膨胀土路基湿胀变形计算方法研究

刘鹏，韦秉旭，胥旭波，龚树

（长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙 410004）

膨胀土路基湿胀变形计算方法研究

刘鹏，韦秉旭，胥旭波，龚树

（长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙 410004）

结合广西百色新建膨胀土路段实体工程，根据现场实时监测情况，探讨包盖膨胀土路堤营运1年的湿度波动和变形规律。在非饱和土湿热耦合计算方法的基础上，通过膨胀土应力相关土水特性试验，运用VADES/W软件构建膨胀土路基湿度波动二维有限元数值分析模型，预估包边膨胀土路基在设计运营年限内湿度的长期波动规律；在膨胀土路基达到平衡含水率的过程中，按照Fredlund土层隆胀公式，运用土力学分层总和法对广西百色重塑膨胀土求取若干土层产生的总隆胀量，该方法参数易获取，并且考虑了现场应力路径。

公路；膨胀土；湿胀变形；路基

膨胀土是一种特殊的非饱和土，其特性极为复杂，主要具有裂隙性、超固结性、吸水膨胀、失水收缩和反复胀缩变形等特性。正因为其复杂的工程特性，用其填筑的路基易发生胀缩变形，导致不均匀沉降、浅表层滑坡、坍塌、溜塌等工程问题，引起路面结构变形甚至产生破坏。

各国学者对膨胀土的胀缩变形规律、计算方法研究较多。郑健龙、张锐等通过对3种典型膨胀土样开展无荷膨胀、有荷膨胀与膨胀力等土的变形试验，建立了能突出膨胀土最大和最小膨胀变形的极限性质模型，并在遵循膨胀土路基湿度平衡规律的原则上提出了膨胀土路基变形计算理论；章为民等在大量试验的基础上提出了能反映初始干密度、初始含水量、上覆荷载对膨胀变形的综合影响及从膨胀变形试验直接得到膨胀力的膨胀土膨胀模型；杨长青等运用自制膨胀土三向胀缩测试仪对广西宁明灰白重塑膨胀土开展不同初始含水率和三向压力的膨胀试验，研究了初始含水率和三向压力对胀限、三向膨胀率的影响规律；殷宗泽等在前人研究的基础上总结了非饱和土本构模型的研究进展；魏星等分别给出了可逆性和不可逆性干湿体变分量的数学描述，并结合低塑性非饱和土的BBM模型提出了适用于击实膨胀土的实用本构模型。基于非饱和土理论，通过研究净法向应力和基质吸力影响下膨胀土变形规律而构建的本构模型较复杂，参数过多且求取麻烦，很难在膨胀土工程应用中大力普及，膨胀土路基变形计算理论和方法有待进一步提高。该文依托广西百色新建膨胀土路段实体工程进行膨胀土路基湿胀变形计算方法研究。

1 膨胀土湿胀变形机理

膨胀土的增湿膨胀特性是导致路基运行期间产生不均匀沉降、开裂、路面结构破坏等一系列工程问题的根源。膨胀土的湿胀变形特性是由内因与外因的双重作用所致，蒙脱石晶体矿物及其显著的微结构特征是主要内因，湿度变化及土与水的相互作用是发生湿胀变形的外在条件。

膨胀土大多具有膨胀性黏土矿物成分，且自身有能够收缩和膨胀的内部条件，但目前国内外学者对膨胀土水分转移的机理还不是很清楚。为了探讨膨胀土水分转移原因及其机理，许多学者作了大量研究，然而已有理论方法都没有对膨胀土的胀缩机理作出详细、完整的解释，大部分是从学术意义上探讨胀缩机理的某一方面。就现有理论而言，分子膨胀和胶体膨胀机制比较符合实际。

膨胀土颗粒表面带有负电荷的蒙脱石晶格置换形成静电场，静电引力作用下，吸附交换性阳离子，增厚了蒙脱石表面的双电层，因而结合水膜增厚。水极易渗入蒙脱石的晶层间，增大了颗粒表面的水膜厚度，导致其发生湿胀变形。蒙脱石晶体发生膨胀的另一种解释为：吸水后，水沿连接娇弱的解理面发生水化使晶体膨胀。电解质粒子的浓度差是导致蒙脱石晶层间内外产生渗透压的主要因素，饱和膨胀土中蒙脱石晶体增湿膨胀的主要动力也是其电解质溶液的浓度不同造成的。膨胀土颗粒表面的带电原理、膨胀土的湿胀变形机理可从膨胀土的膨胀现象、机理等方面展开研究。

