膨胀土路基处治技术ppt课件

2讲 授 内 容一、膨胀土及其工程问题二、膨胀土路堤修筑技术三、膨胀土路堑边坡处治技术重点：膨胀土路基处治技术原理及常用方法难点：膨胀土的胀缩机理SS SSS SS3一、膨胀土及其工程问题1什么是膨胀土(expansive soils)？膨胀土是一种富含膨胀性粘土矿物且在环境干湿交替作用下发生体积明显胀缩和强度强烈衰减而常常导致工程变形破坏的非饱和粘性土。铝氧八面体硅氧四面体蒙脱石构型钾离子伊利石构型微观特征：（1）以蒙脱石和伊利石及其混成粘土矿物为主，易吸水膨胀，失水收缩；（2）比表面积大；（3）阳离子交换量大；（4）微裂隙发育。高岭石构型GSnH2OGSGSGS铝氧八面体硅氧四面体GSGS标准吸湿含水率（%）标准吸湿含水率（%）标准吸湿含水率（%）R =0.9461R =0.9823R =0.9211y=0.0264x+0.69012015129630400500100 200 300比表面积（m2/g）y=0.2649x+0.72662015129630405010 20 30蒙脱石含量（%）y=0.0281x-0.455920151296306004200 400阳离子交换量（me/kg）一、膨胀土及其工程问题2膨胀土的判别与分类（1）国内外现有膨胀土判别分类指标可分为两大类：宏观（间接）指标通过工程实验评价其膨胀潜势；微观（直接）指标反映胀缩机理的本质参数，如蒙脱石含量、比表面积、阳离子交换量。（2）公路部门：自由膨胀率、塑性指数；铁路部门：微观指标。（3）最新研究成果：测试简便、能反映膨胀土的胀缩本质的宏观指标标准吸湿含水率。非膨胀土弱中强标准吸湿含水率 Wf(%)塑性指数 IP(%)自由膨胀率（%）2.515402.54.8153040604.86.8304560906.84590注：标准吸湿含水率为在标准条件下（温度为252，相对湿度为603%）膨胀土试样从天然含水量脱湿至平衡后的含水量。5标准吸湿含水率的试验装置一、膨胀土及其工程问题2膨胀土的判别与分类公路部门膨胀土的判别分类标准6年因其造成的损失达80亿美元。3膨胀土的分布及特点膨胀土分布广，遍布六大洲、46个国家。美国50个州中40个州有膨胀土分布，每7膨胀土分布区分布广类型多性质复杂一、膨胀土及其工程问题中国膨胀土特点中国26个省区有膨胀土分布，中国加拿大合作研究表明：我国每年因膨胀土造成的经济损失达150亿美元！81我国西部地区拟建的21000km高速公路中有3300km穿越膨胀土地区94膨胀土的工程特性：（1）超固结性地壳演变过程中沉积固结作用形成的膨胀土均具有显著的超固结性强度高、容易产生卸荷松弛变形。（2）裂隙性原生裂隙较为发育，在风化、干湿循环和卸荷作用下易产生次生裂隙甚至大的裂缝。（3）膨胀性与强度衰减性膨胀土遇水发生显著膨胀，同时强度剧烈衰减。一、膨胀土及其工程问题膨胀土公路路基的常见病害（1）滑坡路堤路堑均有发生，是膨胀土路基最严重的病害。路堤滑坡往往发生在填土或基底为膨胀（岩）土层的情况，滑体一般宽2050米，厚25米；路堑滑坡多发生在膨胀（岩）土分界面，裂隙面或软弱层处，宽数10米，厚一般34米，较少超过6米，具有成群分布、浅层性、牵引性、结构和构造性以及多次滑动性等特点。10一、膨胀土及其工程问题内蒙古呼集路大滑坡11（2）坍滑路基施工中到处可见，路堤坍塌多发生在路肩，坍壁一般不超过1米，宽几米或十几米不等；路堑坍塌较严重，多发生在堑顶，坍壁一般高23米，宽为几十甚至达到百米。