西部交通建设科技项目合同号：2002 318 00014：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月目录1、引言 01.1项目概况及研究意义 01.2国内外研究概况 01.3总体目标 (2)1.4技术路线 (2)2、主要研究内容 (2)2.1揭示典型膨胀土的物理力学性质和公路工程特性 (2)2.2膨胀土的膨胀潜势分类研究 (4)2.3膨胀土的工程分类研究 (5)2.4膨胀土的原位测试与评价技术研究 (5)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 (6)2.6编制膨胀土地区公路勘察设计指南 (6)3、主要研究成果 (7)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。