公路非飽和路基土的力學特性研究-報告簡本

1、公路非飽和路基土力學特性研究 研究報告簡本公路非飽和路基土的力學特性研究報告簡本0 引言已建公路在通車后不久，在雨水、地下水和車輛反復動荷載等因素的作用下，就出現(xiàn)不同程度的路基路面病害，如沉陷、開裂、翻漿、路堤邊坡失穩(wěn)等，遠未達到所期望的設計使用年限。路基路面破壞花費大量的人力、物力和財力進行養(yǎng)護維修，嚴重影響正常的交通營運，甚至誘發(fā)交通事故。就普遍關心的路基穩(wěn)定和變形問題，目前的研究基本上均依據(jù)飽和土的強度和變形理論。但大量的研究結果表明，經過壓實的路基填土仍處于非飽和狀態(tài)。在滿足現(xiàn)行路基設計規(guī)范壓實度要求的情況下，絕大部分壓實填土的飽和度在65%87%之間，平均為80%左右。據(jù)不完全統(tǒng)計：

2、填方路基邊坡在營運中的破壞，90%是由于降雨和地下水變化引起邊坡淺層局部漸進性破壞，進而引起路堤出現(xiàn)整體滑動；絕大部分路基病害及其誘發(fā)的路面破壞發(fā)生在公路建成后的頭兩個年頭，經過2年多的雨季，路基才逐步處于力學上穩(wěn)定的狀態(tài)。非飽和土由于氣體的存在，其性質與飽和土有顯著的差異。采用傳統(tǒng)的飽和土理論，無法真實反映路基土的本質，也難以建立起完善的設計方法，提出合理的病害防治措施。因此，從非飽和土的角度出發(fā)，采用非飽和土的理論與方法，對非飽和路基土的基本性質進行研究，解決路基設計的理論及相關工程技術問題是非常必要的。本項目為2005年度西部交通建設科技項目（合同號：2005318 740 10）。項目

3、以西部地區(qū)公路為背景，以西部地區(qū)公路路基修筑普遍遇到的粘性土、黃土為對象，以重慶、甘肅兩地的在建公路為主要依托試驗工點，采用室內外試驗測試、數(shù)值分析、理論解析等多種手段，對非飽和路基土的物理力學特性，以及影響非飽和土性質的主要因素水對非飽和路基土物理力學特性的影響進行研究，在此基礎上，分析非飽和土路基的強度與變形特性，提出基于非飽和土理論的路基設計及施工控制關鍵技術。1 主要研究內容本項目主要圍繞以下內容展開研究：（1）非飽和土路基工程病害特征及成因分析（2）非飽和路基土物理力學特性（3）非飽和土路基的變形與破壞特征（4）非飽和土路設計方法及施工控制技術通過本項目的研究，掌握非飽和土路基病害特

4、點及病害產生機理，得出非飽和路基土的物理力學特性指標，以及水對非飽和路基土力學特性和工程特性的影響規(guī)律，提出非飽和土路基設計與施工關鍵環(huán)節(jié)，達到完善現(xiàn)有設計方法、促進行業(yè)技術進步、減少工程破壞和隱患的目的。2 取得的主要科技成果通過研究，獲得了以下主要科技成果。2.1非飽和土路基工程病害特征及成因分析檢索了有關研究文獻（包括期刊論文、學位論文、研究報告、規(guī)范、著作）200多篇（本），收集了10多條公路的勘察設計文件資料，先后5次赴甘肅、四川、重慶等地對10多條公路進行現(xiàn)場調研，就非飽和土路基所處的環(huán)境地質條件、填料情況、病害特征、病害影響因素等進行了廣泛深入的調查。通過實際工程調研和文獻調研，

5、分析總結了非飽和土路基的病害特征及其病害產生的主要原因，概化出了非飽和土路基的破壞模式。（1）非飽和土路基工程病害主要表現(xiàn)為不均勻沉降和路堤失穩(wěn)而引起的路面破壞，外觀表現(xiàn)為裂縫和不均勻變形，這種病害占了所調查病害的絕大部分。路基邊坡失穩(wěn)是路基變形發(fā)展到一定程度之后的表現(xiàn)形式，大多發(fā)生在施工期和通車初期，在運營期也時有發(fā)生。黃土路基還易出現(xiàn)坡面沖蝕、風蝕掏空等病害。（2）引起非飽和土路基病害的原因是多方面的。地質勘察不到位、地基處理不徹底、填挖結合部未處理好、填料選擇不當、壓實不足、排水設施不完備或失效，以及水文地質條件改變、降水、車輛荷載等主客觀因素都會對路基病害的發(fā)生產生影響。就與非飽和特性

