公路非饱和路基土的力学特性研究-报告简本讲义

1、公路非饱和路基土力学特性研究研究报告简本公路非饱和路基土的力学特性研究报告简本0引言已建公路在通车后不久，在雨水、地下水和车辆反复动荷载等因素的作用下，就出 现不同程度的路基路面病害，如沉陷、开裂、翻浆、路堤边坡失稳等，远未达到所期望 的设计使用年限。路基路面破坏花费大量的人力、物力和财力进行养护维修，严重影响 正常的交通营运，甚至诱发交通事故。就普遍关心的路基稳定和变形问题，目前的研究基本上均依据饱和土的强度和变形 理论。但大量的研究结果表明，经过压实的路基填土仍处于非饱和状态。在满足现行路基设计规范压实度要求的情况下，绝大部分压实填土的饱和度在65%87%之间，平均为80%左右。据不完全统

2、计：填方路基边坡在营运中的破坏，90%是由于降雨和地下水变化引起边坡浅层局部渐进性破坏，进而引起路堤出现整体滑动；绝大部分路基病害及其诱发的路面破坏发生在公路建成后的头两个年头，经过2年多的雨季，路基才逐步处于力学上稳定的状态。非饱和土由于气体的存在，其性质与饱和土有显著的差异。采用传统的饱和土理论, 无法真实反映路基土的本质，也难以建立起完善的设计方法，提出合理的病害防治措施。因此，从非饱和土的角度出发，采用非饱和土的理论与方法，对非饱和路基土的基本性 质进行研究，解决路基设计的理论及相关工程技术问题是非常必要的。本项目为2005年度西部交通建设科技项目(合同号：2005318 740 10

3、)。项目以西 部地区公路为背景，以西部地区公路路基修筑普遍遇到的粘性土、 黄土为对象，以重庆、甘肃两地的在建公路为主要依托试验工点，采用室内外试验测试、数值分析、理论解析 等多种手段，对非饱和路基土的物理力学特性，以及影响非饱和土性质的主要因素一水 对非饱和路基土物理力学特性的影响进行研究，在此基础上，分析非饱和土路基的强度 与变形特性，提出基于非饱和土理论的路基设计及施工控制关键技术。1主要研究内容本项目主要围绕以下内容展开研究:(1) 非饱和土路基工程病害特征及成因分析(2) 非饱和路基土物理力学特性(3) 非饱和土路基的变形与破坏特征(4) 非饱和土路设计方法及施工控制技术通过本项目的研

4、究，掌握非饱和土路基病害特点及病害产生机理，得出非饱和路基 土的物理力学特性指标，以及水对非饱和路基土力学特性和工程特性的影响规律,减少200多重庆等地病害非饱和土路基设计与施工关键环节，达到完善现有设计方法、促进行业技术进步、 工程破坏和隐患的目的。2取得的主要科技成果通过研究，获得了以下主要科技成果。2.1非饱和土路基工程病害特征及成因分析检索了有关研究文献(包括期刊论文、学位论文、研究报告、规范、著作) 篇(本)，收集了 10多条公路的勘察设计文件资料，先后 5次赴甘肃、四川、 对10多条公路进行现场调研，就非饱和土路基所处的环境地质条件、填料情况、 特征、病害影响因素等进行了广泛深入的

5、调查。通过实际工程调研和文献调研，分析总结了非饱和土路基的病害特征及其病害产生 的主要原因，概化出了非饱和土路基的破坏模式。(1) 非饱和土路基工程病害主要表现为不均匀沉降和路堤失稳而引起的路面破坏, 外观表现为裂缝和不均匀变形，这种病害占了所调查病害的绝大部分。路基边坡失稳是 路基变形发展到一定程度之后的表现形式，大多发生在施工期和通车初期，在运营期也 时有发生。黄土路基还易出现坡面冲蚀、风蚀掏空等病害。(2) 引起非饱和土路基病害的原因是多方面的。地质勘察不到位、地基处理不彻 底、填挖结合部未处理好、填料选择不当、压实不足、排水设施不完备或失效，以及水 文地质条件改变、降水、车辆荷载等主客

