膨胀土地区公路设计和施工技术研究报告.doc

西部交通科技项目合同号：2002 318 746 16 膨胀土地区公路构造物地基与基础设计和施工技术研究报告（简本）完成单位： 南京水利科学研究院参加单位： 广西区交通规划勘察设计院中交第一公路勘察设计院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院广西区交通基建管理局河海大学2006年12月项目研究报告简要中文题名膨胀土地区公路构造物地基与基础设计和施工技术研究英文题名The Research of the Expansive Soil Foundations in Highway Engineering 交通编号项目来源西部交通建设科技项目单位编号土0720合 同 号2002 318 746 16分 类 号项目起止年限2002年8至2006年12月第一完成单位南京水利科学研究院项目负责人章为民 教授级高工报告撰写人章为民 教授级高工王年香 教授级高工李国英 教授级高工王年香 教授级高工戴济群 高级工程师项目主要参加人南京水利科学研究院章为民、王年香、沈珠江、杨守华、徐光明、李国英、戴济群陈生水、汪兆京、赵维炳、袁文明、关秉洪、王 芳、苏东林顾行文、陈铁林、邹广电、王国利、韩华强、张 凌、朱群峰曾友金、高长胜、黄康理、严丽雪、顾春媛、米占宽、沈 婷广西交通勘察设计院梁 毅、朱坚和、林文岩、罗吉智、蓝日彦、刘建阳、李迎春阮志新、蔡宁生、黄德耕、易廷友、叶琼瑶、杨雁四川交通勘察设计院杨雪莲、周永江、朱学雷、谭昌明、余进元、程 强余建华、胡德贵第一公路勘察设计院张留俊、王晓谋、尹利华、秦志坚、李 刚、张梅玲潘军利、张发如、王 攀、马生顺广西基建局杨绍静、吴绪浩、李 凯、廉向东、梁军林河海大学王保田、张福海、张海霞主 题 词西部交通项目、膨胀土、构造物、膨胀土地基关 键 词膨胀变形、膨胀力、胀缩机理、胀缩模式、折减吸力、非饱和土、干湿循环、膨胀土地基承载力、膨胀土土压力、膨胀土挡墙、膨胀土改良、膨胀土加筋、膨胀土浅基础、膨胀土桩基础、设计方法、施工工艺、质量控制、技术指南膨胀土地区公路构造物地基与基础设计和施工技术研究报告摘要项目重点研究了膨胀土地基的四个关键性问题：膨胀土地基的强度和变形特性、构造物与膨胀土地基基础相互作用、膨胀土地基的设计理论、膨胀土地基的处理方法。研究采用工程实地调研、室内试验、离心模型试验、大型膨胀土模型试验（10m×4m×2。5m）、膨胀土变形理论、非饱和土理论研究以及南宁至友谊关公路、宁淮高速公路、呼集高速公路等实体工程的现场试验与验证的技术路线和技术方法。通过数百组次的试验研究，提出了膨胀土地基的膨胀模型,模型揭示了膨胀土地基在不同初始含水量、不同初始干密度、不同上覆荷载等条件下膨胀土地基吸水膨胀、失水收缩的力学行为特征和变化规律。研究提出了膨胀土在干、湿循环过程中的强度变化规律.完成了国内外最大规模的大型膨胀土地基室内物理模型试验（10m×4m×2。5m)，进行了包括膨胀土地基承载力、膨胀土挡墙、膨胀土桩基础等构造物的大型模型长期浸水试验。通过试验提出了在不同荷载条件下膨胀土地基表面和不同深度膨胀土膨胀变形的变化规律，揭示了膨胀土地基的胀缩变形机理.研究提出了膨胀土中桩基础的变形与受力变化规律,揭示了膨胀土中桩基础的工作机理。通过离心模型和大型物理模型试验提出了挡墙膨胀土压力的变化规律。通过试验证明了膨胀力与变形的相关关系,从工程的角度提出了膨胀土的膨胀能量概念.首次采用非饱和土简化固结理论与有效应力折减吸力理论，研究了构造物与膨胀土地基的相互作用特性，分析了构造物地基与基础的变形、应力状态以及构造物地基基础的稳定特性,提出了非饱和土压力的变化规律。项目结合广西、江苏、内蒙等省区的公路工程，进行了桥台、灌注桩、涵洞、挡土结构等多种构造物地基基础的不同处治方法现场试验，进行了应力、变形、含水量、吸力、温度等多项内容的较为全面的现场测试与研究，取得了大量的宝贵数据和工程经验。