（土地资源管理专业论文）基于抗剪强度的重庆丘陵山区土地整理土石坎工程优化设计.pdf

【。 y 18 8 帆眦1 嬲 独创性声明 学位论文题目：毖塑鱼歪塞建笸盈丞至逝垫壁塑丝堇歪塑爹 伉似肼 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中已加了特别标注。 对本研究及学位论文撰写曾做出贡献的老师、朋友、同仁在文中作了明确 说明并表示衷心感谢。 摊论文作者：荡t 褂嗍：月乡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院( 筹) 可以将学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：口不保密，口保密 期限至年月止) 。 学位论文作者签名：k 么 导师签名： 仍7 。j 守 1， 签字日期：如l1 年易月弓日签字日期： 甲ff 年月弓日 本文得到国家科技支撑计划课题“沿三峡库区坡耕地农业 面源污染综合治理技术研究与示范 r 2 0 0 7 b a d 87 8 1o j 和 西南大学生态学重点学科“2 11 工程”建设项目资助。 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章文献综述1 1 1 土坎设计的影响因素l 1 2 土坎稳定性验算4 1 3 石坎挡土墙设计4 1 4 结语7 第2 章绪论9 2 1 研究目的及意义9 2 2 研究目标9 2 3 研究内容9 2 。4 技术路线9 2 5 材料与方法1 1 第3 章抗剪强度影响因素分析1 3 3 1 干密度和含水率对土壤抗剪强度的影响1 3 3 2 干湿循环条件下土壤抗剪强度的动态变化2 3 3 3 小结2 5 第4 章基于抗剪强度差异的土地整理工程土坎优化设计2 7 4 1 无粘土土坎设计及稳定性分析2 7 4 2 粘土土坎稳定性分析2 8 4 3 小结2 9 第5 章基于抗剪强度差异的土地整理工程石坎挡土墙优化设计3 1 5 1 石坎挡土墙的形式31 5 2 土压力分析3 2 5 3 石坎挡土墙稳定性验算4 0 5 4 石坎挡土墙优化设计方法及其实现。4 1 5 5 结果与分析4 3 5 6 j 、结4 9 第6 章结论与展望5 1 6 1 结论51 6 2 展望5 2 参考文献5 3 攻读硕士学位期间的科研成果5 7 致谢5 9 摘要 基于抗剪强度的重庆丘陵山区土地整理 土石坎工程优化设计 摘要 土地平整是建设稳产高产农田不可缺少的重要措施，搞好土地平整，对合理灌排，节约用水， 提高劳动生产率，发挥机械作业效率，以及改良土壤、保水、保土、保肥等方面，都有着重要的作 用。坡改梯作为丘陵山区土地平整的主要形式，其主要包括降坡处理和土石坎修筑。但是，随着土 地整理等农田整治项目的大面积展开，已实施土地整理项目部分暴露出严重问题，尤其是丘陵山区 修建的土坎、石坎屡见垮塌。土石坎的修筑需要考虑到诸多因素，其中土壤力学性质、坡度以及降 雨等都是主要的影响因素。现在在土石坎设计时，其设计参数主要采用土地开发整理项目工程设计 标准提供的范围值，而不是针对具体环境条件下的参照值。因此，本文采用全自动三轴仪对广泛分 布于重庆丘陵山区的黄壤、钙质紫色土、中性紫色土三种土壤在不同含水率、干密度以及干湿循环 下其土壤抗剪强度进行了研究，在此基础上根据土石坎稳定性的需求，结合土力学理论确定不同土 壤类型在不同环境条件的土坎边坡稳定角，并通过编程计算出石坎最优断面，实现土地整理工 程土石坎设计优化，以期为重庆丘陵山区土地开发整理工程中土石坎设计提供科学依据。