（地质工程专业论文）黄河西霞院软岩硬土工程性质试验研究.pdf

华北水利水电学院硕士学位论文 摘要 黄河西霞院电站厂房地基上第三系泥质沉积物是一种岩性相变大，岩、土性质并存 的过渡型岩土体。本文以此为研究对象，对其进行以土工试验为主并辅助一定岩石试验 的物理、化学和力学性质等方面的研究。应用灰色g m ( o ，n ) 模型对西霞院软岩硬土 的工程特性指标进行分析预测。应用大型有限元计算软件a n s y s 对其地基沉降进行数 值模拟。通过系统全面的研究，取得了一定的研究成果，主要体现在以下几个方面： 1 在全面了解前人对上第三系泥岩的研究成果基础上，确定本文研究的主要内容、方 法、手段以及技术路线。 2 通过对软岩硬土的物理化学、特性试验，包括含水率、密度、颗粒分析、液限、塑 限、矿化分析、膨胀率、膨胀力等，研究了西霞院软岩硬土的颗粒成分、主要矿物成分、 水理性、膨胀性等物理化学特性。 3 通过一系列的力学性质试验，如现场载荷试验、现场大型剪切试验、室内三轴压缩 试验、弹性模量试验等，全面系统的研究了西霞院软岩硬土的力学特性。 4 阐述了规范试验条件下工程特性与物性指标之间的相关关系，通过易测的物性指 标，应用灰色系统g m ( 0 ，n ) 模型对其相关性进行了建模分析。分析结果表明该方法 对西霞院工程特性指标预测分析切实可行。 5 应用大型有限元软件a n s y s 对电站厂房地基三种工况下的地基沉降进行模拟计 算，起到指导工程实践的作用。 关键词：软岩硬土物理力学试验工程特性指标灰色系统分析地基沉降数值模拟 华北水利水电学院硕士学位论文 a b s t r a c t t h en e o g e n ea r g i l l a c e o u ss e d i m e n to fx i x i a y u a np o w e rs t a t i o nw o r k s h o pg r o u n d s i l li sa l l i n t e r m e d i a t et y p em a t e r i a lw h i c hh a sg r e a tt r a n s f o r m a t i o ni nl i t h o l o g ya n dh a st h ep r o p e r t i e so f r o c ka n ds o i l i nt h i sp a p e r , w eh a v es t u d i e da b o u ti t sp h y s i c a l ，c h e m i c a la n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e sb a s i n go ns o m em a i ns o i l t e s t sa n df e wr o c kt e s t s w eh a v ea n a l y z e da n d p r o g n o s t i c a t e dt h ee n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i ci n d e xb yg r a ys y s t e mg m ( 0 ，n ) m o d e l w ea l s o h a v es i m u l a t e dt h es e t t l e m e n to f t h eg r o u n d s i l lb yl a r g ef e ms o f t w a r ea n s y s s o m er e s e a r c h a c h i e v e m e n t s h a v e b e e no b t a i n e db ys y s t e m i ca n da l l s i d e d s t u d y t h er e s u l t sa r et h e f o l l o w i n g s ： 1 t h r o u g hu n d e r s t a n d i n gt h ea l l s i d e do ft h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t so fp r e v e n i e n ts t u d e n t s t h i sp a p e r sm a i nc o n t e n t s ，r e s e a r c hm e t h o da n dm e a n s ，r e s e a r c ht e c h n i c a lr o u t ea r e e s t a b l i s h e d 2 a c c o r d i n gt os o m ep h y s i c a l ，c h e m i c a la n dc h a r a c t e r i s t i ct e s t s ，i n c l u d i n gw a t e rc o n t e n t t e s t ，d e n s i t yt e s t ，g r