湿胀变形与膨胀土的矿物成分关系密切，通过开展X射线衍射试验，利用SEM图像分析微观结构，利用MATLAB软件定量研究孔隙和微结构单元体的微观特征，得出微观结构特征与物性指标呈现较好的数学关系。外力对膨胀土的湿胀变形也起到非常重要的作用，膨胀土受力后，土体间的原始胶结联结被破坏，土体发生扩容，引起膨胀变形。

2 膨胀土湿胀变形方法发展简述

国内外学者对膨胀土早有研究，1957—1992年共召开了7届国际膨胀土大型会议。1970年，Huder-Amberg首次运用常规固结仪在泥灰类岩石上进行单轴膨胀变形量试验，得出了竖向膨胀变形量与竖向应力的对数呈线性规律的结论。1984年，Franklin将电阻应变片贴在膨胀仪的柔性环刀外侧，侦测到具体的径向膨胀应力和应变数据。1990年，Davion在土的变形等常规试验的基础上，提出连续荷载膨胀试验理论，使试验得到的固结和膨胀等参数更为精确易懂。Fredlund D.G.于1993年出版《非饱和土力学》，首次系统阐述了非饱和土力学的主要内容，提出了膨胀土路基隆胀预测理论，并成功应用于工程实践。现阶段大多数学者所运用的三维膨胀本构模型是Einstein和Wittke共同提出的，他们在前人理论的基础上提出2条基础假定（膨胀应变受应力第一不变量影响；单轴基础试验的径向应力与轴向应力均满足金尼克条件），构建了膨胀岩体积膨胀变形量与体积应力的对数关系式。在中国，2002年，郑健龙等在“膨胀土地区公路建筑成套技术”研究项目中创造了膨胀土平衡含水率理论，研发了膨胀土路堑边坡柔性支护综合处治技术和路堤物理处治技术，从膨胀土路基压实控制和刚度补偿两方面提出了膨胀土路基变形计算方法，发展了公路膨胀土工程理论与技术。2005—2013年，分别在全国几个中心城市召开了亚洲非饱和土会议和其他工程学术研讨会，这些会议的召开促进了中国非饱和土力学与特殊土力学的研究，也为膨胀土路基胀缩变形方法带来了思维和技术创新。

3 膨胀土湿胀变形计算方法研究

3.1基于常规一维固结仪的计算方法

基于常规一维固结仪研究膨胀土湿胀变形与初始干密度、初始含水率及上覆压力之间的关系，拟合相应数学关系式。

膨胀土湿胀变形与其物性指标密切相关。为获取初始含水率、初始干密度、上覆压力与膨胀变形量之间的关系，回归分析试验数据，开展膨胀土膨胀率及膨胀力试验，研究膨胀土的湿胀变形规律，同时验证膨胀土湿胀变形数学模型的可行性。

大量研究结果表明膨胀土的膨胀变形主要发生在竖向，因此，在探讨膨胀土初始含水率、初始干密度和上覆压力三者之间相互关系时考虑侧限条件是必要的，也是切合实际的。中国在这方面进行了大量研究，通过常规试验、专门仪器、现场监测，分析和解释膨胀土公路路基的膨胀变形特性及规律，并取得了一定成果。

范臻辉等在前人研究的基础上，采用常规一维固结仪，探讨了膨胀土湿胀变形与初始干密度、初始含水率及上覆压力的关系。试验结果显示：膨胀土的湿胀变形量主要受初始干密度和初始含水率的影响，当初始含水率为定值时，膨胀土的湿胀变形量与初始干密度的大小成正比；而当初始干密度为定值时，膨胀量的大小与初始含水率成反比。同时通过对试验数据的回归分析，提出并验证了膨胀土路基湿胀变形计算公式及其数学模型。