6、密切相關的原因而言，水的入滲是造成非飽和土路基產生變形與失穩(wěn)的主要原因。（3）非飽和土路基的破壞可概化為：路基裂縫、路基沉降、路基邊坡失穩(wěn)、邊坡沖蝕、支擋結構與附屬設施變形破壞等5大類。2.2非飽和路基土物理力學特性1. 采用壓力膜儀、壓力板儀、非飽和土三軸儀等多種手段，對非飽和路基土的土水特征曲線特性進行了系統(tǒng)的試驗研究，獲得了溫度、土壓實度、含水量、干濕循環(huán)條件、土顆粒級配、凈平均應力和偏應力等對土水特征曲線的影響規(guī)律，建立了考慮含水率、吸力、凈平均應力的3變量廣義土水特征曲線表達式，以及考慮含水率、吸力、凈平均應力和偏應力的4變量廣義土水特征曲線表達式。（1）非飽和路基土基質吸力隨溫度的

7、升高，近似線性降低；含水量越低，溫度對吸力的影響相對越大，反之，影響就越小。在總體上，溫度對非飽和路基土基質吸力的影響很小。（2）隨著含水量的降低，非飽和路基土基質吸力增大，在路基土常見的吸力范圍內（10kpa100kpa），半對數(shù)表達的土水特征曲線近似為直線。在相同含水率條件下，干密度小的土樣，基質吸力較大，路基壓實度超過90%以后，土水特征曲線趨于穩(wěn)定，因此，保證路基填筑壓實度在90%以上，對路基是有利的。（3）隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，干濕過程曲線斜率趨緩，土中孔隙的結構趨于穩(wěn)定。粗粒含量高的土，干濕循環(huán)的影響越小，路基趨于穩(wěn)定的時間更短，因此，粗粒土較細粒土更適合用作路堤填料。（4）凈平

8、均應力和偏應力對路基非飽和土的土水特征曲線均有影響，路基非飽和土基質吸力隨凈平均應力和偏應力的增加而減小。這一影響可采用3變量廣義土水特征曲線表達式和4變量廣義土水特征曲線表達式表達，其較好的反映了含水率、吸力、凈平均應力，以及含水率、吸力、凈平均應力和偏應力對土水特征曲線的影響。2. 采用真三軸試驗、非飽和土三軸試驗、非飽和土直剪試驗，深入研究了非飽和路基土的強度與變形特性，獲得了非飽和路基土的強度與變形特征，以及相關的強度與變形參數(shù)；在此基礎上，分析提出了非飽和路基土的加載和濕化變形計算模型，以及非飽和路基土的彈塑性模型。（1）不同的非飽和土，其強度曲線特征不同。不同吸力和干密度的非飽和壓

9、實黃土試樣均呈脆性破壞；而非飽和壓實普通粘土土樣隨著圍壓的增大，脆性破壞的趨勢減小。與相同壓實度、相同圍壓的飽和土應力應變曲線比較，非飽和路基土在各吸力下的應力峰值大得多。（2）非飽和土的吸力主要影響到土粘聚力。隨著吸力的增加（即含水量降低），粘聚力逐漸增大，而內摩檫角變化不大。吸力和密度對非飽和路基土有效內摩擦角影響很小，相同干密度的試樣，在不同吸力下的有效內摩擦角基本不變，且基本等于飽和土的有效內摩擦角，隨干密度的增加而增加，但變化很小；非飽和路基土有效粘聚力值隨著干密度的增加而增加。（3）4種應力路徑的非飽和壓實黃土三軸試驗結果表明，各種吸力下的非飽和土應力應變曲線與吸力等于零的飽和土相

10、應曲線具有相似的形態(tài)，基于此，提出了考慮吸力貢獻的非飽和土加載變形非線性模型。該模型包含土的變形和土中水量變化兩個方面，具有堅實的物理基礎和試驗基礎，是廣泛使用的鄧肯張模型的合理推廣，具有較大的實用價值。當吸力為零時，該模型自動退化為飽和土的鄧肯張模型。（4）圍壓、吸力、干密度均對濕化變形有影響，其中以干密度的影響最顯著，（壓實度93.3%）試樣的濕化變形約為（壓實度88.1%）試樣濕化變形的1/10至1/3。因此，提高壓實度可有效減少濕化變形量。（5）針對非飽和壓實黃土三軸剪切試驗結果，取應力水平小于80部分的應力應變關系曲線近似用直線代替，提出了濕化變形的線性簡化計算模型；取應力應變曲線峰

