膨胀土路基含水量在不同气候条件下的变化规律模型试验研究百度精.docx

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膨胀土路基含水量在不同气候条件下的变化规律模型试验研究XX精

第24卷第24期

岩石力学与工程学报Vol.24No.24

2005年12月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringDec.,2005

收稿日期:

2004–07–26;修回日期:

2004–10–30

基金项目:

西部交通建设科技项目（200231800015;湖南省自然科学基金资助项目（04JJ3085

作者简介:

杨果林（1963–,男,博士,2001年于中南大学道路与铁道工程专业获博士学位,现任教授、博士生导师,主要从事岩土工程、道路与铁道工程和结构工程等方面的教学与研究工作。

E-mail:

guoling@。

膨胀土路基含水量在不同气候条件下

的变化规律模型试验研究

杨果林1,刘义虎2

（1.中南大学土木建筑学院,湖南长沙410075;2.湖南省交通规划勘察设计院,湖南长沙410011

摘要:

针对广西南友公路宁明地段中等膨胀土和湖南常张公路慈利地段弱膨胀土,通过六组膨胀土路基室内模型试验,在不同排水边界和不同压实条件下,分别模拟路基在积水、阴天、日照、降雨时,膨胀土路基中含水量的变化规律、水的入渗和蒸发速度等,这对膨胀土路基的设计和施工具有重要的理论和工程实际意义。

关键词:

土力学;膨胀土路基;含水量;气候条件影响;模型试验

中图分类号:

TU443文献标识码:

A文章编号:

1000–6915（200524–4524–10

EXPERIMENTALSTUDYONMOISTURECONTENTINEXPANSIVESOIL

ROADBEDUNDERDIFFERENTWEATHERCONDITIONS

YANGGuo-lin1,LIUYi-hu2

（1.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,CentralSouthUniversity,Changsha410075,China;2.HunanProvincialCommunicationsPlanning,SurveyingandDesignInstitute,Changsha410011,China

Abstruct:

Withsixtestsofexpansivesoilsfortheroadbeds,whichcomefromNingmingsectionofNanning—YouyiguanHighwayinGuangxiAutonomousRegion,andCilisectionofChangde—ZhangjiajieHighwayinHunanProvince,respectively,areanalyzedunderdifferentweatherconditionssuchasdewatering,overcast,sunshineandprecipitation.Thedifferentdewateringboundaries,thedensitiesofroadbed,theaccumulatedwatercontentsareconsideredfortheroadbed.Themoisturecontentsvariation,waterpermeationandevaporationintheexpansivesoilsroadbedarealsoresearched.Theachievedresultscanprovidesomeusefulreferencesforthedesignandconstructionofexpansivesoilsroadbed.

Keywords:

soilmechancis;expansivesoilroadbed;moisturecontent;weatherinfluence;modelingtest

1引言

膨胀土是在自然地质过程中形成的一种多裂隙并具有显著胀缩性的地质体,粘粒成分主要由亲水性矿物蒙脱石与伊利石组成。

膨胀土吸水膨胀、失水收缩并反复变形的性质,以及土体中随机分布的裂隙,对公路路基、路堑边坡等都有潜在破坏作用。

为此,国内外许多学者提出很多处治方法,但同时

也耗费了巨大的工程费用。

膨胀土问题是全球性的技术难题,虽然经过半个多世纪的研究,但至今在各国的工程建设中膨胀土引起的工程问题仍频繁发生并造成巨大的经济损失。

膨胀土路基受水的影响显著,研究结果[1~

3]表明,

只要膨胀土土体内部含水量发生1%的变化,将会引起膨胀土工程性质的显著变化,进而发生路基失稳等工程事故。

为此,研究不同气候条件下膨胀土路基中含水量的变化,进而研究膨胀土路基受气候

第24卷第24期杨果林等.膨胀土路基含水量在不同气候条件下的变化规律模型试验研究•4525•

影响的深度、含水量随深度变化规律、膨胀土路基表层土体水分蒸发与入渗基本规律,并提出避免水损害路基的有效防治措施等[4~6],这将对公路、铁道、房建等具有重要的意义。

2膨胀土路基模型试验简介

模型箱尺寸为3m×3m×1m（长×高×宽。

如图1所示,模型箱有两个侧面和一个底面为混凝土墙面组成,并含有一个3m×3m（长×高的有机玻璃观测面;同时还有两个临空面,即一个顶面和一个3m×1m（高×宽为路堤边坡面。