项目结合工程进行了大量的设计优化工作,确保了工程的安全,提高了经济效益。多项研究成果在依托工程中得到应用推广,解决大量西部区公路建设中的膨胀土关键性技术问题，提高了西部地区公路建设技术水平,节省工程投资数千万元，社会、环境和经济效益显著.提出了我国膨胀土地区公路构造物地基与基础设计和施工技术指南，为今后膨胀土地区的工程的建设提供了重要的宝贵经验，也为编制我国膨胀土地基的设计规范，打下了重要的基础.The Research of the Expansive Soil Foundations in Highway EngineeringABSTRACTFour key problems have been studied in the project, they are expansive properties， interactions between the foundation and the expansive soils， expansive soil theory and foundation design method, treatment methods of the expansive soil foundations. The research methods used in the project are physical test and the mechanical test of the soils, the centrifugal model test, the largescale model test, unsaturated soil theory. The insitu tests and field tests in Nanning to Youyiguan road， Nanjing to Huaian highway are carried out. Through several hundred groups of test studies, the new swell model is proposed and the model well described the swell behaviors of the expansive soil under the different initial water content, different initial density and the different load conditions。 By the large-scale expansive soil foundation model tests （10m×4m×2.5m), the expansive deformation at different depth under the different load condition, foundation bearing capacity, expansive force on the retaining wall， the pile forces were obtained. The relational dependence between the expansive force and the swell has been proven and the expansive energy concept from the engineering angle are given out. The unsaturated soil simplification theory and the actual suction theory are used in the study. The structure and the expansive soil characteristic has analyzed and the unsaturated soil pressures distributions are given out。