（岩土工程专业论文）膨胀土裂隙发育规律及裂隙与土体导电特性试验研究.pdf

摘要 摘要 裂隙性是膨胀土的典型特征，多裂隙构成的裂隙结构体及软弱结构面，产生了复杂的 物理力学效应，导致膨胀土的工程性质恶化。首先，裂隙结构破坏土体的整体性，显著降 低土体强度；另一方面，裂隙成为降雨入渗通道，导致浅层土体含水量升高，强度降低， 边坡安全系数下降。要解决裂隙对工程造成的影响，就需要研究裂隙的发育规律，需要从 研究影响裂隙发育的因素开始。本文旨在通过研究膨胀土的裂隙发育规律，建立土体收缩 体积计算模型，达到对膨胀土裂隙发育性状的定量描述。研究裂隙结构对土体导电特性的 影响，确定二者之间的影响规律，以达到通过测量土体电导特性变化来研究裂隙结构发育 情况的目的。 首先，对膨胀土胀缩性裂隙形成的物理机理进行分析，提出膨胀土的胀缩性是胀缩性 裂隙发育的内在原因，膨胀土失水收缩是胀缩性裂隙发育的直接原因，并且提出胀缩性裂 隙的体积等膨胀土失水收缩的体积的重要假设，将胀缩裂隙与土体的胀缩性结合研究，定 量比较裂隙体积与土体失水收缩体积，得到两者基本相等的结论。裂隙体积计算模型将有 助于理解膨胀土的裂隙性和涨缩性之间的内在联系；通过计算土体的失水收缩，可以定量 的确定膨胀土地区裂隙发育的程度，将有助于正确的评价裂隙对各种工程产生的影响，指 导我们在工程实践中作出更为准确的判断。 其次，在总结前人对土体电阻率特性研究的基础上，通过合理的变化和推到，得出非 饱和粘土电导率的计算公式，在此基础上进一步推导，得到非饱和粘土电导公式。建立空 间无界条件下双点电极电导计算模型，提出有效影响半径的概念，并建立了导电密度与影 响半径之间的函数关系，最终建立了无界条件下双点电极电导的计算模型。对于室内膨胀 土裂隙和电导试验所得数据，运用双点电极电导计算公式，剔除含水率、孔隙率和饱和度 对土体电导性的影响，显化出裂隙对土体电导性的影响，结果表明，裂隙的出现和发育会 明显降低土体电导特性。 最后，通过现场电阻率和电导率试验，研究现场非饱和膨胀土导电性在各种因素影响 下的变化规律，结果表明含水量、气温和裂隙结构对非饱和膨胀土导电性的影响最为显著。 关键词：膨胀土，裂隙性，胀缩性，水平线收缩率，含水量，土体电导特性，导电密度， 有效影响半径 a b s t r a c t f i s s u r e sm 3 i ti st h et y p i c a le h a r a e t e r i s t i co f e x p a n s i v es o i l m u l t i - f i s s u r e sc o n s t i t u t ef i s s u r e s s l l u e t u r eb o d ya n dw e a ks m l e t u r a ip l a n e w h i c hh a dac o m p l e xp h y s i c a la n dm e c h a n i c a le f f e c t s t oal a r g ee x t e n tr e d u c et h ei n t e n s i t yo fe x p a n s i v es o i la n dl e dt od e t e r i o r a t i o no ft h en a t l l 此o f t h ee x p a n s i v es o i l sw o r k s f i $ $ 1 l r e sa n dm e c h a n i c sp r o p e r t i e ss t u d i e so fe x p a n s i v es o i ls h o u l d b e c o m et h eb a s i so fs l o p es t a b i l i t ya n a l y s i s ，a n dr a i n f a l l i n _ f i l t r a t i o no nt h es l o p es t a b i l i 钾o ft h e s t a b i l i t ya n a l y s i ss h o u l da l s ob et h ef o c u s n e e d t os t u d yt h ef i s s u r e sg r o w t h , n e e dt ob e g i n n i n g f r o ms t u d yf a c t o r sa f f e c t i n gt h ef i s s u r e sg r o w t h t h i sp a p e ra i m st oe s t a b l i s has o i lc o n t r a c t i o n v o l u m ec o m p u t a t i o nm o d e lt h a t 啪a c h i e v ea i mt oq u a n t i t a t i v er e s e a r c ho fe x p a n s i v es o i l s f i s s u r e st r a i t s ，t h