（岩土工程专业论文）膨胀土边坡稳定分析.pdf

摘要 膨胀土边坡的研究己经比较成熟，但是考虑膨胀力对边坡稳定安全系数影响 的文献比较少。本文以在建的宁淮高速为背景，主要采用极限平衡理论来研究膨 胀土边坡稳定问题，参考通用条分法等极限平衡理论，在考虑膨胀力的情况下， 推导膨胀土边坡的安全系数f s 的表达式，得到膨胀土边坡稳定的极限平衡计算 方法，结合g e o s l o p e 计算软件针对不同坡率以及其他各种因素影响下的膨胀 土边坡进行安全系数计算分析，从而得到膨胀力对边坡稳定计算中安全系数的影 响。 天然膨胀土边坡，人工开挖或填筑的膨胀土边坡，在气候环境作用下，土体 水分通过地表蒸发，导致膨胀土浅部产生干缩裂隙。裂隙的存在破坏了土体的完 整性，为雨水入渗提供了便利条件。连续降雨引起大量雨水入渗，产生附加的大 小不同的膨胀力，同时表层土体浸水后软化，强度降低，再加上土体的自重，使 裂隙弱侧的土体产生破坏，坡脚处带动上部土体产生牵引式破坏，坡项处引发由 上至下的叠瓦式滑坡，最终导致土坡失稳。 通过常规的室内土工试验，膨胀力和直剪试验，研究压实性膨胀土的最大膨 胀力与含水率的定量关系，为极限平衡计算提供膨胀力的具体值；总结出压实性 膨胀土的强度随含水率增大的衰减规律，为不同类型的膨胀土边坡稳定计算提供 强度指标。 在已有的极限平衡法计算公式基础上，推导引进膨胀力后的膨胀土边坡安全 系数计算公式，主要采用g l e 通用条分法，改变边界条件，得到安全系数的迭 代公式，同时利用g e o s l o p e 软件，结合室内试验的研究结果，针对不同坡率、 强度衰减以及其他各种因素影响下的膨胀土边坡进行安全系数计算分析，从而得 到膨胀力对边坡稳定计算中安全系数的影响。 最后，由膨胀土边坡的计算结果，具体分析滑坡体中土条的受力情况，为膨 胀土护坡的计算提供参考。 关键词：膨胀土边坡 膨胀力极限平衡法膨胀力试验直剪试验压实度 最优含水率g e o s l o p e 软件通用条分法 a b s t r a c t s l o p es t a b i l i t yo fe x p a n s i v es o i lh a sb e e nr e s e a r c h e da d e q u a t e l y ，b u t t h e r ea r ef e wl i t e r a t u r e sc o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo fe x p a n s i b i l i t yo n s l o p es a f e t yf a c t o r t h es l o p es t a b i l i t yo fe x p a n s i v es o l li sr e s e a r c h e d w i t h1 i m i t i n ge q u i l i b r i u mm e t h o di nt h i st h e s i s t h eg e n e r a l i z e dl i m i t e q u i i b r i u m ( g l e ) m e t h o d i su s e dt od e d u c et h es a f e t yf a c t o rf so f e x p a n s i v es o ils l o p ec o n s i d e r i n ge x p a n s i b i l i t y t h e nt h es l o p e i s a n a l y z e dw i t hg e os l o p es o f t w a r ec o n s i d e r i n gd i f f e r e n tr a t i oa n do t h e r f a c t o r s ，s ot h a tt h ei n f l u e n c eo fe x p a n s i b i l i t yo ns l o p es a f e t yf a c t o r c a nb ef o u n d b e c a u s eo ft h ee f f e c to fc l i m a t e ，s o m ec r a c k sa p p e a ri nt h es h a l l o w l a y e ro fn a t u r a le x p a n s i v es o i ls l o p e ，e x c a v a t i o ne x p a n s i v es o i l sl o p e a n df i l l i n ge x p a n s i v es o i ls l o p e t h ei n t e g r a l i t yo fs o i li sd e s t r o y e d ， m e a n w h i l et h ew a t e rc a r li n f i l t r a t ee x p e d i e n t l