一、膨胀土及其工程问题12（3）溜坍路堤一般在坡腰和坡脚发生，厚度多小于1米，路堑多在已剥落、冲蚀或臌胀的坡面上产生，高度和长度均在数米内，厚多在0.20.6米，在长路堑边坡中也可见多个溜坍体连成的溜坍裙。一、膨胀土及其工程问题13（4）结构物破坏由于膨胀土胀缩变形和膨胀力作用，挡墙推移，墙身被剪断，涵洞基础下沉开裂，洞身断裂或涵底隆起，桥台开裂，桥梁锥坡和挡墙开裂外移。一、膨胀土及其工程问题14水泥路面纵向开裂一、膨胀土及其工程问题（5）路面变形、开裂和断板沥青路面变形15（6）水土流失等生态环境破坏路基施工中的借弃土方占用了大量宝贵的土地，破坏了地表植被，引起较严重的水土流失问题。一、膨胀土及其工程问题16二、膨胀土路堤修筑技术1膨胀土路堤存在的主要技术问题（1）膨胀土一般浸水CBR均小于3，不满足路堤填料最小强度要求；（2）膨胀土的天然含水率高，难以达到干法重型击实试验确定的压实控制标准。（3）即使达到压实标准，干湿循环作用下也易产生变形和破坏。172国内外对膨胀土路堤采取的主要工程措施 换填法 化学改良借弃方量大、造价高、生态环境破坏严重。二、膨胀土路堤修筑技术施工困难、造价高、工期长。浸水深度/cmCBR18二、膨胀土路堤修筑技术3膨胀土直接用作路堤填料的可行性(1)标准CBR试验用于评价膨胀土填料承载力存在不合理性2.0%1.5%4.0%3.5%3.0%13%15%17%25%27%29%19%21%23%含水率最佳含水率（干法）标准试验得到的CBR随制件含水率的变化42.5%681012标准CBR试件含水率随试件轴向深度的变化长沙粘土 低液限粘土宁明膨胀土 中膨胀土百色膨胀土 强膨胀土 浸水方式不合理非膨胀性土含水率沿试件深度变化量较小，膨胀土变化剧烈。且表层土接近流塑状态。含水率/%16 18 20 22 24 26 28 30 3202 制件含水率不合理干法重型击实确定的最佳含水率所对应的CBR，远小于其最大值。CBR(%)压力（2.7kPa）小远小于封闭包19率较高，膨胀土的CBR仍有较大的数值。010080604020812162024283236含水量(%)堤的工作状态与浸水CBR试验状态不一致由于渗透性差封闭包盖条件下的膨胀土不可能达到浸水状态。而不浸水时即使制件含水路面和基层（下路堤）封闭包盖条件下膨胀土路封闭包盖法路堤实际工况非膨胀性土膨胀土标准CBR试验浸水时的上覆2m盖路堤的膨胀土填料所承受的上(40kPa)覆压力（大于40kPa）。二、膨胀土路堤修筑技术 浸水时的上覆压力不合理上覆压力：试件浸水过程中，根据需要在试件顶面施加不同的荷载，在荷载板和土体之间还放置一块圆形垫板，以便荷载在土体顶部均匀分布。制件含水率：采用湿法重型击实标准的最佳含水率。测向浸水CBR筒增加的上覆荷载 20二、膨胀土路堤修筑技术(2)CBR试验方法的改进改进的CBR试验装置及方法浸水方式：水位不超过试件顶面（距顶面15mm），以保证水不漫过试件，原来的上部浸水改为侧向浸水。CBR/%21制件含水率对测试结果有很大影响。天然含水率附近压实的膨胀土，其强度和水稳性最好。制件含水率与浸水方式的影响 侧向浸水CBR变化曲线均位于对应的上部浸水CBR变化曲线的上方，说明改进试验方法能够提高膨胀土的CBR强度的试验值。087654321103015邓县土上部宁明土侧向20含水率/%邓县土侧向百色土上部25宁明土上部百色土侧向二、膨胀土路堤修筑技术改进的CBR试验方法对试验结果的影响9CBR/%CBR/%CBR/%22与2.7kPa上覆压力相比，20kPa下测得的 CBR峰值增大较多。