城市道路膨脹土路基綜合治理

城市道路膨脹土綜合治理新技術研究2012年6月20日匯報提綱1研究概況2合肥市膨脹土基本特性3膨脹土路基處置深度與防滲研究4結論1.1膨脹土脹縮機理1.2工程背景1.3研究目的及意義1.4研究內容1研究概況（1）強烈的吸水膨脹和失水收縮性，一般自由膨脹率在40％以上，有的可高達150％以上，而膨脹受限時又會對工程建筑產生極大的膨脹壓力，失水干縮時會發(fā)育大量的微裂隙，為下一次吸水創(chuàng)造條件，而脹縮變形可隨濕度變化反復發(fā)生；（2）含水量低時強度較高，吸水膨脹時強度顯著降低；（3）長期處于天然含水狀態(tài)時可具有穩(wěn)定的水化特性，膨脹性很小，而一經干濕循環(huán)，則可顯示出明顯的膨脹性，在工程危害上有一定的隱蔽性。1工程特性1.1膨脹土脹縮機理1研究概況（1）含水率增大時，土體發(fā)生膨脹會產生一定的膨脹力，當超過上部荷載或臨界荷載時，路基就會出現(xiàn)嚴重的崩解，從而造成局部坍塌、隆起或裂縫；（2）當膨脹土路基含水率降低時，土體發(fā)生收縮龜裂，經過車輛荷載的反復作用，將使基層裂縫反射到面層，使面層產生相應的龜裂；（3）雨或積雪通過路面裂縫灌入土基，則土基表面將迅速膨脹、崩解，形成松軟層，再經過行車碾壓，路面就會出現(xiàn)翻漿沉陷、路面崩潰；（4）當膨脹土改性不充分時，遇水會迅速膨脹崩解，從而使基層表面出現(xiàn)大量泥漿小坑窩，經過車輪荷載反復作用，路面將出現(xiàn)車轍、網裂或龜裂，最終導致路面破壞。2工程危害1.1膨脹土脹縮機理1研究概況（1）膨脹與收縮，是膨脹土內因在外部適當?shù)沫h(huán)境條件下共同作用的結果。其中，膨脹土的物質成分和結構特征，是產生脹縮變形的決定性本質因素；水分轉移是膨脹土產生脹縮作用的外部條件，兩者缺一不可。（2）微觀上說，主要有晶格擴張理論和雙電層理論。晶格擴張理論認為，粘土晶格構造中存在著膨脹晶格構造，水易滲入晶層之間，形成水膜夾層而引起晶格擴張，從而導致土體體積膨脹；雙電層理論認為，土與水相互作用時由于晶格置換可以形成雙電層。雙電層中的離子對水分子具有吸附能力，被吸附的水分子在電場作用下，按一定取向排列被約束聚集在粘土礦物顆粒周圍，形成表面結合水（水化膜）。由于結合水膜加厚將固體顆粒“楔”開，使固體顆粒之間的距離增大，從而導致土體積產生膨脹。3脹縮機理1.1膨脹土脹縮機理1研究概況1.2工程背景（1）合肥市是我國膨脹土覆蓋的典型地區(qū)之一，市區(qū)廣闊的波狀丘陵均由膨脹性粘土構成。（2）合肥地區(qū)屬亞熱帶濕潤季風氣候，一年中降水量呈季節(jié)性分配，其中春夏季降水占全年降水量的2/3以上。由此引起膨脹土覆蓋區(qū)往往是“雨時流不歇，天旱大開裂”，容易造成輕型建筑物、擋土結構、公路路基變形開裂或邊坡滑移，給建筑物、道路等工程安全帶來很大危害。（3）“促進中部地區(qū)崛起”戰(zhàn)略；合肥城市大建設（4）受合肥市重點建設管理局委托，我校承擔了《合肥市城市道路膨脹土綜合治理新技術研究》課題。1研究概況1.3研究目的及意義通過研究和分析，弄清合肥地區(qū)不同地段膨脹土分布規(guī)律，膨脹土的土性指標尤其是膨脹性指標演變規(guī)律，膨脹土體在不同含水量、不同荷載、不同埋藏深度下的脹縮特性演變機理，最終確定科學、合理的膨脹土路基處置深度和治理措施，以指導工程實踐。研究成果對于定量分析膨脹土脹縮危害和治理效果、加快城市道路施工進度、保障合肥大建設順利進行具有重要意義。1研究概況1.4研究內容1合肥市膨脹土基本特性1研究概況2膨脹土路基處置深度3現(xiàn)場試驗研究4路基壓實度控制研究5路基脹縮變形與道面結構響應分析2.1合肥市工程地質條件2.2膨脹土分布及成因2.3膨脹土脹縮特性2合肥市膨脹土基本特性2合肥市膨脹土基本特性2.1合肥市工程地質條件合肥地區(qū)位于江淮之間，中生代斷陷盆地所構成的內陸相紅層的東南部，因此下伏基巖以粉細砂巖為主，第四紀晚更新世以來除古河道沉積了粘性土、少量砂類土之外，還堆積了大面積的沖洪積來源的粘性土覆蓋本區(qū)，之后，由于南淝河及其支流四里河、板橋河等的作用，又沉積了一套粘土類土和砂類土。上更新統(tǒng)沖洪積層（膨脹土層），廣泛分布于南淝河二級階地。褐黃色粘土，硬塑~堅硬狀態(tài)，屬超固結土，網狀或不規(guī)則裂隙發(fā)育，含多量的鐵錳結核，結核球度好，具有中等偏弱的膨脹潛勢，厚度5-30m不等。2.2膨脹土分布與成因