6、观因素都会对路基病害的发生产生影响。就与 非饱和特性密切相关的原因而言，水的入渗是造成非饱和土路基产生变形与失稳的主要 原因。(3) 非饱和土路基的破坏可概化为：路基裂缝、路基沉降、路基边坡失稳、边坡 冲蚀、支挡结构与附属设施变形破坏等 5大类。2.2非饱和路基土物理力学特性1. 采用压力膜仪、压力板仪、非饱和土三轴仪等多种手段，对非饱和路基土的土水特征曲线特性进行了系统的试验研究，获得了温度、土压实度、含水量、干湿循环 条件、土颗粒级配、净平均应力和偏应力等对土一水特征曲线的影响规律，建立了考虑 含水率、吸力、净平均应力的3变量广义土一水特征曲线表达式，以及考虑含水率、吸 力、净平均应力和偏

7、应力的4变量广义土一水特征曲线表达式。(1) 非饱和路基土基质吸力随温度的升高，近似线性降低；含水量越低，温度对 吸力的影响相对越大，反之，影响就越小。在总体上，温度对非饱和路基土基质吸力的 影响很小。(2) 随着含水量的降低，非饱和路基土基质吸力增大，在路基土常见的吸力范围 内(10kpa100kpa)，半对数表达的土一水特征曲线近似为直线。在相同含水率条件下, 干密度小的土样，基质吸力较大，路基压实度超过90%以后，土一水特征曲线趋于稳定, 因此，保证路基填筑压实度在 90%以上，对路基是有利的。(3)随着干湿循环次数的增加，干湿过程曲线斜率趋缓，土中孔隙的结构趋于稳 定。粗粒含量高的土，

8、干湿循环的影响越小，路基趋于稳定的时间更短，因此，粗粒土 较细粒土更适合用作路堤填料。(4) 净平均应力和偏应力对路基非饱和土的土一水特征曲线均有影响，路基非饱和土基质吸力随净平均应力和偏应力的增加而减小。这一影响可采用3变量广义土一水 特征曲线表达式和4变量广义土一水特征曲线表达式表达，其较好的反映了含水率、吸 力、净平均应力，以及含水率、吸力、净平均应力和偏应力对土一水特征曲线的影响。2. 采用真三轴试验、非饱和土三轴试验、非饱和土直剪试验，深入研究了非饱和以及相关的强度与路基土的强度与变形特性，获得了非饱和路基土的强度与变形特征，变形参数；在此基础上，分析提出了非饱和路基土的加载和湿化变

9、形计算模型，以及非 饱和路基土的弹塑性模型。(1) 不同的非饱和土，其强度曲线特征不同。不同吸力和干密度的非饱和压实黄 土试样均呈脆性破坏；而非饱和压实普通粘土土样随着围压的增大，脆性破坏的趋势减 小。与相同压实度、相同围压的饱和土应力一应变曲线比较，非饱和路基土在各吸力下 的应力峰值大得多。(2) 非饱和土的吸力主要影响到土粘聚力。随着吸力的增加(即含水量降低)，粘 聚力逐渐增大，而内摩檫角变化不大。吸力和密度对非饱和路基土有效内摩擦角 9影响 很小，相同干密度的试样，在不同吸力下的有效内摩擦角 A基本不变，且基本等于饱和 土的有效内摩擦角0 , W随干密度的增加而增加，但变化很小；非饱和路

10、基土有效粘 聚力c值随着干密度的增加而增加。各种吸力下的非饱和土应（3）4种应力路径的非饱和压实黄土三轴试验结果表明，力一应变曲线与吸力等于零的饱和土相应曲线具有相似的形态，基于此，提出了考虑吸 力贡献的非饱和土加载变形非线性模型。该模型包含土的变形和土中水量变化两个方面，具有坚实的物理基础和试验基础，是广泛使用的邓肯一张模型的合理推广，具有较大的实用价值。当吸力为零时，该模型自动退化为饱和土的邓肯一张模型。（4）围压、吸力、干密度均对湿化变形有影响，其中以干密度的影响最显著,Pd =1.8g/cm3 （压实度93.3%）试样的湿化变形约为 巴=1.7g/cm3 （压实度88.1%）试样湿化变

11、形的1/10至1/3。因此，提高压实度可有效减少湿化变形量。（5）针对非饱和压实黄土三轴剪切试验结果，取应力水平小于80%部分的应力一 应变关系曲线近似用直线代替，提出了湿化变形的线性简化计算模型；取应力一应变曲 线峰值点之前的一段，采用双曲线模型进行计算，提出了湿化变形的双曲线计算模型。（6）目前最流行的非饱和土弹塑性模型 一Barcerona模型在p-s-q三维空间有两个屈 服面：加载一湿屈服面（LC屈服线）和吸力增加屈服面（SI屈服曲线）。基于大量非饱和土试验，对其LC屈服线进行了验证，修正了其 SI屈服曲线，通过协调修正，建立 了 LC和SI的统一屈服面，解决了两者之间耦合关系不明确，