The field tests are carried out based on the engineering in Guangxi， Jiangsu， Hunan， including the different foundation type and the different treatment design have carried, the stress， the deformation, the water content, the suction， the temperature and so on has been measured。 Based on the engineering the project has carried on the massive designs optimization work, which guaranteed the project security， enhanced the economic efficiency. Many research results of the project are applied in the engineering。 The proposed ”Design And Construction Guide on the Highway Expansive soil Foundation" provided a very useful and important reference for the engineering projects in the future and provided a important foundation for the establishment of the “Expansive soil Foundation Design Code".目 录1.前言61.1 项目概况61.2 主要研究内容和技术手段61。4 项目的主要技术成果72。 膨胀土胀缩变形机理与膨胀模型82。1 膨胀土的胀缩变形机理82。2 膨胀土的膨胀力82.3 膨胀土的膨胀能量82。4 膨胀土的膨胀模型103。 膨胀土的强度特性123。1 非饱和膨胀土抗剪强度与饱和度的关系123。2 干湿循环对非饱和膨胀土抗剪强度的影响133.3 非饱和土的强度理论154。 膨胀土地基与构造物相互作用大型物理模型试验研究154.1 大型模型试验概况154。2 膨胀土地基浸水膨胀变形规律174.3 支挡结构物上的膨胀压力和水平变形224。4 膨胀土地基承载力与变形特性244。5 膨胀土中的桩基础255. 公路构造物膨胀土地基与处治离心模型试验研究285。1 研究途径和方法离心模型试验技术285。2 膨胀土挡墙试验295。3 桥台试验结果305.4 涵洞地基试验结果316。 膨胀土地基与基础的非饱和土理论分析方法336。1 非饱和土简化固结理论336。2 对膨胀量的预测357. 膨胀土地区公路构造物地基与基础设计和施工技术指南358. 依托工程和项目的效益、推广应用前景369。 结语379.1 取得的主要研究成果379。2 研究成果的主要创新点381。前言1.1 项目概况加快西部交通发展是实施国家西部大开发重大战略的重要内容之一,也是“十五"乃至更长时期内交通发展的重点.西部交通建设是交通部科技工作的重点加强西部交通科技工作，促进西部交通建设发展。在西部地区开展大规模的交通建设，膨胀土地区公路路基与构造物地基设计和施工技术是亟待研究解决的重大技术问题之一。膨胀土具有渗透性差、吸水膨胀、失水收缩、多裂隙、湿化等特性,这对膨胀土路堤、路堑的稳定有重大影响，同时对膨胀土公路构造物地基和基础的稳定也是十分不利的。目前,我国在膨胀土地区公路路基与构造物地基设计和施工技术方面的研究工作还不够深入和系统，缺乏系统和完善的设计、施工规范与标准，严重影响西部地区公路建设事业的发展。