膨胀土地区公路构造物膨胀土地基与基础设计和施工技术研究.docx
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膨胀土地区公路构造物膨胀土地基与基础设计和施工技术研究
西部交通科技项目
合同号：
200231874616
膨胀土地区公路构造物地基与基础
设计和施工技术研究报告
（简本）
完成单位：
南京水利科学研究院
参加单位：
广西区交通规划勘察设计院
中交第一公路勘察设计院
四川省交通厅公路规划勘察设计研究院
广西区交通基建管理局
河海大学
2006年12月
项目研究报告简要
中文题名
膨胀土地区公路构造物地基与基础设计和施工技术研究
英文题名
TheResearchoftheExpansiveSoilFoundationsinHighwayEngineering
交通编号
项目来源
西部交通建设科技项目
单位编号
土0720
合同号
200231874616
分类号
项目起止年限
2002年8至2006年12月
第一完成单位
南京水利科学研究院
项目负责人
章为民教授级高工
报告撰写人
章为民教授级高工
王年香教授级高工
李国英教授级高工
王年香教授级高工
戴济群高级工程师
项目主要参加人
南京水利科学研究院
章为民、王年香、沈珠江、杨守华、徐光明、李国英、戴济群
陈生水、汪兆京、赵维炳、袁文明、关秉洪、王芳、苏东林
顾行文、陈铁林、邹广电、王国利、韩华强、张凌、朱群峰
曾友金、高长胜、黄康理、严丽雪、顾春媛、米占宽、沈婷
广西交通勘察设计院
梁毅、朱坚和、林文岩、罗吉智、蓝日彦、刘建阳、李迎春
阮志新、蔡宁生、黄德耕、易廷友、叶琼瑶、杨雁
四川交通勘察设计院
杨雪莲、周永江、朱学雷、谭昌明、余进元、程强
余建华、胡德贵
第一公路勘察设计院
张留俊、王晓谋、尹利华、秦志坚、李刚、张梅玲
潘军利、张发如、王攀、马生顺
广西基建局
杨绍静、吴绪浩、李凯、廉向东、梁军林
河海大学
王保田、张福海、张海霞
主题词
西部交通项目、膨胀土、构造物、膨胀土地基
关键词
膨胀变形、膨胀力、胀缩机理、胀缩模式、折减吸力、非饱和土、干湿循环、膨胀土地基承载力、膨胀土土压力、膨胀土挡墙、膨胀土改良、膨胀土加筋、膨胀土浅基础、膨胀土桩基础、设计方法、施工工艺、质量控制、技术指南
膨胀土地区公路构造物地基与基础设计和施工技术研究
报告摘要
项目重点研究了膨胀土地基的四个关键性问题：
膨胀土地基的强度和变形特性、构造物与膨胀土地基基础相互作用、膨胀土地基的设计理论、膨胀土地基的处理方法。
研究采用工程实地调研、室内试验、离心模型试验、大型膨胀土模型试验（10m×4m×2.5m）、膨胀土变形理论、非饱和土理论研究以及南宁至友谊关公路、宁淮高速公路、呼集高速公路等实体工程的现场试验与验证的技术路线和技术方法。
通过数百组次的试验研究，提出了膨胀土地基的膨胀模型，模型揭示了膨胀土地基在不同初始含水量、不同初始干密度、不同上覆荷载等条件下膨胀土地基吸水膨胀、失水收缩的力学行为特征和变化规律。
研究提出了膨胀土在干、湿循环过程中的强度变化规律。
完成了国内外最大规模的大型膨胀土地基室内物理模型试验（10m×4m×2.5m），进行了包括膨胀土地基承载力、膨胀土挡墙、膨胀土桩基础等构造物的大型模型长期浸水试验。
通过试验提出了在不同荷载条件下膨胀土地基表面和不同深度膨胀土膨胀变形的变化规律，揭示了膨胀土地基的胀缩变形机理。
研究提出了膨胀土中桩基础的变形与受力变化规律，揭示了膨胀土中桩基础的工作机理。
通过离心模型和大型物理模型试验提出了挡墙膨胀土压力的变化规律。
通过试验证明了膨胀力与变形的相关关系，从工程的角度提出了膨胀土的膨胀能量概念。
首次采用非饱和土简化固结理论与有效应力折减吸力理论，研究了构造物与膨胀土地基的相互作用特性，分析了构造物地基与基础的变形、应力状态以及构造物地基基础的稳定特性，提出了非饱和土压力的变化规律。
项目结合广西、江苏、内蒙等省区的公路工程，进行了桥台、灌注桩、涵洞、挡土结构等多种构造物地基基础的不同处治方法现场试验，进行了应力、变形、含水量、吸力、温度等多项内容的较为全面的现场测试与研究，取得了大量的宝贵数据和工程经验。
项目结合工程进行了大量的设计优化工作，确保了工程的安全，提高了经济效益。
多项研究成果在依托工程中得到应用推广，解决大量西部区公路建设中的膨胀土关键性技术问题，提高了西部地区公路建设技术水平，节省工程投资数千万元，社会、环境和经济效益显著。
提出了我国《膨胀土地区公路构造物地基与基础设计和施工技术指南》，为今后膨胀土地区的工程的建设提供了重要的宝贵经验，也为编制我国膨胀土地基的设计规范，打下了重要的基础。