周玉峰针对广西宁明灰白色膨胀土开展一系列膨胀变形量基本试验，得出下列结论：1）当初始含水量一定时，有荷膨胀量与上覆压力之间的拟合关系可用式（1）表达。相同上覆压力时，有荷膨胀量与初始含水量呈线性关系，其表达式见式（2）。当初始含水量和上覆压力分别变化时，式（1）、式（2）中所得系数a、b、c、d分别与上覆压力的对数和初始含水率呈线性规律。2）初始含水量与上覆压力同时变化时，有荷膨胀量表示为式（3）。3）膨胀土的初始含水量和干密度相同时，有荷膨胀量只与上覆压力的变化有关，可用式（4）表达。

式中：εsp为有荷膨胀量（%）；p为上覆压力（k Pa）。

章为民等研究了初始干密度、初始含水量、上覆荷载与湿胀变形的关系，提出了膨胀量计算公式：

式中：δ为膨胀变形；A、Kw、Kr、Kp为模型参数，通过常规膨胀变形试验计算得到；γ为初始干密度；w为初始含水量；p为上覆荷载。

膨胀土浸水膨胀后的吸水量与其膨胀量有很大的关系。胡瑾等研究了在不同上覆压力作用下膨胀率和浸水膨胀后含水率的变化规律。结果表明：荷载增大时，有荷膨胀率减小，膨胀稳定后含水率逐渐减小，通过回归数据得出最终竖向膨胀率与吸水量呈正的半对数关系。

以往对膨胀土单向变形的研究居多，若考虑膨胀土的三向胀缩性，则其干密度和三向应力状态是主要影响因素。膨胀土三向膨胀的差异性对膨胀土路基的变形尤为重要，其随干密度的增大而减小，膨胀潜势随含水率的增大而减小、随干密度的增大而增大。

3.2基于非饱和理论的计算方法

基于非饱和理论建立应力-应变-吸力关系。膨胀土为一种非饱和特殊土，在环境影响下其含水率最终会上升至平衡含水率，含水率的增大引起膨胀土路基发生膨胀变形，导致路基遭受失稳损坏。为了探讨膨胀土路基的变形规律，预估膨胀土路基的湿胀变形量，基于非饱和理论，从基质吸力的角度研究膨胀土的膨胀变形是必要的。国内外不少学者也对此进行了大量研究。

殷宗泽等基于非饱和理论，总结归纳了非饱和土本构模型的新进展，提出非饱和膨胀土的湿胀变形特性与其吸力大小密切相关。

20世纪90年代，Alonoso E.E.基于非饱和理论，采用非饱和土固结仪三轴仪和吸力可控制试验仪器，得出了非饱和膨胀土应力、应变和水分三者之间的关系。

Fredlund提出了非饱和土模型（不考虑孔隙气压力的影响）：

式中：S为基质吸力；H为与吸力相关的变形模量。

Fredlund模型的优点是在已知吸力的前提下计算相应的应力和位移，理论严谨，可建立不同情况下土压力计算方法。其局限在于很难得出相关模型参数随吸力的变化关系；无法描述含水率达到饱和状态后基质吸力退化为零、含水率达到胀限含水率之前膨胀土晶层持续吸水而产生膨胀的现象。同时，当膨胀土路基的压实度和排水条件不同时，各测点的湿胀变形大小有所不同；膨胀土路基在水充分入渗后发生湿胀干缩，其以后的湿胀干缩特性减弱；路堤上部竖向湿胀变形量大于下部路堤。

4 结语

（1）膨胀土路基湿胀变形计算方法主要分为两类，其各有优缺点，可结合实体工程实际选取。

（2）膨胀土路基在工后以增湿为主要变化趋势，在考虑膨胀土路基填筑时，则以增湿膨胀变形为主，预测膨胀土路基工后含水率的变化非常重要。

（3）路基湿胀变形量的主要计算方法为分层总和法，求取每层的变形量的关键在于参数的确定，其中膨胀土路基的含水率可通过现场调研和数值模拟预估得到。

（4）为了预测膨胀土路基的变形，基于保湿防渗、湿度平衡的研究理念将逐渐在膨胀土工程实践中得到普及运用，但其变形计算方法和理论仍有待进一步深入研究。

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2016-03-18