a i na n a l y s i st e s t ，l i q u i dl i m i tt e s t ，p l a s t i cl i m i tt e s t ，m i n e c h e m i c a l a n a l y s i st e s t ，s w e l l i n gr a t i ot e s ta n de x p a n s i b i l i t yt e s ta n ds oo n w eh a v ed o n es o m e r e s e a r c ho nt h em i n e r a lc o m p o s i t i o n ，m o i s t u r ec o n t e n t ，s w e l l i n gp r o p e r t ye c t 3 b yas e r i e so f m e c h a n i c a lt e s t s ，s u c ha sl o c a l el o a dt e s t ，l o c a l el a r g ec u tt e s t ，i n d o o r st h r e e a x e sc o m p r e s st e s t e l a s t i c i t ym o d e lq u a n t u mt e s t t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fx i x i a y u a n s o f tr o c k h a r ds o i lh a v eb e e na 1 1 s i d e ds t u d i e d 4 t h er e l e v a n c er e l a t i o n su n d e rn o r m a t i v et e s tb e t w e e ne n g i n e e r i n gp r o p e r t i e sa n dp h y s i c a l i n d e x e sa r ea l s oe x p o u n d e d ，w ea d o p t e dt e s t a b i l i t yp h y s i c a li n d e x e st oa n a l y z ee n g i n e e r i n g p r o p e r t i e sb yg r a ys y s t e mg m ( o ，n ) m o d e l a n a l y s i sr e s u l t sm a n i f e s t st h a tt h i sm e t h o di s v e r yu s e f u li np r e d i c t i n ga n da n a l y z i n gt h ee n g i n e e r i n gp r o p e r t yi n d e xo f x i x i a y u a n 5 l a r g e f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y sw a su s e dt os i m u l a t et h es e t t l e m e n to ft h e x i x i a y u a np o w e rs t a t i o ng r o u n d s i l lo nt h r e ed i f f e r e n tp r o j e c t s ，i tc a ng u i d et h ee n g i n e e r i n g p r a c t i c e k e yw o r d s ：s o f tr o c k h a r d ，s o i lp h y s i c a la n dc h e m i c a lt e s t s ，e n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c i n d e x ，g r a ys y s t e ma n a l y s i s ，g r o u n d s i l ls e t t l e m e n t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 华北水利水电学院硕士学位论文 独立完成与诚信声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄袭等违 反学术道德、学术规范的侵权行为，否则本人愿意承担由此产生的一切法律责任和法律 后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签字) ：蓟雨欺 2 0 0 6 年4 月2 8 日 华北水利水电学院硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着社会和经济的高速发展，人类工程建设规模和发展空间也在不断扩大，可以说 从1 9 世纪桥的时代、2 0 世纪高层建筑的时代跨入到了2 1 世纪开发地下空间的时代。