膨胀土的膨胀潜势分类研究.docx
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膨胀土的膨胀潜势分类研究
西部交通建设科技项目
合同号：
200231800014
：
膨胀土地区公路勘察设计技术研究
研究报告简本
中交第二公路勘察设计研究院
2004年10月
中文题名
膨胀土地区公路勘察设计技术研究
英文题名
Studyonsurveyanddesigntechnologyofhighway
inregionsofexpansivesoils
交通编号
项目来源
西部交通建设
科技项目
单位编号
合同号
200231800014
分类号
项目起止年限
2002～2004
第一完成单位
中交第二公路
勘察设计研究院
项目负责人
程平
报告撰写人
程平
吴万平
吴万平
姚海林
姚海林
梁毅
蓝日彦
项目主要参加人
主要参加人员
程平、吴万平、姚海林、梁毅、孟黔灵、李卫庆、李迎春、
梅仕然、安骏勇、蓝日彦、杨洋、李文斌、李云安、李少军、
张嘉翔
中交第二公路勘察设计研究院
程平、吴万平、孟黔灵、梅仕然、谢松林、张嘉翔
中国科学院武汉岩土力学研究所
姚海林、安骏勇、杨洋、郑少河、孙红、陈守义、谭罗荣
李云安、李文斌（宜昌市公路局）
广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院
梁毅、李迎春、时勇、谢东、蓝日彦
广西壮族自治区交通基建管理局
李少军、李凯、廉向东
主题词
膨胀土、公路、勘察、设计
关键词
膨胀土、西部高速公路、标准吸湿含水率、膨胀潜势分类、膨胀土填料分类、膨胀土场地分类、GIS、膨胀土分布图、勘察设计指南
报告摘要（500字以内）：
以依托工程和全国典型膨胀土为研究对象，系统地研究了膨胀土的物理力学性质和公路工程特性。
提出了膨胀土标准吸湿含水率的概念，研制了试验装置，制定了试验方法标准。
标准吸湿含水率能反映膨胀土的本质特性，提出了以标准吸湿含水率为分类指标的新的膨胀土判别与分类标准。
研究了膨胀土干裂特性，推导了膨胀土裂隙扩展深度的数学表达式，为膨胀土活动区深度的确定，膨胀土地区雨水入渗的分析和膨胀土基本特性的研究提供了一个理论的方法。
研制了膨胀土三相膨胀仪，进行了膨胀土的三相膨胀试验，建立了基于膨胀土固结试验、基质吸力试验和收缩试验的三种膨胀土地基变形预测方法。
提出了公路膨胀土路基填料分类、地基分类、路堑边坡分类和场地分类的方法标准，形成了完整的公路膨胀土工程分类体系，对膨胀土地区公路建筑场地的选择和地基处理方法的选择具有重大的指导意义。
进行了膨胀土原位测试的对比试验，给出了膨胀土地基承载能力的评价方法，提出了《膨胀土地区公路工程地质勘察指南》和《膨胀土地区公路路线设计指南》，完善了现行规范的中相关规定。
利用GIS软件平台，建立数学模型并进行二次开发，提出了数字化全国膨胀土地理信息系统。
其成果可指导全国膨胀土地区公路的勘察与设计。
本课题的研究成果已在我国膨胀土地区公路勘察设计领域得到广泛的应用。
Abstract（lessthan300words）：
Aseriesofphysical，mechanicalandchemictestsareperformedontheexpansivesoilsinbothsupportedprojectsandrepresentativeexpansivesoilsregions.Theconceptofstandardmoistureabsorptionwatercontent（SMA）ofexpansivesoilsisputforward，anditstestingsetandmethodaregivenhere.DuetoSMAcanreflectessencepropertyofexpansivesoils，itisusedasclassificationindex,andaclassificationstandardisputforwardbasedonSMAandithasbeenextendedandusedinareaofsurveyanddesignofhighwayinexpansivesoilareas.Thecrackingbehaviorduetosurfaceevaporationfluxissystemicallystudied.Themethodsofquantitativeanalysisofcrackdeptharedeveloped.Usingthemethodsproposedbythereport,thecharacteristicsofshrinkage,over-consolidation,weathering，shearstrength,andinfiltrationofrainofexpansivesoilscanbeenexplained.Threedimensionexpansivedeviceisdeveloped，andthreedimensionexpansivetestsareconducted.Threeidealmethodsareusedtodeterminethevalueofvolumechangesofexpansivesoilsinsite.Thesearedescribedasheavepredictionsbasedonoedometertests,soilsmatricsuctiontests,andshrinkagetests.Aintegrityengineeringclassificationsystemofhighwayexpansivesoilsisdeveloped.Theseincludesubgradefilling,ground,slopeandfieldclassificationstandards,whichhavesignificantmeaningforchoiceofhighwayfieldandtreatedmethodofexpansivesoils.Allkindsoftestsinsituareconducted,theestimatemethodsofbearingcapacityofexpansivesoilsgroundaregiven,and“guideonengineeringgeologicreconnaissanceofhighwayinexpansivesoilsregions”and“guideonroutechoiceofhighwayinexpansivesoilsregions”arebringforwardtoo,whichperfectcorrelationalcontentsincurrentcodes.Atlast,basedonGISsoftware,digitalgeographyinformationsystemofexpansivesoilsdistributingallovercountryisdeveloped,whichmayguidesurveyanddesignofhighwayinexpansivesoilsregions.
1、引言
1.1项目概况及研究意义
我国近22个省份有膨胀土分布，今后修筑的国道主干线大部分将穿越膨胀土地区。
由于地形地貌和公路线形的制约，膨胀土填方路堤和挖方路堑将不可避免。
膨胀土地区的建筑物、公路、铁路、机场、水利工程等经常遭受严重的破坏，造成巨大的经济损失。
