（交通运输工程专业论文）膨胀土路基边坡稳定性分析及边坡综合治理研究.pdf

摘要 本文以襄荆高速公路膨胀土试验路段的试验结果为基础，分析了膨胀土路段 边坡滑塌的力学机理，建立并验证了膨胀土路基边坡滑塌的几何形态，将其应用 于膨胀土路基边坡的稳定性分析计算中。指出膨胀土的胀缩性、裂隙性、强度衰 减性、软弱结构面是导致膨胀土路基边坡滑塌的根本原因，从而为准确评价膨胀 土路基边坡的稳定性提供理论依据。 通过理论分析和试验实践总结提出：相对稳定的坡率还必须与其它工程项目 相结合，采取相应的处理预防措施，进行综合治理 关键词：膨胀土路基边坡滑塌胀缩性裂隙性强度衰减性软弱结构 面稳定的坡率综合治理 a b s t r a c t ： o nt h eb a s i so ft h et e s tr e s u l to fas e c t i o no f j i n g - x i a n gf r e e w a y ss w e l l i n gs o i l e x m n i n a t i o n , t h ep a p e ra n a l y s e st h em e c h a n i c a lm e c h a n i s mo fs w e l l i n g 鼬i l s i d e s l o p e sc o l l a p s e a n de s t a b l i s h e st h eg e o m e t r ys h a p eo fs w e l l i n gs o i ls u b g r a d e s c o l l a p s e o nt h e o t h e rh a n d , t h e p a p e ra p p l i e st h i sr e s u l t 幻a n a l y s e s a n dc a l c u l a t e st h e s t a b i l i t yo f s w e l l i n g s o i l ss u b g r a d e t h i r d l y , t h ep a p e rp o i n to u tt h a tt h ek e y l e a , s o n so f s w e l l i n gs o i ls u b g r a d e sc o l l a p s ea r es w e l l i n gs o i l se x p a n d - s h r i n kp r o p e r t y c r a n n y p r o p e r t y 、s t r e n g t hd e c r e a s ep r o p e r t y a n dw e a kf r a m es u r f a c e p r o p e r t y a st h e r e s u l to f t h i s ，t h ep a p e rp r o v i d e st h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o re v a l u a t i n gt h es t a b i l i t yo fs w e l l i n g s o i ls u b g r a d e ss i d es l o p e ， f i n a l l y , t h ea r t h o rp o i n t o u tt h a tt h er a t i oo fs i d es l o p e ss e l e c t i o ns h o u l dc o n s i d e r e d w i t hf a c t u a lp r o j e c ti t e m sa n da d o p tc o r r e s p o n d i n gd i s p o s a lm e t h o d ss oa st op r e v e n t s i d es l o p e s c o l l a p s e ， k e y w o r s ：s w e l l i n gs o i ls u b g r a d e ss i d es l o p e 、c o l l a p s ee x p a n d - s h r i n kp r o p e r t y 、 c r a n n yp r o p e r t y 、s t r e n g t hd e c r e a s ep r o p e r t y 、w e a k f r a m es u r f a c ep r o p e r t y 、s t e a d ys i d e 掌位论文墟创性声龋 y 5 8 2 0 3 c 厣人一明肝曼变的学位论文是我十人在导师指导r - 鞋行的姘究上怍及职槽 的研览瞳豢。嚣我铲知陈：z 丰特号；j 挖圳椽注期散谳熊地方鼻，沧文中不包台 其他人矗擐发衰或撰写过的研究成果。也不曳鲁为差i i = 得东南大雌或其它教育机梅 的拳t 或茁f 两使用过自c 柯科。