11、值點之前的一段，采用雙曲線模型進行計算，提出了濕化變形的雙曲線計算模型。（6）目前最流行的非飽和土彈塑性模型Barcerona模型在p-s-q三維空間有兩個屈服面：加載濕屈服面（LC屈服線）和吸力增加屈服面（SI屈服曲線）?；诖罅糠秋柡屯猎囼?，對其LC屈服線進行了驗證，修正了其SI屈服曲線，通過協(xié)調修正，建立了LC和SI的統(tǒng)一屈服面，解決了兩者之間耦合關系不明確，數(shù)值分析困難的問題。與此同時，用試驗確定了壓實黃土的Barcerona模型參數(shù)。土工真三軸儀 非飽和土三軸儀 3. 通過室內回彈模量試驗，獲得了壓實度、制備含水量、干濕循環(huán)對非飽和土路基回彈模量的影響規(guī)律，提出了考慮基質吸力的非飽和

12、土路基回彈模量預測模型。（1）路基回彈模量受壓實度和含水量的影響顯著。壓實度大、含水量小，回彈模量高，反之，回彈模量低。（2）干濕循環(huán)過程對路基回彈模量有著直接影響。在相同壓實度與含水量情況下，干濕循環(huán)階段不同，回彈模量也呈現(xiàn)出一定差異，這種差異主要體現(xiàn)在低含水量時。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，路基回彈模量逐步趨于穩(wěn)定。從減少干濕循環(huán)隊路基回彈模量的不利影響來看，路基壓實時，含水量控制在最佳含水量偏濕一側壓實較好。（3）引入基質吸力，提出了考慮基質吸力的非飽和土路基回彈模量預測模型，并根據(jù)室內回彈模量試驗結果和土水特征曲線試驗結果，獲得了非飽和壓實黃土路基回彈模量預測模型的相關參數(shù)。所建立的預測模

13、型可以較好的考慮干濕循環(huán)過程（或路基使用年限）的影響。2.3非飽和土路基的變形與破壞特征以陳正漢的非飽和土非線性固結理論為基礎，依托MSC.Marc軟件，利用Python語言，開發(fā)了一套可以進行路基最終沉降量和降雨入滲沉降量的計算的非飽和土路基沉降變形的數(shù)值分析軟件。通過現(xiàn)場降雨模擬試驗測試、室內模擬試驗和數(shù)值分析三個途徑，深入研究了降雨強度、降雨持時等對非飽和土路基吸力、應力與變形的影響，掌握了非飽和土路基的變形與破壞特征。（1）路堤沉降量受地基剛度和壓實度的影響很大，提高路堤的壓實度和地基剛度對減小路堤的工后沉降效果明顯。（2）降雨主要影響到路基表面的變形、強度與吸力。其影響深度與降雨強度

14、、降雨持續(xù)時間、路基壓實度、填料類型等有關。土石混填路基邊坡的降雨入滲影響深度遠大于黃土路基邊坡，前者的降雨入滲深度大于2.4m，而后者約在1.0m以內。（3）隨著降雨量的增大，越靠近路堤邊坡的中下部，基質吸力減少越大，加之壓實度的差異，使得在坡腳處黃土濕陷變形、土石混填路基沉降變形最大，坡中次之，坡頂處最小。邊坡的變形破壞可能最先發(fā)生路堤邊坡的中下部，進而導致邊坡的層層溜塌。（4）降雨強度越大，從降雨開始到徑流產生所需的間隔時間越短，土體越容易達到飽和，吸力下降越大。此外，雨水沖刷引起路基邊坡坡面沖溝發(fā)育，雨水入滲增大，導致土體強度的進一步衰減。降雨引起土體抗剪強度下降以及沖涮，這一雙重效應

15、是導致路堤邊坡失穩(wěn)的重要原因之一。（5）路基密實度越小，雨水入滲水分遷移進程越快。其他條件相同時，密度較小的路基濕軟區(qū)域大小明顯大于密實度較大的路基。比較大的濕軟區(qū)域易導致路基路面出現(xiàn)不均勻變形和縱向裂縫病害，甚至會導致路基整體破壞。（6）非飽和壓實黃土的吸力值要遠大于非飽和壓實土石混合土。現(xiàn)場實測結果表明：前者在30kPa以上，最大的吸力達到100kPa；后者在11kPa以下。 甘肅路基人工降雨模擬試驗現(xiàn)場重慶路基人工降雨模擬試驗現(xiàn)場 收集人工降雨過程中坡面徑流 讀取人工降雨后吸力數(shù)據(jù)2.4非飽和土路設計方法及施工控制技術在掌握非飽和路基土物理力學特性、非飽和土路基變形與破壞特征的基礎上，分