从已建和在建的高速公路情况看，膨胀土地区高速公路往往经过多年运行，其路基仍不稳定，还在产生路基沉陷，路堤边坡坍滑也时有发生，水泥混凝土板断裂、甚至产生较大的错台等病害。
针对以上问题，交通部西部交通建设科技项目（2002年）“膨胀土地区公路修筑的成套技术研究”获得立项，中交第二公路勘察设计研究院等四家单位承担了其中的“膨胀土地区公路勘察设计技术研究（合同号：
200231800014）”的分题研究，本项目进行了调研、理论分析、室内外试验和依托工程现场试验，立足于膨胀土的物理力学性质和公路工程性质，研究了膨胀土公路勘测设计技术，提出了公路膨胀土的分类体系和膨胀土地区公路勘察设计指南，开发了数字化全国膨胀土分布的地理信息系统。
通过本课题的研究促进了膨胀土地区公路勘察、设计技术水平的提高，指导全国膨胀土地区公路工程建设，均具有重要的理论意义和实际价值。
1.2国内外研究概况
近年来，随着大规模基础设施的建设和人类对居住空间的更高要求，开挖边坡填筑路堤的施工活动正迅速增加。
边坡的开挖和回填导致边坡产生新的加（卸）载路径和新的边界条件。
为了评估施工活动的影响，必须进行边坡稳定性评价、路基填筑技术和边坡防护方法的研究。
一般深基坑开挖工程只需考虑短期施工活动的影响，而永久边坡则需考虑施工后长期的气候、水文地质和岩土工程环境的变化对边坡稳定性的影响。
国外于二十年代开始对膨胀土加以关注，但是直到六十年代中期才发展成为世界性的研究专题。
在我国对膨胀土的研究始于三十年代初，到七十年代，我国接受援外工程接触到较多膨胀土的问题，同时国内在膨胀土地区的建筑工程也不断出现问题。
1976年，北京建科院组织了一些单位进行膨胀土的专题研究，特别对云南、四川、广西、广东、湖北、河南、安徽等十几个省和地区的膨胀土，从工程处理和工程规范等方面进行较系统的研究，偏重于膨胀土工程规范的统一认识和判别指标的确定。
目前，虽然有了较统一的《膨胀土地区建筑技术规范》（GBJ112-87），但各地膨胀土地区仍然出现工程建筑群体被毁坏事故。
每年投入“危房”和“危险建筑物”维修费用惊人。
国内外对膨胀土的工程地质和物理力学特性进行广泛的研究。
在我国铁路部门明显早于公路部门。
概括起来，膨胀土具有胀缩性、崩解性、多裂隙性、超固结性、风化特性和强度的衰减性。
这些研究大多集中在膨胀土的一般性质：
含水量、密度、液塑性、渗透性和压缩性；膨胀土的膨胀与收缩特性：
自由膨胀率、无荷载膨胀率、50kPa膨胀率、膨胀量、膨胀力、线缩率、体缩率、收缩系数等试验指标；膨胀土的矿物成分、物理化学性质、颗粒组成和结构特性上。
对膨胀土的胀缩机理研究还不够，例如膨胀土的机理研究中，颗粒间相互作用力的研究除毛细力、渗透力外，静电力尚未涉及，力的平衡关系等也未深入研究；在相同干容重和饱和度条件下，贵州红粘土的膨胀土压力远比典型鸡街膨胀土的大，这从物质组成、主要粘土矿物组成特性上看是极为反常的，如何阐明这一现象有待进一步研究。
膨胀土的微观结构特性与其工程性质之间的关系是比较密切的，但由于微结构特征的定量描述比较困难，他们之间的关系目前还处于定性描述上，因此如何从定性发展到定量，仍有许多具体困难要克服，有待进一步研究。
现代非饱和土力学的迅速发展，用非饱和土力学理论研究非饱和膨胀土的力学特性的一些参数还未有深入的研究，如土水特征曲线、非饱和土的强度特性等等。
考虑高速公路的工程特点，如高速公路对路基沉降要求严格等，有针对性的研究成果更少，迫切需要开展这方面有针对性的研究。
膨胀土在我国大部分地区均有分布。
膨胀土的性质受活性粘土矿物影响较大。
膨胀土的胀缩性直接影响着建筑物的安全性，造成房屋成群开裂，公路、铁路塌方，膨胀土边坡产生表层浅滑现象，造成农田水利设施的破坏，影响人们的生活环境。
在工程地质勘察中，首先必须正确地识别膨胀土与非膨胀土，然后准确地判定膨胀土的胀缩性等级，对拟建建筑物的设计、地基处理，具有非常重要的意义。