TheResearchoftheExpansiveSoilFoundationsinHighwayEngineering
ABSTRACT
Fourkeyproblemshavebeenstudiedintheproject,theyareexpansiveproperties,interactionsbetweenthefoundationandtheexpansivesoils,expansivesoiltheoryandfoundationdesignmethod,treatmentmethodsoftheexpansivesoilfoundations.Theresearchmethodsusedintheprojectarephysicaltestandthemechanicaltestofthesoils,thecentrifugalmodeltest,thelarge-scalemodeltest,unsaturatedsoiltheory.Thein-situtestsandfieldtestsinNanningtoYouyiguanroad,NanjingtoHuaianhighwayarecarriedout.
Throughseveralhundredgroupsofteststudies,thenewswellmodelisproposedandthemodelwelldescribedtheswellbehaviorsoftheexpansivesoilunderthedifferentinitialwatercontent,differentinitialdensityandthedifferentloadconditions.Bythelarge-scaleexpansivesoilfoundationmodeltests（10m×4m×2.5m）,theexpansivedeformationatdifferentdepthunderthedifferentloadcondition,foundationbearingcapacity,expansiveforceontheretainingwall,thepileforceswereobtained.Therelationaldependencebetweentheexpansiveforceandtheswellhasbeenprovenandtheexpansiveenergyconceptfromtheengineeringanglearegivenout.Theunsaturatedsoilsimplificationtheoryandtheactualsuctiontheoryareusedinthestudy.Thestructureandtheexpansivesoilcharacteristichasanalyzedandtheunsaturatedsoilpressuresdistributionsaregivenout.
ThefieldtestsarecarriedoutbasedontheengineeringinGuangxi,Jiangsu,Hunan,includingthedifferentfoundationtypeandthedifferenttreatmentdesignhavecarried,thestress,thedeformation,thewatercontent,thesuction,thetemperatureandsoonhasbeenmeasured.Basedontheengineeringtheprojecthascarriedonthemassivedesignsoptimizationwork,whichguaranteedtheprojectsecurity,enhancedtheeconomicefficiency.Manyresearchresultsoftheprojectareappliedintheengineering.Theproposed"DesignAndConstructionGuideontheHighwayExpansivesoilFoundation"providedaveryusefulandimportantreferencefortheengineeringprojectsinthefutureandprovidedaimportantfoundationfortheestablishmentofthe“ExpansivesoilFoundationDesignCode”.