与襄一蓐工誊：弛葛卷衬奉珂孵f 镦的妊何簧i l i l 均 已在i 卺j c 年作了明请们谚踢捧表示j 谢意 萎南堆一日期苎凹 荚早学位论文使用授权的说明 东南太举中目i i 学技柬信息研甓所，胃采魔书馆有扳保誓本人瞪邀蛩学位 嘧z 的复印件瑚电子支世，可“采用影印渣印赋其值复制手段像存静文本人 电毋曳转的肉誊羊日缑脯仓t 内窖相一致除在促密期内盼保誉论文解j b 许论 文被壹阅和渣阅，可以公布( 包括干( 登) 论文的垒部或都分内窖。论文的公布( 包 括刊登) 授敦朱零大学研究生院孙理。 签名：= 蛳导师签名：三魉日期：鲢：兰二2 lz ， 东南太举工程硕士学铖论文 第1 章前言 在膨涨土遗嚣，无论是潞颦或路堤，极萁普遍丽严蘸豹边坡交形岛基 床燮形，都是其它土质路基中所罕见的。膨胀土地区的公路线上，由于大 气物避风化作用穰湿胀干缩效应，边坡土块耪解，土体摭剪强度衰减，露 造藏边坡静藩蝠、滑坡、线路静不均匀下沉、翻浆、嚣溅等交形病害现象 十分突出，而常常使路基的坚突和稳定性遭照破坏，造成线路失稳，影响 行率安全。我国凌总结膨胀土娥区修建的铁路时，就鸯“逢堑必滢，笼堤 不塌”之说。膨胀主边瑗变形嗣破坏常常飘鬻多次反复饿和长期潜在熊险 性的特点。 膨胀土地区鼹罄工程的稳定性，已成为警蘸公路工稷缝质孛一个举可 忽褫豹重要研究谦藤。由于膨胀具有与正常嗣结精土不阋的一些工襁特 性，如超固结性，裂隙性和遇水膨胀、失水收缩开裂等特性，使得常舰的 边坡稳定分析方法不完全适用予膨胀边坡。嚣i 避，有翳要对路堤、路錾 边玻稳定分析方法进行探讨。 宓践证明，相对稳定的坡率还必须与其墩防治工程项目结合，相辅相 成，熬同终耀，才憨维持好一个稳定的边坡。逮瑗陵治必矮赞对边坡懿特 性、环境的影响以及边坡各部癸的应力和变形特性，采淑相应的处理、预 防措施，进行综合治理。 濒j e 襄莠l 毫遽公鼹毒羧责任公司为了旗僚本工程夔簸爨，篾要瓣凌澎 胀i 黼基这一不怠工程地质灾害，以及提高路基土强度，以满足规程、规 范和工程施工质量和技术要求，又要经济合邋，节省投资，决定立题为“湖 j l 省鼗粼毫速公鼹膨骚土鼹段膨强特性帮工程处理与黪妒疆究”矮嚣开 展科研试验段研究工作，拟程开工之前通道组织路基试验段施工，探索 施工缎验，解决相必的技术难题，以指导施工。 东南大学工程硕士学位论文 受湖北襄荆高速公路有限责任公司委托，湖北省交通规划设计院承担 了该项目的研究工作( 本人主持) 。我院已于2 0 0 0 年1 0 月向业主( 湖北襄 荆高速公路有限责任公司) 提交该项目阶段报告之一( 科研路段填方地段 填料土质调查与膨胀土改性试验研究报告) 。 随后，我院又组织了科研人员开展了膨胀土原状样、击实土样以及中 膨胀土石灰改性土、粉煤灰改性土的室内剪切试验，对路堤和路堑边坡稳 定性进行了分析，并对边坡综合治理进行了评述，提出了建议，现将其作 为阶段成果介绍如下。 2 东南大学工程硕士学位论文 第2 章膨胀土路堑边坡稳定性 2 1 概述 膨胀土路堑是高速公路通过膨胀土地层经开挖而形成的土工构筑物， 如同铁路、渠道以及所有在膨胀土中开挖的边坡工程一样，都会引起自然 条件的改变，如：( 1 ) 破坏了原有自然平衡的地貌形态；( 2 ) 边坡土体临 空，破坏了原始内应力的平衡条件；( 3 ) 使埋藏一定深度的土体暴露于大 气，并直接与降雨、蒸发、温度等大气营力发生作用；( 4 ) 改变了边坡土 层的水文地质条件；( 5 ) 环境因素的变化与作用等。因此，使膨胀土路堑 边坡产生了极其复杂的工程地质作用，尤其是在施工过程中，以及通车初 期，极易出现变形破坏。 膨胀土的胀缩变化、强度衰减对路堑边坡稳定性的影响，一直是岩土 工程技术人员关注的而又一直没有能得到很好解决的问题。 2 2 膨胀土路堑边坡滑坡特点及其成因 2 2 1 路堑边坡变形类型及其特征 ( 1 ) 剥落与泥流 剥落是边坡表土经物理风化作用使土棱块解体，破裂成松散土粒，在 重力作用下沿坡面滚落堆积于坡脚的现象。这种作用的特征是：剥落物质 小，沿坡面层层深入，主要发生在蒸发作用强烈的干旱季节，一般旱季越 长，蒸发越强烈，剥落越严重，多在坡面下受物理风化作用显著的表层约 0 1 o 2 m 深度范围。 剥落在路堑中大多只造成边坡的后退，初期无明显其他变形产生。但 这种现象在膨胀土边坡中却十分普遍，各坡皆有。而且剥落的松散物质在雨 季被水流裹带搬运则形成泥流，常成为侧沟或涵洞淤积的主要物质来源。 ( 2 ) 冲蚀 1 东南大学工程硕士学位论文 低等特点，是边坡失稳的内在因素。而外因则是环境平衡的徙失，在边坡 开挖成形过程中，上覆土层重量卸除，引起土体结构松弛和应力改变，而 应力重分布导致软弱结构面剪应力增大。同时，雨水下渗促使结构面强度 软化，并进而使坡腰受拉而开裂，随后雨水直接渗入裂缝中，两端剪损处 浸水软化，开裂和滑动继续向坡项发展形成了多级滑坡台阶的牵引式滑坡。 2 3 膨胀土强度特性 膨胀土是一种特殊的粘性土，实践证明，膨胀土抗剪强度受环境因素 的影响，较普通粘性土要复杂得多。抗剪强度参数的研究，对公路路堑边 坡稳定性验算有重要的意义。 2 3 1 膨胀土强度特性 膨胀土的强度变化比一般粘土复杂得多，这是因为，膨胀土是多裂隙 结构的土体，而且在多数情况下，裂隙的分布具有随机性。