y w h e nag r e a tl o to fw a t e r i n f i l t r a t ei n t ot h es o l l ，e x p a n s i v ef o r c ei sp r o d u c e d t h es o i li n t e n s i t y i sr e d u c e ds e r i o u s l y ，t h e nt h ew e a kp a r ta s i d et h ec r a c k si sd e s t r o y e d t h ep u l l t y p eb r e a k a g ea p p e a ri ft h ec r a c k sa p p e a ro nt h et o ps l o p ea n d i m b r i c a t eb r e a k a g ea p p e a ri fo nt h et o es l o p e f i n a l l y ，t h ew h o l es l o p e i sd e m o l i s h e d t h r o u g hr o u t i n gs o i lm e c h a n i c st e s t ，s u c ha se x p a n s i b i l i t yt e s ta n d d i r e c ts h e a rt e s t ，t h eq u a n t i t a t i v er e l a t i o n b e t w e e nt h e b i g g e s t e x p a n s i b i l i t ya n dw a t e rc o n t e n to fc o m p a c t e de x p a n s i v es o i li ss t u d i e d ， a n d ；h ee x p a n s i b i l i t yi sp r o v i d e df o rl i m i t i n ge q u i l i b r i u mc a l c u l a t i o n m e a n w h i l e ，t h ei n t e n s i o nd e c a y i n gi a wo fc o m p a c t e de x p a n s i v es o i l w i t h t h ei n c r e a s i n go fw a t e rc o n t e n ti sd i s c u s s e d ，a n dt h ei n t e n s i o ni n d e xf o r s t a b i l i t yc a l c u l a t i o no fd i f f e r e n tt y p ee x p a n s i v es o i ls l o p eisp r o v i d e d t h es a f e t yf a c t o rf o r m u l ai sd e d u c e dc o n s i d e r i n ge x p a n s i v ef o r c eb a s e d o ne x i s t i n g l m t i n ge q u i i i b r i u mf o r m u l a a c c o r d i n gt og l gm e t h o dw h o s e b o u n d a r yc o n d i t i o ni sc h a n g e d ，t h ei t e r a t i v ef o r m u l ao fs a f e t yf a c t o ri s g a v e d t h e na c c o r d i n gt ot h et e s tr e s u l t ，t h es l o p es t a b i l i t yo fe x p a n s i v e s o l li sa n a l y s e du s i n gg e o s l o p e t h ei n f l u e n c eo fe x p a n s i b i l i t y0 1 3s l o p e s a f e t yf a c t o risg a v e d f i h a l l y ，a c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t i n gr e s u l to fe x p a n s i v es o l ls l o p e ， t h es t r e s so fc o a s ts l i c e si sa n a l y s e d h i c hc a nb er e f e r e n c e df o rt h e c a l c u t a t i o no fe x p a n s i v es o i ls l o p ef e n c