但 同时也应看到，世界上许多国家都遇到了一系列新的工程地质问题。在我国，一些关系 国计民生的大型或巨型工程已经运作或正在规划当中，这必然向现代地质学和岩土工程 界提出新的挑战，同时也给一些工程地质问题的研究带来了新的机遇，长期以来被人们 忽视的上第三系软岩硬土的工程地质问题就寓于其中。 由于工程规模不断向地下空间发展，开挖深度不断增加，导致国内外与上第三系软 岩硬土不良工程地质特性有关的问题不断发生。国内外许多大型工程建设都遇到过与工 程性质极为复杂的上第三系软岩硬土有关的问题 1 - 6 ，如：西气东输工程建设过程中出现 的与上第三系硬粘土有关的滑坡问题：万家寨引黄入晋输水隧洞的变形破坏问题；四川 攀枝花城市建设中频繁发生的昔格达层滑坡问题；北京西客站地铁站建设过程中遇到的 与上第三系软岩硬土有关的问题；南水北调中线工程从陶岔渠首经南阳盆地一宝丰渠段 以及邯郸西北部等渠段上第三系裂隙化硬粘土大型渠道在开挖和运营期间的工程和环境 效应问题；瑞士北部的许多超固结粘土沉积物由于修建公路而造成大量边坡失稳( r e r r s c h i n d e r ，1 9 9 3 ) ；日本的上第三系泥质沉积物常引起大量滑坡和隧洞变形破坏；巴西东 南部，修建公路开挖路堑引起的工程问题也相当普遍，其主要是硬粘土坍塌造成的；前 苏联伏尔加格勒和前高加索地区在引水工程建设中曾遇到严重的上第三系硬粘土边坡灾 害问题。 进入新世纪，中国腾飞的经济建设促使工程建设的迅猛发展，其数量之多，规模之 大，建设速度超过了历史上任何时期。黄河作为母亲河，华夏子孙的发源地，合理开发 和利用其水资源势在必行，大规模的现代化工程建设也迅速发展，西霞院工程是继小浪 底工程之后的又一大型工程项目，在西霞院电站厂房地基也相应的出现了与中国东部类 似的与上第三系软岩硬土有关的工程地质问题，受到了工程地质与岩土工程界的广泛关 注。深入研究上第三系软岩硬土的工程地质特性及其本构关系对工程建设有着重要的理 论和实际意义。 华北水利水电学院硕_ 上学位论文 1 2 软岩硬土的界定研究 文献【7 采用软岩的力学性质、水理性质与软岩的物质成分、结构构造相结合的途径， 详细地讨论了软岩的定义、判别方法，从国内外对软岩定义的表述到软岩分类标准进行 了总结。认为软岩定义的基点是软岩的力学性质和水理性质；软岩经过成岩作用比同成 分土类有更高的水稳定性和结构强度，且随地质年代增长而变大；软岩的力学性质更多 的表现为低弹性高塑性；判别标准或方法中的定性程度高于定量程度，异位测定多于原 位实测。将软岩定义为主要由粘土矿物或粘粒组成的，泥状结构( 泥质或钙质) 、碎屑结 构或胶结结构为主，不连续结构面发育，力学强度低，变形模量小，亲水变形大，流变 效应明显的多成因地质作用形成的自然岩石。 德、英两国分别在1 9 1 7 年和1 9 3 9 年就有关于裂隙硬粘土边坡滑坡的记载，并对滑 动性质和原因进行了专门研究。著名的土力学家太沙基在文献 8 】中指出：粘土和其它凝 聚性土的稠度常以软、中等、硬等词语来表示，并给出了硬粘土稠度与无侧限抗压强度 之间的关系。多年来，许多机构和研究者也多采用无侧限抗压强度来界定软岩硬土，只 是标准不甚统一。 早期的一些研究者都称上第三系软岩硬土为“硬粘土”，国内以往把第四纪以前形成 的沉积物都称为“岩石”。因此，常导致这类过渡型岩土体的定名与工程性质不协调，取 样、试验及计算方法的确定等处于混乱状态，不同的试验方法得出相差甚远的试验结果， 给设计和施工人员带来了难以理解的困惑和不可避免的疏漏。在我国，目前使用的工程 勘察规范中把无侧限抗压强度大于0 2 4 m p a 的粘土称为很硬的土，与太沙基的提法无本 质区别。一般而言，硬粘土是指液性指数小于o 2 5 的硬塑或坚硬状的粘土，其形成的地 质时代通常是中更新世( q 2 ) 至晚第三纪( n ) ，在英国和俄罗斯地台早第三纪以前的泥 质沉积物也常具有硬粘土的特点。硬粘土可以分为膨胀性硬粘土和非膨胀性硬粘土。张 永双、曲永别l 】在总结以往国内外有关规范、标准及相关研究成果的基础上，结合我国 大量工程实践和他们的研究积累 9 q l l ，认为软岩硬土主要是指单轴( 或无侧限) 抗压强度 在o 3 1 5 m p a 的强固结或微成岩的地质体，大致相当于国际岩石力学学会岩石和固结 材料分类中极硬土一极软岩的范畴，是一种极易引起工程地质问题的特殊岩土体，一般 是正在向岩石转化的泥质沉积物。笔者认为，软岩硬土并不是一个简单的地质名词，它 还反映了粘性土的坚硬程度，具有典型的工程含义。本文将西霞院上第三系泥质沉积物 统称为“软岩硬土”，为了尊重前人的研究成果，在引用时仍然沿用以前提法。 2 华北水利水电学院硕士学位论文 目前对软岩硬土的概念尚未统一，研究的侧重点也不同，许多研究者往往侧重于工 程特性研究而忽略了其基本性质的研究。因此，准确、全面的把握当前与上第三系软岩 硬土有关的研究进展是一项艰巨的任务。尽管如此，作者认为，从实际的工程建设中遇 到的普遍性问题出发，有所侧重的对相关领域的研究进行综述，对领会当前上第三系地 层的工程地质和力学特性的研究和更进一步地研究上第三系地层是十分重要的。 