同时，膨胀土 富含亲水性粘土矿物，遇水软化，导致强度大幅度衰减。因此，膨胀土的 强度既具有一般粘土的共性，又有别于一般粘土的特性，而且表现出一种 典型的“变动强度”特性和规律，同时具有峰值强度极高，残余强度极低 的性质。膨胀土斜坡变形破坏的演化，实际上也是膨胀土体在自然因素和 人为因素的综合作用下，经过往复干缩湿胀效应，其抗剪强度随时间衰减 的过程。自然状态下的膨胀土体除表层因大气风化营力作用而解体，使强 度降低外，在一定深度处的膨胀土均具有坚实的起始高强度特性，室内或 现场原位剪切试验都表现为极高的峰值强度。不同地区膨胀土的抗剪强度 值变化很大，同一地区膨胀土的抗剪强度值相差也很悬殊，这种现象一方 面是因为组成各地膨胀土的物质成分和结构的不同所产生的，另一方面与 膨胀土的湿度状态，外部压力，以及环境条件等有密切关系。 ( 1 ) 土块强度、结构面强度与土体强度 由单一土层组成的膨胀土边坡或若干土层组成的膨胀土体，实际上是 若干层面与裂隙面及其充填物所包涵的土棱块单元体联结而形成。土棱块 13 东南大学工程硕士学位论文 单元体之间的联结力视裂隙的闭合与张开状念、以及裂隙自j 充填物的性质 与含水情况等决定。显然，将膨胀土体视为均质体的假设与实际是不相符 合的。 膨胀土中的各种裂隙是土体的应力集中区中，裂隙面的强度最低，因 而在外力作用下首先出现破坏，随着裂隙扩大形成新的应力集中区，继续 受力产生连续破坏，将裂隙连接贯通，直到土体产生完全破坏。因此，对 于裂隙发育的膨胀土体，其抵抗破坏的能力，实际上是与阻止裂隙扩大的 能力紧密相关的。 从这一观点出发，提出采用土棱块强度、结构面强度和土体强度的概 念，来描述具有孔隙裂隙介质不连续膨胀土体的抗剪强度特性。 土棱块强度，系指单元结构体的强度，在土体中属于裂隙结构面所控 制的理想单元体，一般采取不含可见裂隙的天然原状土试样，以室内直接 快剪测试强度来表示，可以用来描述土体原始结构的高峰强度。 结构面强度，一般由裂隙面或层面的形状、坡度、光滑程度、充填物 性质以及含水条件等来决定，影响因素十分复杂。因此，结构面强度变化 范围较大，具有十分典型的变动强度特点。由于结构面是边坡或地基土体 中的主要应力集中区，在这里土的抗剪强度最低。如果一些短小裂隙发展 形成长大的贯通裂隙，或者土层间夹有低强度的软弱夹层，或是土体因风 化营力作用而形成不同程度的风化带，或膨胀土与非膨胀土相接触等等， 所有这些结构面构成了膨胀土边坡或地基的多层结构体系，于是在复杂的 界面效应作用下，导致结构面抗剪强度进一步降低，常常成为膨胀土边坡 或地基产生滑动破坏的重要原因之一。目前，对结构面强度的研究，大多 数包括膨胀土的裂隙面强度、滑动面强度以及层间接触面强度等。 土体强度，是指包括土棱块强度与结构强度在内的土体综合抗剪强度， 但是土体强度并不是土棱块强度与结构面强度的简单叠加，而是土棱块与 结构面内在联系的综合反映。显然，土体强度低于土棱块强度，高于结构 1 4 东南大学工程硕士学位论文 面强度，介于两者之间。 根据对膨胀土边坡稳定性的理论研究和实验观测，土体强度主要受结 构面的影响。出均一土层组成的边坡，稳定性一般较好；包涵有各种结构 面的复合主体组成的边坡，则容易产生变形破坏，这是边坡土体不同强度 的表现，因此，土体强度也是一种变动强度，它除了与土棱块和结构面的 不同组合有关外，还与边坡的高度和坡度以及环境条件有关。 目前，在实际生产中，一般采用现场原位大面积剪切试验，以求得土 体强度的近似值，或采用实际发生的滑动面反算抗剪强度，以求得土体强 度。 ( 2 ) 强度衰减 挖方边坡中产生的滑坡，有许多是在施工开挖后历时若干年才发生的， 几乎所有膨胀土边坡，一经开挖后，坡率都有逐渐变缓的趋势，比较典型 的襄渝线七里沟路堑，坡率从1 ：1 7 5 变到l ：8 ，湖北荆门枣树店边坡， 坡率由1 ：2 变到1 ：l o 。膨胀土边坡开挖后的初期变形十分普遍，而且从 边挖边滑开始，频繁变形，不断推延，持续多年长期不稳，这是边坡土体 强度衰减的最明显表现。所以，长期以来，工程界存在着一种土体强度随 时间而衰减的观点。 在工程中，新开挖的路堑或渠道边坡膨胀土体，在天然含水量时的原 始结构状态，其抗剪强度是高的，可以看成是峰值强度。随时间的推移产 生强度衰减的机理，实际上是边坡上体暴露于大气后，一方面由于原来的 超固结特性使土体产生卸载膨胀；另一方面因为在风化营力( 主要是温度 和水) 作用下。土体经过往复干缩湿胀效应，使原始结构遭受破坏，原生 隐微裂隙张开扩大，新的胀缩裂隙与风化裂隙又不断产生，土中应力集中 现象愈来愈发展，甚至形成局部破坏区，土体强度显著降低。此外，在土 一水体系作用中，随着土中水分的增加，膨胀发生，固体颗粒被推开，土 颗粒周围的结合水膜厚度增大，颗粒与颗粒之间由固体接触变为水膜接触， 15 东南大学工程硕士学位论文 此时抗剪强度显著减小。 膨胀土在自然气候因素下，随着时间的推移，由于昼夜温差、季节温 差与干湿循环、多年气候的变化等，土体长期产生往复胀缩变形，使强度 降低。显然，这种强度衰减是相对于高峰值强度的新开挖土体强度而言的。 