r o u g hr e s e a r c hr u l e so ff i s s u r e sg r o - , m h s t u d d i n gt h ei n f l u e n c eo ff i s s u r e s s m l e t u r eo i lt h es o i lc o n d u c t a n c em i l t sa n dd e t e r m i n a t i o no f t h er e l a t i o n s h i pb c t w c t ：nt h e m , s oa s t oa c h i e v ea i mt os t u d yt h ef i s s u r e ss t r u c t u r ec h a n g e sb ym e a s u r i n gt h ec o n d u c t i v i t yo f s o i l f i r s t l y , f i n d i n go u tt h em a i ni n f l u e n t i a lf a c t o r so ff i s s u r e sg r o w t hb ya n a l y s i so fe x p a n s i o n & e o n w a e t i o nf i s s u r e sf o r m a t i o np h y s i c a lm e c h a n i s mo fe x p a n s i v es o i l i d e n t i f yq u a l i t a t i v e l y e a e l af a c t o r0 1 1t h ef i s s u r e sg r o w t l l i tj sp u tf o r w a r dt h a tt h es w e l l s h r i n k i n gp r o p e r t yo f e x p a n s i v es o i li st h e i n t e r n a lf a c t o r si n f l u e n c i n gt h es w e l l s h r i n k i n gf i s s u r e sg r o w t ha n d c o n t r a c t i o no fe x p a n s i v es o i lw a t e r1 0 s si st h ed i r e c tf a c t o r si n f l u e n c i n gt h es w e l l s h r i n k i n g f i s s u r e sg r o w t h a ni m p o r t a n ta s s u m p t i o nw h i c ht h ev o l u m eo ft h es w e l l s h r i n k i n gf i s s u r e s e q u a lt ot h ev o l u m eo fw a l g l l o s se o n l z a c t i o ni sp u tf o r w a r d e s t a b l i s h i n gac o n t l f a c t i o nv o l u m e c o m p u t a t i o nm o d e lo fs o i lw a t e rl o s s a n dh a sc o n f i r m e dt h ei m p o r t a n ta s s a m p t i 0 1 1a c c u r a c y t h r o u g h t h ei n d o o rf i s s u r e sg r o w t he x p e r i m e n t f i s s u r ev o l u m ec a l c u l a t i o nm o d e lw i l lc o n t r i b u t e t ot h eu n d e r s t a n d i n go f t h ei n t r i n s i cl i n kb e t w e e nf i s s u l 鹊t r a i t sa n dt h es w e l l s h r i n k i n gp r o p e r t y i tc a nb ea c c u r a t e l ya n dq u a n t i t a t i v e l yi d e n t i f i e dt h ee x t e n to ff i s s u r e sg r o w t hf o rt h ee x p a n s i v e a r e 乱i ti sh e l p f u lt oc o r r e c te v a l u a t i o no f f i s s u r e s0 1 1t h ei m p a c to f t h ev a r i o u sp r o j e c t s s e c o n d l