（地质工程专业论文）宁镇地区下蜀土吸力特性及在滑坡预报中的应用.pdf

* f 海人学1 葶ii 论文 摘要 滑坡是常见的地质灾害之一，6 0 以上的边坡失稳都是由于降雨引起的我国是 一个多山的国家，每年特别是每年雨季都要发生若干滑坡，它几乎遍及全国各省区。 降雨诱发滑坡的机理的研究历来是学术界、工程界关注的热点，也是难以解决的一个 课题。 宁镇地区是江苏省内滑坡发生较频繁的地区，特别是由于降雨所引起的滑坡更是 占总滑坡发生数量的相当大的部分。这个结果与在宁镇地区广泛分布着的大量下蜀土 有密切关系，由于下蜀土具有独特的工程地质特性，由于吸力的存在导致其在干湿状 态下的工程地质性质差异较大，所以下蜀土边坡稳定性对降雨极其敏感。以往对下蜀 土边坡的研究也主要侧重于对宏观上下蜀土边坡的稳定性预测预报，对其产生的机理 以及吸力特性对下蜀土滑坡的影响还未深入涉及。 本论文基于江苏省发展与改革委员会立项的江苏省长江岸线开发地质环境适宜 性研究项目子项目：宁镇地区下蜀土滑坡机理研究，通过对宁镇地区下蜀土的性质、 土水特征曲线、以及对研究区内的滑坡特性和滑坡数据的研究，分析滑坡产生的机理 以及下蜀土的吸力特性，研究滑坡与吸力特性的相关性。 为了研究基质吸力对下蜀土边坡稳定的作用，本文主要取得了以下研究成果： 1 通过下蜀土边坡基质吸力的现场量测，得到下蜀土的土水特征曲线，根据土水 特征曲线，得到下蜀土的饱和含水量和残余含水量，再根据室内土工试验得到下蜀土 的强度参数，从而根据相对饱和度建立了下蜀土的强度模型。 2 通过在下蜀土边坡坡顶的基质吸力量测，确定了下蜀土的大气影响深度。 3 根据建立的强度模型对已发生的滑坡进行了验证，并与瑞典条分法的计算结果 进行比较，论证了强度模型的可信性。分析得出的下蜀土吸力特性以及强度模型为以 后的下蜀土边坡设计、施工等提供了可靠的理论依据。 关键词：土水特征曲线；下蜀土；基质吸力；边坡 硼 k 擎硪t ：论筻 a b s t r a c t l a n d s l i d ei so n eo f t h em o s tp o p u l a rg e o l o g i cd i s a s t e r s , 6 0 o f w h i c ha r cc a u s e db y r a i n i n g c h i n ai sam o u n t a i n o u sc o u n t r y l a n d s l i d ei so c c u r r e df r e q u e n t l ye v e r yr a i n y s p 锄5 0 ni na l m o s ta l lt h ep r o v i n c e s t h er e s e a r c ho fm e c h a n s mo fm i n i n gb a d g e r i n gl a n d s l i d i n gi sh o ts p o to fa c a d e m ea n de n g i n e e r i n ga r e a , s t i l li ti sap r o b l e mw h i c hi sh a r dt o s o l v e n i n g z h e nr e g i o ni st h ea r e aw h i c ho c c u r r e dl a n d s l i d ef r e q u e n t l yi nj i a n g s up r o v i n c e , m o s to fw h i c ha r ec a n s c db ym i n i n g t h i sr e s u l th a sc l o s er e l a t i o nt ot h ex i a s h ul o e s si n t h i sa r c a x i a s h ul o e s sh a sp a r t i c u l a rg e o l o g i cc h a r a c t e r i s t i c s i tm a k e sg r e a td i f f e r e n c e w h e ni ti sd r yo rw e tb e c a u s eo ft h ee x i s t e n c eo fs u c t i o n , s ot h a ts t a b i l i t yo fx i a s h ul o e s s l a n d s l i d ei sa l l e r g i ct or a i n i n g i tf o c u s e do nt h er e s e a r c ho fs t a b i l i t yf o r e c a s to fx i a s h u l o e s sl a n d s l i d eb e f o r e ，b u to nt h ea f f e c ta n do r g a n i s mo f t h a t i nt h i sp a p e r , t