本项目主要针对西部地区公路建设中遇到的膨胀土路基与构造物地基设计和施工技术问题进行深入系统的研究，通过现场调查，了解西部膨胀土地区公路路基与构造物的工作性状，总结路基与构造物地基设计、施工中成功的经验和失败的教训，为提高膨胀土路基与构造物地基的设计、施工技术提供资料，通过室内试验、理论研究、现场研究和工程验证等手段,提出膨胀土路基与构造物地基的设计计算理论,完善膨胀土路基与构造物地基的设计方法，研究开发膨胀土路基与构造物地基经济合理的处治方法，以及施工工艺和质量检测标准,提出膨胀土路基与构造物地基设计和施工技术指南，为相关技术规范的修订提供科学依据的目的。1。2 主要研究内容和技术手段开展了4个方面的课题研究：(1）膨胀土地基的强度和变形特性研究(2）膨胀土地区公路构造物与地基基础相互作用的研究（3）膨胀土地区公路构造物地基与基础设计方法（4)膨胀土地基处理方法与施工技术研究 采用了下列技术手段：（1）室内试验（2）离心模型试验和大型膨胀土模型试验（3)膨胀土变形特性与非饱和土理论研究.（4）现场试验与工程示范。1.4 项目的主要技术成果 完成的主要技术成果如下： 1. 膨胀土地区公路构造物膨胀土地基与基础设计和施工技术研究总报告2. 膨胀土地区公路构造物膨胀土地基与基础设计和施工技术指南 3. 膨胀土地区公路构造物膨胀土地基与基础设计和施工技术研究工作报告4. 膨胀土地区公路构造物膨胀土地基与基础设计和施工技术调研报告5. 膨胀土公路构造物地基与基础相互作用大型物理模型试验研究6. 膨胀土强度和变形工程性质研究7. 膨胀土构造物地基与基础相互作用离心模型试验研究8. 膨胀土构造物地基与基础计算理论与分析方法研究9. 膨胀土构造物地基基础设计计算方法研究10. 膨胀土构造物地基与基础施工技术研究广西南友路宁明段现场试验研究11. 呼集高速（呼和浩特-集宁）膨胀土边坡治理方法及效果研究12. 膨胀土与挡土墙相互作用离心模型试验研究13. 干湿循环条件下膨胀土边坡变形和稳定性状研究14. 滤纸法测量吸力试验研究报告15. 非饱和膨胀土的强度及其干湿循环特性研究16. 宁淮高速（南京-淮安）膨胀土地基桥台桩结构内力现场试验研究17. 四川膨胀土地区公路构造物地基与基础设计与施工技术报告18. 四川地区公路构造物地基与基础设计与施工技术调研报告19. 陕西膨胀土调研报告20. 陕西膨胀土强度与含水量关系研究21. 广西膨胀土地区公路路基与构造物地基基础设计施工技术研究2。 膨胀土胀缩变形机理与膨胀模型2.1 膨胀土的胀缩变形机理从试验结果中发现：(1) 膨胀土的膨胀变形受土样密度的影响比较大，呈正相关关系，即膨胀变形随初始干密度的增加而增大，多数情况接近线形；（2） 膨胀变形受初始含水量的影响亦较大,呈负相关关系，即膨胀变形随初始含水量的增加而减小; （3） 试验中还发现,初始含水量小于缩限时, 膨胀变形受土样初始密度的影响,在不同密度条件下，呈不同的相关关系.膨胀土的膨胀变形与上覆荷载的关系基本呈现出一种对数的关系，在荷载从0增加到一个较小的数值时，膨胀变形的减小非常的迅速，这一特性提示我们,增加比较小的上部荷载，就可以有效的抑制很大部分的膨胀变形。另外，试验结果表明，膨胀土的膨胀变形与上覆荷载的关系用半对数的关系来描述,具有足够的精确性,符合工程设计计算的需要,半对数的关系也恰好与土的压缩变形关系一致,在理论上也有一定的经验合理性，建议采用.从膨胀土的收缩试验结果,可以得到以下的结果：（1) 膨胀土的收缩与土的初始含水量相关，初始含水量越大收缩越大;(2) 膨胀土的收缩与土的初始密度相关，初始密度越大，收缩越小;（3) 初始含水量的影响远比初始密度的影响大；（4) 膨胀土的收缩主要是由于土的吸力造成的，膨胀土的收缩与土的吸力有很好相关性。2。2 膨胀土的膨胀力膨胀力的试验结果也可以看出，（1)膨胀土的膨胀力与土的膨胀变形规律基本相同,与膨胀土土样初始密度呈正相关关系，即膨胀力随初始干密度的增加而增大,多数情况接近线形；（2） 膨胀力受初始含水量的影响较大，主要呈副相关关系，即膨胀力随初始含水量的增加而减小; (3) 试验中也同样发现，初始含水量小于缩限时, 膨胀力形受土样初始密度的影响较大,在不同密度条件下,呈不同的相关关系。