1、2講 授 內 容一、膨脹土及其工程問題二、膨脹土路堤修筑技術三、膨脹土路塹邊坡處治技術重點：膨脹土路基處治技術原理及常用方法難點：膨脹土的脹縮機理SS SSS SS3一、膨脹土及其工程問題1什么是膨脹土(expansive soils)？膨脹土是一種富含膨脹性粘土礦物且在環境干濕交替作用下發生體積明顯脹縮和強度強烈衰減而常常導致工程變形破壞的非飽和粘性土。鋁氧八面體硅氧四面體蒙脫石構型鉀離子伊利石構型微觀特征：（1）以蒙脫石和伊利石及其混成粘土礦物為主，易吸水膨脹，失水收縮；（2）比表面積大；（3）陽離子交換量大；（4）微裂隙發育。高嶺石構型GSnH2OGSGSGS鋁氧八面體硅氧四面體GSGS

2、標準吸濕含水率（%）標準吸濕含水率（%）標準吸濕含水率（%）R = 0.9461R = 0.9823R = 0.9211y = 0.0264x + 0.69012015129630400500100 200 300比表面積（m2/g）y = 0.2649x + 0.72662015129630405010 20 30蒙脫石含量（%）y = 0.0281x - 0.455920151296306004200 400陽離子交換量（me/kg）一、膨脹土及其工程問題2膨脹土的判別與分類（1）國內外現有膨脹土判別分類指標可分為兩大類：宏觀（間接）指標通過工程實驗評價其膨脹潛勢；微觀（直接）指標反映脹縮

3、機理的本質參數，如蒙脫石含量、比表面積、陽離子交換量。（2）公路部門：自由膨脹率、塑性指數；鐵路部門：微觀指標。（3）最新研究成果：測試簡便、能反映膨脹土的脹縮本質的宏觀指標標準吸濕含水率。非膨脹土弱中強標準吸濕含水率 Wf (%)塑性指數 IP (%)自由膨脹率（%）2.515402.54.8153040604.86.8304560906.84590注：標準吸濕含水率為在標準條件下（溫度為252，相對濕度為603%）膨脹土試樣從天然含水量脫濕至平衡后的含水量。5標準吸濕含水率的試驗裝置一、膨脹土及其工程問題2膨脹土的判別與分類公路部門膨脹土的判別分類標準6年因其造成的損失達80億美元。3膨脹

4、土的分布及特點膨脹土分布廣，遍布六大洲、46個國家。美國50個州中40個州有膨脹土分布，每7膨脹土分布區分布廣類型多性質復雜一、膨脹土及其工程問題中國膨脹土特點中國26個省區有膨脹土分布，中國加拿大合作研究表明：我國每年因膨脹土造成的經濟損失達150億美元！81我國西部地區擬建的21000km高速公路中有3300km穿越膨脹土地區94膨脹土的工程特性：（1）超固結性地殼演變過程中沉積固結作用形成的膨脹土均具有顯著的超固結性強度高、容易產生卸荷松弛變形。（2）裂隙性原生裂隙較為發育，在風化、干濕循環和卸荷作用下易產生次生裂隙甚至大的裂縫。（3）膨脹性與強度衰減性膨脹土遇水發生顯著膨脹，同時強度劇

5、烈衰減。一、膨脹土及其工程問題膨脹土公路路基的常見病害（1）滑坡路堤路塹均有發生，是膨脹土路基最嚴重的病害。路堤滑坡往往發生在填土或基底為膨脹（巖）土層的情況，滑體一般寬2050米，厚25米；路塹滑坡多發生在膨脹（巖）土分界面，裂隙面或軟弱層處，寬數10米，厚一般34米，較少超過6米，具有成群分布、淺層性、牽引性、結構和構造性以及多次滑動性等特點。10一、膨脹土及其工程問題內蒙古呼集路大滑坡11（2）坍滑路基施工中到處可見，路堤坍塌多發生在路肩，坍壁一般不超過1米，寬幾米或十幾米不等；路塹坍塌較嚴重，多發生在塹頂，坍壁一般高23米，寬為幾十甚至達到百米。一、膨脹土及其工程問題12（3）溜坍路堤

