有湿热多雨的明显气候特征，同时广西也是我国膨胀土的典型 分布地区。随着广西高速公路建设的发展，在路基建设中的膨胀土灾害问题日渐严重。 膨胀土是在自然地质过程中形成的一种多裂缝并具有显著胀缩特性的土体，土中粘粒成 分主要由强亲水性矿物( 蒙脱石和伊利石) 组成，具有吸水膨胀、失水收缩和反复变形 性。强烈的湿胀干缩性和土体中杂乱分布的裂缝，对工程结构物具有严重的破坏作用。 特别是对高等级公路路基工程和大型结构物所产生的变形破坏作用，往往具有长期、潜 在的危险i l 圳。公路路基施工技术规范j t j 0 3 3 9 5 第9 1 3 5 条对膨胀土路基填筑有 明确的规定：强膨胀土稳定性差，不应作为路基填料；中等膨胀土宜经过加工、改良处 理后，可作为填料；弱膨胀土应根据当地气候、水文情况及道路等级加以应用，直接进 行弱膨胀土路堤填筑时，应及时对边坡及顶部进行防护【3 】。 高速公路膨胀土问题己受到公路工程学科专家和工程技术人员的普通关注，他们从 不同角度、途径对膨胀土进行了物理、化学的改性试验研究，并针对不同的工程实际问 题，采用各种方法进行处理。常见的处理方法是在膨胀土中添加一定量的石灰、粉煤灰、 水泥等进行土性改良，其中以添加石灰和粉煤灰最为常见。目前，已有大量针对膨胀土 改性试验和施工技术的文章发表。钱玉林1 4 1 、余湘娟、王媛5 1 、陈善雄6 。7 1 、孔令伟8 9 】 等对膨胀土掺石灰后改性效果进行了试验研究，并提出了经石灰改性后的膨胀土作为路 基填料的施工和质量控制方法。姜明文【，李华1 1 1 等进行了粉煤灰或石灰和粉煤灰联 合处治的试验和施工应用研究，取得了膨胀土综合处治的经验和成果。部分研究成果已 直接运用于实际工程中，指导工程建设。 在膨胀土路基填筑过程中，含水量和压实度一直是人们最为关心的问题。在长期施 工中，虽然已逐渐具备丰富的施工经验，并形成较为完善的施工工艺和改性土填筑控制 标准，但在机械压实后，经过一段时间，经历几个干湿循环、寒暑变迁、雨淋霜冻后， 土体后期性状将会出现什么变化呢? 含水量是增加还是减少? 膨胀土路基内是否还存在 广西大学硕士学位论文 石灰处治膨胀土路堤长期稳定性试验研究 水分再迁移? 这些问题对膨胀土改性研究，确保石灰处治膨胀土路堤长期性能稳定，具 有重要的实际意义。遗憾的是对这些问题的研究很少开展，鲜见文章发表。本论文结合 以上问题，开展广西公路处治膨胀土路堤长期性能的研究项目，研究石狄改良膨胀土路 堤后期在荷载和自然等因素影响下土体强度性质的改变，达到改善石灰改良膨胀土路堤 长期稳定性的目的。 非饱和土强度主要与土中土粒间的吸力和土的结构有关【1 2 13 1 ，吸力对水分的迁移十 分敏感，随着土体内水分的增加，吸附强度将逐渐减弱。土具有导热性和渗透性，气候 环境( 温度、湿度等) 因素必定影响非饱和土内温、湿度场的分布；土中温度场的变化 必然影响到土中水分迁移，从而影响到土中湿度场的变化；反之，土中湿度场的变化也 直接影响土体内温度的分布，两者相互耦合：因此在气候环境( 温度、湿度、降雨) 的 影响下，膨胀土的强度变化是一个动态的过程。石灰改良膨胀土主要是通过化学的方法 使粘粒间的结合力增强，从而改善膨胀土的强度，但随着掺灰处治膨胀土路堤的营运时 间的增长，期间不断受到汽车荷载、气候环境( 温度、湿度、降雨) 等因素的影响，土 粘粒闻的结合力也将发生变化，从而影响到路堤的长期稳定性。 