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(shù)研究2012年6月20日匯報(bào)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(jié)論1.1膨脹土脹縮機(jī)理1.2工程背景1.3研究目的及意義1.4研究?jī)?nèi)容1研究概況（1）強(qiáng)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(dá)150％以上，而膨脹受限時(shí)又會(huì)對(duì)工程建筑產(chǎn)生極大的膨脹壓力，失水干縮時(shí)會(huì)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(fù)發(fā)生；（2）含水量低時(shí)強(qiáng)度較高，吸水膨脹時(shí)強(qiáng)度顯著降低；（3）長(zhǎng)期處于天然含水狀態(tài)時(shí)可具有穩(wěn)定的水化特性，膨脹性很小，而一經(jīng)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(jī)理1研究概況（1）含水率增大時(shí)，土體發(fā)生膨脹會(huì)產(chǎn)生一定的膨脹力，當(dāng)超過(guò)上部荷載或臨界荷載時(shí)，路基就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的崩解，從而造成局部坍塌、隆起或裂縫；（2）當(dāng)膨脹土路基含水率降低時(shí)，土體發(fā)生收縮龜裂，經(jīng)過(guò)車輛荷載的反復(fù)作用，將使基層裂縫反射到面層，使面層產(chǎn)生相應(yīng)的龜裂；（3）雨或積雪通過(guò)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(jīng)過(guò)行車碾壓，路面就會(huì)出現(xiàn)翻漿沉陷、路面崩潰；（4）當(dāng)膨脹土改性不充分時(shí)，遇水會(huì)迅速膨脹崩解，從而使基層表面出現(xiàn)大量泥漿小坑窩，經(jīng)過(guò)車輪荷載反復(fù)作用，路面將出現(xiàn)車轍、網(wǎng)裂或龜裂，最終導(dǎo)致路面破壞。2工程危害1.1膨脹土脹縮機(jī)理1研究概況（1）膨脹與收縮，是膨脹土內(nèi)因在外部適當(dāng)?shù)沫h(huán)境條件下共同作用的結(jié)果。其中，膨脹土的物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)特征，是產(chǎn)生脹縮變形的決定性本質(zhì)因素；水分轉(zhuǎn)移是膨脹土產(chǎn)生脹縮作用的外部條件，兩者缺一不可。（2）微觀上說(shuō)，主要有晶格擴(kuò)張理論和雙電層理論。晶格擴(kuò)張理論認(rèn)為，粘土晶格構(gòu)造中存在著膨脹晶格構(gòu)造，水易滲入晶層之間，形成水膜夾層而引起晶格擴(kuò)張，從而導(dǎo)致土體體積膨脹；雙電層理論認(rèn)為，土與水相互作用時(shí)由于晶格置換可以形成雙電層。雙電層中的離子對(duì)水分子具有吸附能力，被吸附的水分子在電場(chǎng)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(jié)合水（水化膜）。由于結(jié)合水膜加厚將固體顆?！靶ā遍_(kāi)，使固體顆粒之間的距離增大，從而導(dǎo)致土體積產(chǎn)生膨脹。3脹縮機(jī)理1.1膨脹土脹縮機(jī)理1研究概況1.2工程背景（1）合肥市是我國(guó)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(gòu)成。（2）合肥地區(qū)屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)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(shí)流不歇，天旱大開(kāi)裂”，容易造成輕型建筑物、擋土結(jié)構(gòu)、公路路基變形開(kāi)裂或邊坡滑移，給建筑物、道路等工程安全帶來(lái)很大危害。（3）“促進(jìn)中部地區(qū)崛起”戰(zhàn)略；合肥城市大建設(shè)（4）受合肥市重點(diǎn)建設(shè)管理局委托，我校承擔(dān)了《合肥市城市道路膨脹土綜合治理新技術(shù)研究》課題。1研究概況1.3研究目的及意義通過(guò)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(biāo)尤其是膨脹性指標(biāo)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(jī)理，最終確定科學(xué)、合理的膨脹土路基處置深度和治理措施，以指導(dǎo)工程實(shí)踐。研究成果對(duì)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(jìn)度、保障合肥大建設(shè)順利進(jìn)行具有重要意義。1研究概況1.4研究?jī)?nèi)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(chǎng)試驗(yàn)研究4路基壓實(shí)度控制研究5路基脹縮變形與道面結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析2.1合肥市工程地質(zhì)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(zhì)條件合肥地區(qū)位于江淮之間，中生代斷陷盆地所構(gòu)成的內(nèi)陸相紅層的東南部，因此下伏基巖以粉細(xì)砂巖為主，第四紀(jì)晚更新世以來(lái)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(lái)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(jí)階地。褐黃色粘土，硬塑~堅(jiān)硬狀態(tài)，屬超固結(jié)土，網(wǎng)狀或不規(guī)則裂隙發(fā)育，含多量的鐵錳結(jié)核，結(jié)核球度好，具有中等偏弱的膨脹潛勢(shì)，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(jì)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(fēng)化后經(jīng)水流搬運(yùn)沖積、洪積而成，其形成年代主要為新生代第四紀(jì)中、晚更新世。膨脹土分布與區(qū)域地質(zhì)背景的相關(guān)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(chǔ)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(zhì)基礎(chǔ)。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(wù)區(qū)及經(jīng)濟(jì)開(kāi)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(kù)附近小于40%，這說(shuō)明合肥市區(qū)一定深度土體大都是膨脹土體。同時(shí)，從圖上還可見(jiàn)液限大于50％的區(qū)域也很少，整個(gè)市區(qū)也只有幾個(gè)較小的區(qū)域有分布。