关于膨胀土的识别与分类，近几年来在国内外开始了大量的研究工作，提出了许多判别与分类方法，基于不同的目的，采用相应的特征指标建立判别与分类系统。
膨胀土的判别应采用现场定性和室内指标定量相结合，或者说，根据工程地质特征及土的自由膨胀率等指标综合判定。
宏观结构特征、粘土矿物成分以及土的特征指标作为判别膨胀土的三要素。
铁路系统2001年经过修编《铁路工程岩土分类标准》对膨胀土的分类标准进行了较大的修改，利用了土质学的理论，选择了反映膨胀土本质的参数。
对膨胀土判别分类较为合理，但一般公路部门的土工试验室对蒙脱石含量和阳离子交换量没有条件进行测试，因而难于在公路部门加以推广。
在全国公路部门统一分类方法标准，直接利用现有的这些方法还有一些局限性，必须另辟溪径，对膨胀土判别分类还需进一步研究。
1.3总体目标
本课题研究的总体目标是在充分调研和试验的基础之上,提出适用可行的膨胀土地区公路勘察设计技术,服务于我国广大西部膨胀土地区国道主干线的建设和我国其它膨胀土地区公路建设。
总体研究目标为:
①研究报告——膨胀土的物理力学性质；膨胀土的公路工程特性；公路膨胀土的分类、分级标准及判别指标。
②我国各类膨胀土的区域分布图；
③膨胀土地区工程地质勘察规程；
④膨胀土地区公路路线设计指南；
1.4技术路线
本项目的研究以广西地区膨胀土为研究对象，通过对国内外膨胀土研究成果调研和对依托工程膨胀土进行地质勘探、室内试验、原位测试、试验路工程检验等工作，拟以依托工程膨胀土工程性质；膨胀土分类与分级的判别指标及准则；我国膨胀土区域分布图；膨胀土地区公路工程地质勘察规程；膨胀土地区公路设计指南等五个子课题的形式开展研究，形成膨胀土地区勘察设计技术系统。
具体将采用室内研究和室外研究相结合，理论和实际相结合，调查研究和分析相结合，试验和计算分析相结合，定量和定性相结合的研究方法。
2、主要研究内容
2.1揭示典型膨胀土的物理力学性质和公路工程特性
本试验研究包含膨胀土的物理性质、胀缩特性、化学性质、力学性质、矿物成分和微结构特性。
其中物理性质包括含水量，标准吸湿含水率，液塑限，比重，密度，颗粒组成，渗透性和水理性质；膨胀土的膨胀与收缩试验特性包括自由膨胀率，无荷膨胀率，50kPa膨胀率，膨胀力，线收缩率，体收缩率，收缩系数及三向膨胀与收缩特性；化学性质包括难、中、易溶盐含量，阳离子交换量，比表面积，PH值等；矿物成分主要包括高岭石（Kaolinite），蒙脱石（Montmorllonite），伊利石（Illite）含量；微观结构特性包括确定膨胀土微观结构单元是属于片状颗粒，扁平状颗粒和粒状颗粒，以及膨胀土微孔径的分布情况等。
为了对膨胀土有比较全面的认识，我们选择了广西南（宁）～友（谊关）高速公路，南宁市快速环道，百（色）～乐（业）公路为重点依托工程分别代表广西壮族自治区最主要的膨胀土分布点宁明盆地、百色盆地和南宁盆地，另外我们对正在施工的湖北省宜（昌）～当（阳）～荆（门）高速公路膨胀土进行了实地考查、采样和试验。
同时为了使膨胀土的性质更具代表性，为膨胀土的判别和分类打下良好的基础，我们也对业内人士比较认同的国内一些知名的膨胀土地点如湖北鸦雀岭铁路、湖北孝（感）～襄（樊）～十（堰）高速公路、河南南阳南水北调干渠、云南蒙自、云南鸡街、四川成都东风干渠、河北邯郸、安徽合肥、陕西安康、贵州贵阳、湖北当阳等地膨胀土进行全面的取样和试验。
以上的膨胀土的物理力学性质试验，为膨胀土的分类和场地分类积累了第一手资料。
同时也为“膨胀土地区公路成套修筑技术研究”的第二、三、四分题提供了分析资料和分析方法。
（1）首次提出膨胀土标准吸湿含水率的概念、试验设备和试验方法。
（2）设计加工了膨胀土的三相膨胀仪。
可用于测试同时测试膨胀土的三相膨胀特性。