岩、土分类问题是多年来土力学界、岩石力学界以及工程地质学界共同关心的问题。 对于处于土与岩石之间的过渡性岩土体也引起了土力学家的注意。早在1 9 7 5 年在阿根廷 召开的第五届全美土力学和基础工程会议就提到“软弱材料的力学特性”这样一个议题。 此后在岩石力学领域和工程地质学领域都涉及到与“软岩”有关的议题。 9 0 年代以前，虽然人们重视过渡性岩土体的研究，但是国内外绝大多数研究者仍然 把它作为工程建筑物地基、边坡和地下工程围岩及天然建筑材料的地质体区分为岩体和 土体，并分别成为土力学和岩石力学各自独立的研究对象。但随着研究的深入，各国都 遇到了“似土非土”、“似岩非岩”的地质体，1 9 9 3 年在希腊首都雅典召开的“国际硬土 一软岩学术讨论会”上许多学者提出在岩石与土之间存在着一种过渡型的岩土体“硬 土软岩”。并建议把传统的二分法变为三分法，这种观点虽然目前尚未达成共识，但已 经有了显著的突破，表明人们对硬粘土的研究不仅仅限于“土”的范畴，还要从更广的 视野去研究它，从而促进土力学与岩石力学理论方法的融合方面将起到重要的作用。 1 3 上第三系软岩硬土的工程地质性质研究 软岩硬土的工程地质特性包括基本的工程地质性质和工程特性，软岩硬土基本性质 的研究是软岩硬土工程特性研究的基础。软岩硬土的基本地质特征包括软岩硬土的成因、 物质组成、结构特征、演化过程中的成岩作用以及构造风化作用等方面。从以往的研究 成果可以得知，包括上第三系软岩硬土在内的硬粘土工程特性集中表现为超固结性、裂 隙性和膨胀性。 1 3 1 软岩硬土基本工程性质研究 上第三系软岩硬土分布广泛，包括中国在内的世界上许多国家 1 2 - 1 7 】，如：美国、日 本、俄罗斯、捷克、西班牙、英国、意大利、南斯拉夫等都有上第三系软岩硬土的分布。 上第三系软岩硬士成因大致为陆相、海陆交互相和海相。我国除海南和台湾地区为海相 或海陆交互相沉积外，其它地区的上第三系主要为河湖相沉积，本文所研究的区域就属 华北水利水屯学院硕士学位论文 于河湖相沉积。上第三系地层的全球性时空分布特点决定了软岩硬土问题成为世界范围 内的普遍性研究课题。 1 3 1 1 软岩硬土的物质组成研究 软岩硬土的粒度成分、粘粒矿物组成以及胶结物的成分等是决定其工程地质特性的 物质基础，粘土矿物组成的不同尤其是蒙脱石含量的差异，将直接影响到软岩硬土的物 理化学性质以及工程特性。2 0 世纪7 0 8 0 年代，随着国际上一些先进测试技术( x 一射 线衍射、透射电镜、扫描电镜、远红外和紫外光谱等) 在粘土矿物分析中的应用，一些 重大的发现也随之而来，如：粘性土或泥质的粘土矿物组成有相当大的比例是以各种混 层矿物( 伊利石蒙脱石、绿泥石蒙脱石、高岭石蒙皂石等) 的形式存在，以及粘土矿 物的形成机理、晶格结构、混层矿物的特性及演化等方面的研究。目前已经建立了x 一 射线衍射定性定量分析方法、混层矿物混层比的计算等方法，并在工程地质和岩土工程 领域得到了具体应用。 在我国，8 0 年代中期以来在粘土矿物方面的研究有了较快的发展，但是还是不够重 视。并且由于混层矿物理论、技术上的难度和测试费用高等原因，9 0 年代中期还是限于 定性判别，定量研究程度和测试精度较低。鉴于工程粘土中碎屑矿物含量较多、颗粒细 小、结晶程度差、成分和结构复杂，中国科学院地质研究所曲永新研究员通过长期的膨 胀性岩土工程实践和试验研究总结指出：从工程地质和岩土力学角度考虑，粘土矿物的 定量最重要的是有效蒙脱石定量。在此思想的指导下，并结合工程实际，引进了有效蒙 脱石的快速测定法( s n c l 2 容量法) 。更重要的是有效蒙脱石含量测定方法简单、快捷、 有效等优点，因而具有广泛的应用价值，并克服了x - 射线衍射法样品处理技术难度大、 测试费用高、很难在工程上广泛应用等缺点。张永双等应用以上方法，成功系统地研究 了中国东部上第三系硬粘土的物质组成和物理化学性质。 1 3 1 2 软岩硬土的构造成因研究 土的结构是影响和控制土体工程地质性质的重要因素之一。在土的结构方面的研 究【1 8 御l ，从2 0 世纪2 0 8 0 年代的局限于微观领域的研究到对一些特殊土体( 黄体、膨 胀土等) 的结构定性描述、分类及土的特殊性质等方面的研究再到后来对土体微观结构 的定量研究，并且把非线性理论应用到土体微观结构的研究中。人们已经认识到微观结 构的定量化及其宏观结构研究的密切结合迫在眉睫。 华北水利水电学院硕士学位论文 早在3 0 年代，太沙基就开始注意到裂隙对土体力学性能的影响，但未引起岩土工程 界的广泛关注。谷德振在7 0 年代末期针对土力学和土体工程地质研究忽视土体宏观结构 的倾向，提出了土体和土体结构的概念【2 ”。他根据工程地质观点认为，土体是与工程建 筑物的变形和稳定有关的新第三纪以来的地质体。当土体的规模较小和性质均一时，土 样的结构可代表土体的结构，这些土的变形破坏机理主要受土的微观结构或微结构的物 理化学效应所控制。但是，对于某些具有裂隙的土层，更引人注意的是其中发育的各种 成因的裂隙。对于多成因、多岩性、多个土层的复杂土体，更重要的是研究由各种土层 构成的土体的宏观结构。