城市道路膨胀土路基综合治理

城市道路膨胀土综合治理新技术研究2012年6月20日汇报提纲1研究概况2合肥市膨胀土基本特性3膨胀土路基处置深度与防渗研究4结论1.1膨胀土胀缩机理1.2工程背景1.3研究目的及意义1.4研究内容1研究概况（1）强烈的吸水膨胀和失水收缩性，一般自由膨胀率在40％以上，有的可高达150％以上，而膨胀受限时又会对工程建筑产生极大的膨胀压力，失水干缩时会发育大量的微裂隙，为下一次吸水创造条件，而胀缩变形可随湿度变化反复发生；（2）含水量低时强度较高，吸水膨胀时强度显著降低；（3）长期处于天然含水状态时可具有稳定的水化特性，膨胀性很小，而一经干湿循环，则可显示出明显的膨胀性，在工程危害上有一定的隐蔽性。1工程特性1.1膨胀土胀缩机理1研究概况（1）含水率增大时，土体发生膨胀会产生一定的膨胀力，当超过上部荷载或临界荷载时，路基就会出现严重的崩解，从而造成局部坍塌、隆起或裂缝；（2）当膨胀土路基含水率降低时，土体发生收缩龟裂，经过车辆荷载的反复作用，将使基层裂缝反射到面层，使面层产生相应的龟裂；（3）雨或积雪通过路面裂缝灌入土基，则土基表面将迅速膨胀、崩解，形成松软层，再经过行车碾压，路面就会出现翻浆沉陷、路面崩溃；（4）当膨胀土改性不充分时，遇水会迅速膨胀崩解，从而使基层表面出现大量泥浆小坑窝，经过车轮荷载反复作用，路面将出现车辙、网裂或龟裂，最终导致路面破坏。2工程危害1.1膨胀土胀缩机理1研究概况（1）膨胀与收缩，是膨胀土内因在外部适当的环境条件下共同作用的结果。其中，膨胀土的物质成分和结构特征，是产生胀缩变形的决定性本质因素；水分转移是膨胀土产生胀缩作用的外部条件，两者缺一不可。（2）微观上说，主要有晶格扩张理论和双电层理论。晶格扩张理论认为，粘土晶格构造中存在着膨胀晶格构造，水易渗入晶层之间，形成水膜夹层而引起晶格扩张，从而导致土体体积膨胀；双电层理论认为，土与水相互作用时由于晶格置换可以形成双电层。双电层中的离子对水分子具有吸附能力，被吸附的水分子在电场作用下，按一定取向排列被约束聚集在粘土矿物颗粒周围，形成表面结合水（水化膜）。由于结合水膜加厚将固体颗粒“楔”开，使固体颗粒之间的距离增大，从而导致土体积产生膨胀。3胀缩机理1.1膨胀土胀缩机理1研究概况1.2工程背景（1）合肥市是我国膨胀土覆盖的典型地区之一，市区广阔的波状丘陵均由膨胀性粘土构成。（2）合肥地区属亚热带湿润季风气候，一年中降水量呈季节性分配，其中春夏季降水占全年降水量的2/3以上。由此引起膨胀土覆盖区往往是“雨时流不歇，天旱大开裂”，容易造成轻型建筑物、挡土结构、公路路基变形开裂或边坡滑移，给建筑物、道路等工程安全带来很大危害。（3）“促进中部地区崛起”战略；合肥城市大建设（4）受合肥市重点建设管理局委托，我校承担了《合肥市城市道路膨胀土综合治理新技术研究》课题。1研究概况1.3研究目的及意义通过研究和分析，弄清合肥地区不同地段膨胀土分布规律，膨胀土的土性指标尤其是膨胀性指标演变规律，膨胀土体在不同含水量、不同荷载、不同埋藏深度下的胀缩特性演变机理，最终确定科学、合理的膨胀土路基处置深度和治理措施，以指导工程实践。研究成果对于定量分析膨胀土胀缩危害和治理效果、加快城市道路施工进度、保障合肥大建设顺利进行具有重要意义。1研究概况1.4研究内容1合肥市膨胀土基本特性1研究概况2膨胀土路基处置深度3现场试验研究4路基压实度控制研究5路基胀缩变形与道面结构响应分析2.1合肥市工程地质条件2.2膨胀土分布及成因2.3膨胀土胀缩特性2合肥市膨胀土基本特性2合肥市膨胀土基本特性2.1合肥市工程地质条件合肥地区位于江淮之间，中生代断陷盆地所构成的内陆相红层的东南部，因此下伏基岩以粉细砂岩为主，第四纪晚更新世以来除古河道沉积了粘性土、少量砂类土之外，还堆积了大面积的冲洪积来源的粘性土覆盖本区，之后，由于南淝河及其支流四里河、板桥河等的作用，又沉积了一套粘土类土和砂类土。上更新统冲洪积层（膨胀土层），广泛分布于南淝河二级阶地。褐黄色粘土，硬塑~坚硬状态，属超固结土，网状或不规则裂隙发育，含多量的铁锰结核，结核球度好，具有中等偏弱的膨胀潜势，厚度5-30m不等。2.2膨胀土分布与成因