有机玻璃观测面下部为0.6m×3.0m×1.0cm（高×宽×厚的竹胶板,上部为2.4m×3.0m×1.0cm（高×宽×厚有机玻璃。

竖向每隔30cm,横向每隔50cm,用钢管作支挡,以防止有机玻璃面发生侧向变形。

分别用广西南友公路宁明地段中等膨胀土、湖南常张公路慈利地段弱膨胀土作为模拟试验的路基填料。

膨胀土路堤在不同压实度和不同排水（路基底用10cm的砂垫层,再铺一层土工布,模拟排水边界条件;路基底用10cm的砂垫层,再铺一层两布一膜土工膜,模拟不排水边界条件边界条件下,路堤边坡坡度分别为1∶0.75,1∶1.00,1∶1.50情形时,模拟路基分别在堤顶积水（保持堤顶时刻有水、阴天（即不降雨、也无日照、日照（用强光照射模拟,保持堤顶、坡面温度为40℃左右、降雨（用淋喷头洒水,每天约0.5h,降雨量为0.5m3/（0.5h4种不同气候条件下,每种（气候条件历时7d左右,研究路基中水的入渗、蒸发及土中含水量的变化规律等。

试验用仪器设备为江苏南通中天精密仪器有限公司的MG–2型高精度测墒仪一套和MS–2型FDR土壤水分探测器,测量精度为0.1%。

试验参照相关规范、规程进行[7~10]。

各组试验简况如表1所示,各组元器件布置如图2~4所示。

3膨胀土路基模型试验

3.1第一组模型试验

3.1.1第一组模型试验结果与分析

试验结果整理如图5,表2所示。

由表2可知,最底层的25#探头,距路堤顶面的距离为2m,从2003年10月6日开始的含水量6.3%到积水后6d,即历时144h后,含水量增大到43.7%,入渗速度为13.9mm/h。

随后,含水量略有上升,到10月18日开始日照前的含水量为45.5%,增大了1.8%;日照后含水量缓慢降低,到10月25日开始降雨前,即日照6d后含水量降低到43.3%,含水量降低总量为2.2%。

距路堤顶面1.5m的中间层40#探头,从10月6日开始积水前的含水量6.7%到积水4.5d,即历时120h后,含水量增大到42.9%,水的入渗速度为13.9mm/h。

此后的积水阶段,此探头处含水量略有上升,到10月18日开始日照前的含水量43.3%,上升了0.4%,即基本保持稳定。

日照后,含水量缓慢降低,到10月25日开始降雨前含水量降低到42.2%,即日照6d后。

日照阶段,含水量降低总量为1.1%。

此后为模拟降雨阶段,模拟降雨时间为6d,含水量由降水前的42.2%增大到42.9%,增大了0.7%。

最顶层的30#探头,距路堤顶面1.0m,从10月6日开始的含水量8.4%到积水3d后,即历时72h后的含水量为45.5%,入渗速度为13.9mm/h,此后的积水阶段,含水量基本保持稳定,到10月18日开始日照前的含水量为45.9%,仅增加了0.4%;日照后含水量缓慢降低,到10月25日开始降雨前,含水量降低到44.8%,即日照6d后,含水量降低总