三种膨胀土都满足填料的强度要求，采用改进CBR试验方法评价填料时强膨胀土也可用作下路堤填料。上覆荷载对CBR的影响064281012 14 16 18 20 22 24 26 28 302.7Kpa20Kpa24356121416182022242.7Kpa20Kpa2012 14 16 18 20 22 24 26制件含水率/%制件含水率/%强膨胀土1816141210864制件含水率/%中膨胀土2.7Kpa20Kpa弱膨胀土二、膨胀土路堤修筑技术干密度(g/cm3)CBR不同制件含水率的CBR试验结果23浸水CBR值远小于最大值。最优含水率远小于膨胀土天然含水率。最大干密度大，现场压实度控制难以实现。二、膨胀土路堤修筑技术(3)膨胀土用作路堤填料的压实标准以重型干法击实试验确定的压实控制标准存在不合理性：2.0%1.5%4.0%3.5%3.0%2.5%13%15%17%19%21%23%25%27%29%最佳含水率（干法）1.651.601.851.801.751.708%10%12%14%16%18%20%22%24%26%含水量湿法干法膨胀土干湿法击实对比试验结果最佳含水率（湿法）湿法重型击实最佳含水率远大于干法击实所确定的最佳含水率，接近膨胀土的天然含水率，便于施工控制。按此含水率填筑，路堤承载力高且运营期内含水率比较稳定。24填料等级级级级级CBR值9以上693.963.9CBR膨胀量3天然稠度18.06.0 7.51.5:1.26非膨胀性土包边技术碎石土膨胀土非膨胀土24.53.53.5175尺寸单位：m设计要点：破面封闭选择具有一定强度且隔水性好的非膨胀性粘土包边，包边厚度由当地膨胀土干湿循环显著影响区深度确定。底面隔水应对基底进行处理，防治地下水和毛细水的影响。顶面封闭选择非膨胀性粘土填筑于上路堤和路床。二、膨胀土路堤修筑技术晒至其稠度大于1；当天然稠度27天然稠度级以上填料当天然稠度要求1，方可选用表中相应处治方案；当治，当天然稠度0.7时应弃用。填料等级级级处治方案非膨胀性土土包边、土工格栅包边非膨胀性土包边、土工格栅包边级土工格栅包边、非膨胀性土夹层土工格栅 天然稠度为0.91时填料需经晾包边为0.70.9时需采用石灰改良处级化学（石灰）改良或弃土二、膨胀土路堤修筑技术膨胀土路堤处治方案的选择膨胀土路堤处治方案选择分类表受干湿循环作用控制的浅层破坏受裂隙软弱结构面控制28的浅层破坏受层间软弱结构面控制的破坏三、膨胀土路堑边坡处治技术膨胀土路堑边坡滑坍是膨胀土地区最严重、最易发生和最难治理的地质灾害。1膨胀土路堑边坡破坏模式292膨胀土路堑边坡破坏的数值模拟(1)数值模拟的关键技术之一非饱和土特性的描述 本构方程（如何考虑基质吸力的影响）膨胀模型：膨胀变形与含水率、干密度、上覆压力之间的关系 本构方程中变形和强度参数随饱和度和体积应力的变化规律三、膨胀土路堑边坡处治技术30屈服面硬化规律流动法则参数测试需要特殊昂贵专用试验设备，时间长且难获取难以应用于工程实践 本构方程（如何考虑基质吸力的影响）已有非饱和膨胀土弹塑性本构模型（Gens-Alonso模型）简斯阿隆索弹性变形式中，v=1+e，patm 为大气压力，s和 G 为弹性参数式中，（0）与（s）分别为饱和与非饱和状态下土的正常压缩线（v:lnp）的斜率，p*0 与 p0 分别为饱和与非饱和状态下土体前期固结应力，参数 pc 和各向等屈服 应力 p0 随吸力 s 而变化。