主要结果 如下： 1 土壤干密度、含水率和干湿循环对抗剪强度的影响 在相同干密度情况下土壤粘聚力c 随着含水率增加呈先增加后减小的趋势；在相同土壤含水率 水平下，土壤粘聚力c 总体随干密度增大而增大。土壤内摩擦角妒在各干密度条件下均随着含水率 增加呈明显减小的趋势。含水率和干密度的交互作用对粘聚力c 有显著影响，粘聚力c 在1 3g c m 3 1 7g c m 3 范围内随着干密度的增大而增大，且每一个干密度都有一个含水率与之对应，在这样一个 交互作用下粘聚力c 达到最大。含水率和干密度的交互作用对内摩擦角妒影响相对较小，同一千密 度下，其舻值差异不大，随干密度的增大缓慢增大，相对而言，含水率对内摩擦角妒的影响非常明 显。粘土相对砂土而言表现出了聚力c 及内摩擦角妒均较大的特点，即黄壤和钙质紫色土粘聚力c 及内摩擦角妒显著大于中性紫色土。三种土壤类型的粘聚力c 值均随干湿循环次数的增加均呈减小 趋势，且前两次循环c 衰减幅度都很大。从第三次干湿循环到第五次干湿循环粘聚力c 值衰减幅度 很小，趋于稳定。第五次干湿循环结束后黄壤力粘聚力c 略大于钙质紫色土，两者均大于中性紫色 土。三种不同类型土壤在几次干湿循环后内摩擦角缈总体呈减小趋势，但不同土壤类型间存在差异。 第五次循环结束后，黄壤内摩擦角为2 4 6 。，为最大：其次为中性紫色土，内摩擦角衰减为2 2 6 0 ； 钙质紫色土在第五次干湿循环结束后内摩擦角最小，为1 9 3 0 。 2 基于抗剪强度差异的土地整理工程土坎优化设计 对于砂土而言，如果土坎未经过干湿循环作用，其外边坡坡度角口允许值最大，达到3 4 0 ，第一 干湿循环对允许坡度角基本上没有影响，第二次到第四次外边坡坡度角允许值开始减小，第五次干 两南大学硕士学位论文 i i 湿循环结束后外边坡坡度角允许值达到最小。一般第五次干湿循环以后，土壤内摩擦角基本不再随 干湿循环次数在快速减少，而是趋于平稳，因此，对于中性紫色土如修建土坎，其外边坡坡度角可 设计为2 1 0 。无粘性土土坎稳定安全系数k ，只与内摩擦角妒和坡角口有关，与坡高无关，也与土壤 重度无关。 对于粘土而言，在其他条件相同的情况下，土坎外边坡稳定坡度角随着坎高的增加呈递减趋势。 高度在1 5 m 以内时，黄壤和钙质紫色土其外边坡稳定坡度角一致，当高度大于1 5 m 时，钙质紫色 土允许外边坡稳定坡度角较黄壤而言允许值更小，换而言之，土坎外边坡需更平缓才能满足稳定性 需要。从占地和稳定性考虑，黄壤在坎高3 m 以内可以按设计外边坡稳定坡度角修建土坎，而对于 在遂宁组发育的钙质紫色土区，土坎修筑高度宜控制在2 5 m 以内。 3 基于抗剪强度差异的土地整理工程石坎挡土墙优化设计 有排水设施和无排水设施对挡土墙所受土压力影响很大，以黄壤为例，随着挡士墙高度的增加， 挡土墙所受主动土压力呈增大趋势，其中有排水设施的挡土墙所受土压力在各挡土墙高度下均比无 排水设施所受土压力小，两者差值达1 7 。 随着挡土墙高度增加挡土墙所受主动土压力呈抛物线上升，高度从0 5 m 增加到2 m 时，土压力 增加相对较快，墙高2 m 所受主动土压力是墙高5 m 所受主动土压力的1 6 倍左右；高度从2 m 增加 到5 m 时，土压力增大较慢，墙高5 m 所受主动土压力是墙高2 m 所受主动土压力的6 倍左右。另一 方面，当墙后表面填土坡度角口一定，其他条件相同时，土压力俯斜( o ) 较仰斜的大( 黄绵土的粘粒含量，而且梯田土坎稳定性与其土壤粘粒含量呈相关， 实验测定表明黑垆土梯田土坎稳定性 红土梯田土坎稳定性 黄绵土梯田土坎稳定性。