膨胀土地层年代主要为新生代第四纪中、晚更新世。从成因上讲，合肥膨胀土主要是由红色粘土岩风化后经水流搬运冲积、洪积而成，其形成年代主要为新生代第四纪中、晚更新世。膨胀土分布与区域地质背景的相关一致性，主要是在地层的空间分布上表现比较明显。合肥膨胀土是在泥岩基岩广泛发育的基础上演化而成。泥岩为膨胀土的发生、发育提供了丰富的物质基础。2合肥市膨胀土基本特性膨胀土在合肥市区有广泛分布，其埋藏深度一般在1-4m左右，不同区域有有较大差别。在环城公园区域，一般埋藏深度小于2m；另外在市区东部包河流域、大蜀山附近、政务区及经济开发区大部埋藏深度均低于2m；在市区西南、东南及东北部埋藏深度一般高于2.4m。合肥市区膨胀土埋深分布图2.2膨胀土分布与成因

2合肥市膨胀土基本特性2.3膨胀土胀缩特性分析

合肥市区土体液限值分布图膨胀土的塑性指数Ip（>17）和液限WL（>40%）一般较高。合肥市区的土体液限值一般都大于40％，只有在环城公园区域和西北蜀山水库附近小于40%，这说明合肥市区一定深度土体大都是膨胀土体。同时，从图上还可见液限大于50％的区域也很少，整个市区也只有几个较小的区域有分布。这说明合肥市区的膨胀土体大部分仅具有中-弱膨胀性。2合肥市膨胀土基本特性合肥市区土体塑性指数值分布图合肥市区土体的塑性指数基本都大于18，同样也仅有环城公园和蜀山水库部分区域小于18，这和液限分析结果基本一致。而塑性指数大于24的区域也是少数，其分布和液限小于50的区域大致类似。2.3膨胀土胀缩特性分析

2合肥市膨胀土基本特性2.3膨胀土胀缩特性分析

合肥市区膨胀土的自由膨胀率一般均大于40，仅在环城公园、政务区部分区域和蜀山水库附近小于40。这同样说明了该研究区域土体大都分布有膨胀土体，而自由膨胀率大于60的区域也很少，仅在南门换乘中心至经济开发区一带有分布，说明合肥市区膨胀土体一般均属于中-弱膨胀土。合肥市区土体自由膨胀率值分布图2合肥市膨胀土基本特性2.3膨胀土胀缩特性分析

合肥市区土体胀缩总率值分布图土体的胀缩总率是指土体在50kPa压力作用下膨胀率和收缩率之和，它反映了土体的粘土矿物成分和结构特征，是膨胀土体膨胀性能的重要指标。由图2-9可见，在环城公园、蜀山水库和南门换乘中心到经济开发区一带其数值较小，说明了这些区域的土体膨胀性较小，同时由于其他区域的胀缩总率数值也不很大（一般小于3.0），说明该研究区土体多属于中-弱膨胀土，和前面各指标分析结果基本一致。2合肥市膨胀土基本特性2.3膨胀土胀缩特性分析

合肥市区膨胀土体的膨胀性均不太高，属于中-弱膨胀土。其中，膨胀性比较弱的区域主要分布在环城公园、蜀山水库、政务区西部至经济技术开发区区域及包河工业园一带。接近中膨胀性土的区域呈零星分布，各个区域均可见，但总面积不大。其余区域均处于二者之间。合肥市区膨胀土胀缩性综合分区图2合肥市膨胀土基本特性2.3膨胀土胀缩特性分析

研究区不同区域土体胀缩性随埋藏不同而有很大不同，有的区域胀缩性随埋藏深度的增加而增加，有的则随着埋藏深度的增加而减小，但总体说规律不很明显，要根据所修路段的具体位置来具体分析。不同区域土体膨胀性与埋深的关系图2合肥市膨胀土基本特性1防渗方案及几何模型3.1非稳态渗流数值模拟

3膨胀土路基处置深度与防渗研究非稳态渗流数值模拟采用两个荷载步：第一个荷载步模拟降雨，第二个荷载步模拟蒸发。2网格划分3.1非稳态渗流数值模拟

3膨胀土路基处置深度与防渗研究有限元网格3室内试验3.1非稳态渗流数值模拟

3膨胀土路基处置深度与防渗研究在职教路试验段取土进行室内试验分析，以取得计算所需要的参数，除了常规土工试验，主要进行了膨胀试验、渗透试验、压缩试验、击实试验等，获得了研究区膨胀土体的渗透系数、收缩系数、膨胀率、膨胀指数等参数。3室内试验3.1非稳态渗流数值模拟