土体的宏观结构包括土层间和土体与岩体间的界面特征、产状 和相互关系；包括垂直剖面上各种土层的组合形式和水平方向上的岩性岩相变化；包括 单一土层的透水、含水特性和含水层、隔水层的空间分布和相互关系。 粘土裂隙是土体的重要构造特征之一。在新构造运动强烈地区老粘土( q 2 及以前) 中，有时可以发现构造裂隙或断层，这种裂隙空间展布规律受到现代地应力场的控制。 存我同的西安、兰州以及西北、华北的黄土地层出现的以雁行排列展布的地裂缝可能是 新构造运动和地下水过量开采而形成的，分布范围相当广泛。某些粘土体，特别是膨胀 性粘土，在一定范围内，可见到延展数米到数十米的水平、缓倾或中等倾斜，互相交切 的裂隙，主要原因是粘土吸水膨胀、失水收缩开裂和往复胀缩变形引起的，也可能有其 他成因。裂隙土为第三纪上新世( n 2 ) 至第四纪晚更新世( q 3 ) 期间堆积的粘性土，有 海相、湖相、冲积、洪积、冰水沉积、残积一坡积等成因，多出露于阶地、垄岗、山前 丘陵和盆地边缘。天然胀缩性粘土有很高的强度，但裂隙和水的作用将会使其强度大幅 度降低。很多学者认为，土体裂隙构造特征的研究，值得重视【捌。 1 3 2 上第三系软岩硬土的工程特性研究 1 3 2 1 超固结性研究 为了讨论应力历史对土压缩性的影响，人们通常把历史上曾经经受过的最大固结压 力大于现有有效应力的土称为超固结土，前期固结应力p 。与现有有效应力a 。之比称为超 固结比，以o c r 表示。o c r 愈大，该土所受到的超固结作用就愈强，在其它条件相同 的情况下，其压缩性就愈低。超固结粘土表现为原位自重条件下，其对应的孔隙比小于 正常固结粘土，压缩性也相对较低。文献 2 3 】把超固结土的成因分成两个方面，一个是力 学成因，包括上覆过较大的压力、地下水位下降后又上升、毛细压力作用过、次固结等 等；一个是物理化学成因，包括上部土层风化、干缩、化学胶结等。并研究了不同成因 华北水利水电学院硕士学位论文 超固结土的p c h 、( p c 一吣) 一h 、o c r - - h 的关系，在此基础上提出了超固结成因的鉴 别方法。文献 2 4 1 从渐进破坏理论和滞后破坏理论入手，分析两种理论存在的问题，研究 了超固结状态下土体的强度特性，提出了超固结裂隙粘土原位抗剪强度线及其凝聚力、 内摩擦角的确定方法和相应的计算公式。 硬粘土一般都具有超固结性，通过前人长期以来对超固结性的广泛研究 2 5 - 2 7 ，可以 获得以下认识：超固结硬粘土内部由于存在一个因前期固结压力而残留下来的初始水 平应力值，在卸荷条件下，内应力释放，消弱硬粘土的强度。硬粘土的超固结性还意 味着硬粘土是强度应变软化材料，其残余强度远低于峰值强度。超固结硬粘土在应力 释放过程中还可能产生卸荷膨胀，并在风化营力的作用下造成土体结构破坏、强度降低。 人们在工程实践中还发现【2 8 】，某些粘土层尽管地质历史上从未发生过卸荷过程( 即 正常固结状态) ，却表现出固结屈服压力大于现有有效应力的超固结现象，称之为“拟超 固结”或“似超固结”。研究结果表明，这种似超固结现象是由于粘土在沉积过程中经受 过次固结、化学胶结、干燥应力等的影响，因此产生了附加的结构强度，文献【2 9 称之为 实效固化效应。这种似超固结作用在一定程度上与地质学中的成岩胶结作用是相关的或 者是一致的。 1 3 2 2 裂隙性研究 所谓裂隙性粘土，就是土中含有大量裂隙，将土体切割成许多小块。国内，对硬粘 土裂隙性的研究受到广大学者的关注，如：7 0 年代焦枝铁路建设中硬粘土研究的高度重 视，8 0 年代末9 0 年代初刘祖德、王钊、孔德坊等对工程建设中与硬粘土有关问题的多 方面的研究【3 0 】。需要指出的是，当前国内对裂隙硬粘土的研究主要偏重于土力学和岩石 力学方面，而忽视了与工程地质研究的结合性，因此无法从本质上加以突破。国外一些 学者将硬粘土的裂隙性上升到结构效应的高度，从工程地质、岩土力学综合的角度去认 识它，从而能更好地指导工程实践 3 h 。 裂隙性的研究往往伴随着岩土体的一些其他特性一起研究，比如超固结性，文献 2 4 1 研究了超固结状态下裂隙硬粘土的抗剪强度特性。文献【3 2 】系统的研究了裂隙参数对裂隙 硬粘土无侧限抗压强度的影响，得出了裂隙硬粘土的单轴抗压强度取决于未破损部分的 抗压强度及试样中裂隙的长度、数量、排列和粘土的含水量。 6 华北水利水电学院硕士学位论文 1 3 2 3 膨胀性研究 2 0 世纪4 0 年代中期以来，随着各国工程建设的发展，膨胀土问题首先在工业发达国 家开始了专门性的研究。从1 9 5 9 年在美国召开的第一届国际膨胀土会议开始，膨胀土问 题作为一个世界性的土力学和工程问题得到了各国学术界和工程界的广泛关注。我国大 规模的膨胀土研究始于7 0 年代初，研究区域和研究部门遍布全国，膨胀土的研究成果超 过了历史上任何时期，在理论和工程实践上取得了很大的进展1 3 ”。这一时期膨胀土的研 究主要体现在以下几个方面：以建设部系统为主，对膨胀土地基灾害进行了调查和研 究；西南交通大学等进行的以膨胀土铁路边坡、路基为目标的研究；水利部长江流 域规划办公室等开展的膨胀土渠道边坡的研究；中国科学院地质研究所等开展应用基 础研究。