长沙理工大学2007年9月膨胀土路基设计、加固与 施工技术研究 杨和平 教授、 博导1长沙理工大学膨胀土课题组膨胀土路基设计、加 固与施工技术研究主要介绍内容n项目概况n研究目标n研究的主要内容和成果n结论和建议2长沙理工大学膨胀土课题组膨胀土路基设计、加 固与施工技术研究膨胀土工程中的“癌症”蒙脱石 伊利石 混层粘土矿物矿物成分超固结性 裂隙性 吸水膨胀软化 失水收缩开裂 反复变形基本特性分布广 类型多 性质复杂中国膨胀土特点中国的膨胀土及其公路工程中的问题n 项目概况3长沙理工大学膨胀土课题组膨胀土路基设计、加 固与施工技术研究广西南友路膨胀土滑坡项目概况公路工程中的膨胀土问题通往南宁市畜牧研究所某路段矮墙破坏 广西322国道南宁出口段路堑边坡坍塌 广西南百路膨胀土滑坡4长沙理工大学膨胀土课题组膨胀土路基设计、加 固与施工技术研究项目概况公路工程中的膨胀土问题湖北襄荆路堑边坡挡墙被推移剪切破坏湖北襄荆路堑边坡骨架破坏 膨胀土引起的路面破坏5长沙理工大学膨胀土课题组膨胀土路基设计、加 固与施工技术研究项目概况公路工程中的膨胀土问题广西百色市水泥路面严重的龟纹网裂 南宁市圆湖路沥青路面隆起产生波浪变形 云南新哨路因膨胀变相引起的沥青路面变形 6长沙理工大学膨胀土课题组膨胀土路基设计、加 固与施工技术研究桥台开裂桥梁锥坡开裂外移截水沟被剪断项目概况公路工程中的膨胀土问题7长沙理工大学膨胀土课题组膨胀土路基设计、加 固与施工技术研究广西南友路膨胀 土废弃造成的水 土流失项目概况公路工程中的膨胀土问题弃方被雨水冲刷后情形 弃土堆塌陷景象 膨胀泥岩弃方风化剥蚀后景象 8长沙理工大学膨胀土课题组膨胀土路基设计、加 固与施工技术研究西部规划建设中拟建的2.1万公里里程中有近3300公里路段穿越膨胀土分布区。膨胀土工程地质问题已成为西部公路建设中最突出的工 程问题之一。国家高速公路网布局中国膨胀土分布我国西部公路建设面临的膨胀土问题9长沙理工大学膨胀土课题组膨胀土路基设计、加 固与施工技术研究膨胀土地区公路修筑成套技术研究2002年交通部西部交通建设科技项目分题一：膨胀土地区公路勘察设计技术研究承担单位：中交第二公路勘察设计研究院分题二：膨胀土路基设计、加固与施工技术研究牵头单位：长沙理工大学分题三：膨胀土地区公路构造物地基与基础设计和施工技术研究分题四：膨胀土地区公路环境保护技术研究承担单位：南京水利科学研究院承担单位：云南公路科学技术研究所交通部膨胀土研究项目组成10长沙理工大学膨胀土课题组膨胀土路基设计、加 固与施工技术研究研 究 目 标解决膨胀土地区公路路基建设中普遍存在的关键技术问题：1. 膨胀土用作路堤填料的技术问题环保与水土保持2. 路堑边坡稳定与加固及防排水问题3. 路基变形对路面的影响及防治问题派生两类问题：1. 膨胀土土性及路用性能研究2. 干湿循环显著影响区的问题n 研究目标为路基处治提供可 靠依据研究过程中始终把握一个原则：以获得膨胀土路基设计、加固 与施工实用技术为最终目标，并将这一思想贯穿于研究的全过程。11长沙理工大学膨胀土课题组膨胀土路基设计、加 固与施工技术研究一、膨胀土土性及物理力学特性试验研究 二、膨胀土干湿循环显著影响区及其勘察方法研究三、膨胀土路堤设计与施工技术研究 四、膨胀土路堑设计与施工技术研究五、膨胀土路基路面变形协调设计研究 n 主要研究内容和成果主 要 研 究 内 容 和 成 果12长沙理工大学膨胀土课题组膨胀土路基设计、加 固与施工技术研究一膨 胀 土 土 性 及 物 理 力 学 特 性3.渗透特性4.变形特性5.强度特性7.本构模型及参数9.膨胀土与筋材 相互作用特性8.承载力及水稳性1.物质成分、结构特征和基本物理性质2.判别与分类土性特征力学特性工程特性6.