利用环境发生器模拟环境温度、湿度和降雨、日照等气候条件，得到气候环境条件 下土体内温度场、湿度场的变化，分析温度场、湿度场的耦合规律，找出影响掺灰处治 膨胀土路堤长期稳定性的因素，对保证公路在设计年限内的正常运营，提高路堤的长期 稳定性能，指导以后广西在建或待建的高速公路处治膨胀土路堤的设计、施工，都具有 巨大的经济和社会意义。 1 1 1 膨胀土路堤稳定性分析 膨胀土路堤稳定性主要取决于土体内部抗剪强度及由强度减低引起的变形，影响稳 定性的主要直接因素有：( 1 ) 雨水的大量入渗。雨季时土坡滑坡、泥石流等地质灾害 与土体非饱和渗流密切相关，非饱和土坡在降雨入渗的情况下，重度增加，下滑力增大， 同时，其抗剪强度又因含水率增加而急剧下降，这是降雨引发土坡失稳的根本原因，从 而降雨入渗对土体的抗剪强度的影响很大。( 2 ) 膨胀土的遇水膨胀性、超固结性及裂 隙性。裂隙的存在影响膨胀土的强度。根据s k e m p t o n 和l a r o c h e ll e ( 1 9 9 5 ) 的研究，裂隙 对超固结黏土的抗剪强度在以下3 个方面起着不利的影响：歹l ：放的裂隙可能形成边坡 2 广西大掌硕士学位- f e 文 五弘灰处治膨胀土路堤长期稳定性试验研究 滑动面的一部分；闭合的裂隙可能形成边坡滑动面的一部分，仅能利用土的残余强度； 无论是开放或者闭合裂隙，都会对边坡稳定产生不利影响。 在考虑裂隙的情况下，膨胀土干缩裂隙破坏了膨胀土体的整体性，加之棱块不均匀 收缩产生的浅层密布裂隙，膨胀土的抗剪强度由峰值强度下降至峰值强度与残余强度之 间的某个值，路堤边坡最危险滑动面位于坡脚浅部。但由于吸力作用，其抗滑安全系数仍 能维持一个较高的值，边坡仍然处于稳定状态。当降雨由膨胀土裂隙渗入坡体，吸力的作 用减弱，抗剪强度下降，安全系数大幅降低，最危险滑动面位于坡顶边缘处，其滑动面仍 然具有浅层性，这与膨胀土滑坡现场调查结果一致。由此可见，对于降雨引起的膨胀土边 坡失稳分析，考虑膨胀土特性的影响十分必要。 1 2 国内外研究综述 路基是路面的基础，与路面共同承担汽车荷载的重复作用和经受各种自然因素的 长期影响。由于水、温度和各种荷载的作用，路基的各部分将产生可恢复和不可恢复的 变形，那些不能恢复的变形，将引起路基标高和边坡坡度、形状的改变，甚至造成土体 位移和路基横断面几何形状的改变，危及路基的完整和稳定，形成路基的病害，进而影 响路面的性能。特别是膨胀土等特殊土填筑的路基，对高速公路及其它建筑基础的完整 和稳定性的影响尤为大，形成的灾害也是尤为多，因此，国内外岩土工程领域的学者早 期就对膨胀土这种特殊的非饱和粘性土的特性及工程处治方法进行了大量的研究，并取 得了一系列可喜的成果，对膨胀土工程的发展做出了极大的贡献。 1 2 1 膨胀土处治分类 膨胀土不能直接用于路床范围内的路基填料，处理方法分为两大类： 一类是对其进行了多种物理和化学改良，通过添加非膨胀性的粗砂、粉煤灰等填充 物，添加生石灰、水泥、石膏、水玻璃矛i j n c s 固化剂等改性物，铺设土工合成材料等措 施来降低或消除击实膨胀土的膨胀性、裂隙性，达到改善强度和变形稳定性的目的，起 到了较好的减轻或根治病害作用，但也存在以下一些问题：室内与实际处治效果有一定 差异，如应用最广泛、经验积累最丰富的石灰改性方法，还存在着如何将块状或过湿的 膨胀土与石灰粉充分拌和均匀和掺灰量控制的问题；对采用单一处治方法的理论与应用 研究较多，对采用物理与化学综合处治方法的理论与应用研究较少。 广西大掌硕士掌位论文石灰处治膨胀土路堤长期稳定性试验研究 另一类是对堤芯部分直接采用膨胀土填筑，路堤周边用非膨胀土或改性膨胀土外包 封闭的方法，但在路床范围内膨胀土填筑厚度很小或不采用。 