这一时期膨胀土的专著和研究报告涉及到膨胀土的定义和分类、基本指标和微 观特征、区域性膨胀土及其形成变化规律、膨胀土边坡稳定性评价及灾害防治和加固技 术、膨胀土路堤和筑坝技术、膨胀土地基及其处理、土质改良的理论和方法、室内和现 场试验研究的新技术和新方法等都是我国膨胀土研究的宝贵财富。 膨胀性研究主要包括膨胀土的分类和膨胀机理的研究【3 4 】： 膨胀土分类研究的目的就是将膨胀土与其它非膨胀土区分开来，对膨胀势的高低给 予评价，判别结果对于准确选定勘察、试验方法以及确定合理的基础工程设计方案均具 有重要的意义。目前，膨胀土的判别指标甚多，但总的说来大致可以分为两类：一类是 反映土的天然状态，另一类反映土的成分与亲水性。由于前一类指标测定方法受到较多 的限制，而后一类指标以反映土粒的基本特性，扰动土样亦可测定及测定条件简便易行 等优点而较多采用。 自由膨胀率在一定程度上反映了粘土矿物、粘粒含量和交换阳离子成分等基本特性， 但从工程方面来讲却是个没有实际意义的指标，不少研究者发现，用自由膨胀率判别土 的膨胀势也存在一定的不足。这主要是因为这种方法破坏了粘土的原生结构或结构连结， 因此，把曲永新在文献 3 5 】中提出的利用泥质岩的不规则块状样品的干燥饱和吸水率指标 进行膨胀势判别和自由膨胀率联合使用，判别的效果比较满意。 曲永新和中国建筑科学地基所付景春3 7 1 等以有效蒙脱石含量来判别膨胀士与非膨 胀土的界限值分别为8 1 0 、7 ，二者结果接近。有效蒙脱石含量临界指标表示在 天然干土中蒙脱石的含量低于界限值的条件下，蒙脱石对土的膨胀性不起控制作用，当 大于此临界值时，随着蒙脱石含量的增加膨胀势增大。因此，可按天然干土中有效蒙脱 华北水利水电学院硕士学位论文 石含量进行粘土膨胀势分级， 2 0 为强膨胀土。 文献 3 8 】将世界各国土质分类普遍采用的塑性图应用于膨胀土的判别。膨胀土可按在 塑性图的位置划分为强、中、弱三个等级。而塑性指数和液限的测定是土工试验的常规 指标，既能反映影响胀缩性能的物质成分，又能在一定程度上反映控制胀缩性能的渗透 吸附结合水的发育程度。因此，与膨胀率试验相比，塑性图更为大众、规范、简便、易 行。文献 3 9 在塑性图的基础上，将塑性指数( i p ) 、自由膨胀率( f s ) 作为纵坐标，将 液限( w l ) 、自由膨胀率( f s ) 作为横坐标，建立i p f sw e f s 分类图，克服了同一种 图采用f s 和l p 、w 。判别可能出现偏差过大的现象。 膨胀机理的研究主要体现在以下理论的提出：双电层理论粘土微粒对极性水分子 和水化阳离子有吸附作用，围绕粒形成了由强结合水和弱结合水组成的水化膜，粘性 土中的粘土颗粒是通过各自的水化膜彼此连接起来的。由于膨胀土含有大量的粘土颗粒， 含水量的增减将引起水化膜扩散层厚度的增大或减小，而水化膜厚度的变化必然导致体 积的胀缩。这个理论只能解释粘性士一般的膨胀现象，按照理论的理解似乎粘粒含量高 必然会膨胀，但事实上许多粘粒含量大的粘土膨胀性并不高。膨胀性粘土矿物晶格扩 张理论粘土膨胀可分为两类，一类是在水化吸附过程中由于溶剂化层扩展而造成的粒间 膨胀，这类膨胀不会造成工程问题的发生，是粘土共有的特性。另一类为晶格膨胀，在 水的作用下或潮湿环境中，水作为矿物组成或晶格的一部分进入矿物，造成矿物体积显 著膨胀【4 0 】【4 1 1 ，从而导致工程问题的发生。蒙脱石因拥有巨大的内外比表面积和很高的阳 离子交换量，因而与其它粘土矿物相比具有巨大的表面能和物理化学活性，表现出很强 的亲水性，是导致膨胀土胀缩的物质基础，伊利石和高龄石仅属于一般性的亲水性矿物， 不具有膨胀性的晶层结构。由此可见，蒙脱石的存在是膨胀性岩土胀缩反应的内因，蒙 脱石含量越高，胀缩性就越强，这种观点为绝大多数研究者接受。吸力势理论吸力势 理论即负孔隙水压力理论，是非饱和土的基本理论之一。吸力势大小与饱和度密切相关， 土的膨胀实际上是吸力势逐渐减弱的过程。该理论认为水分的渗入和移动使土颗粒间吸 力急剧下降，从而有利于斥力的作用，膨胀土的吸水膨胀主要是由于水分入渗使土粒间 的毛细吸力下降而双电层斥力增大的结果，因而吸力势的测定是预测膨胀土工程问题的 基础。综合理论文献【4 2 】认为有关的膨胀性岩土胀缩的理论虽然分别在某一方面揭示 了胀缩现象的机理，但未能全面地考虑影响胀缩性的各种因素，特别是未能从结构的概 念上去考虑问题，故应将有关描述膨胀性岩土胀缩机理及其工程效应的各种理论予以综 华北水利水电学院硕士学位论文 合，形成膨胀土工程机构系统理论。其它理论或观点其它理论或观点有：膨胀潜势理 论、胀缩路径与胀缩状态理论、湿度应力场理论、胀缩时间效应理论、结构连接与楔入 作用理论等。 1 4 上第三系软岩硬土力学性质研究 软岩硬土是介于软岩和硬土之间的岩土体，其裂隙的分布规律与岩石中裂隙的分布 规律十分相似，具有明显的方向性和各向异性特征，在单轴压缩试验中裂隙呈分支形扩 展。因此韩贝传等4 3 1 曾提出一个简单实用的损伤力学模型描述裂隙性硬粘土的力学特性。 用应弹塑性损伤总应变公式、广义正交法则和损伤传播定律得出裂隙性硬粘土的损伤本 构方程，并把它应用于南水北调中线渠道边坡工程的数学模拟，所得结果与采用不考虑 裂隙影响的弹塑性本构模型模拟的结果进行分析比较，结果表明各向异性的损伤力学模 型可以描述裂隙性硬粘土的力学性质，并且比较实用。