干湿循环特性一、膨胀土土性及物理力学特性试验研究 13长沙理工大学膨胀土课题组膨胀土路基设计、加 固与施工技术研究试验规模、试验目标 现场测试实际现场测试实际 完成工程量 地点钻探标贯 （次）原位剪切试验 （组）钻孔 （个）进尺 （m）AK0446.823AK2769.314K133892.6559K135553.429K1382012126K139327.514K142430.78合 计51441.31699现场原位勘探 试验 现场原位测试 试验 确定大气干湿循 环层环层深度 确定含结构面膨 胀土抗剪强度 内 容目 的现场原位测试 与勘探试验一膨 胀 土 土 性 及 物 理 力 学 特 性14长沙理工大学膨胀土课题组膨胀土路基设计、加 固与施工技术研究试验规模、试验目标 室内试验试验 内容试验项 目采用规程试验仪 器 物理化 学试验阳离子交换量JTJ51-93NH4CL测定比表面积自编规 程1乙二醇吸附有机质JTJ51-93酸碱度JTJ51-93粘土矿物成分自编规 程1XRD测试微观结 构自编规 程1扫描电镜 物理指 标试验比重JTJ51-93比重瓶测定颗粒分析JTJ51-93比重计法自由膨胀率JTJ51-935ml量筒液塑限JTJ51-93联合测定仪压缩试验JTJ51-93三联固结仪含水率JTJ51-93烘干法密度JTJ51-93环刀法 标准吸湿含水率JTGD30-2004溴化钠,保湿缸 渗透特性土水特征曲线自编规 程2压力板仪渗透试验JTJ51-93渗透仪室内试验内容及规模（1） 一膨 胀 土 土 性 及 物 理 力 学 特 性15长沙理工大学膨胀土课题组膨胀土路基设计、加 固与施工技术研究试验 内容试验项 目采用规程试验仪 器 胀缩试验无荷膨胀率JTJ51-93三联固结仪 有荷膨胀率JTJ51-93三联固结仪 膨胀力JTJ51-93三联固结仪 收缩JTJ51-93收缩仪三轴K0固结SL237-029-99GDS三轴仪弹性模量SL237-029-99GDS三轴仪强度试验固结不排水直剪JTJ51-93四联直剪仪 固结排水直剪JTJ51-93四联直剪仪 排水反复直剪JTJ51-93四联直剪仪 固结不排水剪JTJ51-93GDS三轴仪 非饱和三轴试验自编规 程2GDS三轴仪 模拟干湿 循环试验无荷条件自编规 程2GDS三轴仪有荷条件自编规 程2钨灯、直剪仪承载力及 水稳性 试验击实JTJ51-93电动击实仪 浸水,非浸水CBR,改进CBR 及CBR膨胀量JTJ51-93，自编规 程2路强仪浸水、非浸水 回弹模量JTJ51-93杠杆压力仪拉拔试验膨胀土与土工格 栅间 相互作用自编规 程2大型数控拉拔 试验 系统室内试验内容及规模（2） 一膨 胀 土 土 性 及 物 理 力 学 特 性试验规模、试验目标 16长沙理工大学膨胀土课题组膨胀土路基设计、加 固与施工技术研究进口的主要大型试验设备GDS非饱和三轴试验系统压力板仪试验系统WFI动静大三轴试验系统价值78万 英国GDS公司生产价值17万 美国soil moisture公司生产价值近100万元 英国FRI公司生产一膨 胀 土 土 性 及 物 理 力 学 特 性17长沙理工大学膨胀土课题组膨胀土路基设计、加 固与施工技术研究自制的主要大型试验设备大型数控拉拔试验系统改进的CBR试验装置大型应变式直接剪切仪价值30万 已申请专利 价值3万 已申请专利 价值0.8万 已申请专利 一膨 胀 土 土 性 及 物 理 力 学 特 性18长沙理工大学膨胀土课题组膨胀土路基设计、加 固与施工技术研究项目研究所获得的专利技术序号专利名称专利类型专利号备注1一种柔性加筋支挡结构及其施工方 法发明专利200520031717.3公示2带直线导轨 的直接剪切仪实用新型专 利200620049930.73应变控制式直接剪切仪实用新型专 利200620049927.54直接剪切仪实用新型专 利200620049926.05用于拉拔试验的试验箱实用新型专 利200620049929.46拉拔试验箱中气囊的气压伺服装置实用新型专 利200620049928.X7一种CBR试验方法发明专利200610032376.6受理8改进的CBR试验仪 器实用新型专 利200620052429.6受理一膨 胀 土 土 性 及 物 理 力 学 特 性19长沙理工大学膨胀土课题组膨胀土路基设计、加 固与施工技术研究一、膨胀土土性 及物理力学特性1. 