1 2 2 石灰改良膨胀土研究现状 郑桂兰【1 4 】介绍了膨胀土地基的特性，分析了膨胀土往复湿胀干缩对公路工程的危 害。通过试验确定掺加石灰加固膨胀土的方法，并指出膨胀土地基施工时的注意的事项。 石坚等【l5 】在前人理论的基础上，对宁靖盐高速公路在施工中所遇到的膨胀土进行了一 系列的改性处理试验，总结出膨胀土改性的具体办法，并对具体的施工工艺作了相应的 研究。王新强【1 6 】通过对膨胀土路基填料掺石灰处理后的物理力学性能及胀缩性试验， 得出了掺石灰对改善膨胀土路基填料工程性质的影响，以供公路路基施工时参考。郭志 勇【l7 】结合己有的研究成果和某路段的实际情况对该路基膨胀土进行了改性试验和动力 特性试验研究，改性剂采用当地易购的石灰按不同的比例进行试验。通过不同石灰掺量 下改性土的常规试验、强度试验、膨胀试验和动力三轴试验研究，认为改性后的土样其 工程特性和力学强度指标都有了较大幅度的提高。程平、姚海林等i l8 j 试验研究了用石 灰改良膨胀土的胀缩性、强度、力学性质等方面的变化，试验结果表明干法与湿法击实 有较大的区别，石灰改良膨胀土掺灰量和检验标准可以从膨胀性能和强度两个方面确 定。陶飞飞等【1 9 】结合南宁至坛洛高速公路、南宁至友谊关高速公路工程实际对石灰改 良膨胀土力学性能试验进行了研究。 在石灰处治膨胀土填筑含水量控制方面，李志祥，胡瑞林等1 2 0 j 进行了改性膨胀土 路堤填筑含水量优化试验研究，通过做不同掺灰比、不同含水量的强度试验，得出( 1 ) 改性膨胀土的填筑含水量可高出其素土最优击实含水量4 6 个百分点：含水量再高时， 不但难于压实，而且填筑以后会造成不均匀沉降。( 2 ) 提高掺石灰土强度有利的施工方法 是：加大掺灰量、适当提高土的填筑含水量、增加改性土化学反应时间等。在施工中应 根据实际情况找到三者之间的最佳结合点。郭爱国，孔令伟等1 2 l 】做了大量的试验研究 得出弱膨胀土路堤施工中控制填筑大于最佳含水量，为3 4 时，不但可以加快施工进 度，而且也有利于路堤的长期稳定。 在石灰处置膨胀土机理实验方面，邱祖华等【2 2 】就膨胀土石灰改性后的力学性质进 行了试验研究，做了不同含水量与不同掺次量的胀缩、变形、强度等试验得出( 1 ) 用 石灰改良此膨胀土能减少甚至消除了膨胀土的胀缩性；( 2 ) 改善了膨胀土的物理力学 4 石灰处治膨胀土路堤长期稳定性试验研究 性质，增加了土的透水性。( 3 ) 石灰改良土的强度随时间增长而增大，浸水后石灰土 强度有所损失，但强度衰减很小。陈柏年等f 2 3 】就c b r 试验内在机理研究及影响因素进行 了分析，郭爱国，孔令伟等伫1 就膨胀土路堤及高速公路膨胀土特性分别进行了原位试 验、c b r 试验、室内剪切试验、现场剪切试验和现场载荷试验。 1 2 3 非饱和土强度研究 边坡失稳的根本原因在于土体内部某个面上的剪应力达到它的抗剪强度，剪应力达 到抗剪强度主要是由于剪应力增加和抗剪强度降低引起的，从而使稳定平衡受到破坏。 非饱和土中，由于气相的存在，使土中存在负孔隙水压力，负孔隙水压力使土粒之间产生 吸力，加大了土体抗剪强度。对于粘性土，抗剪强度是吸力的非线性增函数。膨胀土是一 种高塑性粘性土，其抗剪强度随着吸力的增加而增加，随着吸力的减小而减小2 4 】。因此 膨胀土的强度不仅与土的结构、应力路径、密度和土的矿物组成有关，还与土的体积含 水率或重力含水率或土的饱和度密切相关。