膨脹土地層年代主要為新生代第四紀中、晚更新世。從成因上講，合肥膨脹土主要是由紅色粘土巖風化后經水流搬運沖積、洪積而成，其形成年代主要為新生代第四紀中、晚更新世。膨脹土分布與區(qū)域地質背景的相關一致性，主要是在地層的空間分布上表現(xiàn)比較明顯。合肥膨脹土是在泥巖基巖廣泛發(fā)育的基礎上演化而成。泥巖為膨脹土的發(fā)生、發(fā)育提供了豐富的物質基礎。2合肥市膨脹土基本特性膨脹土在合肥市區(qū)有廣泛分布，其埋藏深度一般在1-4m左右，不同區(qū)域有有較大差別。在環(huán)城公園區(qū)域，一般埋藏深度小于2m；另外在市區(qū)東部包河流域、大蜀山附近、政務區(qū)及經濟開發(fā)區(qū)大部埋藏深度均低于2m；在市區(qū)西南、東南及東北部埋藏深度一般高于2.4m。合肥市區(qū)膨脹土埋深分布圖2.2膨脹土分布與成因

2合肥市膨脹土基本特性2.3膨脹土脹縮特性分析

合肥市區(qū)土體液限值分布圖膨脹土的塑性指數(shù)Ip（>17）和液限WL（>40%）一般較高。合肥市區(qū)的土體液限值一般都大于40％，只有在環(huán)城公園區(qū)域和西北蜀山水庫附近小于40%，這說明合肥市區(qū)一定深度土體大都是膨脹土體。同時，從圖上還可見液限大于50％的區(qū)域也很少，整個市區(qū)也只有幾個較小的區(qū)域有分布。這說明合肥市區(qū)的膨脹土體大部分僅具有中-弱膨脹性。2合肥市膨脹土基本特性合肥市區(qū)土體塑性指數(shù)值分布圖合肥市區(qū)土體的塑性指數(shù)基本都大于18，同樣也僅有環(huán)城公園和蜀山水庫部分區(qū)域小于18，這和液限分析結果基本一致。而塑性指數(shù)大于24的區(qū)域也是少數(shù)，其分布和液限小于50的區(qū)域大致類似。2.3膨脹土脹縮特性分析

2合肥市膨脹土基本特性2.3膨脹土脹縮特性分析

合肥市區(qū)膨脹土的自由膨脹率一般均大于40，僅在環(huán)城公園、政務區(qū)部分區(qū)域和蜀山水庫附近小于40。這同樣說明了該研究區(qū)域土體大都分布有膨脹土體，而自由膨脹率大于60的區(qū)域也很少，僅在南門換乘中心至經濟開發(fā)區(qū)一帶有分布，說明合肥市區(qū)膨脹土體一般均屬于中-弱膨脹土。合肥市區(qū)土體自由膨脹率值分布圖2合肥市膨脹土基本特性2.3膨脹土脹縮特性分析