膨胀土抗剪强度具有如下特牲规律： 各类膨胀土的抗剪强度均随含水量增加而降低，天然含水量状态( 一 般低于塑限) 时峰值强度极高，干湿循环后土的结构破坏，含水量增加， 抗剪强度随之衰减，即含水量增加，土体积膨胀，抗剪强度最后接近于一 常数值。 由于物质组成、胀缩性等的不同，抗剪强度也表现出各自的敏感性 差异。亲水性愈强，胀缩性愈大，抗剪强度衰减愈快；反之，则愈慢。 ( 3 ) 残余强度 残余强度的概念，是指试样在一定垂直有效应力作用下，进行排水剪 切试验时，当抗剪强度超时峰值强度( r ，) 以后，抗剪强度将随剪切位移 的增加而逐渐降低，最后达到某一稳定值，这一稳定强度即称残余抗剪强 度( r ，) ，或简称残余强度。 己有的研究表明，残余强度与粘土原始强度无关，也与起始含水量和 密度没有关系，而是只取决于粘士颗粒的形态、大小、含量和矿物成分等 因素。由于膨胀土富有含有较多蒙脱石与伊利石等亲水性粘土矿物成分， 粘土颗粒不仅含量高，且多为细小鳞片状、板状等扁平颗粒形态。在剪切 过程中，方面剪切面上扁平粘土颗粒( 主要是集聚体) 容易随剪切方向 产生高度定向排列，另一方面剪切面上粘土产生膨胀，使颗粒之间距离增 大。而且裂隙张开与吸附电位增加都将引起水分转移，使剪切面上的含水 量增大，而导致强度降至充分软化程度。所以，一般非膨胀土粘土的残余 强度仅比峰值强度略小，而超固结膨胀性粘土的残余强度，则远远低于峰 值强度，两者相差较大。残余强度值与含水量没有明显关系。i 类强膨胀土， 东南大学工程硕士学位论文 粘土矿物成分以蒙脱石为主，粘土颗粒含量高，残余强度普遍较低，i i 类 中等膨胀土和1 1 1 类弱膨胀土，粘土矿物成分均以伊利石为主，粘土颗粒含 量都比i 类膨胀土少，所以，其残余强度比i 类土要略高一些，但i i 、i i i 两类土相差不大。 2 3 2 影响膨胀土抗剪强度的主要因素 ( 1 ) 膨胀土的物质成分 研究表明，膨胀土中的粘土矿物成分类型及其含量，不仅决定着膨胀 土的亲水性、塑性和膨胀性等，而且明显地影响膨胀士的抗剪强度特性。 抗剪强度相对应表现为高岭土最高，伊利土次之，蒙脱土较低，皂土最低， 充分反映了细颗粒蒙脱石矿物对强度的降低作用。 因为自然界的膨胀土并非是单一矿物组成，而是由多种矿物组成的复 合体。因此膨胀士体的强度往往是多种矿物成分及其含量的不同组合的综 合表现。据对蒙脱土和伊利土、以及蒙脱土和高岭土的不同比例混合土进 行试验研究，无论蒙脱土与伊利土，或蒙脱土与高岭土相混合，其混合士 的抗剪强度凝聚力c 没有明显的规律，但内摩擦角。混合土中蒙脱土含量 的增加而逐渐降低。特别是当混合土中蒙脱土的含量从零开始掺合到百分 之几时，混合土的抗剪强度则大大降低，衰减十分显著。当蒙脱土的含量 掺合到2 0 时，则抗剪强度降低到无蒙脱土土样强度的2 3 。由此可见， 蒙脱土含量明显是影响膨胀土的抗剪强度。 据此，通常采用在膨胀土中掺合非膨胀土( 如砂土、粘砂土等) 的办 法，以降低混合土中亲水性粘土矿物成分含量的比例，增加粗颗粒成分的 比例，从而达到提高抗剪强度的目的。 ( 2 ) 结构与构造 天然状态膨胀土的抗剪强度特性，在许多方面都与土的结构和构造有 关。 裂隙对峰实粘土强度的重要影响，自太沙基( t e m a g i ，k ，1 9 3 6 年) 1 7 - 东南大学工程硕士学位论文 首先予以注意以来，己被大量室内和野外大型原位剪切试验所证明。 无论是收缩裂隙，还是风化裂隙或卸荷裂隙，都破坏了土的均一性和 连续性，易产生应力集中，从而影响膨胀土的抗剪强度。试验发现，膨胀 土的抗剪强度表现出明显的各向异性，当土中裂隙倾斜面与旌加的剪切应 力方向一致时，试样最易破坏，钡4 得的抗剪强度也最低；但当土中裂隙面 与剪切应力方向垂直，或试样无明显张开裂隙时，则试样不易被剪损，此 时土的抗剪强度较高；若裂隙不规则或剪切方向与裂隙面斜交时，破坏情 况较复杂，抗剪强度值可能介于两者之间。此外，裂隙面的起伏和粗糙程 度对膨胀土抗剪强度也有明显影响，一般平坦而光滑裂隙面要比起伏而粗 糙裂隙面的强度要低得多。 ( 3 ) 含水量 试验证明，凡是粘土的抗剪强度都与土的含水量变化有关。但膨胀土 因富含亲水性粘土矿物成分，其抗剪强度与土的含水量变化的关系尤为密 切，即膨胀土的抗剪强度受含水量的影响特别敏感。 天然干燥状态膨胀土试样的抗剪强度，凝聚力c 可以高达2 0 0 k p a 以上。 内摩擦角a 可大到4 0 - - 6 0 。但是，一旦试样充分浸水达到胀限含量，抗剪 强度则将大为降低c 可以低到lk p a ，甚至c = o ，中小到l 一3 。充分 反映了水对于膨胀土强度的高度软化作用，这是膨胀土与一般粘土不同的 重要特性之一。 很显然，随着土中含水量的变化，膨胀土的干容重也将随之变化。通 常，含水量增大，土体吸水膨胀，干容重减小，土的抗剪强度降低；反之， 含水量减小，干容重增大，土的抗剪强度提高，土中含水量的变化，也反 映了土的结构联结的变化。 ( 4 ) 上覆压力 、研究表明，膨胀土的抗剪强度有随着土层深度加大而增高的规律。如 安康膨胀土，地面下0 6 1 1 m 深处c = 1 7 k p a ，庐= 1 3 。