自h a i n e s ( 1 9 2 5 ) 和t e r z a g h i ( 1 9 4 3 ) 研究 了非饱和土抗剪强度至今，许多学者提出了非饱和土抗剪强度理论。f r e d l u n de ta l 的 线性非饱和土剪切强度理论被广泛接受【2 s 】，即 f r = c + ( 瓯一u a ) t a n 矽+ ( u o u w ) t a n c e ( 1 ) 式中c ，分别为饱和土的有效内粘聚力和有效摩擦角：唬为相对于基质吸力的剪 切摩擦角：瓯一为破坏面净应力：u a 一“，为破坏面基质吸力：甜口，u w 分别为孔隙气 压力和孔隙水压力。 由式( 1 ) 可以看出：非饱和土的抗剪强度除了与饱和土体的有效抗剪强度指标c ， 矽及法向应力有关外，还与吸力u a 一“。有关。当土接近饱和时，土壤水的基质吸力趋于 零，则基质吸力项消失，变为饱和土的抗剪强度公式。在实际应用中，基质吸力的量测 比较困难，它对量测技术和仪器的要求都很高，所以基质吸力值不易量测准确，误差也 较大。现在一般做法是根据实验室测得的土水特性曲线( s o l lw a t e rc h a r a c t e r i s t i c ， s w c ) 来具体确定现场的基质吸力。 姚海林，陈守义等【2 6 1 对膨胀土边坡进行了考虑裂隙和降雨入渗影响的稳定性分析， 通过工程实例比较了考虑裂隙和不考虑裂隙的差别。研究结果表明，考虑裂隙影响的边 坡降雨入渗和稳定性分析较为合理和实用。徐光明，王国利等例采用离心模型试验方 石灰处治膨甩土路堤长期稳定性试验研究 法，尝试通过控制注水浸泡时间来模拟短期和长期的雨水入渗，从而再现了降雨条件下 膨胀性土开挖边坡的破坏特征和破坏机制。分析结果表明膨胀性开挖边坡表层土体因雨 水入渗膨胀、软化，强度降低，严重削弱了边坡稳定性；单纯放缓边坡坡度并不是防治 这种破坏的最有效措施，重要的是做好隔水防水等处治工作。黄伟，杨仕教等【2 8 】探讨 了边坡降雨入渗模式、饱和非饱和土渗流模式及饱和一非饱和土强度理论对土质边坡 稳定性的影响。 以上对非饱和土的吸力、裂隙、雨水入渗等因素对膨胀土路堤边坡稳定性的影响 进行了研究，但在经过几个干湿循环后，气候环境因素( 温度、湿度、降雨等) 及膨胀 土特性对膨胀土路堤长期稳定性影响如何呢? 1 2 4 温度场、湿度场耦合模拟研究现状 l 、温湿度场耦合模拟 围绕温度场、湿度场耦合问题，国内外学者，特别是在岩土工程领域和农业领域， 进行了一些研究工作，提出了很多理论和模型。! l i s a m m o r i t s n b o y a n m a l 2 9 l 禾i s h i m a d e 3 0 】 用有限元法进行了非饱和渗流计算；y a os u n 3 1 】认为空气压力对非饱和土的渗流有明显 的影响，并发展了应力一两相流的耦合理论用于分析降雨引起的土坡浅层破坏，推导了 将多相流与多孔介质固相耦合的控制方程，并用一个把吸力、饱和度和孔隙比联系在一 起的状态方程作为附加方程；y a u g e t a l ( 1 9 9 9 ) 建立了一个模拟非饱和土水分、气、热 运动和变形相互耦合作用的三维数值模型，该模型以统一和协调的方式描述非饱和土诸 多不同特性；t h o m a s 【3 2 1 进行了非饱和土热、水、气的耦合分析，并考虑体变的影响； 贺再球等嘲综合考虑液态水和气态水两种迁移方式研究非饱和土体中的水分迁移问 题；王铁行等p 4 】研究温度影响下的非饱和黄土水分迁移闯题：武文华等网提出了一个 非饱和多孔介质中的热一水力一力学一溶质耦合过程模型；张丙印等【3 6 j 根据非饱和土水气 两相渗流理论，用g a l e r k i n 法建立了用以计算非饱和土水气两相渗流流场的有限元计算 模型；杨代泉、沈珠江【3 7 】提出一个描述非饱和土孔隙气、水、汽、热耦合运动的理论 模型。 