（a（b1–1剖面图1模型箱示意图

Fig.1Schematicdiagramsofmodeltrunk

•4526•岩石力学与工程学报2005年

表1各组模型试验简况

Table1Introductionofeverymodeltest

模型试验组号路堤填料来源膨胀土性质密实度/%路堤坡度排水边界条件模拟试验阶段备注9月13日~9月29日,为模拟路堤修筑期

10月6日~10月17日,坡顶积水12d

10月18日~10月24日,日照6d

第一组南友公路中等膨胀土60~701∶0.75不排水

10月25日~10月31日,降雨6d

2003年

12月8日~12月16日,坡顶积水9d

12月17日~12月23日,阴天7d

12月24日~12月30日,日照7d

第二组常张公路弱膨胀土901∶0.75排水

12月31日~1月6日,降雨期7d

2003年

1月30日~2月5日,坡顶积水7d

2月6日~2月12日,阴天7d

2月13日~2月19日,日照7d

第三组常张公路弱膨胀土901∶1.00排水

2月20日~2月26日,降雨7d

2003年

4月5日~4月22日,坡顶积水18d

第四组南友公路中等膨胀土901∶0.75不排水

4月23日~4月27日,阴天5d

2003年

4月28日~5月26日,坡顶积水29d

第五组南友公路中等膨胀土901∶1.00不排水

5月27日~5月30日,阴天4d

2003年5月31日~6月6日,阴天7d

6月7日~6月16日,日照10d

第六组南友公路中等膨胀土901∶1.50不排水

6月17日~6月23日,降雨7d

2003年

图2第一组试验元器件布置图

Fig.2Devicedistributionofthefirsttest

图3第二和第三组试验元器件的布置图Fig.3Devicedistributionofthesecondandthirdtests

图4第四、五和第六组模型试验元器件的布置图Fig.4Devicedistributionofthefourth,fifthandsixthtests

量为1.1%。

由图5可知,从起始含水量为6%左右,到积水后7d则变为45%~46%,随后含水量基本保持稳定;日照后含水量缓慢降低;降雨后含水量又缓慢上升。

3.1.2第一组模型试验结论

（1水在膨胀土路堤中的入渗、蒸发与路堤密实、排水边界条件关系密切。

（2相比较而言,膨胀土中水分的蒸发速度慢于入渗速度。

（3密实度为60%~70%,模拟排水边界条件

单位:

m

单位:

m

单位:

m

第24卷第24期杨果林等.膨胀土路基含水量在不同气候条件下的变化规律模型试验研究•4527•

时间/d

图5第一组室内模拟试验含水量随时间的变化曲线

Fig.5Relationshipcurvesbetweenmoisturecontentsvariationandtimeinthefirsttest

表2第一组模拟试验结果

Table2Testingresultsofsimulatedtestforthefirsttest

含水量/%

日期/年月日30#

探头40#

探头25#

探头试验条件200310068.46.76.3积水第1d200310078.46.76.3积水第2d200310088.46.56.3积水第3d2003100945.56.56.3积水第4d20031010

45.9

6.5

6.3

积水第5d

2003101145.942.96.3积水第6d2003101245.944.043.7积水第7d2003101345.943.745.2积水第8d2003101445.944.045.5积水第9d2003101545.944.045.5积水第10d2003101645.944.445.5积水第11d2003101745.943.745.5积水第12d2003101845.543.345.5日照第1d2003102044.842.244.0日照第2d2003102144.441.843.7日照第3d2003102244.041.443.3日照第4d2003102344.041.343.3日照第5d2003102443.740.643.7日照第6d2003102544.842.243.3降雨第1d2003102644.842.544.8降雨第2d2003102745.242.944.8降雨第3d2003102845.242.945.2降雨第4d2003102945.242.945.2降雨第5d2003103045.2

42.945.2降雨第6d

注:

表中所测数据为当天开始试验前的测试数据。

下,在以南友公路宁明地段膨胀土为填料的路基中,水的入渗速度为13.9mm/h。

（4起始含水量为6%左右的干膨胀土,积水1周后含水量达45%~46%,随后含水量基本保持稳定;日照后含水量缓慢降低;降雨后含水量又缓慢

上升。

3.2第二组模型试验3.2.1第二组模型试验结果

第二组模型试验含水量观测数据如图6和表3,4所示。

含水量随时间的变化规律如图6,表3所示。

从图6可见:

起始含水量为10%~13%,到积水3~5d后变为30%左右,随后含水量基本保持稳定;日照后含水量缓慢降低;降雨后含水量又缓慢上升。

从表3可见:

最顶层的25#探头,距路堤顶面0.3m,从2003年12月8日开始的含水量10.1%到积水36h的32.6%,入渗速度为8.33mm/h。

此后的积水阶段,含水量基本保持稳定,到12月17日开始模拟阴天气候条件前的含水量31.5%,降低了1.1%。

此后,含水量缓慢降低,阴天气候7d后,即开始日照前的12月24日含水量降到27.9%,此阶段含水量降低了3.6%。

随后,模拟日照7d,含水量由27.9%降到26.7%,含水量降低了1.2%。

第四阶段为模拟降雨阶段,含水量上升,由模拟降雨前的26.7%增加到降雨7d后的31.0%,含水量增加了4.3%。

中间层的40#探头,距路堤顶面0.9m,从12月8日开始的含水量10.5%到积水84h的28.6%,入渗速度为10.71mm/h。

此后的积水阶段,含水量基本保持稳定,到12月17日开始模拟阴天气候条件前的含水量29.8%,含水量增加了1.2%;此后,含水量缓慢降低,阴天气候7d后,即开始日照前的12月24日含水量降到26.2%,此阶段含水量降低了3.6%。