物质成分、结构特征和基本物理性质1.土性特征2.判别与分类3.渗透特性4.变形特性5.强度特性6.干湿循环特 性7.本构模型及 参数确定8.承载力及水 稳性9.土与筋材相 互作用通过对项目依托工程所在地广西、河南、云南、湖南以及全国其它膨 胀土典型分布区的膨胀土样进行物质成分、结构特征和基本物理性质指标 的试验。得到以下主要结论：l对膨胀土的胀缩性起主要作用的粘土矿物多以伊利石/蒙脱石混层 矿物（I/S）为主，而不是以单一矿物（蒙脱石或伊利石）为主。l广西宁明膨胀土属于镁基膨胀土，具有很高的物理化学活性，在 我国其它地区尚不多见。广西百色、陕西汉中、河南邓县、云南昭 通和云南楚大路膨胀土属钙基膨胀土，膨胀、崩解速度快。l广西宁明、广西百色、云南昭通膨胀土属于风化残积型膨胀土， 具有高孔隙、高含水率、高塑性和低密度的特点 。陕西汉中、河 南邓县膨胀土属于沉积型膨胀土，密度相对较高、天然含水率稍低 。l膨胀土天然稳定含水率多与其塑限相近。l膨胀土风干后的膨胀力和膨胀量是天然土的510倍，干燥活化是 膨胀土又一显著特征。20长沙理工大学膨胀土课题组膨胀土路基设计、加 固与施工技术研究一、膨胀土土性 及物理力学特性1.土性特征2.判别与分类3.渗透特性4.变形特性5.强度特性6.干湿循环特 性7.本构模型及 参数确定8.承载力及水 稳性9.土与筋材相 互作用对标准吸湿含水率指标的验证2. 膨胀土判别与分类试验结果表明，标准吸湿含水 率与微观指标之间成良好的线性关 系，作为膨胀土的判别与分类指标 是合理的。课题组对课题组对 取自四省（区）六地的16个膨胀胀土样进样进 行了标标准吸湿含 水率试验试验 和相应应的物理化学性质试验质试验 ，以验证验证 中交二院所提出的标标准 吸湿含水率指标标及其判别标别标 准的合理和有效性。21长沙理工大学膨胀土课题组膨胀土路基设计、加 固与施工技术研究一、膨胀土土性 及物理力学特性1.土性特征2.判别与分类3.渗透特性4.变形特性5.强度特性6.干湿循环特 性7.本构模型及 参数确定8.承载力及水 稳性9.土与筋材相 互作用标准吸湿含水率标准与采用微观指标（蒙脱石含量、阳离子交换量等）为主控指标的方法的分类结果相一致，即可证明 标准吸湿含水率标准的合理性。 2. 膨胀土判别与分类22长沙理工大学膨胀土课题组膨胀土路基设计、加 固与施工技术研究一、膨胀土土性 及物理力学特性3. 膨胀土渗透特性1.土性特征2.判别与分类3.渗透特性4.变形特性5.强度特性6.干湿循环特 性7.本构模型及 参数确定8.承载力及水 稳性9.土与筋材相 互作用（1）饱和渗透试验试验结论：n膨胀土重塑样的饱和渗透系数要 比原状样低。n重塑样渗透系数与孔隙率之间成 对数关系土样渗透系数k / (m/s)原状样重塑样灰白膨胀土2.33E-083.28E-09灰黑膨胀土5.24E-085.50E-09广西宁明灰白膨胀土渗透系数随孔隙率的变化 广西宁明灰黑膨胀土渗透系数随孔隙率的变化 试验结果：23长沙理工大学膨胀土课题组膨胀土路基设计、加 固与施工技术研究一、膨胀土土性 及物理力学特性3. 膨胀土渗透特性1.土性特征2.判别与分类3.渗透特性4.变形特性5.强度特性6.干湿循环特 性7.本构模型及 参数确定8.承载力及水 稳性9.土与筋材相 互作用（2）非饱和渗透系数收缩试验结果体积含水率吸力 土水特征曲线VG模型拟合渗透系数函数 （Fredlund公式）非饱和膨胀土 渗透系数kus重量含水率吸力 土水特征曲线重力含水率吸力土水特征曲线体积含水率吸力土水特征曲线收缩试验资料转换试验方法：试验结果1：24长沙理工大学膨胀土课题组膨胀土路基设计、加 固与