2。3 膨胀土的膨胀能量定义膨胀土的膨胀能量等于相同密度条件下从饱和含水量到缩限含水量变化范围内膨胀力与膨胀变形乘积的总和，即:其中，Fexp 为膨胀力，exp 为膨胀变形，a、b 分别为饱和含水量与缩限含水量所对应膨胀变形，P为压力.那么图中各条曲线所包围的面积就代表了膨胀土的膨胀能量。这一结果有两个重要的意义，一是证明了膨胀土膨胀能量存在，二是膨胀能量应当是膨胀土的内在特征。图21 广西膨胀土的膨胀力与膨胀变形关系图 22河南膨胀土的膨胀力与膨胀变形关系2.4 膨胀土的膨胀模型 大量的试验研究表明，膨胀土膨胀变形与初始干密度、初始含水量、上覆荷载等条件的关系，可以用以下的表达式来描述.膨胀变形与初始干密度的关系： （2-1）膨胀变形与初始含水量的关系： （22）膨胀变形与上覆荷载的关系： （23)建议用下面的空间曲面集合来表述膨胀土的膨胀变形,即： （2-4）其中,A、 为模型的参数。很显然,从理论上分析模型参数，应当有 , , ，即可以通过二维的回归关系得到模型参数、。而， 因为、是在特定条件下得到的，、是随有关参数变化的，与(24）的定义不同.图23是采用膨胀模型计算得到的理论值与试验值的对比。可以看出，理论值与试验值符合良好，膨胀模型比较好地反映了膨胀土的膨胀变形特性。根据膨胀力的定义，可以通过膨胀模型来得到膨胀力,即当，上覆压力等于膨胀力，F=P。 (2-5） （26)根据上式得到的膨胀力和试验膨胀力的比较可以看到，从两种不同的应力路径得到的膨胀力变化规律是一致的。这一结果证明，本文建议的膨胀模型不仅比较好地表现了膨胀土膨胀变形以及膨胀力的变化规律,也客观地反映了膨胀变形与膨胀力之间的内在关系，同时也证明了用膨胀变形试验方法得到膨胀力的合理性.图23 膨胀模型理论值与试验值的对比图24 膨胀力理论值与试验值的对比3。 膨胀土的强度特性3.1 非饱和膨胀土抗剪强度与饱和度的关系由试验结果的分析可知当摩擦角随饱和度的提高而缓慢降低，当饱和度超过90时，摩擦角有大幅下降；凝聚力和饱和度不呈线性关系，当饱和度较小时（含水量小于缩限）凝聚力随饱和度的增加而增大，而当凝聚力增大到某一值后，饱和度的继续增加反导致凝聚力的减小。同时，不同的制样干密度对膨胀土的强度也有着一定的影响。相同饱和度时,凝聚力随干密度的增大而增大，摩擦角也随着干密度的增大而增大。图 31 不同饱和度抗剪强度曲线图3-2 浙江青山 关系曲线 图33 浙江青山关系曲线从以上强度曲线可以看出几点:饱和度越大,抗剪强度越小，这与基质吸力与含水量成反比的规律是一致的。非饱和膨胀土的抗剪强度与起始饱和度相关.饱和度的增加对凝聚力的影响比对摩擦角的影响要大。3。2 干湿循环对非饱和膨胀土抗剪强度的影响图34 一次干湿循环后不同饱和度抗剪强度曲线图3-5 二次干湿循环后不同饱和度抗剪强度曲线为便于比较，我们把不同干湿循环后C、与饱和度的关系曲线综合绘于图3-6、图37：图36 干湿循环后C与饱和度关系曲线图3-7 干湿循环后与饱和度关系曲线通过上述试验研究，我们可以得出:1外力作用将导致非饱和膨胀土结构的变化，引起土体抗剪强度指标的变化，试验表明外力作用与非饱和膨胀土抗剪强度间具有非线性的关系。2常规试验在非饱和膨胀土的研究中具有比较现实的工程意义，我们采用常规直剪试验研究了不同饱和度膨胀土的抗剪强度特性,并采用双曲线拟合不同饱和度不同干湿循环后非饱和膨胀土的抗剪强度指标间的关系，得出了比较有意义的试验规律。3干湿循环对膨胀土抗剪强度指标具有很大的影响，饱和度较高的非饱和膨胀土干湿循环后指标、均发生衰减,其中值的衰减较之于更为明显.多次干湿循环后，膨胀土抗剪强度指标接近残余强度.3。3 非饱和土的强度理论非饱和土的强度理论研究已有40多年的历史，许多学者也都在各自的试验与理论基础上建立了相应的非饱和土抗剪强度公式。