膨脹土路基濕脹變形計算方法研究

劉鵬，韋秉旭，胥旭波，龔樹

（長沙理工大學交通運輸工程學院，湖南長沙 410004）

膨脹土路基濕脹變形計算方法研究

劉鵬，韋秉旭，胥旭波，龔樹

（長沙理工大學交通運輸工程學院，湖南長沙 410004）

結合廣西百色新建膨脹土路段實體工程，根據現場實時監測情況，探討包蓋膨脹土路堤營運1年的濕度波動和變形規律。在非飽和土濕熱耦合計算方法的基礎上，通過膨脹土應力相關土水特性試驗，運用VADES/W軟件構建膨脹土路基濕度波動二維有限元數值分析模型，預估包邊膨脹土路基在設計運營年限內濕度的長期波動規律；在膨脹土路基達到平衡含水率的過程中，按照Fredlund土層隆脹公式，運用土力學分層總和法對廣西百色重塑膨脹土求取若干土層產生的總隆脹量，該方法參數易獲取，并且考慮了現場應力路徑。

公路；膨脹土；濕脹變形；路基

膨脹土是一種特殊的非飽和土，其特性極為復雜，主要具有裂隙性、超固結性、吸水膨脹、失水收縮和反復脹縮變形等特性。正因為其復雜的工程特性，用其填筑的路基易發生脹縮變形，導致不均勻沉降、淺表層滑坡、坍塌、溜塌等工程問題，引起路面結構變形甚至產生破壞。

各國學者對膨脹土的脹縮變形規律、計算方法研究較多。鄭健龍、張銳等通過對3種典型膨脹土樣開展無荷膨脹、有荷膨脹與膨脹力等土的變形試驗，建立了能突出膨脹土最大和最小膨脹變形的極限性質模型，并在遵循膨脹土路基濕度平衡規律的原則上提出了膨脹土路基變形計算理論；章為民等在大量試驗的基礎上提出了能反映初始干密度、初始含水量、上覆荷載對膨脹變形的綜合影響及從膨脹變形試驗直接得到膨脹力的膨脹土膨脹模型；楊長青等運用自制膨脹土三向脹縮測試儀對廣西寧明灰白重塑膨脹土開展不同初始含水率和三向壓力的膨脹試驗，研究了初始含水率和三向壓力對脹限、三向膨脹率的影響規律；殷宗澤等在前人研究的基礎上總結了非飽和土本構模型的研究進展；魏星等分別給出了可逆性和不可逆性干濕體變分量的數學描述，并結合低塑性非飽和土的BBM模型提出了適用于擊實膨脹土的實用本構模型。基于非飽和土理論，通過研究凈法向應力和基質吸力影響下膨脹土變形規律而構建的本構模型較復雜，參數過多且求取麻煩，很難在膨脹土工程應用中大力普及，膨脹土路基變形計算理論和方法有待進一步提高。該文依托廣西百色新建膨脹土路段實體工程進行膨脹土路基濕脹變形計算方法研究。

1 膨脹土濕脹變形機理

膨脹土的增濕膨脹特性是導致路基運行期間產生不均勻沉降、開裂、路面結構破壞等一系列工程問題的根源。膨脹土的濕脹變形特性是由內因與外因的雙重作用所致，蒙脫石晶體礦物及其顯著的微結構特征是主要內因，濕度變化及土與水的相互作用是發生濕脹變形的外在條件。

膨脹土大多具有膨脹性黏土礦物成分，且自身有能夠收縮和膨脹的內部條件，但目前國內外學者對膨脹土水分轉移的機理還不是很清楚。為了探討膨脹土水分轉移原因及其機理，許多學者作了大量研究，然而已有理論方法都沒有對膨脹土的脹縮機理作出詳細、完整的解釋，大部分是從學術意義上探討脹縮機理的某一方面。就現有理論而言，分子膨脹和膠體膨脹機制比較符合實際。