y , b a s e do ns u m m a r i z i n gp r e d e c e s s o r s s l u d i e so fs o i lc o n d u c t a n c e af o r m u l ai s d e r i v e df o rc o n d u c t i v i t yo fu m a t u r a t e dc l a y f u r t h e rc o n d u c t a n c ev a l u ef o r m u l ao fu n s a t u r a t e d c l a yi sd e r i v e d e s t a b l i s h i n gd o u b l ep o i n t se l e c t r o d ec o n d u c t a n c ec a l c u l a t i o nm o d e lo nt h e u n b o u n d e de o n d i t i o i la n dt h ec o n c e p to fe f f e c t i v ei n t l u e n e ei a d i l l sw a sp u tf o r w a r d e d e s t a b l i s h i n gt h ef u n c t i o nr e l a t i o n s h i pb e t w e 觑lc o n d u c t a n c ed e n s i t ya n di n f l u e n c er a d i u s f i n a l l y e s t a b l i s h i n gd o u b l ep o i n t se l e e l z o d ec o n d u c t a n c ev a l u ef o r m u l ao nt h eu n b o u n d e de o n d i t i 0 1 1 f o rt h ec o n d u c t a n c ev a l u ed a t ag e tf r o mi n d o o re x a m i n a t i o no fe x p a n s i v es o i lf i s s u r e sa n d c o n d u c t a n c e r e j e e t e dt h ec o n d u c t a n c ed a t aw h i c hi n d u c e db yw 劬盱c o n t e n t , p o r o s i t ya n dw a t e l - s a t u r a t i o n , t h er e m a i n d e rc o n d u c t a n c ev a l u ed a t aw a si n d u c e db yf i s s u r e sg r o w t h l a s t au s e f u l c o n c l u s i o nt h a tt h ec o n d u e t i v i t yo fs o i lw o u l dd r o pd o w nr e m a r k a b l yw i t ht h ef i s s u r e sg r o w t hi s d r a w n f i n a l l y , b a s e do nt h ef i e i dr e c e p t i v i t ya n dt h ec o n d u c t i v i t ye x l ，e r i m e n t , s t u d y i gs o i l c o n d u c t a n c ec h a n g er u l eu n d e rt h ei n f l u e n c eo fv a r i o u sf a c t o r s n 圮t e s u l t ss h o w e dt h a tw a t e r c o n t e n t , t e m p e r a t u r ea n dt h ef i s s u r e sa 托m o s tr e m a r k a b l ei n f l u e n c ef a c t o r st ot h eu n s a t u r a t e d e x p a n s i v es o i le o n d u c t i v i t y k e yw o r d s ：e x p a n s i v es o i l ，f i s s u r e sg r o w t h , t h es w e l l s h r i n k i n gp r o p e r t y ，t h el e v e l 1 i n c s h r i k a g cr a t e ，w l t t 盱c o n t e n t ，s o i lc o n d u c t i v i t yp r o p e r t y , c o n d u c t a n c ed e n s i t y , e f f e c t i v e i n f l u e n c er a d i u s 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负 全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文 全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：拯! 