h r o u g ht h er e s e a r c ho fc h a r a c t e r i s t i ca n ds o i l - w a t e rc h a r a c t e r i s t i ca n d a n a l y z e dl a n d s l i d ec h a r a c t e r i s t i ca n dm e c h a n i s mo fx i a s h oi , o e s sl a n d s l i d ei nn i n g z h e n r e g i o n i no r d e rt or e s e a r c ht h es u c t i o na f f e c tt ot h es t a b i l i t yo f x i a s h ub s l a n d s l i d ea n d i t sm e c h a n i s m ih a v em a d ef o l l o w i n g r e s e a r c h ：l 1 t h r o u g ht h eo i ls p o tm e a s u r eo f s u c t i o nx i a s h ul o e s sl a n d s l i d e ig o tt h es o i l - w a t e r c h a r a c t e r i s t i cc u r v e d e p e n d i n go nt h a tc u r v e , ig o tt h es a t u r a t i o nw a t e rc a p a c i t ya n d r e m n a n tw a t e rc a p a c i t yo fx i a s h ul o e s sl a n d s l i d e t h e nis e tu pt h es t r e n g t hm o d u l eo f x i a s h ul o e s sa c c o r d i n gt ot h ec o m p a r a b l ec a p a c i t y , d e p e n d i n go nt h es t r e n g t hp a r a m e t e ro f x i a s h ul o e s st h r o u g ht e s t i n g 2 t h r o u g ht h em e a s u r i n gs u c t i o no nt h et o po f x i a s h ul o e s sl a n d s l i d e ，im a k es u r et h e i m p a c td e p t ho f a t m o s p h e r e 3 iu s et h es t r e n g t hm o d u l et ot e s tt h el a n d i s l i d e w h i c hm a k e ss u r et h er e l i a b i l i t yo f t h em o d u l e ，t h es u c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fx i a s h nl o e s sl a n d s l i d ea n ds t r e n g t hr o o d u l e p r o v i d et h er e l i a b l et h e o r e t i ca c c o r d i n ga sf o th ed e s i g n i n ga n dw o r k i n go fx i a s h ul o e s s l a n d s l i d e k e y w o r d s ：s o i l w a t e rc h a r a c t e r i s t i c , x i a s h ul o e s s ，s u c t i o n ，l a n d s l i d e 学位论文独刨性声明： 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) ：2 0 0 7 年5 月2 0 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) ：2 0 0 7 年5 月2 0 日 河海大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 我国是多山国家，不但发生的滑坡较多，而且滑坡的类型比较齐全。由于 滑坡的发生，常常给人民的生命财产造成比较严重的损失，给工程建设带来了 很大的影响【l l 。据统计，上世纪八十年代未至九十年代初，每年因地质灾害造 成3 0 0 4 0 0 人死亡，经济损失1 0 0 多亿元。九十年代以来，我国因地质灾害造 成的损失每年都在2 0 0 亿元以上，人员死亡约1 0 0 0 人1 2 l 。 大量的滑坡表明，不良的水文地质条件，边坡岩体的不良水理性质是影响 边坡稳定性的最主要的地质因素之一，绝大多数滑坡都是由于降雨或水的作用 而触发的。在非地质因素中，影响边坡稳定性的主要是大量降雨、人为的切破 脚开挖、边坡下部地下水开采以及大爆破等诸因素的影响。在这些因素中大量 降雨尤为明显，往往对滑坡的发生起到触发作用i l 】。据统计降雨集中期常是滑 坡泥石流暴发的高潮期，约7 0 的滑坡泥石流是在6 8 月份发生的【3 】。 降雨，尤其暴雨是滑坡活动最重要的触发因素，它主要通过以下四个方面 的机制触发滑坡的产生：( 1 ) 大量的地表水进入岩土体起加载作用，增加坡体 重量；( 2 ) 浸泡软化易滑地层，形成粘泥薄层，使抗剪强度大幅度降低；( 3 ) 土体的孔隙和岩体的节理裂隙被水充满和饱和，在增加动水和静水压力的同时， 减少了其有效应力；( 4 ) 干湿交替导致岩土体开裂，使更多的水进入坡体，进 一步恶化坡体状况。中外历史资料表明，区域性的大暴雨或久雨会引发大量滑 坡等灾害，造成严重的经济损失。如明嘉靖廿一年( 公元1 0 2 9 年) 新滩一带久降 暴雨，新滩北岸山崩五里，逆浪百余里，江塞舟楫不通，压居民百余户，堵江 8 2 年；1 9 7 5 年8 月8 日至l o 日秭归县降暴雨3 0 0 m m ，其中9 日暴雨量7 9 3 m m ， 诱发大量滑坡，其中产生严重危害的就达8 7 6 处；1 9 8 2 年7 月1 5 日至3 0 日， 川东地区连降大暴雨，在万县地区各县滑坡和崩塌8 1 万处，其中沿江的忠县 2 9 9 3 0 处，奉节县1 1 5 2 处，云阳县2 万多处，造成了严重的经济损失；日本1 9 8 1 年和1 9 8 2 年统计的1 9 8 处滑坡，其中因降雨发生的滑坡为1 9 5 处，占总数的 9 8 ：1 9 9 8 年忠县在6 月末到8 月中旬不到5 0 天的时间内，就连遭5 次大暴雨 袭击，每次降雨量都在2 0 0 m m 左右，8 月1 1 日8 月1 2 日发生第五次特大暴雨， 降雨持续2 4 h ，降雨量达2 6 0 n u n ，引发了大量的滑坡。另据调查统计发现，重 庆市区范围内2 0 世纪8 0 年代以来，五次明显的大范围区域性滑坡等灾害的普 河海大学硕士论文第一章绪论 遍发育，与1 9 8 1 年、1 9 8 2 年、1 9 8 7 年、1 9 8 9 年和1 9 9 8 年的降雨十分丰富有 关，特别是1 9 9 8 年区内连续遭受了9 次大暴雨和特大暴雨的袭击，引发大小地 质灾害达2 7 8 9 6 处之多，其中滑坡占8 0 以上，据不完全统计，其直接经济损 失达9 7 亿元，间接损失不可估量【4 l 。因此，对滑坡与降雨的关系进行研究，既 有利于加深对降雨型滑坡的了解认识，又能充分利用其研究成果对滑坡进行有 效的防治。 1 1 国内外下蜀土的研究现状 下蜀黄土分布北起苏北，南抵太湖，西始汉江，东迄黄、东海陆架，广泛 见于长江中下游沿江两岸，尤其在宁镇山脉一线的低山、丘陵、岗地及河成阶 地等不同高度和不同地貌单元。此外，还见于长江三角洲的平原、东海大陆架 和岛屿上许多黄土层厚度大，层次清楚。因此，开展对它的研究在长江中下游 地区具有重要意义。 下蜀黄土的研究最早可追溯到1 9 世纪的李希霍芬；“下蜀黄土”是1 9 3 2 年 由李四光、朱森以江苏下蜀镇黄土地层命名的【5 1 。此后研究的焦点集中于成因 和沉积年代上许杰鉴定了其中旱生腹足类化1 6 1 ，指出它形成于干冷的草原环 境，时代应与北方马兰黄土相当。然而，在2 0 世纪5 0 年代末期，全国地层委 员会将其归属于河湖相沉积m 。此后，也有学者把长江下游的下蜀粘土称为泛 滥牯土哺1 。下蜀黄土的风成学和水成说的争论也由此伊始。近年来，有关下蜀 黄土为中更新世风尘堆积的观点逐渐占上风，但仍存在争议。 下蜀土自正式命名至今7 0 多年来，诸多学者在不同区域、不同位置针对下 蜀土在地层层位、粒度、磁化率、化学特征、成因和年代等诸方面做了较详细 的工作。其中研究较多的典型下蜀土剖面分别有：吴标云等研究的南京泰山新 村与燕子矾剖面等【9 】。李吉均等在江西庐山地区研究的叶家垄剖面，杨达源、 李徐生和刘良梧等学者展开研究的安徽宣城向阳剖面，杨守业、张建军和郑祥 民等研究的镇江大港剖面， 吕民康等f 1 0 1 探讨了在不同层位的下蜀土的工程地质性质差异性及其形成机 理。许峰宇，李立文【】研究了南京地区下蜀土的岩石磁学特征。吴自科1 2 1 提出 了关于下蜀黄土分类新方法并对其承载力进行探讨。杨守业【”】等从化学角度对 下蜀土元素地球化学特征及物源进行研究。李徐生等【1 4 1 研究了镇江下蜀黄土粒 2 河海大学硕二i ：论文第一章绪论 度特征及其成因。 前人研究表明，下蜀土形成于晚更新世【峙1 ，晚更新世，我国北方沉积了厚 层马兰黄土，马兰黄土质地均匀、疏松，大孔和虫孔发育，具垂直节理，有较 强的湿陷性，对工程的危害性大。北京马兰裕黄土剖面在淡灰黄色的黄土中发 育有三层灰棕色埋藏古土壤。老虎山下蜀土在岩性特征上与马兰黄土极为相似， 这表明二者形成环境基本相同。