12、数值分析困难的问题。与 此同时，用试验确定了压实黄土的 Barcero na模型参数。舄更:1111 Its tMV1O土工真三轴仪5 F * f !Bl非饱和土三轴仪9制备含水量、干湿循环对非饱和土路3. 通过室内回弹模量试验，获得了压实度、基回弹模量的影响规律，提出了考虑基质吸力的非饱和土路基回弹模量预测模型。（1）路基回弹模量受压实度和含水量的影响显著。压实度大、含水量小，回弹模 量高，反之，回弹模量低。（2）干湿循环过程对路基回弹模量有着直接影响。在相同压实度与含水量情况下,干湿循环阶段不同，回弹模量也呈现出一定差异，这种差异主要体现在低含水量时。随 着干湿循环次数的增加，路基回弹模量

13、逐步趋于稳定。从减少干湿循环队路基回弹模量 的不利影响来看，路基压实时，含水量控制在最佳含水量偏湿一侧压实较好。（3）引入基质吸力，提出了考虑基质吸力的非饱和土路基回弹模量预测模型，并根据室内回弹模量试验结果和土一水特征曲线试验结果，获得了非饱和压实黄土路基回弹模量预测模型的相关参数。所建立的预测模型可以较好的考虑干湿循环过程（或路基 使用年限）的影响。2.3非饱和土路基的变形与破坏特征以陈正汉的非饱和土非线性固结理论为基础，依托MSC.Marc软件，利用Python 语言，开发了一套可以进行路基最终沉降量和降雨入渗沉降量的计算的非饱和土路基沉 降变形的数值分析软件。通过现场降雨模拟试验测试、

14、室内模拟试验和数值分析三个途 径，深入研究了降雨强度、降雨持时等对非饱和土路基吸力、应力与变形的影响，掌握 了非饱和土路基的变形与破坏特征。（1）路堤沉降量受地基刚度和压实度的影响很大，提高路堤的压实度和地基刚度 对减小路堤的工后沉降效果明显。（2）降雨主要影响到路基表面的变形、强度与吸力。其影响深度与降雨强度、降 雨持续时间、路基压实度、填料类型等有关。土石混填路基边坡的降雨入渗影响深度远大于黄土路基边坡，前者的降雨入渗深度大于2.4m，而后者约在1.0m以内。（3）随着降雨量的增大，越靠近路堤边坡的中下部，基质吸力减少越大，加之压 实度的差异，使得在坡脚处黄土湿陷变形、土石混填路基沉降变形

15、最大，坡中次之，坡 顶处最小。边坡的变形破坏可能最先发生路堤边坡的中下部，进而导致边坡的层层溜塌。（4）降雨强度越大，从降雨开始到径流产生所需的间隔时间越短，土体越容易达 到饱和，吸力下降越大。此外，雨水冲刷引起路基边坡坡面冲沟发育，雨水入渗增大, 导致土体强度的进一步衰减。降雨引起土体抗剪强度下降以及冲涮，这一双重效应是导 致路堤边坡失稳的重要原因之一。（5）路基密实度越小，雨水入渗水分迁移进程越快。其他条件相同时，密度较小的路基湿软区域大小明显大于密实度较大的路基。比较大的湿软区域易导致路基路面出 现不均匀变形和纵向裂缝病害，甚至会导致路基整体破坏。（6）非饱和压实黄土的吸力值要远大于非饱

16、和压实土石混合土。现场实测结果表 明：前者在30kPa以上，最大的吸力达到100kPa；后者在11kPa以下。甘肃路基人工降雨模拟试验现场*重庆路基人工降雨模拟试验现场、亍.-* ; - .V.2 r匚沪”-*收集人工降雨过程中坡面径流读取人工降雨后吸力数据2.4非饱和土路设计方法及施工控制技术分析在掌握非饱和路基土物理力学特性、非饱和土路基变形与破坏特征的基础上,提出了非饱和土路基稳定与变形分析的简化计算方法；结合已有经验，提出了非饱和土 路基设计与施工控制的基本原则，总结归纳了非饱和土路基病害处治的工程措施；通过工程应用，阐述了土工复合排水材料在非饱和土路基病害处治中的应用方法；形成了公路