耋 2 0 0 8 年；月上7 日 第一章绪论 第1 章绪论 1 1 研究目的和意义 膨胀土作为一种具有裂隙性、胀缩性和超固结性的高塑性粘土，在天然状态下强度很 高，但其对气候环境变化特别敏感。当含水量变化时，膨胀土遇水发生膨胀、失水发生收 缩变形，表现出明显的胀缩性。其自由膨胀率一般大于4 0 ；随着干湿循环次数增加时， 膨胀土强度降低幅度增大，具有崩解性。气候变化时导致土体中裂隙扩展，更易于水分的 侵入和蒸发，使土体极易风化。膨胀土反复胀缩变形的特性以及杂乱分布的多裂隙结构， 对建筑物地基、道路和铁路路基、机场跑道、渠道边坡、堤坝等均有较严重的破坏作用。 随着国民经济的发展需要和国家发展战略的转变，中部和西部地区的基础建设逐渐 加快，成为经济发展新的主战场，在中西部广泛分布着黄土、膨胀土和红粘土等特殊土， 对于这些特殊土的研究显得更加重要和紧迫。西部的一些省份是我国膨胀土危害最为严重 的地区。南昆铁路运营以来，每年的膨胀土路堤，边坡灾害处理及维修费用达3 0 0 0 万元 左右。云南楚大高速公路修建时，路堑开挖过程中两侧膨胀土边坡出现多次滑坍，3 5 3 m 长 路堑经反复整治，耗资1 0 0 0 余万元，成为整个工程施工的拦路虎。 人们很早就认识到膨胀土是一种多裂隙粘性土，膨胀土边坡中裂隙的存在对土的工程 力学性质有重大影响。膨胀土在温度、湿度及胀缩效应的影响下，土体产生不均匀的应力 分布导致裂隙产生和发展。因此多裂隙性是膨胀土的典型特征，多裂隙构成的裂隙结构体 及软弱结构面，产生了复杂的物理力学效应，很大程度上降低了膨胀土的强度，导致膨胀 土的工程性质恶化。特别是对于膨胀土边坡工程，裂隙对边坡的稳定具有明显的负面作用， 主要体现在两个方面：1 ) 裂隙破坏土体的完整性，降低土体的整体强度；2 ) 裂隙是降雨 入渗的通道，雨水入渗是膨胀土边坡失稳主要原因。因此研究膨胀土体裂隙问题对于解决 边坡稳定问题有很重要的现实意义。长期以来，膨胀土裂隙一直是人们的重点研究内容， 但由于膨胀土裂隙演化的不确定性和随机性，其研究进展缓慢，定量化程度低，对各种裂 隙发育机理，演化过程以及影响因素都缺乏深入的认识。对裂隙研究的相对滞后性也影响 到与之相关的各种研究，包括裂隙对土体渗透性的影响，裂隙对土体强度的影响，裂隙对 河海大学硕士学位论文 边坡稳定性的影响等。因此加快对膨胀土裂隙的进一步研究具有很重要的现实意义。 1 2 膨胀土裂隙的研究现状 图1 1 中国膨胀土分布图 ( 据b i ns h i ，2 0 0 2 ) 早在上世纪3 0 年代，人们就从粘性土地基变形破坏和边坡失稳事故的分析中认识到 膨胀土的裂隙性造成的危害，但并未对此问题给予足够的重视。直到上世纪6 0 年代，美 国等国家才开始膨胀土问题的研究。 我国对膨胀土的最早认识和实践是上世纪5 0 年代初期，铁道部门在修建成渝铁路时 首先遇到成都地区膨胀土的挑战。上世纪6 0 年代修建丹汉线、成昆线北段和7 0 年代修 建阳安线、襄渝线、焦枝线等铁路时，均遇到膨胀土工程问题，揭示了膨胀土在我国分布 的广泛性以及所引起各种工程问题的严重性和复杂性【”此后，随着工业与民用建筑、铁 路、公路、水利等工程建设的开展，各行各业相继开展了膨胀土的试验研究和地基及边坡 问题的研究。目前，在膨胀土的评价、工程地质特性、胀缩机理、试验技术、变形与强度 特征、地基和边坡的工程实践等方面，国内外工程各界已取得了一定水平的研究成果 初始阶段的裂隙研究侧重于裂隙对土体强度的影响，太沙基( 1 9 3 6 年) 在一篇论述 粘土斜坡的著作中指出裂隙是超固结粘土的结构特性，并指出裂隙土体的强度只有原状土 块强度的1 5 - - 1 1 0 ，随后英国帝国大学对伦敦粘土进行了系统研究。1 9 4 4 年g r e g o r y 在研 2 第一章绪论 究伦敦粘土的过程中发现粘土中的裂隙是引起铁路路堑失稳的主要原因【2 】。七十年代 m a r s l a n d 用伦敦粘土进行了系列试验，通过整理抗压强度和裂隙之间关系时发现，裂隙土 的小试件强度试验的强度值离散性很大，并发现裂隙的分布、倾角、形状、密度和粗糙程 度对强度有明显的影响，小试件强度不能代表土体的强度。同时发现裂隙的形状对土的强 度也有很大的影响。裂隙的曲率越大，强度越大，当裂隙咬合得较紧密时，大试件的强度 和小试件的强度相差很小。 随着研究的不断深入，对裂隙的研究方向也有很大的扩展，主要包括裂隙观测、分布 与发展规律、渗流特性和力学性质等几个方面。对裂隙进行量测观察的方法手段不断进步， 裂隙作为岩土体的微细观结构通常采用压汞法【3 1 、显微镜切片法、x 射线衍射法、扫描电 镜法【4 】嗍唧、超声波法阿s 】【9 1 和计算机断面成相技术( c t 法) 【l o 】进行观测。