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.docx
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1、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
2、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
3、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
4、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(10m4m2.5m)、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、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(10m4m2.5m),进行
5、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。
6、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
7、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 meth
8、ods 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 large-scale model test, unsaturated soil theory. The in-situ tests and field tests in Nanning to Youyiguan road, Nanjing to Huaian h
9、ighway 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 ex
10、pansive soil foundation model tests (10m4m2.5m), 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
11、 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 ar
12、e 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
13、 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 Fo
14、undation 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
15、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31
16、6. 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
17、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
18、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
19、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
20、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
21、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
22、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
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