为反映土刚度随 s 增长的参数试验参数多且与吸力相关d ij d ij d ij (P,)1 sin sin f I1 sin c cos J 2 cos 塑性应变：d ij d31e p12GdI19KdSij dSij (P,Sr)Sr ij dSijd m ij dSij ij d ije 1 E1 2E12GdI19Kp dS ijf ij 0考虑湿度场变化对变形的影响，本构方程为：弹性应变：选择mohr-columb屈服准则，则弹性参数E屈服参数C3 3 本构模型中参数为体积应力与饱和度的函数，即：非饱和膨胀土工程本构模型EEP,Sr P,Sr 可通过常规三轴试验获得CC Sr Sr 可通过常规直剪试验获得考虑了胀缩变形 spw0.3431w0 ln p 0.1044 ln p 2.2588w0 0.66290.1422w0 ln p 0.0512 ln p 2.1375w0 0.5915 w w0 胀限含水率和上覆压力、初始含水率的关系用于（用于饱和状态下湿度场分析）w 0.1422w0 ln p 0.0512 ln p 1.1375w0 0.5915膨胀系数（特定荷载条件下膨胀率与含水率变化直线的斜率）（0.0623 P 5.432)W 0.0062 P 1.793732 膨胀模型：膨胀变形与含水率、干密度、上覆压力之间的关系数据回归分析结果：膨胀过程中有荷膨胀量与吸水量的关系（用于变形分析）渗透系数（m/s）渗透系数（m/s）R =0.987R =0.981533三、膨胀土路堑边坡处治技术(2)数值模拟的关键技术之二干湿循环特性的描述采取的措施：将变形场与湿度场进行耦合数值模拟分析 非饱和膨胀土的渗透系数及其变化规律结论：非饱和渗透系数与含水率之间成指数关系k w=210-22e0.721221.0E-122.0E-084.0E-086.0E-08253035404550体积含水量（%）广西宁明灰黑原状土k w=510-19e0.503921.0E-131.0E-092.0E-093.0E-094.0E-095.0E-096.0E-09253035404550体积含水量（%）广西宁明灰黑重塑土（k w()ae b ）20m3415m稳态分析初始重量含水率分布图三、膨胀土路堑边坡处治技术(3)数值模拟结果 非饱和土渗流场变化特征的数值模拟 30m降雨条件下膨胀土路堑边坡的含水率在整个边坡浅表层范围内发生变化，表层是严重湿化区域，如不采取全面的防排水及防渗措施，边坡将发生溜坍、坍滑等浅层破坏。11断面初始降雨12小时后降雨24小时后降雨48小时后3333断面2222断面35采用热力耦合模拟边坡土体因失水收缩而产生的应力场，从而考虑了湿度场与应力场的耦合效应。由实测和路基边部含水率长期监测的结果确定湿度变化范围（坡体内部稳定含水率为25，旱季在2515变化），采用生死单元法模拟边坡裂缝的开展过程。失水收缩开裂的数值模拟三、膨胀土路堑边坡处治技术36表土含水率为18时第一主应力图含水率降至20%时，离坡肩3m左右的坡顶出现第一道裂缝，开裂深度不超过2m。随着表面含水率的下降，坡面将出现开裂，先为坡中，后为坡的上部，最后为坡的下部，裂缝深度一般小于1m。含水率降至18%以下时，坡表单元应力均超过10kPa，说明边坡坡表处将会出现密集拉裂裂缝。表面干缩开裂将为地表雨水的渗入提供通道，是膨胀土路堑产生浅表层破坏的主要原因。