但由于非饱和土干湿循环研究的复杂性，许多非饱和土的强度理论研究并未能很好的反映干湿循环对非饱和膨胀土强度的影响。直剪试验的结果表明，在饱和度较大时，干湿循环后膨胀土的直剪试验指标C发生显著的衰减。三轴试验的结果也表明，对饱和膨胀土,干湿循环后有效应力指标发生了显著的减小，两次干湿循环后下降62%.因此我们认为在非饱和膨胀土的有效应力原理中应计入干湿循环的影响。4. 膨胀土地基与构造物相互作用大型物理模型试验研究4.1 大型模型试验概况试验在南京水利科学研究院大型模型槽里进行。该模型槽的内部尺寸为10m´2.5m´4.1m（长宽高).试验土料为南京汤山膨胀土，研究了深层浸水条件下膨胀土变形规律及其对构造物的影响。主要工作内容如下：(1）膨胀土含水量的变化；(2)膨胀土表面和深层隆起规律；（3）膨胀土地基承载力；(4)膨胀土挡墙土压力；（5）膨胀土中桩基础。 图4-1 膨胀土地基物理模型试验布置图1图42 膨胀土地基物理模型试验布置图2图43 膨胀土地基物理模型试验布置图34。2 膨胀土地基浸水膨胀变形规律 4.2。1 浸水引起土体表面隆起 图44为不同上覆荷载时土体表面隆起量过程线，模型试验的结果与室内试验的结果完全一致，结果表明，施加一定的荷载可以有效地减小地基的膨胀变形。图 44 不同荷载条件下的膨胀土地基变形过程线图45是 rd=1.6g/cm3 和rd=1.45g/cm3时土体表面隆起量过程线，从此可以看出,随着浸水时间的增加,土体表面隆起也不增大，但增长幅度越来越小；土体密度不同，隆起量也不同。但很明显 rd=1.6g/cm3时土体表面隆起量小于rd=1。45g/cm3时土体表面隆起量，这与室内膨胀土膨胀规律结果不一致,主要原因是由于rd=1。6g/cm3时土体渗透性小，土体的浸水膨胀过程很慢，该土的深层土体浸水过程不充分而造成的。见图4-6，由于土体渗透性小，直到试验结束,rd=1。6g/cm3。区域中心的含水量仍然在试验开始的水平上。图45 土体表面隆起量过程线图46 土体含水量变化过程线4。2。2 浸水引起土体深层膨胀隆起 图47 至 图48分别为不同干密度和上覆压力条件下深层土体隆起量过程线，和深层土体隆起量沿深度的分布图。从此可以看出，随着浸水时间的增加，深层土体隆起也不增大；土体越深，隆起量越小；上覆压力越大，深层土体隆起量越小；图49 至 图4-13是 rd=1.45g/cm3土体在上覆压力条件下膨胀稳定后深层土体隆起量沿深度的分布,比较小基底压力就可以明显减小基础膨胀上升量，影响深度约为1m,基底的尺寸为1m，影响的范围与基底压力的影响深度基本一致.虽然基底压力远小于膨胀压力，但在一定深度范围内土体发生压缩变形，与室内试验的结果基本是相同的。图 47 rd=1.45 p=0 深层土体隆起量过程线图 4-8 rd=1。45 p=12 深层土体隆起量过程线图 49 rd=1.45 p=24 深层土体隆起量过程线图 410 rd=1。45 p=0深层土体隆起量沿深度的分布图 4-11 rd=1.6 p=0深层土体隆起量沿深度的分布图 4-12 rd=1。45 p=12深层土体隆起量沿深度的分布图 413 rd=1.45 p=24深层土体隆起量沿深度的分布4。2。3 膨胀土地基的膨胀变形特征与膨胀变形模式从以上试验的结果证明，膨胀土地基的膨胀变形特征可以表明，当浸水相当深时土题可划分为下列几个变形特征区（图4-14）：I¾压密区；II¾中性区（不变形区）；III¾膨胀区.地基可能是三个区的组合。图4-14 膨胀土地基的土体变形模式图（a） （b） （c）IIIII深度隆起量 隆起量 隆起量IIIIIII4。3 支挡结构物上的膨胀压力和水平变形 图4-15和图4-16分别为 rd=1。45g/cm3土体由于浸水引起的作用于静止与可动挡墙上的膨胀压力增量沿深度的分布.可以看出，在1。5m内，膨胀压力随深度增加而显著增大，膨胀压力增量沿深度的分布为二次曲线分布。在1.5m以下，膨胀压力随深度的增长率明显偏小。