膨脹土顆粒表面帶有負電荷的蒙脫石晶格置換形成靜電場，靜電引力作用下，吸附交換性陽離子，增厚了蒙脫石表面的雙電層，因而結合水膜增厚。水極易滲入蒙脫石的晶層間，增大了顆粒表面的水膜厚度，導致其發生濕脹變形。蒙脫石晶體發生膨脹的另一種解釋為：吸水后，水沿連接嬌弱的解理面發生水化使晶體膨脹。電解質粒子的濃度差是導致蒙脫石晶層間內外產生滲透壓的主要因素，飽和膨脹土中蒙脫石晶體增濕膨脹的主要動力也是其電解質溶液的濃度不同造成的。膨脹土顆粒表面的帶電原理、膨脹土的濕脹變形機理可從膨脹土的膨脹現象、機理等方面展開研究。

濕脹變形與膨脹土的礦物成分關系密切，通過開展X射線衍射試驗，利用SEM圖像分析微觀結構，利用MATLAB軟件定量研究孔隙和微結構單元體的微觀特征，得出微觀結構特征與物性指標呈現較好的數學關系。外力對膨脹土的濕脹變形也起到非常重要的作用，膨脹土受力后，土體間的原始膠結聯結被破壞，土體發生擴容，引起膨脹變形。

2 膨脹土濕脹變形方法發展簡述

國內外學者對膨脹土早有研究，1957—1992年共召開了7屆國際膨脹土大型會議。1970年，Huder-Amberg首次運用常規固結儀在泥灰類巖石上進行單軸膨脹變形量試驗，得出了豎向膨脹變形量與豎向應力的對數呈線性規律的結論。1984年，Franklin將電阻應變片貼在膨脹儀的柔性環刀外側，偵測到具體的徑向膨脹應力和應變數據。1990年，Davion在土的變形等常規試驗的基礎上，提出連續荷載膨脹試驗理論，使試驗得到的固結和膨脹等參數更為精確易懂。Fredlund D.G.于1993年出版《非飽和土力學》，首次系統闡述了非飽和土力學的主要內容，提出了膨脹土路基隆脹預測理論，并成功應用于工程實踐。現階段大多數學者所運用的三維膨脹本構模型是Einstein和Wittke共同提出的，他們在前人理論的基礎上提出2條基礎假定（膨脹應變受應力第一不變量影響；單軸基礎試驗的徑向應力與軸向應力均滿足金尼克條件），構建了膨脹巖體積膨脹變形量與體積應力的對數關系式。在中國，2002年，鄭健龍等在“膨脹土地區公路建筑成套技術”研究項目中創造了膨脹土平衡含水率理論，研發了膨脹土路塹邊坡柔性支護綜合處治技術和路堤物理處治技術，從膨脹土路基壓實控制和剛度補償兩方面提出了膨脹土路基變形計算方法，發展了公路膨脹土工程理論與技術。2005—2013年，分別在全國幾個中心城市召開了亞洲非飽和土會議和其他工程學術研討會，這些會議的召開促進了中國非飽和土力學與特殊土力學的研究，也為膨脹土路基脹縮變形方法帶來了思維和技術創新。

3 膨脹土濕脹變形計算方法研究

3.1基于常規一維固結儀的計算方法

基于常規一維固結儀研究膨脹土濕脹變形與初始干密度、初始含水率及上覆壓力之間的關系，擬合相應數學關系式。

膨脹土濕脹變形與其物性指標密切相關。為獲取初始含水率、初始干密度、上覆壓力與膨脹變形量之間的關系，回歸分析試驗數據，開展膨脹土膨脹率及膨脹力試驗，研究膨脹土的濕脹變形規律，同時驗證膨脹土濕脹變形數學模型的可行性。

大量研究結果表明膨脹土的膨脹變形主要發生在豎向，因此，在探討膨脹土初始含水率、初始干密度和上覆壓力三者之間相互關系時考慮側限條件是必要的，也是切合實際的。中國在這方面進行了大量研究，通過常規試驗、專門儀器、現場監測，分析和解釋膨脹土公路路基的膨脹變形特性及規律，并取得了一定成果。

范臻輝等在前人研究的基礎上，采用常規一維固結儀，探討了膨脹土濕脹變形與初始干密度、初始含水率及上覆壓力的關系。試驗結果顯示：膨脹土的濕脹變形量主要受初始干密度和初始含水率的影響，當初始含水率為定值時，膨脹土的濕脹變形量與初始干密度的大小成正比；而當初始干密度為定值時，膨脹量的大小與初始含水率成反比。同時通過對試驗數據的回歸分析，提出并驗證了膨脹土路基濕脹變形計算公式及其數學模型。