1 0 ；土层深 1 s 东南大学工程硕士学位论文 度增加到3 5 5 0 9 m 时，自重压力加大，抗剪强度也提高到c = 8 1 k p a ， 由= 2 7 。3 07 。这一方面表明土体风化程度与抗剪强度的关系，另一方面 也清楚地反映出，从地表向下随着深度增加，土的自重压力增大，抗剪强 度提高。 ( 5 ) 不同试验方法 试验方法不同，一方面标志着试样的大小、起始条件和均一性等的差 别，另方面表明试样在剪切过程中受力条件、变形状态也不一样，因此 同一类膨胀土不同的剪切试验结果相差较大。 目前，常采用的剪切试验有：应变式模拟直剪、应变式原状试样直剪、 应变式饱和直剪、三轴模拟剪切、垂直加压法原位直剪等。据研究，在这 些剪切方法中，三轴模拟剪切，由于试样的受力条件较好，剪切过程中易 沿裂隙较弱结构面剪损，故抗剪强度最低，反映了结构面强度的因素；应 变式直剪仪模拟剪切，由于试样受到剪切盒的限制，剪损面只能沿人为剪 切面破坏，故抗剪强度比三轴模拟剪切强度要高，反映了土棱块强度和结 构面强度的综合强度性质。 对比室内小试样剪切与野外大面积原位剪切试验结果，原位剪切强度 粘聚力c 高于三轴剪切c 值，低于其它方法剪切c 值，而内摩擦角庐却高 于其它方法剪切的西值。这可能是因为原位试验土条面积较大，试样制各 过程中原始结构未受到扰动，超固结应力未能全部解除，所以保持了高强 度特性。而模拟剪切试样的原始结构已经受到破坏，结构和亲水性都发生 了变化，因而强度较低。 通过以上对膨胀土强度研究，归纳起来可以得到： 膨胀土抗剪强度与一般粘土抗剪强度具有显著区别，这是膨胀土的 土质和土体结构的综合表现。 膨胀土的抗剪强度是种“变动效应”，呈显著的衰减特征，其特性 规律主要取决于膨胀土的土质特性、土体结构及其起始湿度和密度状态， 1 9 东南大学工程硕士学位论文 以及环境条件。 膨胀土属于多裂隙土，抗剪强度可分为：土棱块强度、结构面强度和 土体强度。土棱块强度一般以实验室测试强度近似表示，用作设计强度偏高； 结构面强度以测试裂隙面、滑坡面和层面等强度表示，选作设计强度偏于安 全；土体强度则是土棱块强度与结构面强度的综合反映，比较符合实际。 膨胀土的强度特性，普遍表现出峰值强度极高，残余强度极低的特点。 不同的物质成分和不同的胀缩等级的膨胀土的强度有很大的差别。 因此，进行膨胀土路堑工程的边坡稳定性分析或利用膨胀土填筑堤坝时， 对各类膨胀土必须区别对待。 裂隙和层问软弱土体是控制强度的主要因素。在定条件下，对裂 隙进行数理统计分析，得出裂隙产状变化规律、裂隙密度、充填物性质， 判断可能的破坏面，并分析沿裂隙面与剪断土块分别占整个可能滑动面的 比例，进而确定边坡土体的强度指标。 水位变化幅值区和水位以下，由于干湿效应和经受浸水饱和作用， 土体体积将产生很大变化，强度衰减快。因此，水位变幅段上、下必须分 别采用不同的强度指标。 地下水的作用，一方面使土体软化，另一方面是地下水的升降变化 直接加速土体的湿胀、干缩循环，二者都会降低土体强度，特别是孔隙水 压力的变化是一个非常重要的因素，应予重视。 具有显著流变特性的强、中膨胀土，驱迫土体强度随时间而逐渐衰 减，并趋向于某一稳定值。因此，取值要考虑长期强度。 强度值的选取，是建立在具有代表地质条件的试验资料的基础上。 在选择试验数据时，要符合于客观地质体的实际情况。 应该强调的是，采用残余强度等于给予膨胀士或层间软弱面一定的强 度储备，但并不意味着保守，而是工程实践和试验研究赋予人们对膨胀土 力学属性认识的深化。 2 0 东南大学工程硕士学位论文 2 3 _ 3 膨胀土抗剪强度取值讨论 ( 1 ) 取值的有关问题 膨胀土的超固结性、多裂隙性和胀缩性导致强度的变化和变形形式的 复杂性。由于土体在地质历史时期曾受过比现在更大的先期固结压力因而 具备了应变软化的特征。三轴试验和现场大型抗剪试验表现，试件多数沿 不同形状的裂隙而破坏，由于裂隙在不同深度和不同方向发育程度差异， 各方向抗剪强度也因之而异。膨胀土体承受荷载时，应力集中到裂隙弱面， 在较小的变形条件下，软弱面上的应力越过峰值后使应力向周围区域转移， 形成了各个击破的渐进性破坏。同时，由于土体内含大量强亲水性粘士矿 物，它们遇水膨胀和失水收缩，因而在地温和含水量变化影响深度带内， 强度的降低尤为明显。而且，不同的载荷与试验方法对强度也有很大的作 用。因此，膨胀土的破坏性质与取值是个相当复杂的问题。但是，通过大 量的试验资料分析，认为抗剪强度的取值要从影响强度的主要地质因素、 试验条件、工程边界条件以及稳定计算方法综合加以考虑。具体来说，对 于公路工程边坡稳定性分析的强度指标取值似应考虑下列问题： 不同的物质成分和不同的胀缩等级的膨胀土的强度有着很大的差 别。因此，进行膨胀土堑坡稳定性分析和利用膨胀土填筑堤坝时，对各类 膨胀土必须区别对待。 裂隙和层间软弱面是削弱土体强度的主要因素。在一定条件下，对 裂隙进行数理统计分析，得出裂隙产状变化规律、裂隙密度、充填物性质， 判断可能的破坏面，并分析沿裂隙面与剪断土块分别占整个可能滑动面的 比例，进而确定边坡土体的强度指标。 