2 、广西大学就温度场、湿度场耦合模拟研究所做的一些工作 欧孝夺教授主持广西自然科学基金项目“城市环境下粘性土结构的热稳定性研究”， 对粘性土土体的温度场、湿度场耦合规律进行了研究，揭示了温度场热稳定性一结构强 6 广西大学硕士掌位论文石灰处治膨胀土路堤长期稳定性试验研究 度的关系【3 8 4 1 1 。 对温度场、湿度场耦合模型常借助机理试验及原位试验进行研究，由于原位试验 和机理试验不能严格的控制土体的试验边界条件，难以准确模拟影响土体工程性质的 环境条件( 温度、湿度、日照等) 。因此，广西大学围绕土体中温度场、湿度场的耦合 作用，开展了中等尺度的室内大型模型试验工作，为室内机理试验和现场原位试验提 供分析的桥梁。为此，广西大学与重庆四达试验设备有限公司联合研制了室内大型模 型试验装置环境发生器( 见照片) 。环境发生器能模拟各种气候环境( 温度、降雨、 日照、风速和湿度等) 、地质环境( 土体结构、水化学场、渗流等) 和工程环境( 各种 加荷工况) ，净容积达2 9 9 m 3 ，其中试验槽容积4 5 o m 3 ( 长5 m x 宽3 m x 深3 m 。) ，由此 建立起了气候环境仿真试验平台。为保证环境模拟精确、稳定，系统配备有各类检测 仪表，可依据空气或土体中的测量信号( 由传感器量测) ，通过一定的控制算法进行自 动调节，使气候环境保持恒定或按预设程序自动变化，过程以动态图形显示，整个系 统由计算机全自动控制。 图1 1 环境发生器外观图1 2 环境发生器内部 f i g u r e l - 1e n v i r o n m e n tg e n e r a t o ra p p e a r a n c ef i g u r e l - 2i n t e r i o ro f g e n e r a t o re n v i r o n m e n t 1 3 、研究途径与方法 1 、研究目标 以广西南宁( 坛洛) 一百色高速公路膨胀土石灰改良路段工程为依托，通过机理实 验以及中等尺度环境仿真模拟实验，结合干湿循环试验，剖析环境温度、湿度、降雨 和日照等气候因素影响下，石灰处治膨胀土路堤内部温度场、湿度场的变化规律及其 对表观强度和长期稳定性的影响机理，了解、改善公路的长期使用性能，并提出相应 的措施。 广西大掌硕士掌位论文石a 己处台膨胀土路堤长期稳定性试验研究 2 、研究内容 ( 1 ) 环境因素影响下石灰改良膨胀土路堤中温度场、湿度场的变化规律及其两 场耦合引起的处治土土体结构、强度和边坡稳定性的变化规律； ( 2 ) 找出影响石灰改良膨胀土路堤长期使用性能的因素( 控制指标、干湿循环、 温度循环) 及其作用机理。 3 、研究思路和技术路线 从膨胀土路基处治土长期稳定性问题出发，本课题采用室内机理实验、室内环境模 拟实验、边坡稳定性软件分析相结合的方法进行研究。具体研究思路为： ( 1 ) 通过机理试验确定填筑石灰处治膨胀土路堤施工的一些基本指标( 最佳掺灰 比、闷灰时间、最佳含水量、填筑含水量、最大干密度等) 。 ( 2 ) 在环境发生器内建立室内石灰处治膨胀土路堤模型，用环境发生器模拟石灰 处治膨胀土路堤运营期间不同季节受环境温度、湿度、降雨和日照等气候因素影响的情 况。 ( 3 ) 通过对不同环境温度、湿度循环的模拟，研究环境因素影响下石灰改良膨胀 土路堤内部温度场、湿度场的变化规律。 ( 4 ) 通过模拟不同季节的日照、降雨，使石灰处治膨胀土路堤模型经历不同季节 的干湿循环，观测路堤内部温度及湿度场的变化以及土体裂缝和位移的发展变化过程。 ( 5 ) 通过干湿循环的机理试验( 三轴试验) ，找出石灰处治膨胀土抗剪强度随干湿 循环的变化或衰减规律，分析石灰处治膨胀土在经历了环境温度、湿度循环及日照、降 雨的干湿循环之后，其强度的变化过程。 ( 6 ) 通过g e o s t u d i o 软件的g e o - s l o p e 模块对不同工况、不同尺寸的路堤边坡模 型进行稳定性分析，用稳定性系数来反映边坡稳定性的好坏，找出影响石灰处治膨胀土 路基长期稳定性的环境因素及其它因素。 ( 7 ) 在以上研究的基础之上，提出改善石灰改良膨胀土路堤长期性能的工程措施。 8 广西大学硕士学位论文石灰处治膨胀土路堤长期稳定性试验研究 研究技术路线如下图所示。 9 石灰处治膨胀路堤长期稳定性试验研究 第二章石灰处治膨胀土的室内试验研究 2 1 膨胀土及石灰的选取 2 1 。1 膨胀土的选取 根据公路路基设计规范( j t j 0 1 3 - 9 5 ) 规定强膨胀土不应作为路堤填料，高速公 路及一、二级公路采用中等膨胀土作为路堤填料时应经改性处理后方可填筑，弱膨胀土 作为路堤填料时，若胀缩总率不超过0 7 ，可直接填筑，并采取防水、保温、封闭、坡 面防护等措施。本试验所用的膨胀土取自坛洛至百色高速公路路线终点附近的一个土坡 上，其地层岩性主要为第三系百岗组、那读组泥岩、钙质泥岩区，场地地形平缓，自然 坡度小，无明显陡坎，土层多呈灰、灰白及灰黄色，颗粒细腻，切面光滑，局部见钙质 或铁锰质结核。取土深度为0 7 - 1 1 米以下，属典型的弱中膨胀土。依据制作路堤模 型所需膨胀土，拉了两车合计2 0 方左右的膨胀土。 表2 - i 膨胀土物理性质指标 t a b l e2 - 1b a s i cp h y s i c a lc h a r a c t e ri n d e x 2 1 2 石灰的选取 石灰改良膨胀土是最普遍、最有效的方法之一，石灰与膨胀土之间的化学作用非常 复杂。在改良膨胀土过程中石灰所起的作用主要有以下几方面的： ( 1 ) 阳离子交换作用 石灰中的c 。2 + 与土颗粒表面的阳离子如：n a + 、k + 、h + 发生交换作用，使土颗粒胶体的 双电层中扩散层变薄，土颗粒问结合力增强，土体强度提高，改善土体性质。由于石灰 中的c a 2 + 与土颗粒表面的阳离子发生交换作用，改变了土颗粒表面的带电性质，从而并 使胶体颗粒加速絮凝，使小的团粒相互凝聚变成大的团粒。 1 0 广西大学硕士学位谨吁石灰处治膨胀土路堤长期稳定性试验研究 ( 2 ) 胶凝作用 石灰中的c a 0 与土中的s i 0 2 、a 1 ：0 。发生反应，生成复杂的化合物，如硅酸钙盐、铝 酸钙水化物，产生较强的粘结作用，使改良土的强度提高。 ( 3 ) 碳酸化作用 改良土中的石灰与空气中的c 0 。发生钙化反应，生成c a c 0 。使土硬化，起到了固化土 体的作用。 ( 4 ) 由于生石灰与水在熟化过程中，发生吸水、发热、膨胀作用，可以降低土体含水量， 促进土体的固结，这也有助于土体强度的提高。 本试验用的石灰是南宁武鸣生产的生石灰，根据石灰处治膨胀土路堤模型所需要 的石灰量，购买了2 1 i l t 生石灰，生石灰的主要化学成分为：c a o 占8 6 5 4 9 6 ，m g o 占1 0 6 。 