膨胀土路基沉降量计算方法研究与实践

１Ｏ６　公　路　与　汽　运　Ｈｉｇｈｗａｙｓ＆Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　第１期　２０１０年１月　膨胀土路基沉降量计算方法研究与实践　吴科平　，杨　博　，王宏祥　，刘国才　（１．娄新高速公路建设有限公司，湖南娄底４１７１００；２．长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙４１０００４）　摘　要：膨胀土路基的沉降问题关系到道路的施工、养护及维修，涉及到道路的舒适性与安全　性。通过对各种膨胀土路基沉降量计算方法的比较，分析了其适用条件和不足之处；根据广西膨　胀土典型分布区的工程实践，采用Ｎｅｌｓｏｎ和Ｈａｍｂｅｒｇ法计算的沉降量与实际观测值最为接近，可　以在工程中推广使用。　关键词：公路；膨胀土；路基；沉降量　中图分类号：Ｕ４１６．１　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７１—２６６８（２０１０）Ｏ１一Ｏ１Ｏ６一Ｏ３　膨胀土是在自然地质形成过程中产生的一种多　土的物质成分、微观结构、气候、地形地貌、水源及通　风条件不同，胀缩沉降量的计算方法也有所不同。　１．１　规范法　裂隙并且具有显著胀缩性的地质体，对各类建筑具　有特殊的危害作用。膨胀土是由蒙脱石、伊利石、高　岭石或蒙脱石一伊利石的混层矿物组成的复合体，　此外，还具有一些原生的碎屑矿物［如石英、斜长石、　云母（水云母）］以及其他杂质。膨胀土具有超固结　性，裂隙性，吸水显著膨胀、软化，失水收缩开裂且反　复变形的工程特性。与一般土体相比，膨胀土的胀　缩性尤其特殊，膨胀土除受到上部荷载产生变形外，　还会在含水量变化时产生明显的胀缩变形。因此，　一《膨胀土地区建筑技术规范》（ＧＢＪ１１２—８７）给　出的地基沉降量计算公式为：　＝　＞：（　印　＋　Ａｗ　）ｈ　ｉ＝ｌ　式中：ｓ为地基土的最大胀缩总量；　为经验系数，　般取０．７；　为沉降计算范围内的土层数；　为第　ｉ层土在荷载ｐ下的膨胀率；　为第ｉ层土的线收缩　系数；△叫　为第　层土的含水量变化；ｈ　为第ｉ层土　的厚度。　膨胀土的变形分为两类：一类是在土体自重和上部　荷载作用下的压缩变形，即瞬时变形、主固结变形、　次固结变形；另一类是在外荷载与浸水等共同作用　下的湿胀变形，或在上部荷载与蒸发、风干、水位下　规范法所给出的膨胀土沉降量是路基在初始含　水量状态下可能发生的最大膨胀上升量和最大收缩　降等共同作用下的干缩变形。　在道路工程建设中，膨胀土的胀缩变形易引起　路基的不均匀沉降，促使路基产生各种病害，长期潜　在地威胁着工程的安全；同时，这些病害又加剧了行　下沉量之和。事实上，路基的沉降量是随时间变化　的，含水量也是多次反复变化，产生的膨胀正增量和　收缩负增量是能够部分抵消的。因此，按规范法所　得的沉降量结果一般偏大，必须选用适当的经验系　车对道路的破坏作用，加重了路基的不均匀性，造成　路面破坏的加剧。因此，准确地计算膨胀土路基在　施工期和使用期间的沉降量，预测工后沉降量的发　展趋势，对于预测、控制、整治膨胀土路基病害具有　重要的理论价值和工程意义。　数进行修正。　１．