老虎山下蜀土的硅铝率高达8 6 9 9 4 3 ，说明它 是典型的冰缘及沙漠边缘环境中的风成沉积物0 0 1 。 近年来，一些学者主要开始关注下蜀土的工程力学性质，进行过对下蜀土 滑坡的预测预报。但是对于下蜀土滑坡的非饱和性，以及下蜀土滑坡的机理研 究还没有进行过系统研究。 1 2 降雨型滑坡机理以及稳定性研究现状 降雨对滑坡的作用一直是工程界关注的难点之一，综合起来可分为两个方 面：研究降雨型滑坡的预测预报模型；研究滑坡水压力场与滑坡的稳定性 之间的关系。目前对滑坡的研究主要集中于以下3 个方面：滑坡分类、滑坡动 态监测以及滑坡分析和时空预测l 。由于滑坡的复杂性、随机性和不确定性， 加之目前的滑坡灾害预测预报理论研究还存在局限性，大大增加了滑坡预报的 难度。关于滑坡预测预报的研究仍是国内外正在探索研究但在理论和实践上还 尚未完全解决的科技难题。滑坡的预测预报问题一直是国内外工程地质和岩石 力学等各个学科领域的专家和学者关注的热点。 1 3 非饱和土研究现状 非饱和土理论的研究起源于上个世纪3 0 年代，当时由于大规模的水利和交 通工程的兴建，许多工程都在地下水位以上，碰到许多现实问题，运用饱和土 力学已经无法解释许多工程中碰到的现实问题，促使人们展开对非饱和土的研 究。 在随后的二十多年里，对非饱和土的研究多局限于毛细水的流动问题，这 主要是由于土在三相状态下的强度、变形等参数的测量十分复杂，数据很难得 到，从而使得相关的理论研究进展缓慢。 上世纪5 0 6 0 年代，由于太沙基的有效应力公式在饱和土性状方面取得巨 大成功，使人们把建立非饱和土的有效应力公式作为目标，其中，以b i s h o p 的 河海大学硕十论文 第一章绪论 有效应力公式影响较大。与饱和土的有效应力公式所不同的是，b i s h o p 的有效 应力公式中分别考虑了孔隙气体和孔隙水对强度的影响。b i s h o p 公式在一段时 间内得到了岩土工程师的认同。1 9 6 1 年，d o n a l d 和b l i g h t 曾分别用无粘性土 和基实土进行试验以验证b i s h o p 公式的正确性。 1 9 5 8 年，g a r d n e r 提出非饱和土的水力传导系数( 渗透系数) 与基质吸力成 指数分布。 1 9 7 7 年，m o r g e n s t e r m 和f r e d l u n d 伽1 提出了建立在多相连续介质力学基 础上的非饱和土应力分析，建议用两个独立的应力状态变量建立有效应力表达 式，并采用“零位”试验验证了该论点的可行性。在此基础上，f r e d l u n d 建立 了基于双应力状态变量的非饱和土的抗剪强度表达式，将摩尔一库仑准则推广 到三维空间。 1 3 1 土水特征曲线研究现状 土水特征曲线是描述非饱和土中含水量与基质吸力的关系曲线，土水特征 曲线的研究是非饱和土力学中个很重要的方面。通过土水特征曲线可以推导 出非饱和土中的许多重要参数，如非饱和土的抗剪强度、渗透系数、大气影响 深度等，b a r b o u r 等人曾经将非饱和土的土水特征曲线比作饱和土力学中的压缩 曲线，由此可见土水特征曲线的研究在非饱和土力学中的重要地位。 对土水特征曲线的研究，一开始起源于土壤学与土壤物理学。当时主要的 着重点是在于研究在天然状态下土壤表层的吸力的变化以及土壤的持水能力以 及水分运动特征的研究。非饱和土的基质吸力的研究反映了土的吸力对水分的 保持作用，它与土的类型以及土的微观结构、土的颗粒组成以及突地孔隙分布 情况密切相关。 目前，对土水特征曲线的研究来确定非饱和土的基本性质一般都是通过试 验的方法进行，还不能通过纯粹的理论推导来得到非饱和土的基本性质。也即 对土水特征曲线的研究还停留在半理论半经验阶段。对不同的工程，选择合适 的试验方法直接影响着土水特征曲线的结果。国内外对吸力的量测方法一般有 以下几种： ( 1 ) 量测总吸力：湿度计、滤纸法： ( 2 ) 量测基质吸力：张力计、压力板仪、热传导传感器； 4 河海大学硕士论文 第一章绪论 ( 3 ) 量测渗透吸力：挤液法 近年来，由于非饱和土力学理论在边坡稳定性评价以及降雨型滑坡预测等 发面的广泛应用，对非饱和土的土水特征曲线也逐步开始深入研究，并有许多 学者提出了土水特征曲线的数学模型，以方便计算。 非饱和土中，随着含水量的变化，吸力也随之发生变化，含水量与基质吸 力的关系曲线即成为非饱和土的土水特征曲线，该曲线目前还不能根据理论分 析得出，一般在研究中都是通过试验方法确定。 1 4 本项目的研究意义 滑坡的形成因素非常复杂，到现在也没有完全系统的理论能够精确的分析， 单就作用于滑坡发生过程的自然因素而言，主要控制因素是地质地貌条件、植 被情况、气象等的影响。尤其是降雨，对滑坡的发生是一个重要的诱发因素。 在以往的降雨型滑坡的研究中，侧重于研究滑坡的预测预报方法，通过对降雨 强度、降雨量和降雨类型的研究来进行分析。而降雨是如何对非饱和的下蜀土 产生影响，使其抗剪强度急剧下降，从而导致下蜀土边坡失稳，是研究下蜀土 滑坡机理的关键。本文从对下蜀土吸力特性的研究出发，研究下蜀土的强度模 型。