堑坡风化层受气候影响明显，干湿效应强烈，土体体积将产生很大 变化，强度衰减快。因此，簸坡风化层、未风化层必须分别采用不同的强 度指标。 具有显著流变特性的强、中膨胀土，斯坡士体强度随时间而逐渐衰 2 1 东南走学工程硕士学位论文 减，并趋向于某一稳定值。因此，取值要考虑长期强度。 强度值的选取，是建立在具有代表性地质条件的试验资料的基础上。 在选择试验数据时，要符合于客观地质体的实际情况。 根据上面的叙述，无论从置信度、折减系数的选定、在强度组成中 起作用的大小和可靠性以及在承荷过程中发挥出来的先后等方面来看，对 膨胀土的t g 中和c 都应当不同看待。例如c 值对环境因素的改变比较敏感， 值域较宽，考虑折减系数或安全因数就应该给予较小的折减系数和较大的 安全因数。 ( 2 ) 强度理论 通常，膨胀土的峰值抗剪强度是相当高的，但从失稳的膨胀士边坡反算 出的抗剪强度却往往远远低于其峰值。这现象较早就引起了土力学专家们 的注意。不同的学者在各自研究的基础上提出了不同的理论和选取强度的办 法，对强度的取值问题做出了较大的贡献。我国近几十年来，在大规模的工 程建设中遇到了大量的膨胀土边工程问题，有关单位开展了较广泛的现场测 试及室内试验等研究工作，获得了较丰富的有价值的研究成果，加深了对膨 胀土强度特性及破坏机理的认识。现将已有的强度理论归纳如下： 渐进性破坏理论。 l b j r r u m 认为，超固结膨胀土的边坡破坏是逐渐的，其抗剪强度并非 在整个滑动面上同时发挥。即由于裂隙的存在和开挖边坡所产生的应力释 放，造成膨胀土强度的不均匀性和应力差异，当土中某一点的剪应力增加 到等于该点土的抗剪强度时，则该点产生剪切破坏。这种剪切破坏逐渐传 播，最后引起坡体的整体滑动。d w t a b l o r 形容这种剪切裂面的发展如同 “撕裂一张纸一样”。a w s k e m p t o n 认为，膨胀土边坡滑动时，整个滑动 面上的抗剪强度差不多降低到完全软化强度。完全软化强度是在强度降低 过程中产生的，通常用重塑土正常固结后进行排水剪求得的峰值强度作为 完全软化强度的近似值。 2 2 东南大学工程硕士学位论文 滞后破坏理论 膨胀土边破坏往往是在开挖后几个月或若干年，甚至几十年才发生， 对此，许多学者进行了长期的探索工作。a w b i s h o p 和b j c m l m 认为膨胀 土堑坡由于应力集中和吸水等原因会造成土质软化，因而使c 随时间而 减小，引起滞后破坏。他们对伦敦粘土的大量反算证明了粘聚力c 确实随 时间而降低。b j e m 啪于1 9 6 0 年发表了滞后破坏的模式图，表示了开挖时 以及开挖后稳定系数和孔隙水压力随时间的变化情况，s k c i l p t o n 和h e i l l 【e l 经多年的观测证实了上述结论，并用孔隙压力比( yu = l l ，yz ) 来表示坡体 内的孔隙水压力，据此，r j c h m d l e r 和s k 锄p t o n 认为滞后破坏的根本原 因，除了由于存在裂隙的关系，使c 值随时间降低外，更主要的是由于孔 隙水压力达到平衡的速度非常缓慢所致。 极限平衡一弹性理论 朱梅生认为，膨胀土边坡的首次滑动是因为坡脚附近首先产生剪切区 ( 塑性区) ，该区由于应变软化而强度降低，从而导致坡体破坏。掘此，他 建议穿过剪切区的滑弧采用残余强度，剪切区以外的滑弧采用峰值强度。 另外在地表拉裂区范围内的强度取为零。这种根据坡内应力分布的具体情 况划分不同的抗剪强度区的想法是合理的，这比常规的不计应力强度变化 的影响而沿整个滑动面采用单一强度标准的方法是一大改进。 气候作用层分带法 潘君牧认为，边坡土体在气候引起的风化作用下，作用层的强度会随时 间衰减，从而引起边坡的破坏。他根据边坡土体风化程度随深度的变化分为 三层，i 层为强风化层，土体破碎，能充分蒸发，并迅速吸水，干缩湿胀尤 为明显，建议采用残余强度；i i 层为过渡层，采用峰值强度与残余强度之平 均值；i i i 层为未风化层，可视为保持原状土的性质，采用峰值强度。 胀缩效应法 廖世文等认为，膨胀土边坡的变形演化实际上是土体在风化营力作用 2 3 - 东南大学工程硕士学位论文 下，由于反复干缩湿胀效应，其抗剪强度逐渐衰减的过程，并建议采用“模 拟”边坡土体干缩湿胀效应的方法测试膨胀土的抗剪强度。 分期分带法 廖济川认为，确定膨胀土的抗剪强度考虑以下三个方面：强度分带的 界限。为使界限明确，按地下水位上下分别取强度值；强度使用期限。按 短期及长期稳定分别取不排水及排水强度值；膨胀土的工程特性。对胀缩 性考虑长期浸水或干湿效应，对超固结为渐进性破坏，对裂隙性为裂隙状态。 分段取值法 刘祖德、李柏乔等建议在膨胀土堑坡设计中，高差每4m 左右设一级 平台。最高级斜坡的滑动面上可取巾值的残余值加上2 3 峰值与残余 值之差，然后每下降一级，中值就减少1 3 的峰值与残余值之差，直到 残余值。由于c 值受风化作用及应变软化作用的影响较大，将遭到比中值 更大的衰减影响，建议最高一级斜坡的滑动面上可取c 的残余值加上2 9 的峰值与残余值之差，然后每下降一级，c 值就减少l 9 的峰值与残余 值之差，直到残余值。 