合肥市區(qū)土體脹縮總率值分布圖土體的脹縮總率是指土體在50kPa壓力作用下膨脹率和收縮率之和，它反映了土體的粘土礦物成分和結構特征，是膨脹土體膨脹性能的重要指標。由圖2-9可見，在環(huán)城公園、蜀山水庫和南門換乘中心到經濟開發(fā)區(qū)一帶其數(shù)值較小，說明了這些區(qū)域的土體膨脹性較小，同時由于其他區(qū)域的脹縮總率數(shù)值也不很大（一般小于3.0），說明該研究區(qū)土體多屬于中-弱膨脹土，和前面各指標分析結果基本一致。2合肥市膨脹土基本特性2.3膨脹土脹縮特性分析

合肥市區(qū)膨脹土體的膨脹性均不太高，屬于中-弱膨脹土。其中，膨脹性比較弱的區(qū)域主要分布在環(huán)城公園、蜀山水庫、政務區(qū)西部至經濟技術開發(fā)區(qū)區(qū)域及包河工業(yè)園一帶。接近中膨脹性土的區(qū)域呈零星分布，各個區(qū)域均可見，但總面積不大。其余區(qū)域均處于二者之間。合肥市區(qū)膨脹土脹縮性綜合分區(qū)圖2合肥市膨脹土基本特性2.3膨脹土脹縮特性分析

研究區(qū)不同區(qū)域土體脹縮性隨埋藏不同而有很大不同，有的區(qū)域脹縮性隨埋藏深度的增加而增加，有的則隨著埋藏深度的增加而減小，但總體說規(guī)律不很明顯，要根據(jù)所修路段的具體位置來具體分析。不同區(qū)域土體膨脹性與埋深的關系圖2合肥市膨脹土基本特性1防滲方案及幾何模型3.1非穩(wěn)態(tài)滲流數(shù)值模擬

3膨脹土路基處置深度與防滲研究非穩(wěn)態(tài)滲流數(shù)值模擬采用兩個荷載步：第一個荷載步模擬降雨，第二個荷載步模擬蒸發(fā)。2網格劃分3.1非穩(wěn)態(tài)滲流數(shù)值模擬

3膨脹土路基處置深度與防滲研究有限元網格3室內試驗3.1非穩(wěn)態(tài)滲流數(shù)值模擬

3膨脹土路基處置深度與防滲研究在職教路試驗段取土進行室內試驗分析，以取得計算所需要的參數(shù)，除了常規(guī)土工試驗，主要進行了膨脹試驗、滲透試驗、壓縮試驗、擊實試驗等，獲得了研究區(qū)膨脹土體的滲透系數(shù)、收縮系數(shù)、膨脹率、膨脹指數(shù)等參數(shù)。3室內試驗3.1非穩(wěn)態(tài)滲流數(shù)值模擬

3膨脹土路基處置深度與防滲研究取土現(xiàn)場3室內試驗3.1非穩(wěn)態(tài)滲流數(shù)值模擬

3膨脹土路基處置深度與防滲研究取土現(xiàn)場3室內試驗3.1非穩(wěn)態(tài)滲流數(shù)值模擬

3膨脹土路基處置深度與防滲研究土樣收縮試驗3.1非穩(wěn)態(tài)滲流數(shù)值模擬

3膨脹土路基處置深度與防滲研究滲透試驗膨脹試驗3室內試驗3膨脹土路基處置深度與防滲研究（b）蒸發(fā)后3.1非穩(wěn)態(tài)滲流數(shù)值模擬

（a）降雨后防滲0.5m深降雨和蒸發(fā)后飽和度分布云圖4模擬結果分析3膨脹土路基處置深度與防滲研究3.1非穩(wěn)態(tài)滲流數(shù)值模擬

（b）蒸發(fā)后（a）降雨后防滲1.0m深降雨和蒸發(fā)后飽和度分布云圖4模擬結果分析3.1非穩(wěn)態(tài)滲流數(shù)值模擬

（b）蒸發(fā)后（a）降雨后防滲1.5m深降雨和蒸發(fā)后飽和度分布云圖3膨脹土路基處置深度與防滲研究4模擬結果分析無防滲防滲3路基中不同位置節(jié)點標記示意路基中點2-2處含水量時程曲線3.1非穩(wěn)態(tài)滲流數(shù)值模擬

含水量一般是在降雨后一段時間才能達到最大值；同樣，蒸發(fā)后一段時間才能達到最小值；加防滲措施后，曲線更為平緩，防滲可以起到減小脹縮變形的作用。3膨脹土路基處置深度與防滲研究4模擬結果分析路基下0.2m深度處路基土含水量分布路基下0.6m深度處路基土含水量分布3.1非穩(wěn)態(tài)滲流數(shù)值模擬