为今后的下蜀土边坡的施工、设计提供了理论依据。 1 5 研究内容及技术路线 1 5 1 研究内容 本论文旨在研究下蜀土的吸力特性的规律，以及在滑坡预报中的应用，建 立下蜀土的强度模型，评价下蜀土边坡的稳定性。主要研究内容如下： ( 1 ) 阅读、总结分析国内外的研究资料，了解国内外在这些领域的研究进 展； ( 2 ) 现场取样，通过试验研究下蜀土边坡的力学性质，以及吸力特性。分 析含水量的变化对下蜀土强度的影响。使用张力计对研究区内的南京市燕子矶 中学斜对面的下蜀土边坡进行了现场吸力试验，得出了土水特征曲线。根据土 水特征曲线，结合非饱和土力学相关理论建立了下蜀土的强度评价模型，并根 据已发生的滑坡对模型的可信性进行了验证。 ( 3 ) 在燕子矶边坡上布置了2 5 m 深的量测剖面，通过泼水试验获得不同 的含水量剖面，使用张力计量测吸力在深度上的变化规律，得到下蜀土的大气 河海大学硕士论文 第一章绪论 影响深度。 1 5 2 技术路线 根据上述的研究内容，本文的研究思路为将理论与工程实践相结合，主要 为试验部分，具体可分为以下步骤： ( 1 ) 研究下蜀土的物理力学性质。研究含水量随c 、舻值的变化规律 ( 2 ) 研究下蜀土边坡非饱和带的基质吸力现场量测方法，确定下蜀土的大 气影响深度； ( 3 ) 研究张力计所测得的下蜀土土水特征曲线，分析试验结果，总结下蜀 土的吸力特性； ( 4 ) 根据吸力特性建立下蜀土强度模型； ( 5 ) 研究强度模型的可信性。对已发生的滑坡的前后计算结果，与瑞典条 分法进行对比，验证强度模型的可信性。 6 河海大学硕士论文 第二章宁镇地区下蜀土工程地质特征 2 1 概述 第二章宁镇地区下蜀土工程地质特征 宁镇地区位于长江下游，在我国沿海和长江流域两大地带的交汇处，介于 东经1 1 8 度2 2 分到1 1 9 度5 8 分，北纬3 1 度1 4 分到3 2 度3 6 分之间，总面积 1 0 4 4 1 平方公里。在地质构造上处于宁镇山脉，宁镇山脉是扬子准地台上的一 个以前震旦系为基底，从震旦纪至三叠纪的长期拗陷带，由于近南北向的水平 挤压，形成了宁镇弧形隆起带，其北侧为仪征凹陷，南侧为句容凹陷。地层属 华南地层大区下的扬子分区，宁镇地层小区。地层发育齐全，保存较好，自上 元古界震旦系到新生界第四系均有分布第四系下蜀土分布广泛，遍及全区， 是滑坡体的主要组成物质，自下而上可分为两部分，即上更新统和全新统f l6 】。 下蜀土是我国区域性分布的一种特殊性土，它主要分布在长江中下游两岸， 以褐黄色砂质一粉质粘土为主。形成于第四纪晚更新世，是干旱气候条件下的产 物。属于第四纪松散土状堆积物。其结构单元体排列紧密，以絮凝体为主，连 结类型为胶结连结和结合水连结，胶结物有粘土矿物、游离氧化铝、铁和水等； 孔隙较小，结构类型以紧密的絮凝状结构为主。显团粒结构、块状构造，无层理、 层与层之间无明显界限，为渐变过渡关系。粘性和可塑性均较低，垂直节理发育， 多孔隙，黏粒含量多达3 0 ，其粒度以o 0 5 o 0 0 5 m m 粒径含量最多( 达5 5 6 3 ) ，大于o 0 5 m m 较少，大于o 2 5 m m 的几乎没有，完全符合黄土的粒径范 围；矿物成份主要是石英、长石；粒土矿物以伊利石为主，其次蒙脱石，高岭 石很少1 1 2 j ，基本无湿陷性。 根据前人研究资料，沿江开发带内西部长江两岸丘陵地带分布的下蜀组 o 0 5 r a m 的砂粒贫乏，含 量最低，平均含量仅占9 左右；0 0 5 0 0 0 5 r a m 的粉砂含量最高，达到总量的 6 1 ；粒径 o 0 5 m m0 0 5 0 0 0 5 r a m o 0 0 5 m m a l9 9 0 5 4 。6 3 3 6 4 7 a 2 4 3 9 6 5 1 5 3 0 5 6 a 39 8 9 6 2 7 3 2 7 3 8 平均值9 6 1 3 2 2 2 2 下蜀土的化学特征 杨守业、李从先等【5 0 1 选择典型的下蜀土剖面进行系统的元素地球化学分析， 下蜀土的元素组成比较均一，含量变化小，绝大多数元素的变异系数( c v ) 小 于1 5 ，以n a 、c a ( 同其他主元素一起均表示氧化物，下同) 组成变化较大， 变异系数可达2 0 以上。不同剖面的下蜀土之间元素组成虽有差异，但并不显 著，下蜀土之间绝大多数元素的相对偏差小于1 5 。其中泰山新村下蜀土的 n a 、c a 及s r 含量最高，k 、f e 、a l 含量最低。燕子矶下蜀土中f e 和a 1 含量 均比镇江大港高，其他元素组成接近。宁镇地区下蜀土的化学元素含量除了土 的基本元素s i 之外，含量最高的为a l 和f c 两种元素，还有含量比较稳定的 n a 、c a 、k 、m g 等微量元素。 2 2 3 物理性质指标统计分析 根据对研究区内部分工程的下蜀土物理力学参数的统计，得到宁镇地区下 蜀土的物理力学指标统计值，如表2 2 所示： l 河海大学硕士论文 第二章宁镇地区下蜀土工程地质特征 表2 2宁镇地区下蜀土物理力学指标统计值 l地区 含水量( )容重( k n m 3 )干容重( k n ，m 3 ) l i宁镇2 6 72 0 11 5 6 l 2 2 4 力学性质指标统计分析 根据对南京和镇江地区大量的边坡勘察资料进行统计分析，发现宁镇地区 下蜀土的粘聚力( c 值) 多集中在【3 0 ，3 6 ，内摩擦角( 牛值) 多集中在【1 2 ，1 6 。 