3膨胀土路基处置深度与防渗研究取土现场3室内试验3.1非稳态渗流数值模拟

3膨胀土路基处置深度与防渗研究取土现场3室内试验3.1非稳态渗流数值模拟

3膨胀土路基处置深度与防渗研究土样收缩试验3.1非稳态渗流数值模拟

3膨胀土路基处置深度与防渗研究渗透试验膨胀试验3室内试验3膨胀土路基处置深度与防渗研究（b）蒸发后3.1非稳态渗流数值模拟

（a）降雨后防渗0.5m深降雨和蒸发后饱和度分布云图4模拟结果分析3膨胀土路基处置深度与防渗研究3.1非稳态渗流数值模拟

（b）蒸发后（a）降雨后防渗1.0m深降雨和蒸发后饱和度分布云图4模拟结果分析3.1非稳态渗流数值模拟

（b）蒸发后（a）降雨后防渗1.5m深降雨和蒸发后饱和度分布云图3膨胀土路基处置深度与防渗研究4模拟结果分析无防渗防渗3路基中不同位置节点标记示意路基中点2-2处含水量时程曲线3.1非稳态渗流数值模拟

含水量一般是在降雨后一段时间才能达到最大值；同样，蒸发后一段时间才能达到最小值；加防渗措施后，曲线更为平缓，防渗可以起到减小胀缩变形的作用。3膨胀土路基处置深度与防渗研究4模拟结果分析路基下0.2m深度处路基土含水量分布路基下0.6m深度处路基土含水量分布3.1非稳态渗流数值模拟

3膨胀土路基处置深度与防渗研究4模拟结果分析路基下1.4m深度处路基土含水量分布路基下1.0m深度处路基土含水量分布3.1非稳态渗流数值模拟

3膨胀土路基处置深度与防渗研究4模拟结果分析3.1非稳态渗流数值模拟

路基下1.8m深度处路基土含水量分布路基下2.6m深度处路基土含水量分布3膨胀土路基处置深度与防渗研究4模拟结果分析与初始含水量相比（本项目路基土初始含水量取25％），上述各图表明，未采取防渗方案时，降雨和蒸发引起的含水量变化范围最大，而且沿横断面分布也最不均匀；采取防渗方案后，含水量变化范围相应减小，即降雨引起的最大含水量减小、蒸发引起的最小含水量增大，含水量变化更为均匀；另一方面，路基土胀缩变形取决于含水量的变化。由图可以看出，防渗越深，含水量变化值越为均匀，在路基土的上部更为显著，而上部路基土是引起胀缩变形的主要部分。因此，防渗既可以减小绝对胀缩变形，也可以减小不均匀胀缩变形，相应的，防渗可以减小由于胀缩变形引起的路面损坏。3.1非稳态渗流数值模拟

3膨胀土路基处置深度与防渗研究4模拟结果分析3.2膨胀土路基胀缩变形分析

1规范法胀缩变形分析变形计算土层划分示意不处置时路基土胀缩变形3膨胀土路基处置深度与防渗研究处置深度0.4m时路基土胀缩变形3.2膨胀土路基胀缩变形分析

1规范法胀缩变形分析处置深度0.8m时路基土胀缩变形3膨胀土路基处置深度与防渗研究3.2膨胀土路基胀缩变形分析

2双变量理论胀缩变形分析无防渗降雨时处置深度与最大膨胀量关系曲线无防渗蒸发时处置深度与最大膨胀量关系曲线3膨胀土路基处置深度与防渗研究方案1降雨时处置深度与最大膨胀量关系曲线方案1蒸发时处置深度与最大膨胀量关系曲线3.2膨胀土路基胀缩变形分析

2双变量理论胀缩变形分析3膨胀土路基处置深度与防渗研究方案2蒸发时处置深度与最大收缩量关系曲线方案2降雨时处置深度与最大收缩量关系曲线3.2膨胀土路基胀缩变形分析

2双变量理论胀缩变形分析3膨胀土路基处置深度与防渗研究3.2膨胀土路基胀缩变形分析

2双变量理论胀缩变形分析方案3降雨时处置深度与最大收缩量关系曲线方案3蒸发时处置深度与最大收缩量关系曲线3膨胀土路基处置深度与防渗研究3.2膨胀土路基胀缩变形分析

2双变量理论胀缩变形分析降雨时处置深度与最大膨胀量关系曲线蒸发时处置深度与最大收缩量关系曲线3膨胀土路基处置深度与防渗研究

现有(a)加灰处置深度80cm，无防渗膜；(b)加灰处置深度40cm，路基中埋深为1.5m防渗膜两种路基处置方案。当膨胀土路基吸湿膨胀时，采用处置方案b时要明显优越于方案a，采用方案b不仅能降低最大膨胀量而且可以显著消除路基的不均匀膨胀量；在膨胀土路基失水收缩时，两种方案在路基的最大膨胀量几乎相等，但在消除路基的不均匀沉降方面，方案b要优越于方案a。综合以上计算分析可知，在处置膨胀土路基的方法中，方案b稍优越于方案a(即满足膨胀土地区建筑技术规范的要求)。因此，采用方案b也可达到膨胀土规范的技术要求。3.2膨胀土路基胀缩变形分析

2双变量理论胀缩变形分析3膨胀土路基处置深度与防渗研究3.2膨胀土路基胀缩变形分析

2双变量理论胀缩变形分析降雨时处置深度与最大膨胀量关系曲线蒸发时处置深度与最大收缩量关系曲线3膨胀土路基处置深度与防渗研究3.3道面结构响应