X方向约束 有软弱结构面数值模拟结果（软弱结构面的不同模型，对边坡的初始破坏形态影响不大）4.00E-07XXX7.0000 无软弱结构面土质路堑计算模型XXXMax.shear strain-rateXXXXX X X方向约束XX0.00E+00XXX5XXX1.step 457697.01:XXXXXThermal Time 1.9303E+02XXXX方向约束-1.833E+01 x 4.833E+01XXX-3.183E+01 y 3.483E+01XXXXXX XXXXXX37计算模型及离散土质体X、Y方向约束20.00005.00000-4m灰白膨胀土X方向约束-2.500-1.500-0.5002.500 膨胀土堑坡浅表层增湿变形数值机理采用工程实用型膨胀土本构模型，对受风化作用层以及层间软弱结构面控(*101)-1.0000.0001.0002.0003.0004.000(*101)路堑边坡破坏面（界面单元）路堑边坡破坏面（软弱土层）FLAC(Version 4.00)LEGEND16-Mar-06 16:58 X X方向约束XXXX 1.500XXX XXXX XX XX XXBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBXX1.00E-072.00E-073.00E-075.00E-076.00E-077.00E-078.00E-07Contour interval=1.00E-07Interface ID#s4-6m灰黑膨胀土土岩软弱结构面岩 层含软弱结构面土岩路堑计算模型1-2.500-1.500-0.5001.5000.5002.500(*101-1.0000.0001.0002.0003.0004.000(*101)JOB TITLE:Itasca Consulting Group,Inc.Minneapolis,Minnesota USA安全系数安全系数初始含F=1.0793e-2.6178R =0.90538y=1.9725e-8.3925xR2=0.9808y=1.1883e-8.4808xR2=0.980901.510.52.520%2%4%6%8%10%12%14%16%初始含水量20%初始含水量25%1.41.210.80.60.40.200%2%4%6%8%10%12%14%16%坡面最大吸水率初始含水量20%水量25%坡面最大吸水率含结构面膨胀土边坡安全稳定性系数随增湿构面水率的变化曲线1.6含结含 模型y=1.4178e-4.1194x2F 1.1883e 8.4808 y=1.0793e-2.6178xR2=0.8516 安全系数随增湿率的变化特征无结构面膨胀土边坡安全稳定性系无数结随构增面湿模含型水率的变化曲线F 1.9725e 8.3925 39刚性支护，以圬工结构（重力式挡墙、抗滑桩和片石护面墙等）为主，并辅以其他必要综合处理措施，它是目前最常用的处治方法。3膨胀土路堑边坡常用处治技术不允许被支护土体产生变形。积蓄的膨胀能和膨胀压力大，可能导致支档结构物的破坏。施工困难、周期长、造价高。三、膨胀土路堑边坡处治技术40三、膨胀土路堑边坡处治技术4柔性支护结构回填碎石土带孔管两布一膜封层回填碎石土渗沟水泥盖板0.50.5浆砌片石单层土工布封层砖砌膨胀土填料填筑碎石带孔管防水土工布路面70主要适用于各类膨胀土路堑边坡的滑坡处治，也可用于边坡开挖后的及时支护。回填碎石适用对象：结构形式41柔性支护结构特征采用土工格栅分层摊铺锚固，回填非膨胀土或膨胀土压实形成足够厚度的柔性挡墙，再辅以坡顶的封闭、墙背及基底的排水处理可发挥如下功效：土工格栅与填土之间的摩擦力和咬合力以及格栅的层间联结、反包可提供足够的抗剪强度，使加筋土体构成一个整体来抵抗边坡的作用；柔性挡墙允许边坡土体产生一定的变形可释放开挖边坡的大部分应力和膨胀力，“以柔克刚”；坡率为1:1.5、厚度大于3.5m、高度大于三分之二坡高以上的的柔性墙体能覆盖新近开挖堑坡的主要坡面，其足够的自重可以抵抗土压力的作用；足够的墙体厚度可隔绝和防止风化作用对坡体膨胀土的影响（大于有效活动层深度），阻止裂隙进一步发展和浅表层滑坍。