周玉峰針對廣西寧明灰白色膨脹土開展一系列膨脹變形量基本試驗，得出下列結論：1）當初始含水量一定時，有荷膨脹量與上覆壓力之間的擬合關系可用式（1）表達。相同上覆壓力時，有荷膨脹量與初始含水量呈線性關系，其表達式見式（2）。當初始含水量和上覆壓力分別變化時，式（1）、式（2）中所得系數a、b、c、d分別與上覆壓力的對數和初始含水率呈線性規律。2）初始含水量與上覆壓力同時變化時，有荷膨脹量表示為式（3）。3）膨脹土的初始含水量和干密度相同時，有荷膨脹量只與上覆壓力的變化有關，可用式（4）表達。

式中：εsp為有荷膨脹量（%）；p為上覆壓力（k Pa）。

章為民等研究了初始干密度、初始含水量、上覆荷載與濕脹變形的關系，提出了膨脹量計算公式：

式中：δ為膨脹變形；A、Kw、Kr、Kp為模型參數，通過常規膨脹變形試驗計算得到；γ為初始干密度；w為初始含水量；p為上覆荷載。

膨脹土浸水膨脹后的吸水量與其膨脹量有很大的關系。胡瑾等研究了在不同上覆壓力作用下膨脹率和浸水膨脹后含水率的變化規律。結果表明：荷載增大時，有荷膨脹率減小，膨脹穩定后含水率逐漸減小，通過回歸數據得出最終豎向膨脹率與吸水量呈正的半對數關系。

以往對膨脹土單向變形的研究居多，若考慮膨脹土的三向脹縮性，則其干密度和三向應力狀態是主要影響因素。膨脹土三向膨脹的差異性對膨脹土路基的變形尤為重要，其隨干密度的增大而減小，膨脹潛勢隨含水率的增大而減小、隨干密度的增大而增大。

3.2基于非飽和理論的計算方法

基于非飽和理論建立應力-應變-吸力關系。膨脹土為一種非飽和特殊土，在環境影響下其含水率最終會上升至平衡含水率，含水率的增大引起膨脹土路基發生膨脹變形，導致路基遭受失穩損壞。為了探討膨脹土路基的變形規律，預估膨脹土路基的濕脹變形量，基于非飽和理論，從基質吸力的角度研究膨脹土的膨脹變形是必要的。國內外不少學者也對此進行了大量研究。

殷宗澤等基于非飽和理論，總結歸納了非飽和土本構模型的新進展，提出非飽和膨脹土的濕脹變形特性與其吸力大小密切相關。

20世紀90年代，Alonoso E.E.基于非飽和理論，采用非飽和土固結儀三軸儀和吸力可控制試驗儀器，得出了非飽和膨脹土應力、應變和水分三者之間的關系。

Fredlund提出了非飽和土模型（不考慮孔隙氣壓力的影響）：

式中：S為基質吸力；H為與吸力相關的變形模量。

Fredlund模型的優點是在已知吸力的前提下計算相應的應力和位移，理論嚴謹，可建立不同情況下土壓力計算方法。其局限在于很難得出相關模型參數隨吸力的變化關系；無法描述含水率達到飽和狀態后基質吸力退化為零、含水率達到脹限含水率之前膨脹土晶層持續吸水而產生膨脹的現象。同時，當膨脹土路基的壓實度和排水條件不同時，各測點的濕脹變形大小有所不同；膨脹土路基在水充分入滲后發生濕脹干縮，其以后的濕脹干縮特性減弱；路堤上部豎向濕脹變形量大于下部路堤。

4 結語

（1）膨脹土路基濕脹變形計算方法主要分為兩類，其各有優缺點，可結合實體工程實際選取。

（2）膨脹土路基在工后以增濕為主要變化趨勢，在考慮膨脹土路基填筑時，則以增濕膨脹變形為主，預測膨脹土路基工后含水率的變化非常重要。

（3）路基濕脹變形量的主要計算方法為分層總和法，求取每層的變形量的關鍵在于參數的確定，其中膨脹土路基的含水率可通過現場調研和數值模擬預估得到。

（4）為了預測膨脹土路基的變形，基于保濕防滲、濕度平衡的研究理念將逐漸在膨脹土工程實踐中得到普及運用，但其變形計算方法和理論仍有待進一步深入研究。

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2016-03-18