e k e yw o r d s ：e x p a n s i v es o l ls l o p ee x p a n s i b i l i t yl i m i t i n ge q u i l i b r i u m t h e o r ye x p a n s i b i l i t yt e s t d i r e c ts h e a rt e s tg e o s l o p e d e g r e eo fc o m p a c t i o no p t i m u mw a t e rc o n t e n t g l e 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) ： 磋! 曼苤汐c f 年5 月，5 日 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，：筐：兰丕 pf 年月，f 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 1 l 1 膨胀土的定义和工程问题 膨胀土是一种分布广且对工程建设有特殊危害的土。它主要由强亲水矿物蒙脱石和 伊利石组成，是一种特殊膨胀结构的高液限粘土。膨胀土的主要成分为黏土矿物，大量 蒙脱石的存在会给膨胀土带来高胀缩性、强亲水性、易开裂、强度变化很大等特殊性状。 公路路基施工技术规范【1 】中规定：同时具备下列两个条件的粘土可判别为膨胀土， ( 1 ) 液限4 0 ；( 2 ) 自由膨胀率4 0 。 膨胀土造成的破坏是长期的、反复的和潜在的，美国工程界称之为“隐藏的灾害”。 全世界由于膨胀土造成的损失平均每年高达5 0 亿美元以上，已超过洪水、飓风、地震 和龙卷风所造成的损失的总和【2 】。众所周知，在膨胀土地区，路基土体遇水软化，易发 生胀缩变形，引起路基下沉丽导致路面变形、开裂、翻浆冒泥、沉陷等，同样修建在其 上的公路、桥梁及其它建筑物也会遭受强烈的变形破坏，甚至引发破坏性很大的滑坡。 随着我国基础设施建设的发展，在膨胀土地区兴建公路、铁路、水利、建筑、机场以及 码头等项目将会日益增多，随之也会遇到大量的与膨胀土有关的工程问题。 膨胀土的主要特征是“失水收缩、遇水膨胀”的胀缩性3 1 。膨胀土的胀缩性主要取 决于蒙脱石( 尤其是钠蒙脱石) 的含量，因为蒙脱石具有最强的胀缩性，可以说蒙脱石是 膨胀土具有特殊性质的主要物质基础。膨胀性可以表现为膨胀量，但在有一定荷重( 约 束) 作用时部分膨胀量转化为膨胀力，两者都会导致上部或相邻建筑物的损坏或事故。 在我国的西南高膨胀性膨胀土地区，降雨后高至几百到几千k p a 的膨胀力使得坡度 很小的边坡也会产生牵引式破坏。因此考虑膨胀力的膨胀土边坡稳定及计算值得深入研 究。而膨胀力的大小除决定于土体的矿物成分、粒度成分和结构构造外，还受到膨胀位 移和土体含水率的制约。膨胀位移越大，膨胀力越小。膨胀力的大小与土体的初始含水 率和含水率的变化密切相关，在相同的初始含水率情况下，含水率增加越大，膨胀力也 越大。 影响膨胀土膨胀性的因素除矿物成分外，还有它的微结构吼外在的最大影响因素 则是水和与此相关的气候条件，土中水的移动又取决于土体中吸力分布剖面，以及有关 第一章绪论 的地面温度梯度、供水与失水条件和土的起始状态等，例如原状土的膨胀性与重塑土的 膨胀性就有区别。 除胀缩性以外，膨胀土另外两个重要特点是裂隙性和超固绔眭。膨胀土裂隙的产生 是与胀缩性密切联系的。裂隙有原生裂隙与次生裂隙之分。由于大气的影响，土体失水 干缩产生的裂隙为原生裂隙，蒙脱石含量越多，原生裂隙也越发育。由于大气的影响深 度一般仅达土层表部2 m 左右，故裂隙深度一般也在2 m ，最大可达3 4 m 。次生裂隙 可能是由于膨胀土的坡体滑动时各点的位移不均匀，导致滑坡体扭转、局部隆起或形成 叠瓦状的块体造成的。此外，也可能是边坡开挖卸荷，应力释放造成的。 超固结特性通常是由于上覆土层的侵蚀而形成的，同时还有次固结作用形成的和胶 结物质的陈化形成的拟似超固结( 压密) 作用。这种超压密作用所储存的内部能量可能因 卸荷而释放，也可能因水的长期饱和，淋滤或溶解而减弱，这样就会导致较大的水平位 移或者强度的减弱，不利于土体的稳定。 正是由于膨胀土的上述特性，给工程建设带来很大困难，膨胀土的研究因而也成为 目前相当活跃的课题。 1 1 2 膨胀土边坡的破坏形式 在边坡工程中，膨胀土地区的公路病害如边坡滑坍、路基波浪式沉陷变形、路肩开 裂和坍塌等问题已越来越突出。对于膨胀土，有“逢堑必崩，无堤不塌”之说。 降雨八渗对非饱和膨胀土边坡的直接影响是使得边坡土体中( 特别是浅层土) 吸力 降低或孔隙水压力升高。孔隙水压力的升高使“有效应力”降低，从而导致土体抗剪强 度降低。同时由于膨胀土的胀缩性，边破表层产生裂隙，加速了边坡的破坏。 边坡稳定研究中的基本问题应包含两方面：一是内外各种因素的变化对膨胀土状态 的影响，尤其是土的密度、含水率以及某些特性指标( 如抗剪强度指标) 的影响：二是外 在的荷重、气候及各种因素作用下，膨胀土产生的应力和变形的大小及其影响。