表2 3下蜀土的力学性质统计值 lc ( k p a ) o ( 。) 3 4 2 1 4 3 2 3 下蜀土的胀缩特征 下蜀土是由黄土和红土组成的非均匀性土层。它们分别形成于不同环境。 具有物质成分和结构差异，尤其是活性铝和游离氧化铁的活度、水稳定性和胀 缩的影响程度的差异。当其位于地下水位以上或具开放性状态时，土层出现非 饱和性状态和负孔隙水压力及较大的基质吸力。凡通过土层的工程，在施工中可 以利用非饱和状态时土层基质吸力较大、土体在低含水量时仍自立且支撑能力 较强( 负的孔隙水压力导致拉应力转化点下延) 的特性，但必须控制各种( 天然降 水和人为给排水) 向下径流量，选择合适的季节以控制土体的饱和度增大的趋势。 在工程使用期，尤其是地下浅部工程要注意土中含水量的变化引发以侧向为主 的差异性胀缩潜势和两种单元界面处出现渗水导致土体破坏，影响工程的安全 和稳定l ”j 。 下蜀黄是一种超固结土，据对下蜀粘土和粉质粘土两种土的原状重塑试 样在初始含水量相近和不同的两种条件下对其膨胀率、胀缩率、自由膨胀率以 及达缩限后的膨胀率进行的测试结果表现出如下几个特点：当下蜀粘土和粉质 粘土的含水量相近时，膨胀稳定后二者含水量相近，其水平膨胀率大于垂向膨 胀率。粘土重塑样的自由膨胀率几乎是粉质粘土的2 倍，且膨胀率大于线缩率， 而粉质粘土的膨胀率和线缩率的差异并不显著；当二者初始含水量不同时，如 取含水量更大一些( 由1 8 6 一2 4 1 ) 粘土试样，其自由膨胀率仍大于粉质粘土， 但小于初始含水量较低的粘土样，由3 4 0 降至2 3 o ，即自由膨胀率随初始 9 河海大学硕士论文 第二章宁镇地区下胬士工程地质特征 含水量增大而变小，而且垂向和水平方向两个方向的差异性缩小几至消失，虽 线缩率略有增大，但体缩率和线缩率的比值减小；为充分体现各自的膨胀能， 不考虑天然含水量的影响，将试样达缩限后再进行膨胀，粉质粘土的膨胀能仍 低于粘土，原高含水量粘土的膨胀率大于原低含水量试样，即收缩至缩限后的 膨胀率与初始含水量成正比关系【1 9 1 。 由此可见，下蜀土的基本特征是： ( 1 ) 土体呈黄褐色，色泽均匀，不同地区下蜀土颜色变化不大； ( 2 ) 结构致密，以絮凝体为主，连结类型为胶结连结和结合水连结，胶结 物有粘土矿物、游离氧化铝、铁和水等；孔隙较小，结构类型以紧密的絮凝状 结构为主； ( 3 ) 显团粒结构、块状构造，无层理、层与层之间无明显界限，为渐变过 渡关系： ( 4 ) 土体的柱状节理发育，多孔隙； ( 5 ) 其粒度以0 0 5 o 0 0 5 r a m 粒径的粉砂含量最多( 达5 5 7 0 ) ，砂 粒含量最少，粘粒的含量居中，完全符合黄土的粒径范围： ( 6 ) 矿物成份主要是石英，长石；粒土矿物以伊利石为主；其次是蒙脱石， 高岭石含量少。 第四系下蜀：t ：i e 常条件下工程地质物理力学性质良好，呈硬塑状态，内聚 力( c ) 多在l o k p a 4 0 k p a 之间，或更大。内摩擦角一般介于1 3 0 2 5 0 之间。抗 压抗剪性较高，为承载力较大的天然地基土，垂直节理发育良好。 2 4 含水量对下蜀土强度的影响 基质吸力直接影响着下蜀土的力学性质。在对燕子矶下蜀土进行的试验中， 发现含水量的变化与下蜀土的强度相关性很好，变化趋势基本一致，对含水量 与c 值相关性进行分析得，相关系数为o 7 0 ；含水量与内摩擦角的相关系数为 o 7 8 ，由此可见，含水量与下蜀土强度的相关性较好。试验结果如( 表2 4 ) 、( 图 2 1 ) 所示： 1 0 河海大学硕士论文第二章宁镇地区下蜀土工程地质特征 表2 a燕子矶下蜀土强度与含水量的关系 含水量 2 6 22 5 02 6 22 6 3 2 4 5 2 4 92 6 1 2 5 22 5 13 0 1 2 6 9 3 1 o 2 6 4 ( w ) c 值 3 7 04 2 o4 0 03 8 04 0 04 1 o3 5 o3 8 04 5 03 2 o2 9 o1 7 o2 3 0 ( k p a ) q 值( o )1 1 61 4 61 3 71 5 o1 6 21 4 71 4 51 6 51 4 88 38 26 36 8 图2 1燕子矶下蜀土强度随含水量变化趋势图 由于下蜀土边坡发生滑坡的层面一般都是在浅层，而对于某一非饱和的下 蜀土体，其基质吸力的大小则是土体含水量的函数。下蜀土的基质吸力随着含 水量的变化而变化，含水量和基质吸力的关系曲线称为土水待征曲线。f r e d l u n d 指出，土水待征曲线对于研究非饱和土的物理力学特性至关重要。根据土水特 征曲线可以确定非饱和土的强度、体应变和渗透系数，甚至可以确定地下水面 以上水分分布。因此，研究含水量对下蜀土力学性质的影响，就是研究下蜀土 土力学性质与基质吸力以及土水特征曲线的相互关系。 