粘粒土具有 结构强度，如果粘粒土的结构受到扰动，其粘聚力c 降低。 1 1 2 含水率及干湿循环对土坎稳定性的影响 对于非饱和土，粘聚力受含水量的变化的影响很大1 2 , 3 ，内摩擦角受含水量变化的影响也较大。 朱建强等从土性方面探索梯地垮坎防治的途径与措施，研究认为，陕南几种典型筑坎土料的最大干 密度和相应的最优含水量与土粒平均粒径d 5 0 、小于0 0 0 5m m 土粒含量p 、塑性指数i p 、塑限含水 量。之间存在显著的相关关系：填筑土的抗剪强度主要受含水量控制，其强度指标与填筑含水量之 间存在显著的线性负相关关系，含水量对抗剪强度的削弱效应远大于干密度对抗剪强度的加强度效 西南大学硕士学位论文 应【4 1 。因而水分主要通过影响土体粘聚力c 、内摩擦角q 影响土体抗剪强度。总而言之，随着含水率 的增大，粘聚力呈增大后减小到趋势，含水率为1 1 时是一个界限点，超过1 l ，粘聚力开始迅速 减小，而后相对趋于平稳，非饱和土体强度明显下降。在较高含水率水平，土壤接近饱和状态时， 土壤抗剪强度下降，其有效应力较低【5 】。土体的抗剪强度与含水率之间的关系可近似采用直线关系 进行描述【6 ，7 1 ，两者之间具有较好的相关性，r 2 多在o 7 以上。降低含水率，可使颗粒之间的接触点 增大，分子之间的引力得到增强，削弱颗粒周围的结合水膜，降低土体结构破坏的可能性1 8 】。o s m a n l 9 】 认为可将含水率直接作为预测土坡稳定性的一个指标。胡昕1 1 0 】的研究表明，土壤粘聚力主要来源于 水膜联接，土壤颗粒的相互吸引和颗粒间的胶结，是土壤颗粒之间引力和斥力相互作用的结果，其 中土壤颗粒间的胶结和水膜联结对粘聚力的产生具有重要作用，因此土壤的粘聚力随着含水率的变 化而变化较大。含水率愈大，土壤颗粒间的水膜联结力愈小；随着含水率的减小，水膜联结力逐渐 增大，含水率增大，水膜联结力逐渐减小，当土体达到饱和状态，水膜联结力完全丧失。当土的含 水率达到某一值后，颗粒胶结作用由于颗粒间的胶结物被溶蚀而丧失，因此，当含水率逐渐增大时， 水膜联结力先逐渐减小，当含水率增大到某一特定值后，水膜联结力和胶结作用一起减小。 对于膨胀土】，其强度和含水量有着密切的关系，强度随着含水量增大而显著降低，粘聚力下 降程度比内摩擦角更明型1 2 l 。土壤剪切强度，除了初始含水率和固结压力，排水条件是一个重要影 响因素【i3 1 。膨胀土在浸水后会有一个稳定强度，但不同地区不同含水量其稳定状态强度值不尽相同， 这个稳定强度对研究工程安全具有重要意义。因此，膨胀土的边坡等有关工程，采取必要的防水保 湿措施显得非常必型1 4 】。另一方面膨胀土土体本身的渗透性与降雨强度对边坡的影响程度密切相关， 当雨强大于土体本身的渗透性时，边坡渗流受雨强的变化基本不考虑裂隙两种情况的影响。考虑裂 隙的膨胀土边坡在降雨过程中，随着土体含水率的增加，其抗剪强度下降，造成边坡安全系数大幅 度下降i ”l 。对于膨胀土边坡，土体渗透性与边坡稳定性密切相关，土体渗透性越小，边坡越稳定。 裂隙的存在对土坡中体积含水量分布和孔隙水压力有着显著的影响，土体安全系数随着开裂深度增 大而呈减小趋势。土体渗透性越大，裂隙的作用随着降雨持续时间的延长而逐渐减弱的趋势也更加 明显。降雨入渗后，软化的土体可能会沿着裂隙面发生被动破坏，从而产生局部破裂面，在持续降 雨条件下，此裂隙面有可能逐渐扩展，最后发展成为膨胀土中常见的渐进式滑坡1 1 6 1 。