6、一般在坡腰和坡腳發生，厚度多小于1米，路塹多在已剝落、沖蝕或臌脹的坡面上產生，高度和長度均在數米內，厚多在0.20.6米，在長路塹邊坡中也可見多個溜坍體連成的溜坍裙。一、膨脹土及其工程問題13（4）結構物破壞由于膨脹土脹縮變形和膨脹力作用，擋墻推移，墻身被剪斷，涵洞基礎下沉開裂，洞身斷裂或涵底隆起， 橋臺開裂，橋梁錐坡和擋墻開裂外移。一、膨脹土及其工程問題14水泥路面縱向開裂一、膨脹土及其工程問題（5）路面變形、開裂和斷板瀝青路面變形15（6）水土流失等生態環境破壞路基施工中的借棄土方占用了大量寶貴的土地，破壞了地表植被，引起較嚴重的水土流失問題。一、膨脹土及其工程問題16二、膨脹土路堤修筑技

7、術1膨脹土路堤存在的主要技術問題（1）膨脹土一般浸水CBR均小于3，不滿足路堤填料最小強度要求；（2）膨脹土的天然含水率高，難以達到干法重型擊實試驗確定的壓實控制標準。（3）即使達到壓實標準，干濕循環作用下也易產生變形和破壞。172國內外對膨脹土路堤采取的主要工程措施 換填法 化學改良借棄方量大、造價高、生態環境破壞嚴重。二、膨脹土路堤修筑技術施工困難、造價高、工期長。浸水深度/cmCBR18二、膨脹土路堤修筑技術3膨脹土直接用作路堤填料的可行性(1) 標準CBR試驗用于評價膨脹土填料承載力存在不合理性2.0%1.5%4.0%3.5%3.0%13%15%17%25%27%29%19% 21%

8、23%含水率最佳含水率（干法）標準試驗得到的CBR隨制件含水率的變化42.5%681012標準CBR試件含水率隨試件軸向深度的變化長沙粘土 低液限粘土寧明膨脹土 中膨脹土百色膨脹土 強膨脹土 浸水方式不合理非膨脹性土含水率沿試件深度變化量較小，膨脹土變化劇烈。且表層土接近流塑狀態。含水率 /%16 18 20 22 24 26 28 30 3202 制件含水率不合理干法重型擊實確定的最佳含水率所對應的CBR，遠小于其最大值。CBR(%)壓力（2.7kPa）小遠小于封閉包19率較高，膨脹土的CBR仍有較大的數值。010080604020812162024283236含水量 (%)堤的工作狀態與浸

9、水CBR試驗狀態不一致由于滲透性差封閉包蓋條件下的膨脹土不可能達到浸水狀態。而不浸水時即使制件含水路面和基層（下路堤） 封閉包蓋條件下膨脹土路封閉包蓋法路堤實際工況非膨脹性土膨脹土標準CBR試驗浸水時的上覆2m蓋路堤的膨脹土填料所承受的上 (40kPa)覆壓力（大于40kPa）。二、膨脹土路堤修筑技術 浸水時的上覆壓力不合理上覆壓力：試件浸水過程中，根據需要在試件頂面施加不同的荷載，在荷載板和土體之間還放置一塊圓形墊板，以便荷載在土體頂部均勻分布。制件含水率：采用濕法重型擊實標準的最佳含水率。測向浸水CBR筒增加的上覆荷載 20二、膨脹土路堤修筑技術(2) CBR試驗方法的改進改進的CBR試驗

10、裝置及方法浸水方式：水位不超過試件頂面（距頂面15mm），以保證水不漫過試件，原來的上部浸水改為側向浸水。CBR/%21制件含水率對測試結果有很大影響。天然含水率附近壓實的膨脹土，其強度和水穩性最好。制件含水率與浸水方式的影響 側向浸水CBR變化曲線均位于對應的上部浸水CBR變化曲線的上方，說明改進試驗方法能夠提高膨脹土的CBR強度的試驗值。087654321103015鄧縣土上部寧明土側向20含水率/%鄧縣土側向百色土上部25寧明土上部百色土側向二、膨脹土路堤修筑技術改進的CBR試驗方法對試驗結果的影響9CBR/%CBR/%CBR/%22與2.7kPa上覆壓力相比，20kPa下測得的 CBR