这两方 面的问题都与水的因素直接相关。1 4 】 膨胀土边坡破坏的几种形式【3 】： ( 1 ) 滑坡。滑坡具有弧形外貌，有明显的滑床，滑床后壁陡直，前缘比较平缓， 第一章绪论 式1 - 1 中，z ，为土破坏时的剪应力，c 为有效凝聚力，口为有效正应力，“。为土 体中的孔隙水应力，妒为有效内摩擦角。 这是迄今为止使用最广泛，最成熟的强度理论，现在大部分新的强度理论都是在此 基础上进行修改和补充。 目前比较热门的膨胀土研究主要集中于非饱和土的剪切强度，b i s h o p 等于1 9 6 0 年 提出了非饱和土抗剪强度的有效应力公式【6 】： f ，= c 1 + 【盯一“w + z ( “n 一“w ) t a n 妒 n 2 1 式1 - 2 中，z 为待定系数，为孔隙气应力。 b i s h o p 的理论己为许多学者所接受，但由于其中的吸力0 。一“。) 数值难以测定， 而且z 参数也不易测定，所以未能大量实用。 f r e d l u n d 等于1 9 7 8 年提出了他们的非饱和土抗剪强度公式1 7 】： 。，4 。+ ( g - - u w ) t a n 外0 一w ) t a n 舻” f 1 3 1 印”为吸力引起的摩擦角。 f r e d l u n d 的理论和公式也同样得到国际公认和局部采用，但由于吸力测试和舻”测 试的技术至今仍比较繁难复杂，因而未能在工程实践中大量应用。 卢肇钧在1 9 9 2 年发表的试验资料和研究报告认为，吸附强度- 。与膨胀力p ；的相 互关系有一种近似线性的大致规律，并初步提出【8 1 ： f ，；c + ( 盯一u a ) t a n 妒+ 打致t a n t p ( 1 4 ) m 为参数，p ，为膨胀力。 但是沈珠江院士认为膨胀土中吸附强度与膨胀力之间并非都有上述公式中这样简 单的线性关系。 1 9 9 5 年尹巍用另外两种粘土对上述发现作了进一步的试验研究，结果表明 t = m p ，t a nq o ，与卢肇钧的研究成果相似。 陈孚华9 1 对饱和状态下的膨胀土的膨胀力与干密度的关系进行了研究，得到关系 第一章绪论 培唬对于一个固定的土样也并非常数，而是与吸力有关的变数。当土样接近饱和、吸力 很小时，信九的数值接近于饱和土的内摩擦系数留；但当土样的饱和度降低、吸力增 大时，留晚的数值逐渐减小。 b i s h o p 等于1 9 6 0 年提出的公式中心为孔隙水压力，以为孔隙气压力，x 取决于 饱和度、土类、干湿循环以及加载和吸力的应力路线。当饱和度为零时，x = 于0 ；当饱 和度为1 时，x = l 。b i s h o p 还曾在1 9 6 3 年发表过对4 种不同的压实粘土样品进行剪切 试验所求得参数x 与饱和度的相互关系。 1 2 4 膨胀力与含水率的关系 卢肇钧1 8 l 把膨胀力定义为保持土体积不变的条件下测得的力，也就是现在使用的土 工试验规程中所使用的方法。a s u r is r i d h a r a n 1 3 】考虑了三种膨胀力的测量方法：自由膨 胀法，定体积法和线性求解法，通过大量试验比较了三种方法各自的特点，并得到膨胀 力与初始含水率和干密度的关系。 膨胀土路基直接暴露于大气环境中，受各种大气营力的作用，其各部分土体的性质 和填筑成形时相比有了很大改变。所以，膨胀土路基受降雨的影响，土体吸水产生膨胀力 的情况要比室内膨胀力试验复杂得多。室内测定膨胀力是在土样完全浸水和无膨胀变形 的条件下进行的，而路基土一般不具备完全浸水条件，且允许一定量的膨胀变形。所以实 际膨胀土路基体吸水产生的膨胀力比室内试验得到的膨胀力值要小。此外，路基各部分 土体的干容重、饱和度不可能完全相同，也将影响到所产生膨胀力的大小。因此，为使 问题简化，笔者参考了现有的文献资料，在室内测定的膨胀力基础上进行适当折减，作 为计算值。 秦禄生 1 0 1 应用基于邓肯一张模型的有限元法，对膨胀土路基边坡雨季大量失稳破坏 问题进行了分析，通过路基边坡降雨前后应力应变分布的差异对照，发现边坡表层土体 大量吸水，产生较大膨胀力，是膨胀土路基边坡出现表层滑坍的主要原因。该观点虽然 提到了膨胀力的作用，但并没有对边坡的稳定性进行评价，即没有考虑膨胀力对边坡安 全系数的影响。 谭罗荣【1 4 】研究了击实膨胀土的膨胀压力p 与5 0k p a 下的膨胀率d ，。随干密度、饱和 第一章绪论 度及含水率的变化规律，结果表明：p 和d ；。与干密度h 、含水率w 、饱和度s ，的关系及 p d ，。间的关系皆可用幂指数函数 i n y = 鲫。+ 6 i n y = a ( 1 n x ) + b v ：蕊c + b ( 1 - 9 ) d 5 0 = a o n p ) + 6 在不同条件下，w 、儿、s 中的某一个或两个因素可更好地描述p 和d ；。的变化规 律，一般在高含水率范围含水率因素与干密度因素等价；在低含水率范围含水率因素与 饱和度因素等价；含水率一定时干密度因素与饱和度因素等价；存在一临界干密度，干 密度大于临介干密度时，膨胀力随饱和度的增加而减小，反之则增加。 