２　Ｍｉｔｃｈｅｌｌ法　Ｍｉｔｃｈｅｌｌ方法采用土吸力和不稳定系数来计算　膨胀土的胀缩沉降量，其公式为：　ｓ＝＞　Ｉ　Ａｕ　ｈｉ　ｆ　１　ｌ膨胀土路基沉降量的计算方法　膨胀土路基的沉降量中，由上部荷载压缩引起　的沉降量的计算方法与一般土体的相同，可按分层　总和法、规范经验公式法、指数法、Ａｓａｏｋａ法等进行　式中：５为地基土的胀缩总量；Ｉ　为第ｉ层膨胀土的　不稳定系数，　—ｃ　ｃ　；ｃ　为第ｉ层膨胀土的体应　变　为第ｉ层膨胀土的湿度特征值　一Ａｗ　／Ａｕ。；　Ａｕ　为第　层膨胀土的吸力变化量。　计算，这些方法已在工程实践中广泛使用。膨胀土　路基在吸水时产生膨胀、失水时产生收缩，由于膨胀　该方法运用非饱和土理论来计算沉降量，方法　比较明确，关键是吸力的量测，一般用于科研单位进　公　路　与　汽　运　总第１３６期　Ｈｉｇ‘ｈｗａｙｓ＆Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ａｐｐｌｉｃｈｔｉｏｎｓ　为膨胀土含水量的变化量。　１０７　行理论分析，而工程单位由于缺少必要的试验设备．　使用较少。　１．３徐永福法　徐永福通过膨胀土的膨胀变形试验，得到膨胀　土的含水量　与土层平均吸力　之间的关系：　一　ＢｕＴ，其中Ｂ是由试验确定的待定系数。膨胀土路　基胀缩沉降量计算公式为：　该方法利用含水量变化来计算膨胀土的沉降　量，抓住了膨胀土胀缩的关键，参数的获得都来自常　规试验，所以其适用面较广。需要注意的是，含水量　变化只是胀缩沉降的必要条件，而应力变化才是胀　缩沉降的充分条件。因此，在得到计算结果后，还必　须辅之以应力分析，这样计算的结果才能与实际更　Ａｈ一＞：（ａＢ／Ｘｕ７＋６）　ｈｆ　式中：Ａｈ为沉降总量；ａｕ７为膨胀土层的平均吸力　变化量；“、ｂ分别为膨胀量与含水量的相关直线的　斜率和截距。　徐永福根据膨胀土的渗水特征，得到三种符合　实际的吸力剖面，这三种不同的吸力剖面对应着不　同的地基情况，在工程中得到了一定应用。需要注　意的是，这三种吸力剖面具有地域性，不同性质的膨　胀土有不同的吸力剖面，在工程中必须结合当地条　件有选择地使用。　１．４　Ｓｅｎｔｈｅｎ法　Ｓｅｎｔｈｅｎ方法是用膨胀土的吸力变化来计算路　基的沉降量，其公式为：　［１ｎ“∞一ｌｎ（ｕ　＋　，）］＾　，　Ｕ　式中：ｆ　为膨胀土吸力系数，ｃ　一ａＧ　／（１００Ｂ）；　为　膨胀土的体积比（１十ｇ）／ｏ　与含水量叫相关的直线　的斜率；Ｇ　一　／　；Ｐｊ、　分别为土粒的密度和水的　密度；“　为不考虑上部荷载的膨胀土初始吸力；　ｌｎｕ　一Ａ—Ｂｗ，Ａ、Ｂ为待定系数；　，、　，分别为最　终吸力和上部荷载；ｈ、ｅ。分别为膨胀土的厚度和初　始孔隙比。　膨胀土的初始吸力可以通过现场试验确定，当　道路建成之后，吸力就无法直接量测，最终吸力只能　靠理论计算来确定。Ｓｅｎｔｈｅｎ给出了常用四种吸力　剖面：１）在整个活动带中，　，一０；２）在整个活动带　中，ｌｎｕ　随深度呈直线增加；３）在整个活动带中，土　处于饱和状态；４）吸力是某一平衡常量。实践证　明，第三种剖面与实际情况符合得较好，计算结果较　为准确。　１．５　Ｎｅｌｓｏｎ和Ｈａｍｂｅｒｇ法　该方法用含水量变化来计算膨胀土路基的胀缩　沉降，其公式为：　，　一　（ｃ　△　）　？　１—广ｇｏ　式中：＾ｉ为第ｉ层膨胀土的厚度；ｃ　为体应变；Ａｗ　加相符。　１．