非饱和土的强度理论 非饱和土是由固相、液相和气相组成的复合介质，在液相与气相之间还 存在着一个水和气的交界面。交界面两侧出现一个压力差，孔隙水的压力l l w 为负，孔隙气的压力u a 为正，压力差( u a u w ) 称为吸力或毛细压力，也 称为张力，表示土的基质对土中水分的吸持作用。在交界面上进行着复杂的 物理化学现象。因此，交界面的性质既不同于液相，也不相同于气相。 对非饱和土强度理论的研究，仍然采用m o h r - c o u l o m b 的准则，已有的 研究，有如下几种： ( a ) 美国垦务局( u s b r ) 的方法。美国垦务局对非饱和土强度研究 开展得比较早，他们在强度问题上的处理方法是分别考虑u a 和i i w ，并得 出两种强度参数乇，芘和吒w ，芘。二者的主要差别在c 值上，而值较为 2 4 东南大学工程硕士学位论文 接近，工程设计究竟采用何种参数视工程具体情况而定。 ( b ) b i s h o p 的理论。a w b i s h o p 在他的非饱和土有效应力表达式的基 础上，将抗剪强度表达为： r f 2 c + 【o 一“。+ x ( “。一。) 】t g ( 2 3 1 ) 式中，c ，为饱和土抗剪强度的有效应力指标；x 为有效应力参数， 其物理意义或理解为单位土面积上水压力作用的面积，数值取决于土类、 饱和度、干湿循环以及加荷和吸力的路径。对于饱和土x = l ；对于干土x = 0 ； 一般土为o x 1 。 b i s h o p 的理论已为许多学者所接受，但由于其中的吸力( u a u w) 数 值难以测定，而且x 参数值也不易选定，所以一直未能大量地在工程中应用。 ( c ) f r e d l u n d 的理论。d g f r e d l u n d 等人提出以两个独立的应力 分量( o ) 和( u w ) 来表达非饱和土的强度，抗剪强度的表达式为： r f = c7 + ( o r a ) t g + ( “。u 。) t g 妒6 ( 2 3 2 ) 并建议以三维空间坐标来表达破坏面。从式( 2 3 2 ) 可知，该破坏面 为一平面。c ，萨为饱和土抗剪强度的有效应力指标，庐6 为r 一( “。) 平面内强度包线的坡角，即吸力内摩擦角。 式( 2 3 2 ) 的物理意义是把外加总应力( 口一) 引起的剪阻力和土 内部吸力( u 。一u 。) 引起的剪阻力分开，两者的作用是不同的。方程经 s k g u l h a t o 、d j s a t i j a 和d y f h o 以及d g f r e d l u n d 本人等验证， 所有的数据基本上落在了一个以r 、口一u 。、“。“。为坐标轴的三维空间中 的平面上，相关性较好。 f r e d l u n d 等人的成果已得到国际公认和局部采用，但由于目前的吸力测 试技术仍较繁难复杂，所以也未能在工程实践中大量应用。 上述强度理论强以归纳为两种思路：一是考虑时间因素的渐进破坏和 在空间上的分带取值；另一个思路是按非饱和土考虑，这是研究膨胀土强 2 5 东南大学工程硕士学位论文 度问题的主要途径。 ( 3 ) 强度取值讨论 1 9 9 3 年水利水电工程地质勘察规范提出取值原则，对于具有显著流变 特性的强、中膨胀土宜取长期强度做为标准值，弱膨胀土、含钙、铁结核 的膨胀土，可以采用峰值强度的小值平均值做为标准值。 根据膨胀土的试验成果分析，强、中膨胀土的长期强度相当于饱和固 结快剪峰值强度的o 7 5 0 8 0 ，或略高于残余强度。在工程实践中，由于大 量的长期强度试验比较困难，因此，现时在工程上较广泛地采用极限平衡 弹塑性理论与强度的分带界限及强度使用期限。应根据膨胀土的类型，结 合考虑公路工程的规模等级及重要性而采用峰值强度和残余强度来建立强 度条件。应该强调的是，采用残余强度等于给予膨胀土或层间软弱面一定 的强度储备，但并不意昧着保守，而是工程实践和试验研究赋予人们对膨 胀土力学属性认识的深化。 刘特洪在南水北调工程中曾针对膨胀土渠坡提出建议性的取值方法， 可作为参考。 渠道水位及地下水位以下的剪切区滑动面，稳定分析中，c 值取残余强 度的小值，辔西值取残余强度平均值： 渠道水位以上的边坡稳定分析计算强度采用峰值强度折减而得，其中c 值折减1 ，2 ，t g 庐值折减2 0 ； 综上所述，膨胀土地区路堑边坡问题的强度研究中应特别强调两点： ( 1 ) 膨胀土的裂隙性是影响边坡失稳的最直接最主要的因素；( 2 ) 软弱结 构面，尤其是其中的层间软弱状况，是膨胀土边坡的勘探、试验和分析中 首先应注意的对象。弄清软弱结构面的密集度、走向、开度、充填物特性 和各种情况下的抗剪强度，将对膨胀土边坡稳定的研究起关键作用。 