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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 1 项目研究报告简要

中文题名 英文题名 交通编号 单位编号 分 类 号 第一完成单位 项目负责人 膨胀土地区公路构造物地基与基础设计和施工技术研究 The Research of the Expansive Soil Foundations in Highway Engineering 土0720 南京水利科学研究院 章为民 教授级高工 王年香 教授级高工 李国英 教授级高工 戴济群 高级工程师 项目来源 合 同 号 项目起止年限 西部交通建设科技项目 2002 318 746 16 2002年8至2006年12月 章为民 教授级高工 报告撰写人 王年香 教授级高工 章为民、王年香、沈珠江、杨守华、徐光明、李国英、戴济群 南京水利科学研究院 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 四川交通勘察设计院 第一公路勘察设计院 广西基建局 河海大学 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 杨雪莲、周永江、朱学雷、谭昌明、余进元、程 强 余建华、胡德贵 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 杨绍静、吴绪浩、李 凯、廉向东、梁军林 王保田、张福海、张海霞 项目主要参加人 主 题 词 关 键 词 西部交通项目、膨胀土、构造物、膨胀土地基 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 2

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（10m×4m×2.5m）、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、宁淮高速公路、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（10m×4m×2.5m），进行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。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计规范，打下了重要的基础。 3

The Research of the Expansive Soil Foundations in Highway Engineering ABSTRACT Four 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 methods 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 highway 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 expansive soil foundation model tests (10m×4m×2.5m), 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 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 are 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 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 \And Construction Guide on the Highway Expansive soil Foundation\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”.

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目 录

1.前言 ..................................................................................................................................................................... 6 1.1 项目概况 ...................................................................................................................................................... 6 1.2 主要研究内容和技术手段 .......................................................................................................................... 6 1.4 项目的主要技术成果 .................................................................................................................................. 7 2. 膨胀土胀缩变形机理与膨胀模型 .................................................................................................................... 8 2.1 膨胀土的胀缩变形机理 .............................................................................................................................. 8 2.2 膨胀土的膨胀力 .......................................................................................................................................... 8 2.3 膨胀土的膨胀能量 ...................................................................................................................................... 9 2.4 膨胀土的膨胀模型 .................................................................................................................................... 10 3. 膨胀土的强度特性.......................................................................................................................................... 12 3.1 非饱和膨胀土抗剪强度与饱和度的关系 ................................................................................................ 12 3.2 干湿循环对非饱和膨胀土抗剪强度的影响 ............................................................................................ 14 3.3 非饱和土的强度理论 ................................................................................................................................ 15 4. 膨胀土地基与构造物相互作用大型物理模型试验研究 .............................................................................. 16 4.1 大型模型试验概况 .................................................................................................................................... 16 4.2 膨胀土地基浸水膨胀变形规律 .............................................................................................................. 17 4.3 支挡结构物上的膨胀压力和水平变形 ................................................................................................... 22 4.4 膨胀土地基承载力与变形特性 .............................................................................................................. 24 4.5 膨胀土中的桩基础 .................................................................................................................................... 25 5. 公路构造物膨胀土地基与处治离心模型试验研究 ...................................................................................... 28 5.1 研究途径和方法——离心模型试验技术 ................................................................................................ 28 5.2 膨胀土挡墙试验 ........................................................................................................................................ 29 5.3 桥台试验结果 ............................................................................................................................................ 30 5.4 涵洞地基试验结果 .................................................................................................................................... 31 6. 膨胀土地基与基础的非饱和土理论分析方法 .............................................................................................. 33 6.1 非饱和土简化固结理论 .......................................................................................................................... 33 6.2 对膨胀量的预测 ........................................................................................................................................ 35 7. 《膨胀土地区公路构造物地基与基础设计和施工技术指南》 .................................................................. 35 8. 依托工程和项目的效益、推广应用前景 ...................................................................................................... 36 9. 结语 ............................................................................................................................................................... 37 9.1 取得的主要研究成果 .............................................................................................................................. 37 9.2 研究成果的主要创新点 .......................................................................................................................... 38

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