挡墙的静止与可动对膨胀压力分布影响巨大,可动状态的膨胀压力从大小到分布均有很大幅度的减小。由此提示我们在膨胀土地区设计柔性的支挡结构物对减小膨胀压力有很大好处。图 415 rd=1。45 p=12深层土体隆起量沿深度的分布图 416 rd=1。45 p=12深层土体隆起量沿深度的分布 图4-17为挡墙可动情况膨胀压力与墙顶水平位移的关系，当挡墙可动时，可以明显减小膨胀压力.随着膨胀土浸水时间的增加，膨胀压力和墙顶水平位移均在不断增大，当墙顶水平位移增加到某一数值时，膨胀压力达到最大值，然后随着水平位移的进一步增大，膨胀压力逐渐减小到稳定值.最大膨胀压力与相应的水平位移呈线性减小的关系。图417可动挡墙膨胀压力与墙顶水平位移关系根据量测土层的分层隆起量可以求得相对膨胀量，从而建立膨胀压力与相对膨胀量的关系。图418为挡墙膨胀压力与相对膨胀量的关系,可以看出，随着土层相对膨胀量的增加，支挡结构物上的膨胀压力则急剧降低；也表明膨胀压力与膨胀变形的乘积为常数，即膨胀能量的存在与守衡。图4-18 最大膨胀压力与相对膨胀量4。4 膨胀土地基承载力与变形特性 为了研究膨胀土浸水对其承载变形特性的影响，分别对浸水前后土体进行了承载力试验。图419给出了rd为1.45g/cm3土体浸水前后的荷载沉降曲线。从图中可以看出,rd=1。45g/cm3土体浸水前后荷载沉降曲线的的差别巨大，浸水前比例界限荷载p0=536.5kPa、极限荷载为pu=937。4kPa，之间，浸水后模量急剧减小，沉降随着荷载的增加而急剧增加。图419 rd=1。45g/cm3土体浸水前后荷载沉降曲线4.5 膨胀土中的桩基础4。5.1 浸水过程中桩的上升和胀拔力图420是桩顶上升量的浸水过程线，图4-21是桩顶上升量与地表隆起量之比的过程线，从图中看出，桩的上升与土层的隆起是同时发生的.而且在试验过程任何时间内桩的上升量均大于桩底处土层隆起量。因此，膨胀时桩尖无土压力，而桩的升高是由桩周土位移造成的。桩的上升量取决于很多因素，特别取决于桩长和桩顶荷载。试验中测量了不同干密度土体膨胀时桩身轴力变化情况，如图422所示。从图中看出,浸水后膨胀土中桩将出现拉力，浸水初期桩身轴力随时间增大，并达到最大值，然后虽然土继续隆起，但桩身轴力却缓慢减小。土体干密度越大桩身轴力也越大。从桩身轴力沿深度的分布可以看出，桩身轴力呈中间大、两端小的分布形态，在中性点以上，桩身轴力随深度的增加而增大，在中性点处达最大值，然后随着深度的增加而减小。根据桩身轴力可以计算出桩侧摩阻力的变化情况可知，浸水初期桩侧摩阻力随时间增大，并达到最大值，然后虽然土继续隆起，但桩侧摩阻力却缓慢减小。土体干密度越大桩侧摩阻力也越大。从桩侧摩阻力沿深度的分布可以看出，在中性点两侧，桩侧摩阻力呈中心对称分布,大小接近，方向相反。图4-20 桩顶上升量的浸水膨胀过程线图421 桩顶上升量与地表隆起量之比的过程线图4-22 土层膨胀过程中的桩身胀拔力图423 土层膨胀过程中的桩身胀拔力沿深度变化图424 浸水膨胀过程中桩侧胀拔摩阻力沿深度分布4。5.2 浸水前后桩基础的承载力特性图425为不同土体干密度浸水前后桩的荷载沉降曲线。从此可以看出,荷载-沉降曲线存在明显的拐点，在拐点之前,曲线比较平缓，之后，沉降急剧增大。在平缓段，土体干密度越大,曲线变化越平缓，浸水前比浸水后平缓.拐点所对应的荷载为极限荷载,如表4-1所示，浸水使桩的极限承载力明显下降，rd=1。45g/cm3时下降47，rd=1。6g/cm3时下降29%。但比前面地基的下降幅度明显减小,表明了桩基础的在膨胀地基中的有效性.图4-25 浸水前后桩的荷载沉降曲线表4-1 浸水前后单桩的承载变形特征值rdg/cm3浸水前浸水后极限承载力/kN沉降/mm极限承载力/kN沉降/mm1。4521.64.211.43。41.639。64.428。24。25. 