2 4 膨胀士室内抗剪强度特性试验 鉴于膨胀土的裂隙性是影响路堑边坡稳定失稳的最直接最主要的原 2 6 东南大学工程硕士学位论文 因，且受含水量影响显著，在膨胀土路斯边坡稳定性分析中，常用残余强度 作为撮主要的强度参数，这为膨胀土边坡稳定评价提供了一定的强度储备， 但在路堑一定深度范围内，如超过大气影响深度，膨胀土可视为保持原状 土的性质，在选择强度参数时，可采用峰值强度，为此，我们根据土质调查 的结果( 见阶段报告之一) ，在k 1 0 2 + 1 7 5 桩号处挖了一个长2 5 m 、宽1 2 m 、 深1 s m 的探坑，在坑内1 3 1 8 m 处，进行了人工取原状样，用所取得的原 状土样代表膨胀土原状样开展直接快剪、固结快剪和反复慢剪三种直接剪 切类型的试验，试验是在南京电力自动化设备厂生产的d j y 4 四联等座直 剪仪上完成的，以 ( j t j 0 5 1 9 3 ) 和土工试验方法标 准( g b j l 2 3 8 8 ) 为试验依据，根据设计图纸中路堑边坡的高度，采用的 垂直压力分级为5 0 l ( p a 、1 0 0 l 【p a 、2 0 0 k p a 和3 0 0 k p a 。所得在不同垂直压力 条件下的剪应力如表2 4 1 所示，抗剪强度与垂直压力的关系曲线如图 2 4 1 2 4 3 所示，相应所求得的抗剪强度指标如表2 4 2 所示，其中反复慢 剪所得的剪应力与剪切位移关系曲线随剪切次数的变化如图2 4 4 所示。 表2 4 1中膨胀土原状祥赢接剪切试验结果 不同垂嘉压力下的剪应力( ”a ) 剪切类型 5 0 k p a1 0 0 k p a2 0 0 k p a3 0 0 k p a 5 3 9 35 4 5 28 4 0 09 6 0 5 直接快剪 4 1 5 84 8 ，9 17 2 7 28 7 4 4 4 6 6 26 0 1 41 0 4 4 01 1 5 6 4 圃结快剪 4 6 6 27 4 4 19 9 6 01 3 1 9 2 第一次剪3 2 7 6 5 4 5 29 2 4 0 1 2 9 8 0 反 第二次剪2 7 ，8 54 7 2 77 8 9 69 1 7 5 复 慢 第三次剪 2 4 1 94 1 1 86 9 6 08 3 5 4 剪 第四次剪 2 2 6 83 7 4 46 2 4 0 7 9 5 3 第五次剪2 1 5 53 5 1 05 7 1 27 6 7 0 2 7 东南大学工程硕士学位论文 表2 4 2 中膨胀土原状样抗剪强度指标 直接快剪固结快剪反复慢剪 取样含水 深度 密度 餐 峰值强度残余强度 ( r j m 3 )c q 黔 c ( p c q ( 钟 ( k p a )( k p a ) ( o )c d咻c聃 ( k p a )( o )( k p a ) ( o ) 1 | 3 4 1 81 0 ，63 4 11 6 3 1 8 1 8 73 3 51 4 72 1 11 2 11 2 4 3 1 81 0 83 5 41 8 o 1 2 0 r 一 墨8 0 广_ 彬一 r 1 ， 型”r 一 |f 橛 l l 0 一一一 l 1 一 0 1 ( 1 0 2 0 03 0 04 0 0 自直压力( k p a ) ( a ) ，1 旧1 ，吲 f i 福n i ， 01 0 02 0 03 0 04 ( 垂直压力( k p a ) ( b ) 图2 4 1中膨胀土原状样赢接快剪抗剪强度与垂直压力关系曲线 1 6 0 j 主1 2 0 ! 喜8 0 i 恻- r 4 0；碰 矗n 01 0 02 0 03 0 04 0 0 垂直压力( k p a ) ( a ) 1 5 0 1 2 0 量9 0 文6 0 墨3 0 0 一 y 1 0 02 0 03 0 04 0 0 垂直压力( k p a ) ( b ) 图2 4 2 中膨胀土原状样固结快剪抗剪强度与垂直压力关系曲线 2 8 东南大学工程硕士学位论文 1 2 0 8 0 4 0 0 一, i o k f m 二：蕊刚 l 一唧m h 024 剪切位移( m m ) ( c ) 第三次剪 r 1 2 。 重8 。 誉。 拯 0 1 5 0 1 0 0 5 0 0 主8 0 专 荟4 0 韶 0 r 厂r ! ：l - - - - - l j 旷 。 24 剪切位移( 啪) ( b ) 第二次剪 务切位移( 志) ( d ) 第四次剪 一f i o k p e l j 二# 勰： i - 3 0 0 k p b ! h p ，一 r 一。 p 一；l 三：一 目，_ ： ： 汐_ _ 一。 l2 46 剪切位移( m m ) ( e ) 第五次剪 图2 4 3 中膨胀土原状样反复慢剪抗剪强度与垂直压力关系曲线 2 9 专r 毪赦 4 舯 “剪 一 日d 1 i v r 词霹 东南大学工程硕士学位论文 _ 、一 r 型 器 垂直压力( k p a ) 图2 4 4中膨胀土原状样反复慢剪剪应力与剪切位移关系曲线 从上图表可以看出，所得抗剪强度参数c 、币值随剪切类型的变化规律 以及反复慢剪剪切强度随着剪切次数的变化规律均与国内外的结果相一 致，说明所得强度参数反映了中膨胀土原状土样的剪切强度特性，进行路堑 稳定性分析宜采用的强度参数如表2 4 3 所示。 表2 4 3 路堑边坡稳定性分析强度参数推荐值 密度 峰值强度残余强度 ( g m j ) c p ( k p a ) 牛，( o )c ，( k p a )中，( o ) 1 8 71 4 02 0 o1 1 51 2 0 通过对膨胀土路堑原状中膨胀土抗剪强度的室内直接剪切试验，获得