随后,模拟日照7d,含水量由26.2%降到日照的第7d,含水量降25.5%,含水量降低了0.7%。

第四阶段为模拟降雨阶段,含水量上升,由

含水量/%

•4528•岩石力学与工程学报2005年

时间/d

图6第二组室内模拟试验含水量随时间的总的变化曲线

Fig.6Relationshipcurvesbetweenmoisturecontentsvariationandtimeinthesecondtest

表3第二组模拟试验结果

Table3Testingresultsofsimulatedtestforthesecondtest

含水量/%

日期/年月日

25#探头40#探头30#探头

试验条件

2003120810.110.513.1积水第1d200312099.310.513.4积水第2d2003121032.69.613.1积水第3d2003121132.216.714.1积水第4d2003121231.528.632.6积水第5d2003121331.529.334.0积水第6d2003121431.529.534.3积水第7d2003121531.529.834.5积水第8d2003121631.529.834.5积水第9d2003121731.529.834.5阴天第1d2003121831.428.332.6阴天第2d2003121929.827.631.7阴天第3d2003122029.127.231.0阴天第4d2003122128.826.730.5阴天第5d2003122228.326.430.0阴天第6d2003122328.126.229.8阴天第7d2003122427.926.229.5日照第1d2003122527.626.029.3日照第2d2003122627.425.729.3日照第3d2003122727.225.729.1日照第4d2003122826.925.729.1日照第5d2003122926.925.528.8日照第6d2003123026.725.528.8日照第7d2003123126.725.528.8降雨第1d2004010128.625.528.8降雨第2d2004010230.225.528.8降雨第3d2004010331.026.028.8降雨第4d2004010431.227.429.1降雨第5d2004010531.027.930.2降雨第6d2004010631.0

27.931.2降雨第7d

注:

表中所测数据为当天开始试验前的测试数据。

模拟降雨前的25.5%增加到降雨8d后的27.9%,含水量增加了2.4%。

最底层的30#探头,距路堤顶面1.5m,从12月8日开始的含水量13.1%到积水96h的32.6%,入渗速度为15.63mm/h。

此后的积水阶段,含水量基本保持稳定,到12月17日开始模拟阴天气候条件前的含水量34.5%,含水量增加了1.9%。

此后,含水量缓慢降低,阴天气候7d后,即开始日照前的12月24日含水量降到29.5%,此阶段含水量降低了5.0%。

随后,模拟日照7d,含水量由29.5%降到期28.8%,含水量降低了0.7%。

第四阶段为模拟降雨阶段,含水量上升,由模拟降雨前的28.8%增加到降雨7d后的31.2%,含水量增加了2.4%。

各位置的含水量在不同阶段的变化情况如表4所示。

3.2.2第二组模型试验结论

本次试验25#,40#和30#探头的坐标X,Y值分别为（0.0,2.1,（0.0,1.5,（0.0,0.9,单位均为m。

（1不同的阶段,本文分为四个阶段,分别是第一阶段（模拟积水阶段9d的前后含水量差,第二阶段（模拟阴天阶段7d的前后含水量差,第三阶段（模拟日照阶段7d的前后含水量差,第四阶段（模拟降雨阶段7d的前后含水量差。

其中第一阶段有5个物理量,分别是模拟积水开始时（wd0,水入渗到探头位置（wd1,前后含水量差（∆wd,历时（t,入渗速度（v;第二阶段有3个物理量,分别是模拟阴天开始时（wc0,模拟阴天结束时（wc1,前后含水量差（∆wc;第三阶段有3个物理量,分别是模拟日照开始时（ws0,模拟日照结束时（ws1,前后含水量差（∆ws;第四阶段有3个物理量,分别是模拟降雨开始时（wr0,模拟降雨结束时（wr1,前后含水量差（∆wr。

含水量变化明显,历时36~96h后,含水量从10.1%~13.1%,增大到29.8%~34.5%,增大20%左右。

含水量/%

第24卷第24期杨果林等.膨胀土路基含水量在不同气候条件下的变化规律模型试验研究•4529•

表4第二组试验含水量测试结果对比分析

Table4Testingresultscomparativeanalysisofsimulatedtestofthesecondset

第一阶段第二阶段

第三阶段第四阶段探头编号wd0/%

wd1/%

∆wd/%

t/h

v/（mm・h-

1

wc0/%

wc1/%

∆wc/%

ws0/%

ws1/%

∆ws/%

wr0/%

wr1/%

∆wr/%

25#10.131.5+21.4368.3331.527.9-3.627.926.7-1.226.731.0+4.340#10.529.8+19.38410.7129.826.2-3.626.225.5-0.725.527.9+2.430#

13.134.5+21.49615.6334.529.5-5.029.528.8-0.728.831.2+2.4

（2第一阶段后,即积水期后,膨胀土中的含水量较高,尽管在第二阶段为阴天的气候条件,但含水量降低较快,降幅为3.6%~5.0%。

（3在第三阶段,起始含水量接近最佳含水量,尽管有