11、峰值增大較多。三種膨脹土都滿足填料的強度要求，采用改進CBR試驗方法評價填料時強膨脹土也可用作下路堤填料。上覆荷載對CBR的影響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/%強膨脹土1816141210864制件含水率/%中膨脹土2.7Kpa20Kpa弱膨脹土二、膨脹土路堤修筑技術干密度(g/cm3)CBR不同制件含水率的CBR試驗結果23浸水CBR值遠小于最大值。最優含水率遠小于膨脹土天然含水率。最大干密度大

12、，現場壓實度控制難以實現。二、膨脹土路堤修筑技術(3) 膨脹土用作路堤填料的壓實標準以重型干法擊實試驗確定的壓實控制標準存在不合理性：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%含水量濕法干法膨脹土干濕法擊實對比試驗結果最佳含水率（濕法）濕法重型擊實最佳含水率遠大于干法擊實所確定的最佳含水率，接近膨脹土的天然含水率，便于施工控制。按此含水率填筑，路堤承載力高且運營期內含水率比較穩定。24填料等級級

13、級級級CBR值9以上693.963.9CBR膨脹量3天然稠度18.06.0 7.51.5:1.26非膨脹性土包邊技術碎石土膨脹土非膨脹土24.53.53.5175尺寸單位：m設計要點：破面封閉選擇具有一定強度且隔水性好的非膨脹性粘土包邊，包邊厚度由當地膨脹土干濕循環顯著影響區深度確定。底面隔水應對基底進行處理，防治地下水和毛細水的影響。頂面封閉選擇非膨脹性粘土填筑于上路堤和路床。二、膨脹土路堤修筑技術曬至其稠度大于1；當天然稠度27天然稠度級以上填料當天然稠度要求1，方可選用表中相應處治方案；當治，當天然稠度0.7時應棄用。填料等級級級處治方案非膨脹性土土包邊、土工格柵包邊非膨脹性土包邊、土工

14、格柵包邊級土工格柵包邊、非膨脹性土夾層土工格柵 天然稠度為0.91時填料需經晾包邊為0.70.9時需采用石灰改良處級化學（石灰）改良或棄土二、膨脹土路堤修筑技術膨脹土路堤處治方案的選擇膨脹土路堤處治方案選擇分類表受干濕循環作用控制的淺層破壞受裂隙軟弱結構面控制28的淺層破壞受層間軟弱結構面控制的破壞三、膨脹土路塹邊坡處治技術膨脹土路塹邊坡滑坍是膨脹土地區最嚴重、最易發生和最難治理的地質災害。1膨脹土路塹邊坡破壞模式292膨脹土路塹邊坡破壞的數值模擬(1) 數值模擬的關鍵技術之一非飽和土特性的描述 本構方程（如何考慮基質吸力的影響） 膨脹模型：膨脹變形與含水率、干密度、上覆壓力之間的關系 本構方

15、程中變形和強度參數隨飽和度和體積應力的變化規律三、膨脹土路塹邊坡處治技術30屈服面硬化規律流動法則參數測試需要特殊昂貴專用試驗設備，時間長且難獲取難以應用于工程實踐 本構方程（如何考慮基質吸力的影響）已有非飽和膨脹土彈塑性本構模型（Gens-Alonso模型）簡斯阿隆索彈性變形式中，v =1+e，patm 為大氣壓力， ，s和 G 為彈性參數式中， （0）與 （s）分別為飽和與非飽和狀態下土的正常壓縮線（v:lnp）的斜率，p *0 與 p0 分別為飽和與非飽和狀態下土體前期固結應力，參數 pc 和各向等屈服 應力 p0 隨吸力 s 而變化。 為反映土剛度隨 s 增長的參數試驗參數多且與吸力相