６增量法　利用时间增量法计算膨胀土路基沉降的公式：　（￡）一　（￡）＋５　（￡）十Ｓ印（￡）　式中：ｓ（￡）为时间ｔ内路基的总沉降量；　（￡）为时间　ｔ内路基的瞬时沉降量；　（￡）为时间ｔ内路基的主固　结沉降量；　母（￡）为时间ｔ内路基的胀缩沉降量。　这种方法考虑了胀缩沉降与含水量变化路径的　关系，反映了胀缩沉降随时间的变化情况，符合工程　实际。不足之处在于所分时段、层数很多，实际计算　中引起的累计误差增大，容易产生较大偏差。能否　找到一个划分层次合理、时段分析清晰、测量简便的　方法，是值得进一步探讨的问题。　１．７　Ｍｅｋｅｅｎ法　Ｍｅｋｅｅｎ方法的计算公式为：　△＾一ｆｃ＾△　ｈＳ　式中：Ａｈ为膨胀土层的胀缩沉降量；ｆ为修正系数，　一般取　一０．５～０．８３；Ｃ　为吸力压缩系数，即体应　变与吸力的相关直线的斜率；Ａｕ　为吸力变化量；Ｓ　为荷载影响系数．取（Ｏ．００１～ｉ．０）８…　该方法要求技术人员具有丰富的工作经验和当　地可供参考的工程设计资料，否则修正系数和荷载　影响系数的选取会给计算结果带来偏差。　２广西膨胀土路基沉降量的工程实践　广西宁明盆地、百色盆地和南宁盆地是中国典　型的膨胀土分布区。崇上（崇左一上思）二级公路　Ｋ４６一Ｋ５Ｏ段分布有近４　ｋｍ膨胀土，该段膨胀土是　一种典型的残积型膨胀土，由下第三系泥岩风化残　坡积物组成，多为粘土，呈可塑状，层厚４～１０　ｍ，残　余节理间距２．０＂－－２．５　ｃｍ，节理面铁化，两侧呈锈黄　色，且分布长大。选取Ｋ４８＋３６０为试验场地，其膨　胀土的物质组成和物理力学参数如表１、表２所示。　从表１可看出：崇左膨胀土以粉粒和粘粒占绝　大多数，粗粒很少，其中小于０．０７５　ｉＴｌｍ的含量占　９２．９３　，而小于０．００２　ｍｍ的粘（胶）粒占４３．４１　，　公　路　与　ｉｖｅ　汽　运　Ｈｉｇｈｗａｙｓ　ＡｕｔｏｍｏｔＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　１０８　第１期　２０１０年１月　将近一半。通常膨胀土中粘（胶）粒含量越高，其塑　性指数越大，土的胀缩性越厉害。　表１　Ｋ４８＋３６０膨胀土的物质组成　表２　Ｋ４８＋３６０膨胀土路基的物理力学参数　项目　数据　项目　数据　取样深度／ｍ　１．２～１．４　塑限／　２４．７　含水量／％　２３．２Ｏ　塑性指数　２Ｏ．７　湿密度／（ｇ・ｃｍ　）　２．１２　缩限／　１８．９　干密度／（ｇ・ａｍ　）　１．７２　自由膨胀率／　７６．０　液限／　５５．４Ｏ　饱和度／　７８．０　由表２可以看出：该土的塑性指数为２Ｏ．７，自　由膨胀率为７６　，为中等膨胀土。　根据现场观测到的地裂开裂深度、现场静力触　探试验和膨胀土地裂发育深度的理论计算，得出该　试验场地膨胀土大气影响深度为３．６　ｍ。对该试验　场地膨胀土试样进行三相收缩试验，得到体积收缩　指数为０．０３２　４。在地表处，把塑限含水量和缩限含　水量各自作为初始含水量和最终含水量，假定场区　膨胀土是均匀的，按一层考虑，采用不同的计算公式　得到的路基胀缩沉降量如表３所示。　表３采用不同计算公式得到的沉降量　计算方法　沉降量／ｒａｍ　规范法　Ｍｉｔｃｈｅｌｌ法　徐永福法　Ｓｅｎｔｈｅｎ法　Ｎｅｌｓｏｎ和Ｈａｍｂｅｒｇ法　增量法　Ｍｅｋｅｅｎ法　经过２年观测，得该试验场地路基沉降量为８７　ｍｍ。对比这几种方法的计算结果，只有Ｎｅｌｓｏｎ和　Ｈａｍｂｅｒｇ法计算的沉降量与实际沉降量最为接近，　该方法计算的沉降量可以作为工程参考，并且这种　方法计算简便，计算参数都可以通过常规试验来测　定；而其他方法的计算结果与观测结果差别较大。　