17、非饱和土路基设计与施工技术指南(1) 借助土一水特征曲线获取非饱和土的抗剪强度是可行的，其获得的 右s曲线 与非饱和土三轴固结排水试验(CD试验)得到的结果吻合较好。(2) 基于简化Bishop建立了非饱和土路基边坡稳定性方法，该方法简单实用，与 强度折减法得到的稳定系数变化规律一致，且计算结果较为吻合。(3) 基于非饱和土的本构关系，建立了考虑与不考虑侧向变形的路堤沉降计算方 法，并给出相关参数的获取方法及沉降计算的具体步骤。所建立的沉降计算方法能反映 出路堤变形机理，概念清晰明确，不仅可用于荷载作用下的沉降变形计算，也可用于路 基含水量变化引起的变形计算，用于估计路堤沉降变形是可行的。(4

18、) 不考虑侧向变形与考虑侧向变形所获得的沉降计算结果差别很明显。考虑侧 向变形的路堤沉降比不考虑侧向变形时大 9.9%18.2%,说明在对路堤沉降进行估计时, 侧向变形引起的那部分沉降不可忽略。(5) 基于对非饱和土二维本构面的简化假设，以及对土一水特征曲线的简化假设, 建立了考虑侧限的路基沉降简化计算方法。该沉降简化计算方法将非饱和土问题转化为 饱和土问题，只需进行常规的试验就可获得相关参数，用于估计路堤沉降变形，具有推 广应用价值。(6) 非饱和土路基的设计与施工，应以减少路基病害为目标，针对路基变形与稳 定问题，从减少水对路基的影响着手，在水文地质勘察、地基处理、填挖结合部处理、 填料选

19、择、路基压实、路基防排水、路基路面交界部位处理等方面，强化相关的设计与 施工。(7) 不同的非饱和土路基病害类型，应采取不同的处治措施。从减少雨水入渗，减小土体的强度损失以及控制湿陷变形等方面综合考虑，保证非饱和土路基达到设计压 实度，加强路基路面防排水，做好边坡尤其是坡脚处的防排水措施，对防止降雨导致的 边坡失稳、路基沉降或不均匀变形等具有重要意义。(8) 土工复合排水材料可用于路肩、路基与路面结合部、路基与地基结合部、填 挖结合部、墙(台)背等场合的路基内部排水，减少地下水对路基的危害，施工方便、 效果良好。处治完成后情况F 1曲；：ir-T-L -、-V .复合排水材料的铺设通过本项目研

20、究，对非饱和土路基工程病害特征有了更深入的认识、掌握了非饱和 路基土的力学特性与非饱和土路基的变形与破坏特征，使得对非饱和土路基工程病害的 防治更加具有针对性。3项目产生的影响项目从2005年8月开始，到2009年6月结束，历经近四年的时间，顺利完成了预 期的目标，并在技术进步、人才培养、解决实际工程问题等方面产生了重要影响。(1)进一步促进非饱和土力学的发展。非饱和土力学目前尚不完善，项目研究涉及到非饱和土力学的多个方面，无论是理 论研究，还是工程实际应用，都将对非饱和土力学的发展和完善起到促进作用。(2) 完善路基设计理论和方法，保障公路建设质量，促进行业技术进步。项目首次采用非饱和土的理

21、论和方法对公路路基土的力学特性、路基的设计方法与 施工控制进行系统、深入的研究，获得了可供工程实际应用的多项成果，形成了公路 非饱和土路基设计与施工技术指南。对保障路基质量达到长期有效，减少路基病害, 增长路基路面的使用寿命，将起到积极作用，从而带来明显的社会、经济和环境效益。(3) 促进西部交通建设科技人才的培养和技术水平的提高。项目的实施，普遍提高了研究者和合作单位技术人员的科研素质和学术水平。在研 究工作开展期间，共培养出博士 6名、硕士 8名，有3人晋升到高级职称、2人晋升到 中级职称。这些科技人才走上工作岗位后，将会迅速适应工程环境，为我国的公路交通 建设做出应有的贡献。(4) 解决生产实际问题，实现了科研与工程的良好结合。3个依托工程一个为黄土高填方路基，一个为普通粘土与土石混合填料的半填半挖路基，一个为挖方段路基，3个依托工程在填料、路基型式、所处环境条件上各具特色,面临的工程问题也不尽相同，为科研工作的开展提供了良好的试验条件。甘肃平定高速公路依托工程的黄土高填路基高度高，坡面宽阔，建设初期非常担心 其稳定和沉降问题；重