1.前言
1.1项目概况
加快西部交通发展是实施国家西部大开发重大战略的重要内容之一，也是“十五”乃至更长时期内交通发展的重点。
西部交通建设是交通部科技工作的重点——加强西部交通科技工作，促进西部交通建设发展。
在西部地区开展大规模的交通建设，膨胀土地区公路路基与构造物地基设计和施工技术是亟待研究解决的重大技术问题之一。
膨胀土具有渗透性差、吸水膨胀、失水收缩、多裂隙、湿化等特性，这对膨胀土路堤、路堑的稳定有重大影响，同时对膨胀土公路构造物地基和基础的稳定也是十分不利的。
目前，我国在膨胀土地区公路路基与构造物地基设计和施工技术方面的研究工作还不够深入和系统，缺乏系统和完善的设计、施工规范与标准，严重影响西部地区公路建设事业的发展。
本项目主要针对西部地区公路建设中遇到的膨胀土路基与构造物地基设计和施工技术问题进行深入系统的研究，通过现场调查，了解西部膨胀土地区公路路基与构造物的工作性状，总结路基与构造物地基设计、施工中成功的经验和失败的教训，为提高膨胀土路基与构造物地基的设计、施工技术提供资料，通过室内试验、理论研究、现场研究和工程验证等手段，提出膨胀土路基与构造物地基的设计计算理论，完善膨胀土路基与构造物地基的设计方法，研究开发膨胀土路基与构造物地基经济合理的处治方法，以及施工工艺和质量检测标准，提出膨胀土路基与构造物地基设计和施工技术指南，为相关技术规范的修订提供科学依据的目的。
1.2主要研究内容和技术手段
开展了4个方面的课题研究：
（1）膨胀土地基的强度和变形特性研究
（2）膨胀土地区公路构造物与地基基础相互作用的研究
（3）膨胀土地区公路构造物地基与基础设计方法
（4）膨胀土地基处理方法与施工技术研究
采用了下列技术手段：
（1）室内试验
（2）离心模型试验和大型膨胀土模型试验
（3）膨胀土变形特性与非饱和土理论研究。
（4）现场试验与工程示范。
1.4项目的主要技术成果
完成的主要技术成果如下：
1.膨胀土地区公路构造物膨胀土地基与基础设计和施工技术研究总报告
2.膨胀土地区公路构造物膨胀土地基与基础设计和施工技术指南
3.膨胀土地区公路构造物膨胀土地基与基础设计和施工技术研究工作报告
4.膨胀土地区公路构造物膨胀土地基与基础设计和施工技术调研报告
5.膨胀土公路构造物地基与基础相互作用大型物理模型试验研究
6.膨胀土强度和变形工程性质研究
7.膨胀土构造物地基与基础相互作用离心模型试验研究
8.膨胀土构造物地基与基础计算理论与分析方法研究
9.膨胀土构造物地基基础设计计算方法研究
10.膨胀土构造物地基与基础施工技术研究—广西南友路宁明段现场试验研究
11.呼集高速（呼和浩特-集宁）膨胀土边坡治理方法及效果研究
12.膨胀土与挡土墙相互作用离心模型试验研究
13.干湿循环条件下膨胀土边坡变形和稳定性状研究
14.滤纸法测量吸力试验研究报告
15.非饱和膨胀土的强度及其干湿循环特性研究
16.宁淮高速（南京-淮安）膨胀土地基桥台桩结构内力现场试验研究
17.四川膨胀土地区公路构造物地基与基础设计与施工技术报告
18.四川地区公路构造物地基与基础设计与施工技术调研报告
19.陕西膨胀土调研报告
20.陕西膨胀土强度与含水量关系研究
21.广西膨胀土地区公路路基与构造物地基基础设计施工技术研究
2.膨胀土胀缩变形机理与膨胀模型
2.1膨胀土的胀缩变形机理
从试验结果中发现：
（1）膨胀土的膨胀变形受土样密度的影响比较大，呈正相关关系，即膨胀变形随初始干密度的增加而增大，多数情况接近线形；
（2）膨胀变形受初始含水量的影响亦较大，呈负相关关系，即膨胀变形随初始含水量的增加而减小;（3）试验中还发现，初始含水量小于缩限时,膨胀变形受土样初始密度的影响,在不同密度条件下，呈不同的相关关系。
膨胀土的膨胀变形与上覆荷载的关系基本呈现出一种对数的关系，在荷载从0增加到一个较小的数值时，膨胀变形的减小非常的迅速，这一特性提示我们，增加比较小的上部荷载，就可以有效的抑制很大部分的膨胀变形。
另外，试验结果表明，膨胀土的膨胀变形与上覆荷载的关系用半对数的关系来描述，具有足够的精确性，符合工程设计计算的需要，半对数的关系也恰好与土的压缩变形关系一致，在理论上也有一定的经验合理性，建议采用。
从膨胀土的收缩试验结果，可以得到以下的结果：