需要的参数少，避免了数学描述 的复杂性。 由于硬粘土的裂隙性，其单轴抗压强度必将受到裂隙的影响。文献 3 2 1 通过试验研究 了裂隙的方向、长度、数量及其排列方式对裂隙硬粘土单轴抗压强度的影响，认为硬粘 土中的裂隙的倾角对粘土的无侧限抗压强度有显著影响并存在一个临界倾斜角；试样中 裂隙的长度也影响试样的无侧限抗压强度，裂隙短的试样，其无侧限抗压强度比裂隙长 的试样要大；裂隙的数量对硬粘土试样的无侧限抗压强度也有影响，具有两条裂隙的试 样，其强度比具有一条裂隙的试样小；试样裂隙的排列方式对单轴抗压强度也有影响， 含有左步进的两条裂隙的试样比含有右步进的两条裂隙的试样更容易破坏；有裂隙的硬 粘土试样在单轴压缩条件下，在裂隙周围未破损的材料中产生张应力。 岩土的力学性质取决于它的应力历史、应力状态和应力路径，文献 4 4 】介绍和讨论了 微裂隙硬粘土中深基坑附近的有效应力的变化，文献【4 5 】总结了川西裂隙硬粘土的一些平 板载荷试验成果，提出了裂隙土地基承载力的评价原则与方法，并对川西裂隙硬粘土的 地基承载力的标准值及其相应的可靠度作出了评价。 1 5 工程问题中的上第三系软岩硬土研究 工程地质研究的目的是为了更好的服务于工程建设，解决重大工程建设中的地质问 题，因此，与上第三系软岩硬土有关的工程问题研究必然受到重视。多年来，国内外在 这方面都做了大量的工程试验和研究工作。由于软岩硬土的物质组成、土体结构及所处 o 华北水利水电学院硕士学位论文 的地质环境和工程类型的差异，所研究的内容涉及到方方面面，不同的工程类型研究的 侧重点也不一样。 ( i ) 与软岩硬土有关的边坡工程问题和理论研究 与软岩硬土有关的边坡工程问题涉及到边坡的稳定性问题、地下隧道丌挖大变形问 题和地基和深基础问题等。 软岩硬土边坡类型主要包括天然斜坡、渠道边坡、铁路或公路路堑边坡、露天矿边 坡、深基坑边坡等，天然斜坡的变形破坏在地质灾害中占有相当大的比例，人工丌挖的 软岩硬土边坡不仅地质问题复杂，而且引起的灾害性问题也相当严重。国内外研究者针 对软岩硬土边坡稳定性和变形破坏机理进行了广泛的研究，主要有：裂隙构造的结构 效应分析，超固结性及水平应力对边坡稳定性的影响，环境因素变化对土体强度和 变形的控制作用，地下水对边坡的影响，裂隙化硬粘土工程防护理论和技术研究理 论。 一系列的边坡问题如：1 9 8 3 年3 月7 曰甘肃省东乡族自治县洒勒山南麓、巴谢诃北 岸发生洒勒山高速大滑坡；2 0 世纪8 0 年代在双沟大桥西侧发生大规模的滑坡；南水北调 中线工程膨胀性硬粘土渠道的变形问题；治淮工程中挖方渠道的变形破坏问题；太焦铁 路沿线上第三系软岩硬土的滑坡问题；小龙潭露天西北帮滑坡问题以及深基坑边坡问题， 都引起了广大研究者的注意，并对其滑坡、变形破坏机理进行了研究。 国内外研究者已经认识到膨胀土的强度及其在施工和运营过程变化对边坡稳定性起 着控制作用，他们基于膨胀土边坡的变形破坏特点和机理分析，提出了不少与边坡稳定 性分析或参数选取相关的理论或方法如：l b j 1 9 6 7 年提出的渐进破坏理论 4 6 1 、 a w b i s h o p e t a l 在1 9 6 0 年提出的滞后破坏理论【4 7 1 、廖济川在1 9 9 0 年提出的膨胀软化理 论【4 8 l 以及其它理论和方法。虽然这些理论和方法不是针对上第三系软岩硬土而提出的， 但对软岩硬土的边坡稳定性分析和评价有着重要的指导意义。 ( 2 ) 与软岩硬土有关的地下隧道开挖大变形问题研究 在很多隧道施工工程中都遇到过与上第三系地层有关的工程问题。如：1 9 7 3 年开工 的日本北越锅立山隧道在施工过程中掌子面经常发生崩塌，这都是由于软泥岩单轴抗压 强度极低( o - 2 0 3 m p a ) 、围岩膨胀压力明显、侧壁变形量大等原因引起的，因而严重 地影响了施工的进度，增加了施工的难度。还有捷克共和国的布尔诺市中心的地下隧道 以及我国的北京西客站地铁站都遇到了上第三系地层，给工程带来了不利影响。 针对上面所遇到的问题，对其破坏机理的研究必不可少，以寻求解决这些问题的方 华北水利水电学院硕士学位论文 法。上第三系软岩硬土的工程特性和各区域的地质条件是制约工程稳定性的主要因素， 但也不能忽略以下因素：地应力的作用、构造作用对岩土体的破坏、地下水的软化作用、 工程施工过程中的活化作用( 如干湿交替、机械扰动、开挖卸荷作用等) 等的影响。硬 粘土隧道开挖与支护应遵循及时支护、全面封闭支护、柔性支护和多次支护的原则。 ( 3 ) 与软岩硬土有关的地基和深基础问题研究 上第三系软岩硬土作为地基时，除了要考虑地基的膨胀变形外，还要考虑其承载力 的计算。一般说来，上第三系软岩硬土正处于向岩石转化的过程，具有较高的承载力。 而要严格的确定地基的承载力，则遇到了是按岩石的单轴抗压强度还是按土的标准贯入 试验来计算其承载力。这就真接关系到工程的安全和经济效益问题。上第三系硬粘土深 基坑开挖工程中会出现如硬粘土的风干脱水和浸水崩解破坏，基坑雨后到处是粘泥和泥 浆的问题。 对工业和民用建筑软岩硬土地基的预防和处理主要有两条途径，一是采用适当的建 筑基础工程结构，如支撑桩。二是改良地基土本身的胀缩性，如采用拌生石灰和石灰灌 浆、水泥灌浆等。