16、關d ij d ij d ij ( P, ) 1 sin sin f I1 sin c cos J 2 cos 塑性應變： d ij d31e p12GdI19KdSij dSij ( P, Sr )Sr ij dSijd m ij dSij ij d ije 1 E1 2E12GdI19Kp dS ijf ij 0考慮濕度場變化對變形的影響，本構方程為：彈性應變：選擇mohr-columb屈服準則，則彈性參數E屈服參數C3 3 本構模型中參數為體積應力與飽和度的函數，即：非飽和膨脹土工程本構模型EEP, Sr P, Sr 可通過常規三軸試驗獲得CC Sr Sr 可通過常規直剪試驗獲得考慮了脹

17、縮變形 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 脹限含水率和上覆壓力、初始含水率的關系用于（用于飽和狀態下濕度場分析）w 0.1422w0 ln p 0.0512 ln p 1.1375w0 0.5915膨脹系數 （特定荷載條件下膨脹率與含水率變化直線的斜率） （ 0.0623 P 5.432) W 0.0062 P 1.793732 膨脹模型：膨脹變形與含水率、干密度、上覆壓力之間的關系數據回歸分析結果：膨脹過程中有荷膨脹量與吸水量的關系（用于變形分析

18、）滲透系數（m/s）滲透系數（m/s）R = 0.987R = 0.981533三、膨脹土路塹邊坡處治技術(2) 數值模擬的關鍵技術之二干濕循環特性的描述采取的措施：將變形場與濕度場進行耦合數值模擬分析 非飽和膨脹土的滲透系數及其變化規律結論：非飽和滲透系數與含水率之間成指數關系k w = 210-22e0.721221.0E-122.0E-084.0E-086.0E-08253035404550體積含水量（%）廣西寧明灰黑原狀土k w = 510-19e0.503921.0E-131.0E-092.0E-093.0E-094.0E-095.0E-096.0E-09253035404550體積

19、含水量（%）廣西寧明灰黑重塑土（ k w ( ) ae b ）20m3415m穩態分析初始重量含水率分布圖三、膨脹土路塹邊坡處治技術(3)數值模擬結果 非飽和土滲流場變化特征的數值模擬 30m降雨條件下膨脹土路塹邊坡的含水率在整個邊坡淺表層范圍內發生變化，表層是嚴重濕化區域，如不采取全面的防排水及防滲措施，邊坡將發生溜坍、坍滑等淺層破壞。11斷面初始降雨12小時后降雨24小時后降雨48小時后3333斷面2222斷面35采用熱力耦合模擬邊坡土體因失水收縮而產生的應力場，從而考慮了濕度場與應力場的耦合效應。由實測和路基邊部含水率長期監測的結果確定濕度變化范圍（坡體內部穩定含水率為25，旱季在251

20、5變化），采用生死單元法模擬邊坡裂縫的開展過程。 失水收縮開裂的數值模擬三、膨脹土路塹邊坡處治技術36表土含水率為18時第一主應力圖含水率降至20%時，離坡肩3m左右的坡頂出現第一道裂縫，開裂深度不超過2m。隨著表面含水率的下降，坡面將出現開裂，先為坡中，后為坡的上部，最后為坡的下部，裂縫深度一般小于1m。含水率降至18%以下時，坡表單元應力均超過10kPa，說明邊坡坡表處將會出現密集拉裂裂縫。表面干縮開裂將為地表雨水的滲入提供通道，是膨脹土路塹產生淺表層破壞的主要原因。X方向約束 有軟弱結構面數值模擬結果（軟弱結構面的不同模型，對邊坡的初始破壞形態影響不大）4.00E-07XXX7.0000

21、 無軟弱結構面土質路塹計算模型XXXMax. shear strain-rateXXXXX X X方向約束XX0.00E+00XXX5XXX1.step 457697.01:XXXXXThermal Time 1.9303E+02XXXX方向約束-1.833E+01 x 4.833E+01XXX-3.183E+01 y 3.483E+01XXXXXX XXXXXX37計算模型及離散土質體X、Y方向約束20.00005.00000-4m灰白膨脹土X方向約束-2.500-1.500-0.5002.500 膨脹土塹坡淺表層增濕變形數值機理采用工程實用型膨脹土本構模型，對受風化作用層以及層間軟弱結構面