其中压汞法操作较 简便、精度较高，但其反映的是土样的平均孔隙分布，无法对土体的裂隙结构作具体描述。 显微镜切片法、x 射线衍射法和扫描电镜法均需采用土样切片，因此实际上只能测定扰动 土体的孔隙结构状态。c t 法和超声波法属无损检测方法，可以对原状土体进行观测。袁 俊平【1 1 i 用裂隙土体黑白图像的灰度分布特征根据耗散理论提出用灰度熵来度量裂隙的发 育程度，通过研究发现；土体的灰度熵越小，裂隙越不发育；灰度熵越大，裂隙越发育。 在裂隙分布与发展规律方面也取得了许多成果，膨胀土中的裂隙分布极不规则，参照 切尔内绍夫的分类方法，可将裂隙网络由裂隙定向排列的相互关系分为：l 、系统裂隙网络 2 、混乱裂隙网络3 、多角型裂隙网络4 、混合型裂隙网络：由以上几种典型裂隙格局叠加 形成的裂隙系统。易顺民【1 2 1 等对膨胀土裂隙分布情况应用分形几何进行了研究，按照平面 上的表现形式将裂隙网络归纳为两种模型：网状多边形裂隙系统的分形模型和分岔状裂隙 系统的分形模型。并得出膨胀土裂隙网络具有很好的分形特征，裂隙网络的分维值d 越大 其空间分布越复杂。同时发现，膨胀土裂隙面的起伏形态也符合分形特征。裂隙面垂直方 向的分维值最大，起伏变化最强烈。陈尚星建立了用摄影图像求分维数的方法与步骤。得 到分维数与土体裂隙发育问的关系。 按照成因可将膨胀土裂隙分为两类，即原生型裂隙和次生型裂隙。其中，次生型裂隙 又可按其生成的机理划分为涨缩性裂隙、减荷裂隙、斜坡裂隙与滑坡裂隙等亚类。从形态 上可分为垂直裂隙( 包括陡倾角裂隙) 、水平裂隙( 包括缓倾角裂隙) 和斜交裂隙三种。其中 以垂直裂隙和水平裂隙发育为主。垂直裂隙通常为涨缩性裂隙，由土体的胀缩效应引起张 力应变形成的；水平裂隙大多由沉积间断及胀缩效应所形成的水平应力差面产生。 裂隙的度量指标包括： 河海大学硕士学位论文 i 、裂隙的走向和倾角：表征裂隙在水平方向和竖直方向的排列方向。 2 、裂隙的宽度：表征裂隙张开的大小，通常情况下取裂隙的最大宽度，有时也取裂隙 的平均宽度。 3 、裂隙的深度：指裂隙的开展深度。通常情况下，裂隙在地表宽度最大，随着深度的 增加，裂隙宽度逐渐减小，裂隙的深度越大，往往其宽度也越大，对土体的工程力学性质 的影响也越大。 4 、裂隙的长度：由于裂隙网络的存在，通常取不与其他裂隙相交的单独连续裂隙为一 条裂隙，其长度可以直接度量。 5 、体密度和面密度：体密度是指单位体积土体中裂隙的体积；面密度是指土体表面 单位面积内的裂隙面积；裂隙密度是评价裂隙发育程度的重要指标，也是裂隙对土体工程 性质进行定量评价的基础。 6 、裂隙的间距：在同属于一个系统裂隙网络的裂隙组中，各裂隙近乎平行，裂隙间的 距离大小可表征裂隙的发育程度。 对于野外土体裂隙统计方法研究尚不深入，一般参考岩体裂隙的统计方法进行土体裂 隙的统计，一般包括玫瑰花图法、赤平极射投影法、灰度熵法、分形法。在裂隙开展深度 研究方面，f r e d l u n d 在其专著非饱和土土力学中指出，土质边坡的裂缝开裂深度一般 为坡顶到边坡地下水位间距离的1 0 - 2 0 ；姚海林结合断裂力学求得裂缝开裂深度的计 算公式。 关于裂隙渗流特性的研究也有很多，其中裂隙宽度对渗流的影响是众多有关裂隙渗透 特性研究的重点。试验结果表明，裂隙区域内的水流不能精确满足渗流的立方定律，对隙 宽不均的裂隙采用裂隙流量等量的等效隙宽法计算，但试验条件的限制使得简单的平板型 裂隙的研究成为裂隙渗流试验研究的主要方式。裂隙充填物的颗粒组成及充填后的孔隙 率，充填物的颗粒直径与隙宽的比值决定了充填裂隙的渗透性。膨胀土的裂隙宽度在渗流 过程中并不是保持恒定的，由于膨胀土吸水膨胀的特性，裂隙面吸水膨胀，导致裂隙逐渐 闭合，因此研究在变隙宽的情况下裂隙的渗流特性将是膨胀土裂隙研究一个重要课题。从 本质上讲，裂隙宽度的变化也是由土体的胀缩性引起的，因此研究裂隙发育与土体胀缩性 4 第一章绪论 之间的相互关系，也将有利于膨胀土地区变隙宽情况下裂隙的渗流特性研究。 1 3 裂隙对膨胀土工程力学性质和膨胀土边坡稳定性的影响 学者们很早就注意到裂隙对粘性土力学性质的影响，早期的研究者如f o o k e s p g ， s k e m p t o n a w ，l o k y i 螂的研究主要涉及裂隙的形态、分布和成因、裂隙粘土的变形、强 度和边坡稳定，以及试验方法等方面，这些研究的基本特点是从土力学角度着眼，而将此 类土体作为地质历史形成物的研究较少；对裂隙性秸土变形和强度的研究较多，而对裂隙 对土体强度的控制性方面具体的分析较少；胡卸文等【6 i 】通过试验方法研究了裂隙对土体力 学性能的控制作用，结果表明裂隙的存在使土体的力学性能显著下降，并且裂隙对粘性土 强度的降低作用大大超过颗粒间联结力对粘土力学性能的强化效应；研究还发现裂隙的数 量和倾角效应对土体强度的影响，以及隙壁粘土的厚度对粘土力学性能的重要影响；袁俊 平等恻研究的结果表明裂隙膨胀土的强度指标受饱和度与裂隙度的共同影响，裂隙不很发 育的情况下，饱和度是影响膨胀土的主要因素；随饱和度的升高，膨胀土遇水软化，其强 度有明显的衰减；当饱和度降低时，裂隙对膨胀土强度的影响占主导地位。