对于低渗透性 的膨胀土，不能忽略裂隙对体积含水率和孔隙水压力的影响，膨胀土渗透性越低，越应注意裂隙的 作用【l7 1 ，空隙水压力的增加使得土壤颗粒间的有效应力降低，从而导致土体抗剪强度的降低。此外 如果土体失水产生裂隙，这就破坏了土的均匀性和连续性，使土体内应力产生重新分布，形成强度 软弱带，在一定应力作用下，失水历时越长裂隙开裂程度越大，土体强度降低越多。无约束条件下 膨胀土的干缩胀湿都能引起裂隙等发育、扩张以及闭合。在干燥过程中，大裂隙宽度变窄，小裂隙 宽度会扩展，增湿过程中，小裂隙会闭合，大裂隙会扩展【l 引。 对于膨胀土而言，随着干湿循环次数的增加膨胀土的膨胀率和收缩率都对应减小，同一干湿循 环次数下，由于竖向荷载对膨胀土的抑制变形作用，有竖向荷载的胀缩率比无竖向荷载的小；循环 次数影响膨胀土胀缩变形后的抗剪强度，随着循环次数的增加，膨胀土的粘聚力减小，但是内摩擦 2 、 第l 章文献综述 角基本不变【1 9 1 。随着干湿循环过程的发展，击实膨胀土的相对膨胀率降低而绝对膨胀率增大，第二、 三级循环起主要作用，前3 次循环膨胀土的体缩率、线缩率和收缩系数衰减速度很快【2 0 】，之后，膨 胀特性开始趋于稳定。i k i z l e r l 2 i 】采用神经网络对膨胀土的膨胀力进行了预测，描述了膨胀土的膨胀 现象。b a s m a 2 2 】采用超声波扫描电子显微镜对膨胀土四个干湿循环进行了调查和观察，发现随着干 湿循环的交替，膨胀土存在膨胀、萎缩受到显著影响，土壤结构受到破坏。杨和平1 2 3 】通过对广西宁 明地区的膨胀土通过常规直剪试验测定研究认为，c 值在第一次干湿循环后衰减最厉害，之后的2 3 次循环趋于一个稳定值，完成第4 次干湿循环后又有较大的衰减，妒值在第一次干湿循环后有较大 幅度衰减，之后又升至0 次循环水平，此后变化有细微起伏，但总体而言数值变化已经不大。因此， 膨胀土士体强度受气候影响明显，干湿循环对土壤抗剪强度参数中内摩擦角9 值的影响明显大于对 粘聚力c 值的影响【2 4 1 。干湿循环导致粘力集聚，微观结构改变，从而形成膨胀土的循环特性1 2 5 i 。 大量试验表明，由于土壤长期接触水并存在干湿交替过程，其抗剪强度受到显著影响【2 6 1 。因此， 有必要添加其他材料改善土壤性质。膨胀土一般通过添加石灰或二灰进行改良，随着石灰掺量的增 加，土壤性质得到改善，膨胀土的塑型指数、膨胀性减小，强度指标增加，改性后的膨胀土其力学 特性和抗剪强度指标得到显著增耐”l ，相比之下，用石灰更经济【2 8 1 。在自然条件下土坎必然经历失 水、吸水、在失水周而复始的过程，那么这个过程后不同土壤类型的土体强度如何变化极具研究价 值。 1 1 3 干密度对土坎稳定性的影响 分析降雨对土坡稳定性、填土工程问题的一个重要参数为非饱和土的渗透系数。而干密度对渗 透系数有着重要的影响，随着渗透系数的增大，吸力呈非线性减小趋势，同时随着干密度的减小而 增大；在吸力较高时，渗透系数受干密度的影响较小：在吸力较低时，渗透系数受干密度的影响较 大1 2 9 】。翟聚云认为初始含水量相同时，初始干密度越大膨胀力和膨胀量越大；初始干密度相同时， 初始含水量越大膨胀力和膨胀量越小；其他条件相同时上覆压力越大膨胀率越j , 、1 3 0 , 3 ”。另一方面， 不同的干密度下，对于击实的非饱和膨胀土而言具有不同的初始结构，在净围压和吸力以及剪切时 偏应力的作用，初始结构发生改变，表现出不同的剪切特性，总体来说，在初始干密度越大的情况 下，随着轴向应变的发展，土样膨胀的趋势也更加明显f 3 2 1 。