16、析提出了非飽和土路基穩(wěn)定與變形分析的簡化計算方法；結合已有經驗，提出了非飽和土路基設計與施工控制的基本原則，總結歸納了非飽和土路基病害處治的工程措施；通過工程應用，闡述了土工復合排水材料在非飽和土路基病害處治中的應用方法；形成了公路非飽和土路基設計與施工技術指南（1）借助土水特征曲線獲取非飽和土的抗剪強度是可行的，其獲得的bs曲線與非飽和土三軸固結排水試驗（CD試驗）得到的結果吻合較好。（2）基于簡化Bishop建立了非飽和土路基邊坡穩(wěn)定性方法，該方法簡單實用，與強度折減法得到的穩(wěn)定系數(shù)變化規(guī)律一致，且計算結果較為吻合。（3）基于非飽和土的本構關系，建立了考慮與不考慮側向變形的路堤沉降計算方法

17、，并給出相關參數(shù)的獲取方法及沉降計算的具體步驟。所建立的沉降計算方法能反映出路堤變形機理，概念清晰明確，不僅可用于荷載作用下的沉降變形計算，也可用于路基含水量變化引起的變形計算，用于估計路堤沉降變形是可行的。（4）不考慮側向變形與考慮側向變形所獲得的沉降計算結果差別很明顯?？紤]側向變形的路堤沉降比不考慮側向變形時大9.9%18.2%，說明在對路堤沉降進行估計時，側向變形引起的那部分沉降不可忽略。（5）基于對非飽和土二維本構面的簡化假設，以及對土水特征曲線的簡化假設，建立了考慮側限的路基沉降簡化計算方法。該沉降簡化計算方法將非飽和土問題轉化為飽和土問題，只需進行常規(guī)的試驗就可獲得相關參數(shù)，用于估

18、計路堤沉降變形，具有推廣應用價值。（6）非飽和土路基的設計與施工，應以減少路基病害為目標，針對路基變形與穩(wěn)定問題，從減少水對路基的影響著手，在水文地質勘察、地基處理、填挖結合部處理、填料選擇、路基壓實、路基防排水、路基路面交界部位處理等方面，強化相關的設計與施工。（7）不同的非飽和土路基病害類型，應采取不同的處治措施。從減少雨水入滲，減小土體的強度損失以及控制濕陷變形等方面綜合考慮，保證非飽和土路基達到設計壓實度，加強路基路面防排水，做好邊坡尤其是坡腳處的防排水措施，對防止降雨導致的邊坡失穩(wěn)、路基沉降或不均勻變形等具有重要意義。（8）土工復合排水材料可用于路肩、路基與路面結合部、路基與地基結合

19、部、填挖結合部、墻（臺）背等場合的路基內部排水，減少地下水對路基的危害，施工方便、效果良好。 復合排水材料的鋪設 處治完成后情況通過本項目研究，對非飽和土路基工程病害特征有了更深入的認識、掌握了非飽和路基土的力學特性與非飽和土路基的變形與破壞特征，使得對非飽和土路基工程病害的防治更加具有針對性。3 項目產生的影響項目從2005年8月開始，到2009年6月結束，歷經近四年的時間，順利完成了預期的目標，并在技術進步、人才培養(yǎng)、解決實際工程問題等方面產生了重要影響。（1）進一步促進非飽和土力學的發(fā)展。非飽和土力學目前尚不完善，項目研究涉及到非飽和土力學的多個方面，無論是理論研究，還是工程實際應用，都

20、將對非飽和土力學的發(fā)展和完善起到促進作用。（2）完善路基設計理論和方法，保障公路建設質量，促進行業(yè)技術進步。項目首次采用非飽和土的理論和方法對公路路基土的力學特性、路基的設計方法與施工控制進行系統(tǒng)、深入的研究，獲得了可供工程實際應用的多項成果，形成了公路非飽和土路基設計與施工技術指南。對保障路基質量達到長期有效，減少路基病害，增長路基路面的使用壽命，將起到積極作用，從而帶來明顯的社會、經濟和環(huán)境效益。（3）促進西部交通建設科技人才的培養(yǎng)和技術水平的提高。項目的實施，普遍提高了研究者和合作單位技術人員的科研素質和學術水平。在研究工作開展期間，共培養(yǎng)出博士6名、碩士8名，有3人晉升到高級職稱、2人晉升到中級職稱。這些科技人才走上工作崗位后，將會迅速適應工程環(huán)境，為我國的公路交通建設做出應有的貢獻。（4）解決生產實際問題，實現(xiàn)了科研與工程的良好結合。3個依托工程一個為黃土高填方路基，一個為普通粘土與土石混合填料的半填半挖路基，一個為挖方段路基，3個依托工程在填料、路基型式、所處環(huán)境條件上各具特色，面臨的工程問題也不盡相同，為科研工作的開展提供了良好的試驗條件。甘肅平定高速公路依托工程的黃土高填路基高度高，坡面寬闊，建設初期非常擔心其穩(wěn)定和沉降問題；重慶繞城高速公路依托工程半填半挖