总结看来，裂 隙的出现将影响到膨胀土的压缩性、固结速率、强度以及渗透性等工程性质：( 1 ) 在相同 含水量的情况下，裂隙性膨胀土比同类非开裂的土体具有更高的压缩性；但由于反复的干 湿循环使裂隙周围的土体进入超固结状态，其压缩性反而降低。( 2 ) 裂隙的存在将削弱土 体的抗剪强度，但基质吸力却对其起到了加强的作用。( 3 ) 在相同含水量条件下，裂隙性 膨胀土具有更大的渗透性。但由于裂隙间土块水分蒸发较快，基质吸力很大，因此在这部 分区域以及开裂裂隙尖端区域的渗透性较原状膨胀土的渗透性更小( 4 ) 脱湿时，土体中 的水分从地表及裂隙的侧壁缓慢蒸发；降雨时，雨水沿裂隙快速进入土体内部，这对边坡 的稳定性具有重要影响。 裂隙对膨胀土边坡稳定性的影响是显著的，很多学者从不同角度研究了裂隙对边坡稳 定性的影响，姚海林等脚】对非饱和膨胀土边坡在考虑暂态饱和非饱和渗流的情况下进行 了参数研究，研究结果表明裂隙的存在对边坡中孔隙水压力和体积含水量分布有显著影 响，并且裂隙开裂深度愈深，影响愈大，安全系数愈小：詹良通等州通过膨胀土边坡降雨 入渗的原位监测研究，显示非饱和膨胀土中的降雨入渗规律及孔隙水压力或吸力、含水量、 土压力和变形的影响与膨胀土中发育的裂隙密切相关；袁俊平【6 5 】采用常规试验测定非饱和 膨胀土膨胀时程曲线，定量地描述了膨胀土中裂隙在入渗过程中逐渐愈合的特征，建立了 考虑裂隙的非饱和膨胀土边坡入渗的数学模型，通过有限元数值模拟在有裂隙存在情况下 s 河海大学硕士学位论文 的非饱和膨胀土边坡雨水入渗，结果表明坡上位置的裂隙对边坡入渗影响较大，裂隙对边 坡入渗的影响随裂隙深度的增大而增大，裂隙是膨胀土入渗时的主要通道，沿裂隙方向的 渗透系数是决定入渗速率的主要因素；相关的研究还有很多，综合看来裂隙对膨胀土边坡 稳定性的影响主要是因为土体内裂隙网络的存在，在降雨过程中裂隙网络成为雨水进入土 体内部的主要通道，使得浅层土体内的含水量迅速增大。基质吸力下降，土体强度降低， 土体膨胀产生的水平膨胀力使坡体产生向下的蠕变，导致边坡在降雨情况下容易失稳破 坏。 1 4 土体导电特性研究现状 土体电导率( 也常用“电阻率”表述，电导率和电阻率互为倒数关系) 是表征土导电 性的基本参数，是土的固有物性参数之一。某种土的电导率实际上就是当电流垂直通过边 长为lm 立方体土时而呈现的电导。在土的结构性研究领域中, a r c h i e1 9 4 2 年最先把土的 电阻率与其结构相连，提出了内结构因子，概念。f 定义为土电阻率与孔隙水电阻率之比， 它主要与孔隙率、孔隙结构等参数有关。同时，a r c , h i e 还提出了适用于无黏性、饱和的土 或岩石的f 与重要结构参数之一的孔隙率t l 的经典相关式【1 3 1 。a r c h i e 的f 概念及经典关 系式自提出后，长期以来在岩土工程领域未得到重视和应用，直到2 0 世纪8 0 年代后期，才 逐渐受到学者们的关注。一些学者开始对土的电阻率特性、平均结构因子f 的含义进行深 入研究。结果表明土的电阻率主要取决于土的一些重要结构参数，如孔隙率、孔隙形状、 孔隙结构、饱和度、孔隙液电阻率、固体颗粒成分、颗粒形状、颗粒定向性以及胶结状态 等1 1 4 l f l 5 1 1 6 i ；平均结构因子f 与土的颗粒形状、定i 句排列、接触排列、孔隙率、胶结特性、 饱和度等有关【l ”。至于工程应用，开始于1 9 8 8 年，美国学者a m l a n a n d a n & m u r a l e e t h a r a 开 始将结构因子概念应用于无黏性土的结构描述与砂土液化的评价中。在国内刘松玉等 0 s 1 2 0 0 0 年首先研究了水泥土的电阻率变化规律，并在现场粉喷桩工程质量检测方面进行了 初步应用，结论表明，水泥土的电阻率与其水泥含量、无侧限抗压强度呈正相关关系 自a r c h i e ( 1 9 4 2 年) 利用土电阻率方法研究饱和砂岩的微结构特征以来，许多学者 对土电阻率理论进行了理论与试验研究，得出了许多有益的结论与方法。土电阻率方法己 成为研究土的微结构形态【1 9 2 0 1 ( 2 “、物理力学性质 2 = 1 1 2 3 1 、砂土液化【1 4 】鲫以及土体污染特征 1 2 5 1 p 6 等的重要方法。砂与砂岩的电阻率理论与应用研究起步较早，通过理论分析与室内外 的电阻率测试等研究，已经形成了一套比较成熟、系统的理论。而菲饱和黏性土的电阻率 研究起步较晚，目前主要是通过室内试验研究黏性土的电阻率特征，通过试验研究影响黏 性土电阻率的主要因素( 2 7 1 ( 2 8 1 、电阻率指标在击实黏性土衬垫质量评价中的应用等。 6 第一章绪论 a r c h i e 模型中没有考虑土颗粒自身导电，对于粘性成分含量高的土体，其颗粒表面的 导电性不能忽略。w a x m a a 等例提出了适用于非饱和粘性土的电阻率模型。r h o a d e s ( 1 9 7 6 年) 和f r u h l i c h ( 1 9 8 9 年) 也分别提出了一个非饱和土电阻率模型f l o ) ，但都没考虑孔隙 率对电阻率的影响。