這說(shuō)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(kù)部分區(qū)域小于18，這和液限分析結(jié)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(wù)區(qū)部分區(qū)域和蜀山水庫(kù)附近小于40。這同樣說(shuō)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(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)一帶有分布，說(shuō)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(jié)構(gòu)特征，是膨脹土體膨脹性能的重要指標(biāo)。由圖2-9可見(jiàn)，在環(huán)城公園、蜀山水庫(kù)和南門換乘中心到經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)一帶其數(shù)值較小，說(shuō)明了這些區(qū)域的土體膨脹性較小，同時(shí)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(shuō)明該研究區(qū)土體多屬于中-弱膨脹土，和前面各指標(biāo)分析結(jié)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(kù)、政務(wù)區(qū)西部至經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)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(gè)區(qū)域均可見(jiàn)，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(shuō)規(guī)律不很明顯，要根據(jù)所修路段的具體位置來(lái)具體分析。不同區(qū)域土體膨脹性與埋深的關(guān)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(gè)荷載步：第一個(gè)荷載步模擬降雨，第二個(gè)荷載步模擬蒸發(fā)。2網(wǎng)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(wǎng)格3室內(nèi)試驗(yàn)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(yàn)段取土進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)分析，以取得計(jì)算所需要的參數(shù)，除了常規(guī)土工試驗(yàn)，主要進(jìn)行了膨脹試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)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(nèi)試驗(yàn)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(chǎng)3室內(nèi)試驗(yàn)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(chǎng)3室內(nèi)試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)膨脹試驗(yàn)3室內(nèi)試驗(yàn)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(jié)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(jié)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(jié)果分析無(wú)防滲防滲3路基中不同位置節(jié)點(diǎn)標(biāo)記示意路基中點(diǎn)2-2處含水量時(shí)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(shí)間才能達(dá)到最大值；同樣，蒸發(fā)后一段時(shí)間才能達(dá)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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)果分析與初始含水量相比（本項(xiàng)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(shí)，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(yīng)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(duì)脹縮變形，也可以減小不均勻脹縮變形，相應(yīng)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(jié)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(jì)算土層劃分示意不處置時(shí)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(shí)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(shí)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(wú)防滲降雨時(shí)處置深度與最大膨脹量關(guān)系曲線無(wú)防滲蒸發(fā)時(shí)處置深度與最大膨脹量關(guān)系曲線3膨脹土路基處置深度與防滲研究方案1降雨時(shí)處置深度與最大膨脹量關(guān)系曲線方案1蒸發(fā)時(shí)處置深度與最大膨脹量關(guān)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(shí)處置深度與最大收縮量關(guān)系曲線方案2降雨時(shí)處置深度與最大收縮量關(guān)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(shí)處置深度與最大收縮量關(guān)系曲線方案3蒸發(fā)時(shí)處置深度與最大收縮量關(guān)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(shí)處置深度與最大膨脹量關(guān)系曲線蒸發(fā)時(shí)處置深度與最大收縮量關(guān)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(wú)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(dāng)膨脹土路基吸濕膨脹時(shí)，采用處置方案b時(shí)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(shí)，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(jì)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(shù)規(guī)范的要求)。因此，采用方案b也可達(dá)到膨脹土規(guī)范的技術(shù)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(shí)處置深度與最大膨脹量關(guān)系曲線蒸發(fā)時(shí)處置深度與最大收縮量關(guān)系曲線3膨脹土路基處置深度與防滲研究3.3道面結(jié)構(gòu)響應(yīng)