河海大学硕十论文 第三章非饱和土强度理论 第三章非饱和土强度理论 3 1 非饱和土中应力状态的描述 下蜀土滑坡绝大部分都是浅层滑坡，运用非饱和土力学能够更好的研究下 蜀土滑坡。非饱和土就是土体中的含水率没有达到完全饱和而处于非饱和状态 的土，理论上非饱和土要比饱和土复杂得多，在强度特性和变形特征方面尤其 如此非饱和土与饱和土力学性质最大的区别就是由于非饱和土中基质吸力的 存在。 土的力学性状取决于土中的应力状态，土中的应力状态可用若干应力变量 的组合来描述，这些变量称之为“应力状态变量”，这些变量必须与土的物理性 质无关。 非饱和土力学原理中的应力分析将用来作为饱和土力学理论的延伸，在饱 和土应力分析中使用得一些基本原理同样适用于非饱和土。 有效应力的概念已经被普遍接受用于研究饱和土，由于非饱和土比饱和土 要复杂得多，所以描述非饱和土的有效应力不能简单的照搬饱和土中的有效应 力公式，在以往多年的研究中，对非饱和土采用一个单值的有效应力所遇到的 许多困难是许多研究人员认识到描述非饱和土中的有效应力，必须采用两个独 立的状态变量。 3 1 1 基质吸力 工程实践中可以遇到多种土，其性状并不符合饱和土力学的原理。工程上 难以处理的土，通常都是由于存在不只两相所造成。下蜀土由于其滑坡绝大多 数都是发生在浅层非饱和部分( 地下水位以上) ，也是由于这个原因。下蜀土具 有多于两相的组成，其孔隙水压力相对于孔隙气压力而言是负值。靠近地表， 处于较干环境中的土，一般都有存在负的孔隙水压力并可能继续变干。 通常定义非饱和土具有三相，即：固相、液相以及气相。但是确切的说， 应该把非饱和土划分为四相，亦即把原来归类于液相的水气分界面( 或称收缩 ) f r e d l u n d 和m o r g e n s t e m t 3 1 1 在1 9 7 7 建议把水气分界面单独作为一相来考虑。 水气分界面( 即收缩膜) 具有一种特性，称为表面张力。表面张力的产生 是由于收缩膜内的水分子受力不平衡。水体内部的水分子承受各向同值得力的 河海大学硕七论文 第三章非饱和土强度理论 作用。收缩膜内的水分子有一指向水体内部的不平衡力的作用。为了保持平衡。 收缩膜必须产生张力。收缩膜承受张力的特性，成为表面张力乃，以收缩膜单 位长度上的张力( n m ) 大小表示，其作用方向与收缩膜表面相切，其大小随 温度的增加而减小。 表面张力使收缩膜具有弹性薄膜的性状，这种性状同充满气体的气球性状 相似，里面的压力大于外面的压力。如在可伸缩的二维薄膜的两面施加不同的 压力，则薄膜将呈朝向压力较大的一面凹状弯曲并在膜内产生张力以维持平衡。 根据平衡条件，可以建立曲面两侧的压力差同表面张力大小以及薄膜曲率半径 的关系。( 如图3 1 ) 图3 1 承- 气分界面上的表面张力现象 作用于薄膜上的压力分别为“和( “+ “) ，薄膜的曲率半径为r s ，表面张 力为乃。作用于薄膜上的水平力相互抵消。为保持垂直力平衡，要求： 2 zs i n p = 2 血墨s i n p ( 3 1 ) 式中： 2 丘s i n p 投影在水平面上的薄膜长度。 式( 3 1 ) 可以改成： 河海大学硕士论文 第三章非饱和七强度理论 “：三( 3 2 ) r 式( 3 2 ) 给出曲率半径为r 、表面张力为z 的二维曲面两侧的压力差。对 于鞍形的翘曲面( 三维薄膜) ( 图3 2 ) ，应用拉普拉斯方程，可将式( 3 2 ) 延 伸写成： 触= z ( 击+ i 1 s ， 式中： 墨和r 翘曲薄膜在正交平面上的曲率半径。 t s 7 5 图3 2翘曲薄膜上的表面张力 如曲率半径是各向等值( 亦即r l - r 2 - r s ) ，式( 3 3 ) 则成为： a u 盈 ( 3 4 ) r 在非饱和土中，收缩膜承受大于水压力的空气压力蚝。压力差( 一甜。) 称 为基质吸力。压力差使收缩膜弯曲。从式( 3 4 ) 可写成： ( ，) 鲁 s ， 河海大学硕士论文 第三章非饱和士强度理论 式中： ( 甜。一甜。) 作用于收缩膜上的孔隙气压力与孔隙水压力的差值，亦即 基质吸力。 式( 3 5 ) 成为k e l v i n 毛细模型方程。随着土的吸力增大，收缩膜的曲率 半径减小。弯曲的收缩膜通常称为弯液面。当孔隙气压力和孔隙水压力的差值 等于零时，曲率半径r s 将变成无穷大。因此吸力为零时，水气分界面是平的。 3 1 2 非饱和土中的有效应力 土体中任意点的应力可以从作用于该点的总主应力q 、c r 2 、吒计算得出。 如土的孔隙中充满水，水中应力为“，则总主应力由两部分组成。一是各向等 值作用于水和土颗粒的( 孔隙水压力) ；二是差值部分一= q 一”。、 仃c r 2 一和= 一“，t 代表超过孔隙水压力的部分，仅作用于土的固相 上。由于应力变化造成的各种可量测后果，如压缩和抗剪强度的变化，都是由 于有效应力叫、o - ；的变化造成的。 饱和土的应力状态变量称之为有效应力，通常用下式表示： o ，；口一“。 ( 3 1 ) 式中 有效法向应力； 盯总法向应力； 。孑l 腺水压力。 式3 1 称之为有效应力公式，它是饱和土的应力状态变量的定义。