h i t o s h in i s h m a k i 研究了岩体的电阻率与其力学性质之间的关系，并 初步给出了它们之间的定量关系公式口。f u k a e ( 1 9 9 9 年) 的电阻率试验研究则偏重于对 土的微观结构的阐述与解释【2 i l 。李金铭研究了水污染的导电性和激电性与污染程度变化关 系( 3 2 1 。g i l l i m y o o n ( 2 0 0 1 年) 研究了工业污染对砂土电阻率的影响嗍。d e l a n e y ( 2 0 0 1 年) 的研究工作主要针对寒冷地区电阻率法的应用问题，故考虑了低温对土体电阻率变化的影 响例。刘国华等( 2 0 0 4 年) 根据4 因素3 水平正交试验得出影响土的电阻率变化的主次 因素顺序是：含水率、孔隙水的导电性、饱和度、土的种类 】。m c c a n e r 【瑚( 1 9 8 4 ) 、 乙d i n s k i z 2 ( 1 9 9 4 ) 、a b u h a s s a n e i n 2 7 1 ( 1 9 9 6 ) 等对击实土电阻率特性进行了室内试验研究，得到土的电 阻率随击实含水量、饱和度、击实功、渗透性、温度等变化的变化规律，总结了击实土电 阻率特征。y o o n 等1 3 6 1 3 7 】则将土电阻率理论应用于环境岩土工程研究，通过室内外试验研 究了污染土的电阻率特性等。a r u l a n a n d a n 等利用土电阻率方法研究砂土液化指出，土电 阻率相关参数与土的动力响应有关刚。刘松玉等3 s l 3 9 】则在国内首先研究了水泥土电阻 率变化规律，建立了水泥土电阻率模型；对非饱和膨胀土的电阻率特征开展了研究，初步 分析了非饱和膨胀土变形过程的电阻率指标变化规律。针对地基处理工程中水泥搅拌桩的 特点，进行了电阻率法的初步应用研究。 影响土电阻率的因素很多，归纳起来主要有3 类：第1 类是与土的结构有关的要素， 包含孔隙率、含水率和土的结构；第2 类是表征土颗粒特征的要素，包含土颗粒形状与 方位、粒度分布、阳离子交换能力与润湿性等；第3 类是与土溶液有关的因素，它随着 土的外界环境条件的变化而改变，主要有孔隙水电阻率、孔隙水中阳离子组成与外界温度 等。这3 类共1 0 个影响因素中各种因素对土电阻率的影响并不是独立的，而是相互影响、 相互作用着的。非饱和黏土是由土颗粒、孔隙水、气体组成的三相复合体系，其电阻率的 影响因素主要包括：各组成成分的电阻率；各组成成分的体积含量；各组成成分的 结构特征；各组成成分间的电化学作用。其中影响非饱和黏土电阻率最重要的因素是孔 隙水的特征( 包括含水率、孔隙水自身的电阻率与孔隙水的连通性等) 从式( 1 2 ) 可以 看出，随着含水率与饱和度的增加，非饱和土的电阻率呈减小趋势，非饱和土的电阻率随 其孔隙水电阻率的增加而增加。 但总的来说，在岩土体电阻率特性的基础试验研究方面、岩土体工程力学参数与电阻 7 河海大学硕士学位论文 率的相关关系研究方面，国内外开展的工作相对较少。由于岩土材料的复杂性，区域变异 性，以及影响电阻率变化的因素的多样性，至今对土的电阻率特性认识仍不够深入，电阻 率探测结果的分析判断主要还依赖于经验，这在一定程度上制约了电阻率法的应用效果。 在土体导电特性与内部结构之间的相互影响关系方面的研究也是刚起步，还有很多理论和 实践方面的问题需要深入研究和解决。 1 5 本文研究背景 南水北调中线工程计划从长江支流汉江上的丹江口水库引水，沿伏牛山和太行山山前 平原开渠输水，终点北京。远景考虑从长江三峡水库或以下长江干流引水增加北调水量。 中线工程具有水质好，覆盖面大，自流输水等优点，是解决华北水资源危机的一项重大基 础设施。 南水北调中线工程将穿过三百余公里的膨胀土地区，膨胀土渠坡的稳定问题对工程的 正常运行至关重要。由于膨胀土边坡失稳具有长期性的特点，因而不很好地解决该问题将 导致完建工期大大延长，且工程投入也大大增加。因此，进行南水北调中线工程将穿过三 百余公里的膨胀土地区，膨胀土渠坡的稳定问题对工程的正常运行至关重要。由于膨胀土 边坡失稳具有长期性的特点，因而不很好地解决该问题将导致完建工期大大延长，且工程 投入也大大增加。因此，进行膨胀土边坡稳定研究是非常必要的，该研究成果将对工程设 计施工有着重要的指导意义。从研究现状可以看到，要解决膨胀土边坡稳定问题，关键在 于定量化描述膨胀土的裂隙性，明确土体强度随裂隙发展而变化的规律。现有的滑坡调查 表明，膨胀土边坡的失稳多发生在降雨条件入渗情况。因此，膨胀土的裂隙性与力学性质 研究应成为膨胀土边坡稳定分析的基础和关键，而降雨入渗对边坡稳定的影响也应是稳定 分析中的重点。这就需要研究裂隙的发育规律，需要从研究影响裂隙发育的因素开始论 文旨在通过研究膨胀土的裂隙发育规律，建立土体收缩体积计算模型，达到对膨胀土裂隙 发育性状的定量描述。研究裂隙结构对土体导电特性的影响，确定二者之间的影响规律， 以达到通过测量土体电导特性变化来研究土体裂隙结构发育情况的应用目的。 1 6 本文主要工作 膨胀土裂隙研究的主要内容就是膨胀土的裂隙性对膨胀土边坡的稳定的影响问题，该 课题包含两个基本问题：1 ) 已知膨胀土边坡的裂隙分布情况下，如何对边坡的稳定性进行 评价；2 ) 膨胀土裂隙在大气营力及外荷等外在因素的作用下如何发展变化。