3膨脹土路基處置深度與防滲研究4模擬結果分析路基下1.4m深度處路基土含水量分布路基下1.0m深度處路基土含水量分布3.1非穩(wěn)態(tài)滲流數(shù)值模擬

3膨脹土路基處置深度與防滲研究4模擬結果分析3.1非穩(wěn)態(tài)滲流數(shù)值模擬

路基下1.8m深度處路基土含水量分布路基下2.6m深度處路基土含水量分布3膨脹土路基處置深度與防滲研究4模擬結果分析與初始含水量相比（本項目路基土初始含水量取25％），上述各圖表明，未采取防滲方案時，降雨和蒸發(fā)引起的含水量變化范圍最大，而且沿橫斷面分布也最不均勻；采取防滲方案后，含水量變化范圍相應減小，即降雨引起的最大含水量減小、蒸發(fā)引起的最小含水量增大，含水量變化更為均勻；另一方面，路基土脹縮變形取決于含水量的變化。由圖可以看出，防滲越深，含水量變化值越為均勻，在路基土的上部更為顯著，而上部路基土是引起脹縮變形的主要部分。因此，防滲既可以減小絕對脹縮變形，也可以減小不均勻脹縮變形，相應的，防滲可以減小由于脹縮變形引起的路面損壞。3.1非穩(wěn)態(tài)滲流數(shù)值模擬

3膨脹土路基處置深度與防滲研究4模擬結果分析3.2膨脹土路基脹縮變形分析

1規(guī)范法脹縮變形分析變形計算土層劃分示意不處置時路基土脹縮變形3膨脹土路基處置深度與防滲研究處置深度0.4m時路基土脹縮變形3.2膨脹土路基脹縮變形分析

1規(guī)范法脹縮變形分析處置深度0.8m時路基土脹縮變形3膨脹土路基處置深度與防滲研究3.2膨脹土路基脹縮變形分析

2雙變量理論脹縮變形分析無防滲降雨時處置深度與最大膨脹量關系曲線無防滲蒸發(fā)時處置深度與最大膨脹量關系曲線3膨脹土路基處置深度與防滲研究方案1降雨時處置深度與最大膨脹量關系曲線方案1蒸發(fā)時處置深度與最大膨脹量關系曲線3.2膨脹土路基脹縮變形分析

2雙變量理論脹縮變形分析3膨脹土路基處置深度與防滲研究方案2蒸發(fā)時處置深度與最大收縮量關系曲線方案2降雨時處置深度與最大收縮量關系曲線3.2膨脹土路基脹縮變形分析

2雙變量理論脹縮變形分析3膨脹土路基處置深度與防滲研究3.2膨脹土路基脹縮變形分析

2雙變量理論脹縮變形分析方案3降雨時處置深度與最大收縮量關系曲線方案3蒸發(fā)時處置深度與最大收縮量關系曲線3膨脹土路基處置深度與防滲研究3.2膨脹土路基脹縮變形分析

2雙變量理論脹縮變形分析降雨時處置深度與最大膨脹量關系曲線蒸發(fā)時處置深度與最大收縮量關系曲線3膨脹土路基處置深度與防滲研究

現(xiàn)有(a)加灰處置深度80cm，無防滲膜；(b)加灰處置深度40cm，路基中埋深為1.5m防滲膜兩種路基處置方案。當膨脹土路基吸濕膨脹時，采用處置方案b時要明顯優(yōu)越于方案a，采用方案b不僅能降低最大膨脹量而且可以顯著消除路基的不均勻膨脹量；在膨脹土路基失水收縮時，兩種方案在路基的最大膨脹量幾乎相等，但在消除路基的不均勻沉降方面，方案b要優(yōu)越于方案a。綜合以上計算分析可知，在處置膨脹土路基的方法中，方案b稍優(yōu)越于方案a(即滿足膨脹土地區(qū)建筑技術規(guī)范的要求)。因此，采用方案b也可達到膨脹土規(guī)范的技術要求。3.2膨脹土路基脹縮變形分析

2雙變量理論脹縮變形分析3膨脹土路基處置深度與防滲研究3.2膨脹土路基脹縮變形分析

2雙變量理論脹縮變形分析降雨時處置深度與最大膨脹量關系曲線蒸發(fā)時處置深度與最大收縮量關系曲線3膨脹土路基處置深度與防滲研究3.3道面結構響應