（1）膨胀土的收缩与土的初始含水量相关，初始含水量越大收缩越大；
（2）膨胀土的收缩与土的初始密度相关，初始密度越大，收缩越小；（3）初始含水量的影响远比初始密度的影响大；（4）膨胀土的收缩主要是由于土的吸力造成的，膨胀土的收缩与土的吸力有很好相关性。
2.2膨胀土的膨胀力
膨胀力的试验结果也可以看出，
（1）膨胀土的膨胀力与土的膨胀变形规律基本相同，与膨胀土土样初始密度呈正相关关系，即膨胀力随初始干密度的增加而增大，多数情况接近线形；
（2）膨胀力受初始含水量的影响较大，主要呈副相关关系，即膨胀力随初始含水量的增加而减小;（3）试验中也同样发现，初始含水量小于缩限时,膨胀力形受土样初始密度的影响较大,在不同密度条件下，呈不同的相关关系。
2.3膨胀土的膨胀能量
定义膨胀土的膨胀能量等于相同密度条件下从饱和含水量到缩限含水量变化范围内膨胀力与膨胀变形乘积的总和，即：
其中，Fexp为膨胀力，δexp为膨胀变形，δa、δb分别为饱和含水量与缩限含水量所对应膨胀变形，P为压力。
那么图中各条曲线所包围的面积就代表了膨胀土的膨胀能量。
这一结果有两个重要的意义，一是证明了膨胀土膨胀能量存在，二是膨胀能量应当是膨胀土的内在特征。
图2-1广西膨胀土的膨胀力与膨胀变形关系
图2-2河南膨胀土的膨胀力与膨胀变形关系
2.4膨胀土的膨胀模型
大量的试验研究表明，膨胀土膨胀变形与初始干密度、初始含水量、上覆荷载等条件的关系，可以用以下的表达式来描述。
膨胀变形与初始干密度的关系：
（2-1）
膨胀变形与初始含水量的关系：
（2-2）
膨胀变形与上覆荷载的关系：
（2-3）
建议用下面的空间曲面集合来表述膨胀土的膨胀变形，即：
（2-4）
其中，A、
、
、
为模型的参数。
很显然，从理论上分析模型参数，应当有
，即可以通过二维的回归关系得到模型参数
、
、
。
而
，因为
、
、
是在特定条件下得到的，
、
、
是随有关参数变化的，与（2-4）的定义不同。
图2-3是采用膨胀模型计算得到的理论值与试验值的对比。
可以看出，理论值与试验值符合良好，膨胀模型比较好地反映了膨胀土的膨胀变形特性。
根据膨胀力的定义，可以通过膨胀模型来得到膨胀力，即当
，上覆压力等于膨胀力，F=P。
（2-5）
（2-6）
根据上式得到的膨胀力和试验膨胀力的比较可以看到，从两种不同的应力路径得到的膨胀力变化规律是一致的。
这一结果证明，本文建议的膨胀模型不仅比较好地表现了膨胀土膨胀变形以及膨胀力的变化规律，也客观地反映了膨胀变形与膨胀力之间的内在关系，同时也证明了用膨胀变形试验方法得到膨胀力的合理性。
图2-3膨胀模型理论值与试验值的对比
图2-4膨胀力理论值与试验值的对比
3.膨胀土的强度特性
3.1非饱和膨胀土抗剪强度与饱和度的关系
由试验结果的分析可知当摩擦角随饱和度的提高而缓慢降低，当饱和度超过90%时，摩擦角有大幅下降；凝聚力和饱和度不呈线性关系，当饱和度较小时（含水量小于缩限）凝聚力随饱和度的增加而增大，而当凝聚力增大到某一值后，饱和度的继续增加反导致凝聚力的减小。
同时，不同的制样干密度对膨胀土的强度也有着一定的影响。
相同饱和度时，凝聚力随干密度的增大而增大，摩擦角也随着干密度的增大而增大。
图3-1不同饱和度抗剪强度曲线
图3-2浙江青山
关系曲线
图3-3浙江青山
关系曲线
从以上强度曲线可以看出几点：
①饱和度越大，抗剪强度越小，这与基质吸力与含水量成反比的规律是一致的。
②非饱和膨胀土的抗剪强度与起始饱和度相关。
③饱和度的增加对凝聚力的影响比对摩擦角的影响要大。
3.2干湿循环对非饱和膨胀土抗剪强度的影响
图3-4一次干湿循环后不同饱和度抗剪强度曲线
图3-5二次干湿循环后不同饱和度抗剪强度曲线
为便于比较，我们把不同干湿循环后C、
与饱和度的关系曲线综合绘于图3-6、图3-7：
图3-6干湿循环后C与饱和度关系曲线
图3-7干湿循环后
与饱和度关系曲线
通过上述试验研究，我们可以得出：
1．外力作用将导致非饱和膨胀土结构的变化，引起土体抗剪强度指标的变化，试验表明外力作用与非饱和膨胀土抗剪强度间具有非线性的关系。
2．常规试验在非饱和膨胀土的研究中具有比较现实的工程意义，我们采用常规直剪试验研究了不同饱和度膨胀土的抗剪强度特性，并采用双曲线拟合不同饱和度不同干湿循环后非饱和膨胀土的抗剪强度指标间的关系，得出了比较有意义的试验规律。