各个防排水设施之间相互联系，形成了路堑边坡坡后、坡体、路基、路面、地表之间综合防排水体系。三、膨胀土路堑边坡处治技术42气候季节变化和晴雨交替作用的影响，地表水平面以下自然土体水分发生显著变化的深度范围。干缩开裂显著影响区增湿膨胀（产生膨胀力或膨胀变形）裂隙和裂缝干湿循环影响下的膨胀土边坡三、膨胀土路堑边坡处治技术5柔性支护结构设计 处治范围边坡破坏现场调查和数值模拟分析结构已经表明膨胀土的破坏以浅表层为主，干湿循环是主要肇因。因此，路基处治范围应该由膨胀土的干湿循环显著影响区而定。干湿循环显著影响区是指受贯入10cm的击数n10/次1210864201418160246810121416钻孔深度/m43AK0+090K138+823K133+740AK2+412K135+480干湿循环显著影响区是确定膨胀土路基处治措施的主要依据。快速勘测法所得到的宁明膨胀土干湿循环显著影响区深度为1.8m。干湿循环显著影响区深度不同于大气影响层深度，后者主要考虑水、气的影响，而前者着重考虑水的影响。三、膨胀土路堑边坡处治技术干湿循环显著影响区深度快速勘测法（标准贯入试验法）B ln s Cw0 D)ET Ts44ThTsh(Aw0 ln即加筋的长度：柔性支护沿路基横断面水平方向的加筋长度，可根据干湿循环区的范围和边坡情况，由下式计算：/sin 2L k l H 柔性支护的加筋铺网设计方法通过对土中铺网后加筋土体的力学行为进行深入研究，并结合室内有荷膨胀试验结果以及干湿循环显著影响区理论，提出了加筋铺网设计方法。加筋间距：由加筋土体膨胀与格栅变形的相容关系 T/ET (P,w0)以及有荷膨胀试验结果 Aw0 ln P B ln P Cw0 D得(Aw0 ln P B ln P Cw0 D)ET Ph加筋体正常工作时，格栅所受的张拉力应小于等于其抗拉强度 Ts2.0m3.5m2.9m2.0m(c lWi sin R Px柔性支护裂缝3.5m柔性支护柔性支护潜在滑动面（滑坡处治）滑面为通过坡脚的圆弧（不含软弱结构面的土质边坡）最小稳定系数为2.95最小稳定系数为5.78453.5m 坡顶有一垂直裂缝且滑面位于土岩交界面（含土岩界面的二元边坡体）最小稳定系数为2.74 原边坡滑坍清方回填后再修筑柔性支护结构的清方回填体与原坡面间的折线滑面 柔性支护边坡的方法整体稳定性验算M RM sFs Wi cos i tgi ui li tgi)di i抗滑力矩滑动力矩Fs （P1 P2）1 l ABL1L2L3L4L5局部安全系数1.52，验证了加筋设计的合理性和正确性。46WABC tg lbc c Wi tg l i c12抗滑力 F下滑力 Q计算结果和结论：A-B-C A-B-EE计算公式：现的滑出面：局部稳定性验算加筋柔性支护结构体中的可能出 支挡结构整体性强 破坏了原坡体的结构面柔性支护处治技术的评价 可吸收墙后坡体膨胀变形的能量 有利于坡面的排水和坡体排水 减弱地表水下渗及干湿循环作用 具有良好的环保效益，施工便捷，技术简单，造价低廉4.柔性支护结构的设计方法5.柔性支护边坡稳定性分析方法47路堑边坡处治前、后情况对比照片（1）路堑边坡处治前、后情况对比照片（2）三、膨胀土路堑边坡处治技术