事实证 明，只需要一个单值的有效应力或应力状态变量( 盯一“，) 就可以描述饱和土 的力学性状。 非饱和土的性状比饱和土的性状复杂得多。非饱和土通常被认为是三相系 ( 3 ”最近，收缩膜( 亦即水气分界面) 作为第四相口”来考虑越来越被研究人员 所接受。 一开始对非饱和土的有效应力的研究都是希望用饱和土的有效应力概念延 河海大学硕士论文第三章1 f 饱和十强度理论 伸应用于非饱和土，试图采用一个单值的有效应力或应力状态变量，并都含有 土的参数。将土的性质纳入应力状态描述导致许多困难。描述应力状态的变量 应与土的性质无关【3 “。试验结果表明，量测出来的土的性质用所建议的有效应 力之问不存在单值的关系。也就是说，建议的有效应力公式中的土性参数对不 同问题( 体变或抗剪强度) 、不同应力路径、不同土类具有不同数值大4 , t 3 ”。近 来，出现对非饱和土采用另一方式解决应力状态变量问题，也就是说，有效应 力公式被分成两个独立的应力状态变量，从而在土的应力状态描述中不再需要 出现土的性质。对非饱和土，考虑收缩膜作为一个相，可以从理论上证明采用 两个独立的应力状态变量的合理性【3 。 1 9 4 1 年，b i o t 提出了适用于含有封闭气泡的非饱和土的普遍固结理论。在 联系应力与应变关系的本构公式中采用了有效应力( 盯一) 和孔隙水压力两 个参数。也就是说，将总应力和孔隙水压力的作用加以区分是非常必要的。美 国公路研究实验所的人员最先注意到土的吸力对公路及机场设计的重要意义 1 3 1 。c r o n e y 等人于1 9 5 8 年建议对非饱和土采用下面形式的有效应力公式： o r = o - - f l u w ( 3 2 ) 式中 一有效法向应力； 盯总法向应力； 结合系数，反映土中有助于提高抗剪强度的结合点的数目； 孔隙水压力。 b i s h o p 在1 9 5 9 年提出了获得广泛应用的有效应力表达式： o r = ( o r - u 。) + z h 一“。) ( 3 3 ) 式中 虬孑| 隙气压力； z 与土的饱和度有关的参数。 对饱和土，z = l ；对干土，z = o 。z 同饱和度之间的关系通过试验测定。 1 6 河海大学硕士论文 第三章非饱和土强度理论 b i s h o p 等人1 9 6 0 年还做了饱和土和非饱和土的三轴试验支持此公式的应用。 b i s h o p 和d o n a l d 发表了非饱和粉土三轴试验结果。在这些试验中。分别控制并 改变周围压力吒，孔隙气压力虬和孔隙水压力“，使( d 一) 和( 一) 这两 个变量在试验过程中保持不变。试验结果表明，在应力变化过程中，应力应变 关系曲线保持单调，从而证明式( 3 3 ) 是可信的。试验结果也同时证明了使用 独立的两个应力状态变量是可行的。但是后来许多学者通过试验结果表明，所 建议的有效应力公式并非单值，而是与应力路径有关。有效应力公式中的土的 参数很难确定一般来说，所建议的许多有效应力公式都没有被普遍接受用于 描述非饱和土的力学性状。m o r g e n t e m 于1 9 7 9 年对b i s h o p 有效应力公式的应 用是这样评述的：它在实践中没起多大作用，参数z 值通过体积变化性状测定 同通过抗剪强度测定并不一致。” 除上述试验上的困难外，也许更为重要的是，理论上很难说明在描述应力 状态时使用土的性质这种做法是合理的。m o r g e n t e m 指出，“有效应力是一个应 力变量，它只同平衡条件有关，而式( 3 3 ) 含有与本构关系有关的参数z ，确 定这个参数时，假定土的性状可以唯一的用单值得有效应力变量表达，并将非 饱和的性状同饱和的性状相对应起来以计算z 值。正确的做法是，通过本构关 系将平衡条件同变形联系起来，而不是将本构关系直接引入应力变量中去。” 对各种有效应力公式进行重新评价之后，许多研究者倾向于采用两个独立的应 力状态变量( 如p 一) 和( 虬一) ) 来描述非饱和土的力学性状。 f r e d l u n d 和m o r g e n s t e r n l 3j 1 9 7 7 年提出了建立在多相连续介质力学基础上 的非饱和土应力分析。他们将非饱和土视作四相系，假定土粒不可压缩，并认 为土内不起化学作用，这些假定同饱和土力学中通常采用的假定是一致的。 分析结果表明，可以用三个正应力变量中的任意两个来描述非饱和土的应 力状态。换言之，对非饱和土有三个可能的正应力状态变量组合，它们是： ( 盯一) 和( 一) ； p 一) 和“- - u w ) ； ( o r - - u 。) 和p 一“，) 。 1 7 河海大学硬士论文 第三章非饱和十强度理论 在三维应力分析中，非饱和土的应力状态变量形成两个独立的应力张量。 f r e d l u n d 曾经对提出的非饱和土应力状态进行了试验论证。 有了应力状态变量，便可以用于建立本构关系式来描述非饱和土的抗剪强 度及体变性状。这样也就不必去寻找一个既可用于抗剪强度又可以用于体变的 单值有效应力公式，采用独立的应力状态变量，使非饱和土的性状有可能得到 更充分的描述。 3 1 3 非饱和土的应力状态变量 前面已经提到