前人的研究大 多集中在第一个问题上面，而对于第二个问题的研究相对较少，本文研究主要内容就是第 8 第一章绪论 二个问题。 论文的主要内容如下： 1 、重点研究影响膨胀土胀缩性裂隙发育的主要因素，探索裂隙发育与各种因素之间 的关系，这里重点研究胀缩性裂隙发育程度与土体的胀缩性质和含水量之间的关系，并建 立裂隙发育程度与两个因素间的定量关系，建立裂隙体积的计算模型。 2 、通过实验的方法研究土体的导电性与裂隙结构之间的关系，通过研究土体导电性 变化来研究裂隙的变化。土体内部裂隙结构分布是复杂的，不同发育程度的裂隙结构对土 体导电性的影响也是不同的，两者之间必然有对应的关系，能够找出这种对应关系，就可 以实现用一个简单的易于量测的物理指标来评估和测定裂隙的发育程度的目的。 3 、以镇江南徐大道黄山段膨胀土滑坡及治理工程为依托，运用了电导和电阻两种测 量方法，研究现场膨胀土的电导率和电阻率随着土体含水量、裂隙结构发育等因素的变化， 相应的变化规律。 综上所述，对膨胀土胀缩性裂隙形成的物理机理进行分析，找出与裂隙发育密切相关 的各种因素，定性的确定各个因素对裂隙发育产生的不同影响，通过建立裂隙与各个主要 影响因素问的函数关系式，实现对裂隙的定量研究。最终确定裂隙体积与裂隙深度与影响 因素之间的定量函数式，这样就可以通过研究土体胀缩性、含水量等几个简单的土体参数， 来研究土体裂隙的发育情况，可以得到裂隙的体积密度、裂隙的发育深度等一些重要的裂 隙参数。这种办法具有在不对土体扰动的情况下实现裂隙研究的优点，参数测量简单，并 且易于得到。裂隙体积计算模型将有助于我们理解膨胀土的裂隙性和涨缩性之间的内在联 系；可以准确、定量的确定膨胀土地区裂隙发育的程度，有助于正确的评价裂隙对各种工 程产生的影响，指导我们在工程实践中作出更为准确的判断。通过研究土体的电导性，来 研究土体的其他特性，包括土体的含水率、孔隙率、饱和度以及土体中的裂隙结构是切实 可行的，并且具有明显的优点，尤其是对土体裂隙结构的研究，土体电导性方法是一个很 有潜力和优势的方法，在不扰动土体的情况下，对土体内部裂隙结构的发育过程以及分布 情况进行探查，可以跟踪观测裂隙的发育过程和程度。为研究膨胀土地区的裂隙情况，提 供一个有效的方法。 9 第二章膨胀土胀缩性裂隙发育规律研究 第2 章膨胀土胀缩性裂隙发育规律研究 影响膨胀土裂隙发育的因素很多，对于胀缩性裂隙，膨胀土本身的胀缩性是其发育的 内在因素，土体失水收缩是其发育的直接影响因素。可以通过试验的方法研究胀缩性裂隙 发育与膨胀土失水收缩之间的关系，通过对裂隙体积和土体失水收缩体积之间的定量对 比，实现对膨胀土裂隙性和胀缩性之间的定量研究。 2 1 膨胀土裂隙的分类 2 1 1 按裂隙成因分类 裂隙性是膨胀土特性之一，前人从不同角度对裂隙分类，每种分类方法反映了裂隙的 某个特性根据成因可将膨胀土裂隙作如下分类： 构造裂隙 构造运动是由地球内部的能量引起的地壳或岩石圈的物质发生的机械运动，引起膨胀 土裂隙的主要是新构造运动，新构造运动是指新第三纪以来的构造运动，在新构造运动中 尤以水平运动对裂隙的形成影响最大。根据构造运动所形成应力场性质可以将土裂隙分为 剪裂隙和张裂隙，剪裂隙是在主压地应力作用下形成的土体共轭剪切破坏面，一般以两个 共轭剪切面之间锐角的平分线为主压地应力方向剪裂隙在平面上一般呈x 型的共轭网络 展布，裂隙面平直光滑，产状稳定且延伸较远；裂隙密度较大，易形成密集带，有羽列现 象；两壁之间间距小常常呈闭合状态。张裂隙是在张应力的作用下产生的破裂面，张裂 隙面一般粗糙不平，产状不稳定，延伸不远，裂隙稀疏，两壁之间间距较大且宽窄不一， 张裂隙在平面展布上有时呈不规则树权状。构造裂隙具有区域性特征，这是和构造应力场 具有区域性密不可分的，在一个区域内的构造裂隙往往在裂隙性质、组合方式及平面展布 上具有很大的相似性【4 1 l 。 原生裂隙 原生裂隙主要是膨胀土在成土过程中，由于温度、湿度和压密等因素的作用，以及由 不均匀胀缩效应引起的体积变化和土内复杂的物化力学效应的结果。显然，土体中产生 的不均匀内应力是引起裂隙产生的主要作用。这类裂隙的特点是：大多具有隐蔽显微裂隙 性，肉眼不易观察，需要借助光学仪器才能观察到，而且常呈紧密闭合状，一般较短小， 未见有长大的贯通裂隙。 1 0 河海大学硕士学位论文 胀缩性裂隙 这种裂隙是膨胀土地区最常见、最主要的裂隙形式，属于次生裂隙。胀缩性裂隙的产 生与膨胀土的胀缩性有密切的关系。膨胀土胀缩性的强弱是由粘土矿物含量和土粒的分散 性和土的结构决定的；粘土矿物( 主要是蒙脱石和伊利石) 含量越高，土体越容易吸水膨 胀失水收缩，土粒的分散性高，颗粒捧列有序，颗粒间的胶结较弱，孔隙连通性好的土其 胀缩性较高。相反，分散性低，颗粒排列无序，孔隙连通性较差的土其胀缩性低旧。反复 的干湿循环引起表层土体开裂，随着土体持续失水收缩，失水锋面向深部推进，裂隙也随 之向深部延伸。胀缩性裂隙分布在浅层土层中，主要受大气干湿循环的影响，持续的干旱 气候会引起裂隙不断的发育，而降雨会导致裂隙的收缩甚至闭合。裂隙大多呈张开状，纵 横交错，有的裂隙互相联通形成较长的贯通裂隙，具有沿地层深度上宽下窄的形状。 卸