因此，抗剪强度参数随着干密度的变化 而变化【3 3 1 ，干密度越大，抗剪强度指标值越大1 3 4 1 。苗鹏【3 5 】通过改进的试验手段，对膨胀土膨胀力与 初始干密度、初始含水率和竖向压力的相关关系及其对各因素的敏感性进行研究认为，在8 0 0 k p a 范 围内，膨胀土的膨胀力随着竖向压力和初始含水量的增大而减小，随着干密度的增大而增大；膨胀 力与竖向压力成半对数线性关系，而与初始含水量和初始干密度几乎成线性关系；干密度对膨胀力 的发挥影响最大，其次是含水量，最后为竖向压力。 由于土的含水率和干密度变化是相关联的，土体粘聚力受干密度、土体含水量以及粘粒含量的 共同影响，他们之间相互制约相互联系【3 6 1 。土体饱和度对基质吸力产生影响。在干密度为某一确定 值时，基质吸力随饱和度的增大而呈现一种单调递减的变化规律；在含水率为某一确定值时，基质 3 5 秘十 静：_ 两南大学硕七学位论文 吸力随着饱和度的增加呈现出先增大后减小的变化趋势p 7 1 。对于低液限粘土，其抗剪强度与干密度 和含水率有很强的相关性，粘聚力与干密度呈线性关系，与含水率呈二次曲线关系；内摩擦角与干 密度和含水率均呈线性关系，两者之间存在着交互效应，这样的交互影响可按乘法效应进行组创3 引。 通过对南京地区典型粉土进行三轴固结不排水试验，李苏春认为主应力峰值随着干密度增大而增大， 另一方面空隙水压容易出现负值，表现出较大的剪胀性；干密度较大时，土样处于密实状态，有效 主应力比应变曲线接近于软化型性状，从而表现出剪胀特性；当干密度较大而围压较小时，试样较 之干密度较小而围压较大的情况更容易表现出软化特征，出现峰值，同时产生明显的剪切带即滑裂 面，强度显著降低1 3 9 1 。而对非饱和土而言，其内摩擦角几乎不受干密度的影响，粘聚力随干密度呈 指数增加【4 0 1 。 1 1 4 坡度对土坎稳定性的影响 土坎稳定性还受土坎外边坡坡度影响。坡度被认为是影响土坎稳定性的一个敏感因烈4 。在一 定的土质和土坎高度的条件下，土坎坡度越小则土坎稳定性就越高，但土坎的占地和单位用工也就 大，经济成本较高，反之土坎的稳定性也就越差，因此必需设计最优的土坎坡度。郑晓峰对秦川区 现有土坎总结分析认为土坎高度在2m 以内则其经济安全坡角应为7 4 0 - - 8 0 0 ；土坎高度在2 4m 之 间，其经济安全坡角应为7 0 0 7 4 0 ；土坎高度在4 6m 以内，则土坎经济安全坡角应为6 6 0 - - 7 0 0 i 。 但该数据为经验数据，不一定适合丘陵区。因此须采取适当的方法计算不同土壤不同高度的土坡外 边坡坡度。 坡度对表层土壤抗剪强度也有一定的影响：坡度不大于1 5 0 左右时，表层土壤抗剪强度会随着坡 度的增加而减小，之后再随着坡度的增大土壤抗剪强度增大。抗剪强度之所以会受坡度的影响，主 要还是由于坡度对土壤含水率的影响，进而影响抗剪强度的变化【4 2 1 。坡度还通过影响土坎高度从而 影响土坎的稳定性，在其他条件相同时，坡高越小，土坎越稳定。 1 2 土坎稳定性验算 边坡稳定性分析根据目前的研究主要有毕肖普法、瑞典法和简布法三种。这三种方法在不同边 坡坡高、坡度角、土壤含水率以及抗剪强度参数情况下计算得到的安全系数既具有一致性，又表现 出了差异。通常情况下，毕肖普法和瑞典法计算所得安全系数差异并不大；安全系数受土壤含水率 内摩擦角对三种方法计算结果的影响并不大，计算结果基本一致：当坡高、坡度角变化时，简布法 与瑞典法和毕肖普法计算得到的安全系数表现出了较大差异，坡度角是导致这三种方法计算结果差 异性的最主要因素；当边坡为直立式时，三种方法的计