陈孚华对饱和状态下的膨胀土的膨胀力与干密度的关系进行了研究，得到关 系式 p ：l o ( 4 r d - b ) ( 1 1 0 ) 式中心为干密度；a ，b 为拟台常数，不同地区的试样有不同的拟合常数。陈孚华 还认为增大膨胀土的含水率并不是控制其膨胀的一种积极有效的办法。即使土的含水率 高，设置在膨胀土上的基础仍将经受同样的膨胀力。初始容重是影响膨胀力的唯一因素， 膨胀力随初始干容重的增大而增大。膨胀土的膨胀力与附加压力，初始含水率，饱和度 以及土层厚度均无关。膨胀力可以作为测定膨胀土的一种尺度。 1 2 5 膨胀土的渗透性 膨胀土自身的渗透系数很小吼在没有裂隙时雨水对膨胀土边坡几乎没有任何影响， 对于膨胀土边坡渗流的研究文献也就比较少，只是针对产生裂隙后的渗流有所讨论。但 是，边坡表层膨胀土在经历反复干湿循环后，发育不同大小的裂隙，雨水入渗后在裂隙 中产生渗流，从而影响边坡的稳定性。袁俊平初步建立了非饱和膨胀土边坡裂隙网络的 入渗模型( 3 6 】。 第一章绪论 s r24 4 2 8 ” f d ：1 0 1 s ，= 舢9 2 ( d ：o 9 )( 1 1 2 ) 5 22 2 2 7 4 ” f d ：0 8 、 压实性膨胀土的膨胀力与压实度和含水率有关，对于填土，压实度可以人工控制， 但碾压完成后的含水率变化比较复杂。施工时，初始含水率为最优含水率时，控制9 0 的压实度最理想，既能达到较高的强度，又可以抑制土的膨胀势。 1 2 9 试验研究 围绕膨胀土的强度，变形，膨胀力，含水率，裂隙等各国学者做了大量的试验工 作，现有的理论均是建立在试验基础上。袁俊平结合裂隙度，对带裂隙的土样进行剪 切试验，根据试验结果拟合出土的强度指标与饱和度及裂隙度的相关关系，并认为三者 之间在空间内为一个平面，土体强度的取值为一条空间曲线。袁俊平还利用固结仪进行 了不同初始含水率和于密度的膨胀土样单向浸水膨胀试验，拟合出膨胀变形随时间的函 数关系。香港科技大学与长江科学院在南水北调中线渠道工程附近的湖北枣阳现有渠道 中，选取了一个1 1 m 高( 3 1 m 长1 6 m 宽) 的膨胀土渠道边坡，进行了人工降雨模拟试验和 多种仪器的原位综合监测，试验得到了雨水入渗对吸力、土体应力状态和土体变形的影 响。试验结果显示，初期吸力锐减为o ，水平应力明显增大，水平位移在浅层内较大， 值得注意的是该次模拟降雨并未造成失稳破坏，体现了破坏的滞后性；w i l l i a mj l i k o s 【2 1 1 从晶体的微观角度考察了膨胀土的膨胀特性，并通过浸水膨胀试验得到膨胀土样的最大 轴向应变为1 6 3 。 f a n gs h e gs h u a i 和d gf r e d l u n d f 2 2 】则建立了一个可以描述各种膨胀试验( 自由膨 胀、定体积、定含水率、定荷载、有荷膨胀等试验) 的理论模型，该模型建立在平衡方 程、非饱和土的本构方程和孔隙水流的连续性方程的基础上，可以描述试样中孔隙水压 力随时间和深度的改变；可以描述体应变、竖向总应力增量( 非饱和土的固结实验) ； 可以描述上述试验中的各个试验值；对预测原位状态下的总膨胀量、膨胀力和膨胀率有 很大帮助。 第一章绪论 形比三轴要快，三轴试验最终竖向膨胀量与固结试验最终竖向膨胀量的比值为0 3 o 6 6 ，且这个比值随围压的增大而增大，竖向膨胀量与体膨胀量的比值为o 4 0 7 8 ，与 围压成正比；三轴试验测得的膨胀力要比固结仪大，说明规范中所使用的固结仪试验测 膨胀力时要考虑侧限和含水率的影响，它所测得的膨胀力偏小；两者也有共同点，最终 膨胀量与围压的对数值呈反比线性关系。 1 3 论文的研究背景和主要内容 1 3 1 研究目的 本文以在建的宁淮高速为背景，主要采用极限平衡理论来研究膨胀土边坡稳定问 题，参考通用条分法等极限平衡理论，在考虑膨胀力的情况下，推导膨胀土边坡的安全 系数f s 的表达式，从而得到膨胀土边坡稳定的极限平衡计算方法，结合g e o s l o p e 计算软件，对不同坡率以及其他各种因素影响下的膨胀土边坡进行安全系数计算，从而 得到膨胀力对边坡稳定安全系数的影响。 1 3 2 研究内容 组成天然膨胀土边坡，人工开挖或填筑的膨胀土边坡中一定范围内的膨胀土多为非 饱和土，或者说三相土。土中气相的存在导致土中孔隙水压力为负值，在气候环境作用 下，土体水分通过地表蒸发，导致膨胀土浅部产生千缩裂隙。裂隙破坏了土体的完整性， 导致膨胀土强度降低，并为雨水入渗提供了便利条件。连续降雨引起大量雨水入渗，使 土体孔隙水压力上升，基质吸力减小，产生附加的大小不同的膨胀力，再加上土体自重， 使裂隙弱侧的土体产生破坏，从而进一步带动上部土体产生牵引式破坏，最终导致土坡 失稳。 ( 1 ) 利用简便固结仪，测定不同含水率的试样在各自接近最大压实度下的膨胀力， 研究最大膨胀力与含水率的定量关系，同时为极限平衡计算提供膨胀力的具体值。 ( 2 ) 进行室内直剪试验，包括固结慢剪和固结快剪试验。探讨压实性膨胀土的强度 随含水率增大的衰减规律，确定强度参数与含水率之间的定量关系，为不同类型的膨胀 土边坡稳定计算提供强度指标。 ( 3 ) 根据已有的极限平衡法计算公式，推导引进膨胀力后的膨胀土边坡安全系数计 算公式，主要采用g l e 通用条分法，同时利用g e o s l o p e 软件进行膨胀土边坡安全 第一章绪论 系数计算，并对计算结果进行分析。 首先选取宁淮高速沿线一个具有代表性的路堤断面作为研究对象，以桥头带预压土 的断面为优，并在此模型的基础上改变影响因素进行计算，并对计算后的结果进行分析 ( 4 ) 第二章膨胀土室内试验研究 2 1 概述 第二章膨胀土室内试验研究 南京至淮安高速公路是江苏省规划的“四纵四横四联”主骨架中的“纵三”，南联 省会南京，北至淮安，并与徐宿淮高速公路相连。马坝至武墩段高速公路起点位于盱眙 县马坝镇东阳乡2 0 5 国道南侧，终点位于淮安市武墩乡。 第四纪地质资料反映，路线所处淮安市盱眙县东部和洪泽县清浦区西部地区，有大 面积覆盖于地表或埋藏在地表下浅层处的膨胀土，其矿物成分中含有不同比例数量的伊 利石、蒙脱石和高岭石。众所周知，在膨胀土地区，路基土体遇水软化，易发生胀缩变 形，引起路基下沉而导致路面变形、开裂、翻浆冒泥、沉陷等。 膨胀性土普遍集中分布于第1 、2 层粘土及下伏第2 - 1 层粘土，第1 、2 层裸露地表， 与路基关系密切；第2 - 1 层部分地段裸露，大部分地段被第1 、2 层覆盖，鉴于部分路 段可能挖方，故对路基稳定性有不可低估的影响。中等膨胀土岩性为黄褐色、褐灰色粘 土，含铁锰质氧化斑纹、斑点及结核雏形，一般厚度0 5 2 o m ，局部地段厚度可达3 m 。 沿深度分布有较强的规律性：表现在2 8m 局部3 o m 以上多为中等膨胀性土，胀 缩总率一般2 4 ，3 o m 以下为无膨胀性或弱膨胀性土，胀缩总率一般小于2 。沿线 取土坑共2 6 个。地勘单位进行了大量的手工钻和探坑勘察与试验。试验结果：马武段 沿线地表土以高液限粘土为主，所取2 5 8 个土试样中，共有2 0 5 个为高液限粘土试样， 占总取土数量的8 0 ，天然含水率在1 8 4 3 6 1 之间，平均为2 6 9 ，其液限含水率 ( 1 0 0 9 锥) 在5 0 1 5 7 4 之间，平均为5 5 2 。粘粒含量( 小于0 0 0 5 m m 的颗粒) 一 般在1 2 5 3 5 o 之间，平均为2 6 2 。低液限粘土5 3 个，占总数的2 0 ，天然含水率 在2 1 5 3 5 3 之间，平均为2 5 8 。其液限含水率( 1 0 0 9 锥) 在4 1 o 4 9 8 之间， 平均为4 7 6 。粘粒含量( 小于o 0 0 5 m m 的颗粒) 一般在1 3 7 3 0 9 之间，平均为2 3 7 。 f 4 9 1 膨胀土边坡稳定性计算中，涉及膨胀力的大小和膨胀土的强度参数需通过室内试验 确定。本文以在建的宁淮高速为背景，取二号工地取土坑原状土进行室内试验研究。实 验内容主要包含两部分，膨胀力试验和抗剪强度试验。 1 4 第二章膨胀土室内试验研究 2 2 膨胀力试验 2 2 1 试验目的和思路 膨胀力试验主要是测定不同初始含水率试样在接近各自最大干密度下的膨胀力，研 究膨胀力与含水率的定量关系，为极限平衡计算提供膨胀力的数值。 膨胀力试验按j t j0 5 1 9 3 1 卅规定方法进行，膨胀力计算公式如下： p e ：w x m ( 2 1 ) 式中n 一膨胀力，k p a ； 彬一总平衡荷重，n ； 彳一试样面积，cn r ； m 一加压设备的杠杆比。 将膨胀土试样的制样含水率控制在5 1 、9 3 、1 4 2 、1 6 3 、1 8 9 、2 2 1 ， 压实到最大干密度，每个含水率下制备试样2 3 个。 2 2 2 试验步骤 根据j t j0 5 1 9 3 4 7 1 ，把试样放在轻便固结仪中，采用加荷平衡法测定试样的膨胀力。 2 2 2 1 制样 ( 1 ) 将土样从土样筒或包装袋中取出，描述土样的颜色、气味、夹杂物、土类及均 匀程度等，将土样切成碎块拌和均匀。取代表性土样测定含水率。取足够数量的土样置 于通风处凉干至可碾散为止。 ( 2 ) 将碾散的风干土样过0 5 m m 孔径的筛，取筛下足够试验用的土样充分拌匀，测 定风干含水率，装入保湿缸或塑料袋内备用。根据试验所需的土量与含水率制各试样， 所需的加水量应按下式计算： 聊。2 丽m 0 0 1 ( 国一) ( 2 - 2 ) 式2 2 中： m 。一制备试样所需要的加水量 m 一风干土质量 一风干土含水率 第二章膨胀土室内试验研究 m 制样要求的含水率 ( 3 ) 称取过筛的风干土样平铺于搪瓷盘内，将水均匀喷洒于土样上充分拌匀后装入 盛土容器内，盖紧润湿一昼夜。测定润湿土样的含水率，取样不少于两个。 ( 4 ) 根据环刀容积及所需的干密度制样，所需的湿土量应按下式计算： m o = ( 1 + o o u o o ) p d v ( 2 - 3 ) 式2 3 中：p 。一试样的干密度 矿一试样体积( 环刀容积) ( 5 ) 根据上式计算每个试样需要的湿土质量m o ，将湿土倒入装有环刀的压样器内， 以静压力通过活塞将土样压实到所需密度。取出带有试样的环刀，称环刀和试样总质量。 将试样存放在保湿器内备用。 