公路构造物膨胀土地基与处治离心模型试验研究5.1 研究途径和方法-离心模型试验技术土工离心模型试验技术通过施加在模型上的离心惯性力使模型的容重变大，从而使模型的应力与原型一致，是各类物理模型中相似性最好的模型.我国岩土力学研究的开拓者黄文熙先生称“离心模型是土工模型试验技术发展的里程碑”。离心模型方法在国内外受到广泛的重视，模型试验技术也有了飞速的发展与进步，试验的研究内容已涉及了大部分的岩土工程研究领域。5。2 膨胀土挡墙试验5.2。1 表面浸水的膨胀力图51 M11W1浸水前后实测土压力与理论值对比5。2。3 钻孔深层浸水的影响钻孔模型浸水后的含水量剖面图为图52。可以很明显地看到钻孔浸水的影响范围比表面浸水大得多，钻孔使水能够达到5m的深度。图52 钻孔模型浸水后的含水量剖面图通过变形网格标志记录下钻孔浸水条件下膨胀土体吸水后的位移矢量图,见图53。图5-3 钻孔模型浸水土体位移图图54给出了各钻孔模型浸水前后的土压力实测值对比。值得关注的是，几个试验均发现，在钻孔深度的范围内，浸水后膨胀压力有一个比较明显的增加。很明显，这是由浸水引发的.图54 钻孔模型浸水前后的土压力实测值对比5。3 桥台试验结果(1)一般情况下,膨胀土路基上的路堤运行性状较好，采用桩基础处理路基、桥台上的附加荷载以及增加结构物的埋深都对提高路堤运行性状有一定帮助.在雨水入渗期，路基中薄弱渗水层的存在会导致路堤隆起，因此必须对膨胀土路基中可能存在的薄弱渗水层面进行处理。(3)采用桩基础处理膨胀土路基能明显抑制路基土体的膨胀，在这样的膨胀土路基上填筑的路堤运行性状优于在未经处理的膨胀土路基上填筑的路堤。桥台结构物上的附加荷载能够抑制膨胀土体由于浸水引起的膨胀变形,附加荷载越大抑制膨胀变形的效果越好。桥台结构物的埋深达到2 m左右时，膨胀土路基的浸水膨胀被有效抑制；但较浅的埋深不能有效抑制浸水膨胀。5。4 涵洞地基试验结果在雨水入渗期,涵洞的整体位移按照模型MC1、MC2至MC3的顺序明显增加。有可能影响涵洞功能的发挥和使用。因此对涵洞这样的轻型结构物应当进行地基的处治.(a)模型MC1剖面位移矢量图（b）模型MC2剖面位移矢量图（渗水层位于右侧路基表面）（c）模型MC3剖面位移矢量图（渗水层位于右侧路基表面下1 m）图55 试验后模型路基剖面位移矢量图6. 膨胀土地基与基础的非饱和土理论分析方法6。1 非饱和土简化固结理论 6。1。2非饱和土固结方程的简化基本方程：（1）平衡方程（2）孔隙水连续方程 （3)孔隙气连续方程 （4）有效应力变位关系 （5）饱和度吸力方程 (6）透水系数 （7)透气系数 简化假设：定义 （61)为孔隙含气率，即单位土体内孔隙气的体积含量，为孔隙率，为Henry溶解系数，则在完全不排气的条件下,可得孔隙气压力公式如下 （62)其中为初始含气率.当存在部分排气情况时，假设单位时间内的排气量为,并定义排气率如下 (6-3）现在把Boyle定律和上式代入，可得孔隙气压力的增量公式如下 （64)简化方程式:平衡方程 （65a） （65b）水量连续方程 （6-6）其中为孔隙流体的压缩系数。6。1.2 本构模型 采用下列双硬化屈服面： （67）采用下列硬化规律： (6-8) (6-9）按照传统的塑性理论，塑性应变下列计算: （6-10)硬化模量为： （611)6。2 对膨胀量的预测oabcpes最大膨胀量图 7423 膨胀量预测示意图每一分层的膨胀量总膨胀量7. 膨胀土地区公路构造物地基与基础设计和施工技术指南在总结分析膨胀土路基的工程勘测设计、病害机理、土质改良、边坡稳定措施等方面诸多的成败工程实例的基础上,本项目以膨胀土的工程特性、室内试验技术、设计理论与方法、地基处理、浅基础、桩基础、路基设计和施工技术等内容为重点开展研究。为了合理利用膨胀土，以达到加快施工进度、保证路基施工质量、节省工程投资的目的，进而提高我国公路建设技术水平，特编制本技术指南。本指南主要有以下内容：1。 膨胀土的判别与分类方法。建议采用的判别指标：（1）自由膨胀率def；（2）最大体缩率dsm。建议分类方法： 表11-1 建议的