2 2 试样土料的物理、力学性质指标 2 2 1 最佳掺灰比的确定 通过比较掺灰4 、掺灰6 、掺灰8 的击实试验、c b r 试验，试验结果如下： 表2 - 2 不同掺灰比石灰处治膨胀土的物理力学指标 t a b l e2 - 2t h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a li n d i c a t o r so ft h el i m es t a b i l i z e de x p a n s i v es o i lo ft h ed i f f e r e n tr a t i o o f m i x e st h el i m e a s h 结合上述结果及以前一些对掺灰比研究的资料，确定本试验的最佳掺灰比为6 。 2 2 2 最优含水量的确定 1 、膨胀土素土最佳含水量测定试验 对于一般的土来说，公路路基的填筑要求变形越小越好，这样才能保证路面不至于 过早的破坏，保证路面的平整，因而同一种土来说，填筑的干密度越大越好。击实试验 石灰处治膨胀土路堤长期稳定性试验研究 就是模拟施工现场压实条件采用锤击方法使土体的密度增加、强度提高的一种试验方 法。土在一定的击实效应下，如果击实含水量不同，则所得到的密度也不同，击实的目 的就是测定试样在一定击实次数下或某种压实功能下的含水量与干密度之间的关系，从 而确定土的最大干密度和最优含水量，为施工控制填筑提供设计依据。 按公路土工试验规程( j t j 0 5 1 - 9 3 ) 的具体要求进行试验，具体的步骤如下：先将 土风干然后测定含水量，按公式计算制备五个不同含水量的试样，含水量依次相差2 。 然后进行重型击实，分三层，每层9 8 击。一般性砂土或粘土的最佳含水量是在塑限附近， 测得膨胀土塑限为2 8 3 ，开始配土时，是按2 2 ，2 4 ，2 6 ，2 8 ，3 0 配土，进行重型 击实试验( 试样含水量以刚击实完测得试块样的含水量为准) ，结果没有得出含水量与 干密度曲线的峰值。后面再按1 2 ，1 5 ，1 8 配土进行补点，进行重型击实，得出含水 量与干密度关系曲线的峰值。取其中五个点得出如图2 - 1 含水量与干密度的关系曲线。 经过试验数据处理，得出该土样的最优含水量是1 6 9 1 ，最大干密度1 7 7 9 c m 3 。 干密度与含水量的关系 茸 u 、 叫 侧 龆 h _ 含水量( ) 图2 - 1 含水量与干密度的关系曲线 f i g2 - 1t h e c u r v eo ft h ed r yd e n s i yu n d e rt h ed i f f e r e n tw a t e rc o n t e n 最优含水量比塑限小了近1 1 ，并不是在塑限附近。可见，对于膨胀土这类高液限土， 在试验确定最优含水量时，土样制备时的含水量间隔应拉开，大于2 ，且试样含水量小 于塑限的点应该布置相对多点。 2 、石灰处治膨胀土最佳含水量测定试验 石灰处治膨胀土的基本物理力学性质指标见表2 3 。 1 2 8 5 7 5 6 7 6 1 _ i - 1 _ 1 石铰处治膨胀土路堤长期稳定性试验研究 表2 3 石灰处治膨胀土物理力学性质指标 t a b l e2 3t h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a li n d i c a t o r so ft h el i m es t a b i l i z e de x p a n s i v es o i l 按试验确定的最佳惨灰比6 制备石灰处治膨胀土，先将土风干然后测定含水量， 按公式计算制备五个不同含水量的试样，含水量依次相差3 ，然后进行重型击实，分 三层，每层9 8 击，得出含水量和干密度关系曲线如图2 2 。 