2 2 2 2 试验步骤 根据j t j0 5 1 9 3 【4 7 】的规定步骤进行膨胀力试验。 本文所取土样与张颂南硕士论文【4 9 】中试验所取土样相同，故该膨胀土土样的最大干 密度和最优含水率参照其试验研究成果( 见图2 - 1 ) 。本文膨胀力试验的试样制各时，最 大干密度和最优含水率采用了前述硕士论文的结果。 并非所有含水率下的土样都能达到最大干密度，且本文的主要工作是边坡稳定计 算，为了最大程度的体现膨胀力对边坡稳定性的影响，本试验制样时，在试样含水率较 大幅度改变时并未固定相同的干密度，每个含水率下制样2 3 个，干密度接近图2 - 1 中 曲线上的对应值，与干法击实试验的控制方法类似，从而得到含水率膨胀力曲线。 第二章膨胀土室内试验研究 阶段，完全限制试样的膨胀变形和允许很小的变形( o 0 1 m m 数量级) 有几十甚至l o o k p a 左右的差别( 仪器变形的控制有一定的影响) ，而实际条件下，即使干密度很高的膨胀 土边坡，在雨水侵入后，变形也不可能会被完全抑制，因此在实际极限平衡计算中应对 试验室测得的最大膨胀力乘以合适的折减系数，或者在试验时给予试样一定的膨胀变 形，以此时测定的值作为实际边坡计算中输入的膨胀力。 2 3 压实性膨胀土的抗剪强度试验 2 3 1 试验目的和思路 探讨压实性膨胀土的强度随含水率变化而变化的规律，为膨胀土边坡稳定计算提供 强度指标。 试验采用宁淮高速现场膨胀土，采用人工压实方法制样，土样风干碾碎后过2 r a m 筛，作为制备试样用土。每组试验四个样。土样最优含水率1 4 2 。 固结慢剪试验制备3 3 、2 3 2 6 、1 8 6 4 、1 4 7 5 、8 9 2 五个含水率，压 实度以9 3 为基准，含水率3 3 、2 3 2 6 和8 9 2 的三组试样因偏离最优含水率较大， 压实度达不到9 3 ，试样制备时分别压实到各自最大干密度。制样含水率1 4 _ 3 的试 样制备9 0 、9 3 、9 5 三种不同压实度试样，考察最优含水率附近不同压实度对强度 的影响。 在含水率1 4 2 7 下制备9 0 、9 3 、9 5 三种压实度试样，进行快剪试验。另准 备含水率1 4 2 7 压实度9 8 的试样，共一组四个，在自然条件下进行干湿循环，用于 测定带裂隙膨胀土的强度。 2 3 2 试验步骤 试样制备方法与膨胀力试验相同。 2 3 2 1 慢剪试验 采用应变式直剪仪，根据j t j0 5 1 9 3 ( 4 7 l 的规定步骤进行慢剪试验。按下式计算试样 的剪应力： r ；生旦。10 第二章膨胀十室内试验研究 提高，所以该含水率下还能测得较高的剪切强度。 从图2 7 、2 - 9 上应力应变曲线上可以看出，每组试样在接近破坏之前剪应力均有 一个先减小后增大的过程，对比图2 5 和图2 1 1 ，土样在压实度逐渐增大时，表现出渐 进破坏的形式，塑性向脆性转变。 图2 1 1 中含水率与风干含水率相近，试样达到峰值强度后剪切强度迅速降低达到 一稳定值，该值可认为是此含水率下的残余强度。 图2 - 6 中曲线拟合方程1 = o 3 4 9 40 + 5 2 7 9 。 图2 - 8 中曲线拟合方程t = o 3 0 9 3o + 4 5 5 0 5 。 图2 1 0 中曲线拟合方程f = 0 4 9 7 8o + 1 2 6 7 4 。 图2 1 2 中曲线拟合方程t = 0 5 4 7 9o + 1 9 8 2 5 。 2 最优含水率附近不同压实度试样的慢剪强度试验 在最优含水率附近，由上节的膨胀力试验以及前人的研究成果可知，各种力学性质 的测定结果波动性较大，再结合宁淮高速公路现场的压实度控制值，制样压实度分别为 9 0 ，9 3 ，9 5 。三组不同压实度下的试验过程线分别绘制，拟合曲线合并于图2 - 1 8 中，以便于比较。图2 1 3 为9 0 压实度下试样慢剪应力应变曲线，图2 - 1 4 为试样9 3 压实度下慢剪应力应变曲线，图2 1 5 为试样9 5 压实度下慢剪应力应变曲线。 抗剪试验后期阶段剪应力停留在一稳定数值，为试样的残余强度，图2 - 1 9 和图2 2 0 分别为不同含水率和最优含水率附近不同压实度下的残余强度线。 对 - r 型 泳 垂直压力l f f a 一2 0 0 - 3 0 0 r 一4 0 0 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 0 剪切位移00 1 m m 图2 1 3 虽优含水率试样9 0 压实度下应力应变曲线 蝴湖聊螂叩o 第二章膨胀士室内试验研究 5 0 0 芷4 0 0 羹3 0 0 域2 0 0 赦1 0 0 0 6 0 0 b 5 0 0 旱4 0 0 r3 0 0 鬈。0 0 1 。 