（3）利用比重计法分析了广西膨胀土的了颗粒分布，得到粒度分布的分维，粒度分布的分维用来判断膨胀性并不准确；利用压汞试验分析孔隙分布，得到土的孔隙分布具有多重分维的特性，0.1μm左右的折线拐点是相应的孔径尺寸在不同分维特征的结构层次上的界限值；并分析得出了膨胀土的全孔隙分布。
（4）压力板试验只能求出重力含水量，并且不同的含水量引起膨胀土膨胀和收缩，因此要求出膨胀土的体积含水量是十分困难的事。
本课题以高速公路膨胀土的试验结果为例说明用收缩试验资料将压力板试验中重力含水量间接换算为体积含水量。
（5）基质吸力是非饱和土力学中一个非常重要的概念，也是初学者学习中的一个难点，要把它理解透彻并不容易。
本文从表面物理化学的基本公式亦即Young-Laplace公式和Kelvin公式出发，对基质吸力概念和与基质吸力有关的若干问题进行了一些思考和初步探讨。
同时也给出了测试高吸力的试验方法。
（6）进行了广西膨胀土的固结试验，确定了广西膨胀土的体积变形指标。
对依托工程膨胀土进行了现场静力触探试验，根据比惯入阻力随深度的变化曲线特征，确定了膨胀土活动区深度。
给出了膨胀土裂隙开展深度的理论解，膨胀土裂隙开展深度的计算值与静力触探试验确定的膨胀土活动区深度和现场观测的裂隙开展深度基本一致。
最后介绍了基于固结试验基础上的膨胀土地基变形计算方法，并在试验基础上给出了膨胀土地基变形的计算结果。
以膨胀土地基变形量作为膨胀土地基的分类指标，对膨胀土地基进行了分类。
分类结果对膨胀土基础选型具有重要意义。
（7）介绍了基于三相收缩试验基础上的膨胀土地基变形计算方法，并在试验基础上给出了膨胀土地基变形计算模式和计算结果。
2.2膨胀土的膨胀潜势分类研究
通过膨胀土的土质学研究，揭示了膨胀土的土-水-电解质系统的本质。
膨胀土的膨胀与收缩机理就是具有晶层结构的蒙脱石或蒙脱石混层矿物，在电解质溶液的作用下，土中的水分子受到层间交换性阳离子的静电势、组成晶层的正负离子的静电作用、氢键、渗透压、层间相互作用力、层间阳离子与晶层间作用力、范得华力和土处于非饱和状态下的基质吸力等的共同作用，具有溢出层间的收缩势和使孔隙水分进入层间的膨胀势，使得膨胀土失水收缩，吸水膨胀。
综述了国内外膨胀土的分类方法，这些分类方法不外乎：
（1）单自由膨胀率指标分类法。
（2）作图法。
比如南非威廉姆斯分类法、塑性图分类法和风干含水量分类法。
（3）采用多指标分类法。
美国垦务局USBR法、柯尊敬的最大胀缩指标分类法、印度黑棉土分类法和我国2001年《铁路工程岩土分类标准》分类法等。
国内外膨胀土分类方法很多，所选用的指标和标准也不相同。
各行业各自选用了一些与膨胀土的膨胀和收缩直接或间接有关的一些指标对膨胀土进行了分类，如自由膨胀率、液限、塑性指数、小于2
的粘粒含量、蒙脱石含量、比表面积、阳离子交换量、胀缩特性指标等等,导致分类结果也有较大的区别。
本课题利用标准吸湿含水率对膨胀土分类进行了有益尝试，研究表明标准吸湿含水率能反映膨胀土的本质，指标的测定简单便捷，指标数据可靠，重现性好,所提出的分类标准是合适的。
2.3膨胀土的工程分类研究
本专题对膨胀土的工程性质进行了详细的试验研究和分析。
试验研究包括：
（1）膨胀土的压实试验研究和膨胀土的改性试验研究；
（2）原状膨胀土的饱和和非饱和强度特性；
（3）原状膨胀土的膨胀土的三相收缩试验；
（4）膨胀土的常体积固结试验；
（5）膨胀土的膨胀固结试验；
（6）膨胀土风化特性的原位测试。
分析研究包括：
（1）膨胀土的裂隙性的理论分析；
（2）建立在固结试验基础之上的膨胀土地基变形预测；
（3）建立在收缩试验基础上的膨胀土地基变形预测。
在膨胀土膨胀潜势分类基础上，给出了膨胀土填料分类、膨胀土地基分类、膨胀土边坡分类方法和标准，以及膨胀土场地分类的三级分类方法。