因此，在广西膨胀土地区修建公路，推荐采用Ｎｅｌｓｏｎ　和Ｈａｍｂｅｒｇ法计算膨胀土路基的沉降量。　３　结　语　通过分析对比膨胀土路基胀缩沉降量各种计算　方法的适用条件及在广西膨胀土沉降量计算中的应　用，指出对于广西膨胀土分布区，Ｎｅｌｓｏｎ和Ｈａｍ—　ｂｅｒｇ法计算的沉降量与实际观测值最为接近，而且　这种方法的参数容易获取，推荐在工程中加以使用。　通过公式计算膨胀土路基胀缩沉降量对于路基　填筑土方量及工后沉降预测、控制和维护具有较大　的实用价值。但是，膨胀土的胀缩沉降量与膨胀土　的性质、初始干密度、初始含水量、上覆压力及当地　气候条件有很大关系，膨胀土特殊的性质和物理力　学试验指标量测的复杂性，给计算膨胀土的胀缩沉　降量带来了一定难度，寻求一种量测简便、误差较　小、精度较高的计算方法将是今后的研究方向。　参考文献：　Ｅｌｉ　廖世文．膨胀土与铁道工程［Ｍ］．北京：中国铁道出版　社．１９８４．　［２］郑健龙，杨和平．膨胀土处治理论、技术与实践［Ｍ］．北　京：人民交通出版社，２００４．　［３］ＧＢＪｌｌ２—８７，膨胀土地区建筑技术规范Ｉｓ］．　［４］　Ｓｎｅｔｈｅｎ　Ｄ　Ｒ，Ｈｖａｎｇ　Ｇ．Ｅｖａｌｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｏｉｌ　ｓｕｃｔｉｏｎ－ｈｅａｖｅ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ［Ａ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　７ｔｈ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｅｘｐａｎｓｉｖｅ　ｍｉｌｓ［Ｃ］．１９９２．　［５］徐永福．含水量变化引起膨胀土地基沉降的计算方法　［Ｊ］．河海大学学报：自然科学版，１９９８，２６（４）．　［６３　Ｓｎｅｔｈｅｎ　Ｄ　Ｒ．Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｘｐａｎｓｉｖｅ　ｓｏｉｌｓ　ｕｓｉｎｇ　ｓｏｉｌ　ｓｕｃｔｉｏｎ　ｄａｔａ［Ａ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　４ｔｈ　Ｉｎｔｅｒｎａ—　ｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｅｘｐａｎｓｉｖｅ　ｓｏｉｌｓ［Ｃ］．Ｄｅｎｖｅｒ，　１９７６．　［７］龚文惠，王元法，郑俊杰．膨胀土路基沉降的增量法分　析［Ｊ］．华中科技大学学报：自然科学版，２００３，３１（１）．　［８］　Ｍｃｋｅｅｎ　Ｒ　Ｇ．Ａ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇ　ｅｘｐａｎｓｉｖｅ　ｓｏｉｌｓ　ｂｅｈａｖｉｏｒ［Ａ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　７ｔｈ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｅｘ—　ｐａｎｓｉｖｅ　ｓｏｉｌｓ［Ｃ］．１９９２．　收稿日期：２００９一ｌ０—２０　踮