0 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 0 剪切位移o 0 1 m m 垂直压力k p a r 一2 0 0 一4 0 0 3 5 0 | _ 1 5 0 - - h - - 2 5 0 图2 1 4 最优含水率试样9 3 压实度下应力应变曲线 0 6 0 0r m 5 0 0 妻4 0 0 - p - , 3 0 0 墨2 0 0 1 0 0 0 垂直压力k p a - 4 - - 1 0 0 - 2 0 0 r 一3 0 0 * 4 0 0 1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 0 剪切位移o 0 1 m m 图2 - 1 5 最优含水率试样9 5 压实度下应力应变曲线 1 0 02 0 03 0 0 正应力k p a - 9 5 压实度 9 3 压实度 9 0 压实度 图2 - 1 6 最优含水率试样不同压实度下的慢剪强度线 。z 飘2 0 r1 5 0 鬓瑚 2 4 5 0 4 0 3 0 疆 簸2 0 世 1 0 0 8 8 含水率= 1 4 _ 3 9 09 29 49 6 压实度 图2 - 1 8 慢剪摩擦角随压实度变化曲线 第二章膨胀土室内试验研究 5 0 0 歪4 0 0 r 3 0 0 接z 0 0 1 0 0 0 2 5 0 2 4 5 曼2 4 0 r 2 3 5 醚2 3 0 2 2 5 2 2 0 01 0 02 0 03 0 0 正应力k p a + 9 3 压实度 9 5 压实度 9 0 压实度 图2 2 l1 4 2 7 含水率试样不同压实度下的快剪强度线 9 09 29 4 压实度 5 0 4 0 3 0 掘 肇2 0 世1 0 0 9 09 29 4 压实度 图2 2 2 快剪粘聚力随压实度变化曲线图2 - 2 3 快剪摩擦角随压实度变化曲线 图2 2 1 中9 5 压实度试样正应力剪应力拟合方程t = o 6 7 0 6o + 2 4 8 4 1 ； 9 3 压实度试样正应力剪应力拟合方程t = 0 5 0 0 20 + 2 3 0 4 5 ； 9 0 压实度试样正应力剪应力拟合方程t = o ，4 3 2 6o + 2 2 2 5 9 。 快剪试验的结果与定性分析的结论很一致。当制样含水率相同时，粘聚力和摩擦角 随压实度( 干密度) 的增大而增大。 2 3 4 试验结论 直剪试验制样时与膨胀力试验类似，各含水率下的试样干密度并不相同，而是该含 水率下的最大干密度，以便第三章建模计算时对应采用膨胀力和强度指标。图2 2 4 和 图2 2 5 分别为慢剪试验粘聚力和摩擦角随含水率变化的关系曲线 将最优含水率附近相同含水率不同压实度试样的慢剪快剪的试验结果进行比较，见 图2 2 6 、2 2 7 和图2 2 8 。 第三章极限平衡法公式推导及计算 3 1 概述 第三章极限平衡法边坡稳定分析 目前常用的边坡计算分析方法有 ( 1 ) 极限平衡分析法一边坡稳定分析最基本、最常用的一种方法，其中包括通用条 分法等假设不同的多种条分法。 ( 2 ) 统计比较判别法或工程地质对比较法一对现有类似或相近工程地质条件下的土 坡进行统计分析，求得稳定边坡坡比的大致范围、可能坡型等，是一种经验方法，可用 于中小型边坡设计。 ( 3 ) 有限元分析方法一可以考虑土的应力应变关系，分析整个土体中各点的应力和 变形情况及其变化过程的一种分析方法。可以考虑地质条件与降雨入渗等多种复杂因素 对边坡稳定的影响，是比较适合的边坡稳定分析方法。但常规有限元法不能直接求得土 坡的安全系数，只能通过对边坡中各点的应变和应力进行分析，给出最可能滑面后，讨 论其稳定安全系数。 极限平衡法经过近百年的发展，其计算分析过程已经相当成熟，而且随着计算机技 术的发展，相应的各种边坡计算软件也很丰富，在工程实践中得到大量应用。基于此， 本章考虑采用极限平衡法进行边坡稳定分析。 极限平衡方法的基本特点是只考虑静力平衡条件，土的强度采用摩尔库仑破坏准则， 也就是说通过分析土体在破坏那一刻的力的平衡来求得问题的解。当然在大多数情况下 问题是静不定的。极限平衡方法处理这个问题的对策是引入一些简化假定，使问题变得 静定可解。这种处理使方法的严密性受到了损害，但是对计算结果的精度损害并不大， 由此而带来的好处是使分析计算工作大为简化因而在工程中获得广泛应用。 m o r g e n s t e r n 和p r i c e 在1 9 6 5 年提出了通用条分法( g l e ) ，与经典公式的不同在于， 它直接将条问力合力的大小和方向作为未知数，通过定义不同的条间力倾角函数，可以 方便地模拟各种严格条分法，如s p e n c e r 法、m o r g c n s t e m - p r i c e 法以及基于静力平衡 的简化法，如不平衡推力法、陆军工程师团法、罗厄法等。已有的算例分析表明，通用 条分法g l e 具有较高的数值精度和实用价值，且方程形式简单、易于编程。而随着计 第三章极限平衡法公式推导及计算 算机软硬件技术的飞速发展，在边坡稳定分析中以精度更高的严格法代替简化法己成为 必然。本文下面所使用的g e o s l o p e 计算软件正是基于严格的条分法开发而成。 3 2稳定分析 3 2 1 模型建立 通用条分法( g l e ) 最初由m o r g e n s t e m 和p r i c e 在1 9 6 5 年提出，是同时满足力和 力矩平衡的严格条分法，程序计算时收敛迅速。本文公式的推