对膨胀土地区公路勘察设计具有重大的理论意义和实用价值。
2.4膨胀土的原位测试与评价技术研究
在广西依托工程进行了大量的原位测试试验研究，这些研究包括：
（1）原位载荷试验
本试验用以确定确定地基土承载力和浸水时的膨胀变形量。
（2）静力触探试验
根据比贯入阻力曲线可以反映土质的变化特征，探明膨胀土的均匀程度，调查膨胀土中软弱夹层与结核硬层、确定土层风化深度。
在通过室内与原位试验已建立有的经验公式的地区，还可以提供地基膨胀土的容许承载力、压缩变形模量，预估单桩承载力。
（3）标准贯入试验
判明土的稠度和地基土容许承载力。
（4）旁压试验
评价膨胀土的基本承载力、旁压模量和应力应变关系。
（5）现场剪切试验
现场剪切试验主要测定含裂隙膨胀土的强度指标。
2.5基于GIS的我国数字化膨胀土的区域分布图的研制和开发
进行了基于GIS的我国数字化膨胀土的区域分布图的研制和开发。
研究内容包括：
（1）研究膨胀土的生成过程；
（2）研究膨胀土分布的规律性；
（3）调研各地勘察、设计、科研、大专院校、国土资源部门膨胀土资料，查阅国内历次有关膨胀土会议的文件记载和相关论文;25个省市自治区，近300个工程项目，4000多个点试验数据。
（4）现场实地考察、取样和数据采集；
（5）利用地理信息系统（GIS）平台，给出我国数字化膨胀土区域信息分布图。
2.6编制膨胀土地区公路勘察设计指南
（1）膨胀土地区公路工程地质勘察指南
通过调研国内相关行业膨胀土地区工程地质勘察现状，分析评价依托工程膨胀土工程地质勘察工作方法、内容、深度与成果等是否符合公路工程建设的实际需要，以及对依托工程试验路段的补充工程地质勘察工作，结合膨胀土工程特性与分类标准等上述专题研究的成果，研究公路不同勘察设计阶段的膨胀土地区公路工程地质勘察工作内容、勘察技术方法配置、勘察工作深度与勘察成果要求，研究膨胀土原位测试技术应用和膨胀土地基承载力评价方法，并提出《膨胀土地区公路工程地质勘察指南》。
（2）膨胀土地区公路路线设计指南
本项研究在膨胀土工程性质、分类分级标准、膨胀土路基边坡稳定性、膨胀土路基填筑技术等专题研究工作的基础上，充分调研国内外有关膨胀土地区工程建设的经验教训，并结合本联合体成员单位在国内其他膨胀土地区勘察设计与科研成果，编制《膨胀土地区公路设计指南》，主要内容包括：
膨胀土地区公路总体设计与选线原则、路线平面设计、纵面设计原则。
3、主要研究成果
（1）研制试验仪器，进行研究膨胀土的特殊的物理力学性质试验。
如膨胀土三相膨胀与收缩特性、标准吸湿含水率等；引进世界上最先进的试验仪器，如非饱和三轴试验仪（GDS）、压力板仪、高压三轴仪等，进行非饱和土强度试验和非饱和土土水特征曲线试验。
（2）提出了以标准吸湿含水率为主要判别指标的膨胀土的判别与分类方法。
标准吸湿含水率的物理意义：
为在标准的温度下（通常为25℃），和标准的相对湿度下（通常为60%），膨胀土试样恒重后的含水量。
标准吸湿含水量与比表面积、阳离子交换量、蒙脱石含量之间存在线性相关的关系。
标准吸湿含水率与比表面积之间关系式：
=0.0298x-0.4214（R2=0.9724）
标准吸湿含水率与阳离子交换量之间关系式：
=0.0296x-0.4917（R2=0.873）
标准吸湿含水率与蒙脱石含量之间关系式：
=0.2889x+0.0918（R2=0.9945）
表1膨胀土的详判指标
名称
判定指标
自由膨胀率Fs（%）
Fs≥40
标准吸湿含水率（%）
M≥2.5
塑性指数
≥15
注:
当符合表中的两项指标时，即应判定为膨胀土。
表2膨胀潜势的分级
级别
分级指标
非膨胀土
弱膨胀土
中等膨胀土
强膨胀土
自由膨胀率Fs
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