3．干湿循环对膨胀土抗剪强度指标具有很大的影响，饱和度较高的非饱和膨胀土干湿循环后指标
、
均发生衰减，其中
值的衰减较之于
更为明显。
多次干湿循环后，膨胀土抗剪强度指标接近残余强度。
3.3非饱和土的强度理论
非饱和土的强度理论研究已有40多年的历史，许多学者也都在各自的试验与理论基础上建立了相应的非饱和土抗剪强度公式。
但由于非饱和土干湿循环研究的复杂性，许多非饱和土的强度理论研究并未能很好的反映干湿循环对非饱和膨胀土强度的影响。
直剪试验的结果表明，在饱和度较大时，干湿循环后膨胀土的直剪试验指标C发生显著的衰减。
三轴试验的结果也表明，对饱和膨胀土，干湿循环后有效应力指标
发生了显著的减小，两次干湿循环后
下降62%。
因此我们认为在非饱和膨胀土的有效应力原理中应计入干湿循环的影响。
4.膨胀土地基与构造物相互作用大型物理模型试验研究
4.1大型模型试验概况
试验在南京水利科学研究院大型模型槽里进行。
该模型槽的内部尺寸为10m2.5m4.1m（长宽高）。
试验土料为南京汤山膨胀土，研究了深层浸水条件下膨胀土变形规律及其对构造物的影响。
主要工作内容如下：
（1）膨胀土含水量的变化；
（2）膨胀土表面和深层隆起规律；（3）膨胀土地基承载力；（4）膨胀土挡墙土压力；（5）膨胀土中桩基础。
图4-1膨胀土地基物理模型试验布置图1
图4-2膨胀土地基物理模型试验布置图2
图4-3膨胀土地基物理模型试验布置图3
4.2膨胀土地基浸水膨胀变形规律
4.2.1浸水引起土体表面隆起
图4-4为不同上覆荷载时土体表面隆起量过程线，模型试验的结果与室内试验的结果完全一致,结果表明，施加一定的荷载可以有效地减小地基的膨胀变形。
图4-4不同荷载条件下的膨胀土地基变形过程线
图4-5是d=1.6g/cm3和d=1.45g/cm3时土体表面隆起量过程线，从此可以看出，随着浸水时间的增加，土体表面隆起也不增大，但增长幅度越来越小；土体密度不同，隆起量也不同。
但很明显d=1.6g/cm3时土体表面隆起量小于d=1.45g/cm3时土体表面隆起量，这与室内膨胀土膨胀规律结果不一致，主要原因是由于d=1.6g/cm3时土体渗透性小，土体的浸水膨胀过程很慢，该土的深层土体浸水过程不充分而造成的。
见图4-6，由于土体渗透性小，直到试验结束，d=1.6g/cm3.区域中心的含水量仍然在试验开始的水平上。
图4-5土体表面隆起量过程线
图4-6土体含水量变化过程线
4.2.2浸水引起土体深层膨胀隆起
图4-7至图4-8分别为不同干密度和上覆压力条件下深层土体隆起量过程线，和深层土体隆起量沿深度的分布图。
从此可以看出，随着浸水时间的增加，深层土体隆起也不增大；土体越深，隆起量越小；上覆压力越大，深层土体隆起量越小；
图4-9至图4-13是d=1.45g/cm3土体在上覆压力条件下膨胀稳定后深层土体隆起量沿深度的分布，比较小基底压力就可以明显减小基础膨胀上升量，影响深度约为1m，基底的尺寸为1m,影响的范围与基底压力的影响深度基本一致。
虽然基底压力远小于膨胀压力，但在一定深度范围内土体发生压缩变形，与室内试验的结果基本是相同的。
图4-7d=1.45p=0深层土体隆起量过程线
图4-8d=1.45p=12深层土体隆起量过程线
图4-9d=1.45p=24深层土体隆起量过程线
图4-10d=1.45p=0深层土体隆起量沿深度的分布
图4-11d=1.6p=0深层土体隆起量沿深度的分布
图4-12d=1.45p=12深层土体隆起量沿深度的分布
图4-13d=1.45p=24深层土体隆起量沿深度的分布
4.2.3膨胀土地基的膨胀变形特征与膨胀变形模式
从以上试验的结果证明，膨胀土地基的膨胀变形特征可以表明，当浸水相当深时土题可划分为下列几个变形特征区（图4-14）：
I压密区；II中性区（不变形区）；III膨胀区。
地基可能是三个区的组合。
4.3支挡结构物上的膨胀压力和水平变形
图4-15和图4-16分别为d=1.45g/cm3土体由于浸水引起的作用于静止与可动挡墙上的膨胀压力增量沿深度的分布。
可以看出，在1.5m内，膨胀压力随深
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