经过试验数据处理，得出该土样的最优含水量是2 0 2 2 ，最大干密度1 7 3g c m 3 。 最佳含水量曲线 1 41 61 82 02 22 42 62 83 03 23 4 含水量( ) 图2 - 2 含水量与干密度的关系曲线 f i g2 - 2t h ec u r v eo f t h ed r yd e n s i yu n d e rt h ed i f f e r e n tw a t e rc o n t e n t 膨胀土及其石灰处治土的物理力学指标对比见表2 1 。 表2 - 4 素士及其石灰治土的物理力学指标 t a b l e2 - 4t h e p h y s i c a la n dm e c h a n i c a li n d i c a t o r so f t h el i m es t a b i l i z e de x p a n s i v es o i la n de x p a n s i v es o i l 由上图可以看出，生石灰加入土中后，石灰处治膨胀土的最大干容重降低，最佳含 水量升高，比重降低，自由膨胀率由5 0 降至3 6 ，且击实曲线变得平缓。由此说明石灰 处治膨胀土的效果是很明显的。石狄处治后土的物理力学指标直接影响到石灰处治膨胀 土路堤的长期稳定性。 8 7 6 5 4 l 1 l 1 1 一暑q暑)越稍卜 j - - 西大学硕士学位论文石灰处治膨胀土路堤长期稳定性试验研究 2 3 试验土料填筑的控制参数 2 3 1 石灰处治膨胀土填筑合适含水量、最大干密度、压实度的确定 李志祥，胡瑞林【2 0 1 等进行了改性膨胀土路堤填筑含水量优化试验研究，通过做不 同掺灰比、不同含水量的强度试验，得出改性膨胀土的填筑含水量可高出其素土最优 击实含水量4 6 个百分点；含水量再高时，不但难于压实，而且填筑以后会造成不均 匀沉降。郭爱国，孔令伟【2 l 】等做了大量的试验研究，得出弱膨胀土路堤施工中控制填 筑含水量大于最佳含水量3 - - - , 4 时，不但可以加快施工进度，而且也有利于路堤的长 期稳定。 依据以上研究及本试验测定的素土、石灰处治土最佳含水量的测定，确定石灰处 治膨胀土填筑含水量控制为2 0 - 2 2 。最大干密度确定为1 7 3 9 c m 3 ，压实度依据一些 前人研究的经验，下路堤取9 0 ，上路堤取9 2 。 2 3 2 闷灰时间的确定 2 3 2 1 试验目的和试验设计 闷灰时间的确定是石灰处治膨胀土路堤填筑的一个重要的工艺，它直接影响到处治 土路堤填筑的工期长短及施工工序的连续性。闷灰时间对于生石灰加固土的使用效果有 重要的影响。成型过早会生成水化热过多而使土体胀松，而成型过晚，水化热则达不到 充分利用，也会影响加固效果。 土的抗剪强度参数( 粘聚力c 和内摩擦角妒) 是评价路堤稳定性的一个重要指标。将 拌好的石灰与膨胀土的混合土统一配成2 5 的含水量，分别闷灰2 天、3 天、4 天、7 天、1 0 天时间，对不同闷灰时间的土样分别通过重型击实制成试样，再用直剪环刀取样，进行 快剪试验，测出不同闷灰时间的抗剪强度参数c 、够值，并进行比较分析。 2 3 2 2 试验资料整理 ( 1 ) 、不同闷灰时间剪切试验的位移与剪