22、控(*101)-1.0000.0001.0002.0003.0004.000(*101)路塹邊坡破壞面（界面單元）路塹邊坡破壞面（軟弱土層）FLAC (Version 4.00)LEGEND16-Mar-06 16:58 X X方向約束XXXX 1.500XXX XXXX XX XX XXBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBXX1.00E-072.00E-073.00E-075.00E-076.00E-077.00E-078.00E-07Contour interval= 1.00E-0

23、7Interface ID#s4-6m灰黑膨脹土土巖軟弱結構面巖 層含軟弱結構面土巖路塹計算模型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安全系數安全系數初始含F = 1.0793e-2.6178R = 0.90538y = 1.9725e -8.3925xR2 = 0.9808y = 1.1883e -8.4808xR2 = 0.980901.510.5

24、2.520%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%坡面最大吸水率含結構面膨脹土邊坡安全穩定性系數隨增濕構面水率的變化曲線1.6含結含 模型y = 1.4178e-4.1194x2F 1.1883e 8.4808 y = 1.0793e-2.6178xR2 = 0.8516 安全系數隨增濕率的變化特征無結構面膨脹土邊坡安全穩定性系無數結隨構增面濕模含型水率的變化曲線F 1.9725e 8.3925 39剛性支護，以圬工結構（重力式擋墻、抗滑

25、樁和片石護面墻等）為主，并輔以其他必要綜合處理措施，它是目前最常用的處治方法。3膨脹土路塹邊坡常用處治技術不允許被支護土體產生變形。積蓄的膨脹能和膨脹壓力大，可能導致支檔結構物的破壞。施工困難、周期長、造價高。三、膨脹土路塹邊坡處治技術40三、膨脹土路塹邊坡處治技術4柔性支護結構回填碎石土帶孔管兩布一膜封層回填碎石土滲溝水泥蓋板0.50.5漿砌片石單層土工布封層磚砌膨脹土填料填筑碎石帶孔管防水土工布路面70主要適用于各類膨脹土路塹邊坡的滑坡處治，也可用于邊坡開挖后的及時支護。回填碎石適用對象： 結構形式41柔性支護結構特征采用土工格柵分層攤鋪錨固，回填非膨脹土或膨脹土壓實形成足夠厚度的柔性擋墻

26、，再輔以坡頂的封閉、墻背及基底的排水處理可發揮如下功效：土工格柵與填土之間的摩擦力和咬合力以及格柵的層間聯結、反包可提供足夠的抗剪強度，使加筋土體構成一個整體來抵抗邊坡的作用；柔性擋墻允許邊坡土體產生一定的變形可釋放開挖邊坡的大部分應力和膨脹力，“以柔克剛”；坡率為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墻體能覆蓋新近開挖塹坡的主要坡面，其足夠的自重可以抵抗土壓力的作用；足夠的墻體厚度可隔絕和防止風化作用對坡體膨脹土的影響（大于有效活動層深度），阻止裂隙進一步發展和淺表層滑坍。各個防排水設施之間相互聯系，形成了路塹邊坡坡后、坡體、路基、路面、地表之間綜合防排水體系。三、膨

27、脹土路塹邊坡處治技術42氣候季節變化和晴雨交替作用的影響，地表水平面以下自然土體水分發生顯著變化的深度范圍。干縮開裂顯著影響區增濕膨脹（產生膨脹力或膨脹變形）裂隙和裂縫干濕循環影響下的膨脹土邊坡三、膨脹土路塹邊坡處治技術5柔性支護結構設計 處治范圍邊坡破壞現場調查和數值模擬分析結構已經表明膨脹土的破壞以淺表層為主，干濕循環是主要肇因。因此，路基處治范圍應該由膨脹土的干濕循環顯著影響區而定。干濕循環顯著影響區是指受貫入10cm的擊數n10/次1210864201418160246810121416鉆孔深度/m43AK0+090K138+823K133+740AK2+412K135+480干濕循環顯著影響區是確定膨脹土路基處治措施的主要依據。快速勘測法所得到的寧明膨脹土干濕循環顯著影響區深度為1.8m。干濕循環顯著影響區深度不同于大氣影響層深度，后者主要考慮水、氣的影響，而前者著重考慮水的影響。三、膨脹土路塹邊坡處治技術干濕