同时还应注意尽量减少扰动对土体结构的破坏、避免湿度条件的剧烈 变化、减少暴露时间、及时封闭等。 1 6 上第三系软岩硬土在我国的分布研究 中国地域广阔，上第三系地层虽然出露不多，但分布极为广泛。上第三系地层成岩 时间短( 5 1 2 4 6 m a ) 、胶结程度差、强度低，其中软岩硬土常具有显著的胀缩性，因 而成为我国区域性特殊岩土研究的重点对象。上第三系地层大面积集中分布在我国的北 方，即昆仑山布尔汗布达山秦岭一线以北的一些大型内陆盆地之中，在青藏高原、 云贵高原的一些山间盆地内也有分布，中国东南部仅在一些断陷盆地内零星见到，如图 1 1 所示。中国上第三系地层大体可分为海相和陆相两大沉积类型，在某些地区还有过渡 类型，但以陆相为主。文献 4 9 - 5 1 1 在构造分析的基础上，结合沉积特征，对中国上第三 系进行了分区阐述。西北区包括准格尔盆地、塔里木盆地、吐鲁番哈密盆地、柴达木 盆地、河西走廊山间盆地地区和阿拉善盆地区；西藏滇西区包括横断山山间盆地区、 藏北盆地区和藏南盆地区；东部区包括大兴安岭太行山武陵山以西( 戈壁盆地、黄 土高原盆地、川黔滇盆地区) 和大兴安岭太行山武陵山以东( 东北盆地区、华北盆 地区、东南盆地区、岭南盆地区) ；台湾及海南地区包括台湾西部区、台湾东部区、琼州 海峡两侧的海相沉积。本文所研究的区域位于黄土高原区的豫西一带，大致在图1 1 中作 者用圆圈标记的范围内。 图1 1 中国上第三系分布简图【5 1 】 f i g 1 1t h es k e t c hm a po f d i s t r i b u t i o no f n e o g e n es y s t e mi nc h i n a 1 7 上第三系软岩硬土研究过程中存在的问题 由于上第三系软岩硬土埋藏较深，而上伏第四系本身矿产资源缺乏，因此，世界各 国对上第三系软岩硬土的有关沉积岩石学、工程地质学和岩土力学等理论方面的研究都 没有受到重视，尚存在不少问题。如：( 1 ) 不同学科之间的研究缺乏密切联合，经常出 现相互脱节的现象。( 2 ) 作为介于岩石与土之间的过渡型岩土体，上第三系泥质沉积物 的定名或判别分类尚未统一，存在工程性质与岩土定名不符的现象；在取样、制样、试 验设备以及试验方法等方面缺乏实用的规范。( 3 ) 以往我国上第三系软岩硬土的工程地 质特性和力学特性很少有专门深入的研究。 基于以上原因，有必要对这类特殊的岩土体进行专项研究。这次研究，旨在找出西 霞院软岩硬土所具有的物理力学特性，为工程实践提供比较合理的地质参数，并为设计 部门确定科学合理的地基处理方案奠定基础，探讨特殊岩性指标的研究方法及使用原则。 对于解决岩石力学与土力学研究脱节的问题，以及解决与软岩硬土有关的工程地质问题， 填补国内研究空白，具有重大的理论和实际意义。 华北水利水电学院硕士学位论文 1 8 本文研究的主要内容和技术路线 本文以西霞院电站厂房地基软岩硬土为研究对象，从西霞院上第三系软岩硬土地层 的工程地质条件入手，通过一系列的物理化学特性试验和力学特性试验，对所研究的地 层的物理化学特性，水理和膨胀特性以及力学特性进行较为系统详尽的研究。并在研究 过程中应用灰色g m ( 0 ，n ) 模型对一些不方便进行工程特性指标试验的点根据其易测 的物性指标和其他试验点已测的物性指标、工程特性指标进行相关性预测分析，达到减 少试验费用和周期的作用，具有重要的意义。同时应用大型a n s y s 有限元软件对大坝 电站厂房的地基沉降进行数值模拟，并指导工程实践。 本文的技术路线如下图所示： 华北水利水电学院硕士学位论文 第二章软岩硬土工程地质条件及物理化学特性研究 2 1 栩- 述 随着工程建设规模和地域的不断扩大，以软岩硬土为基础而进行的大规模重要工程 建设在不断增加。如在绪论一章所提到的，世界上许多国家都遇到过介于岩石和土之间 的过渡性岩土体及其引起的工程问题。近年来，国内外学者对这种过渡型地层的研究虽 然取得一些进展1 5 5 ，但还不尽完善。目前对这种“似岩非岩、似土非土，的地层还没有 完善的试验方法与评价标准。因此，本章着重对西霞院软岩硬土的工程地质条件及其物 理化学特性采用常规试验方法进行研究，试验主要以土工试验为主，并辅助一定的岩石 试验。这里的物理化学特性试验包括物性分析、矿化分析和工程特性试验等。 2 2 软岩硬土工程地质条件 黄河d , f f 底水利枢纽配套工程西霞院工程，位于黄河干流中游河南省境内，上 距小浪底工程1 6 k i n ，下距郑卅i1 4 5 k m 。作为小浪底的配套工程，其工程开发任务以反调 节为主，结合发电，兼顾灌溉、供水等综合利用。 2 2 1 区域地质背景 西霞院工程坝区位于华北地块南部的豫皖断块之上，在库区中部被近南北向的王良 断层、连地断层分割为东西两个不同性质的次级地质构造单元。其东西两区的地形地貌、 地层岩性、地质构造分布、水文地质条件均受到各自单元区的控制，有较大的差异。西 霞院坝址区位于东区。 西霞院工程电站厂房地基主要为上第三系地层的泥岩类。该泥岩类地层性质特殊， 具有成岩时间短，强度低，相变大，岩、土性质并存等特点。在卸荷或开挖暴露后受赋 存环境( 特别是水环境) 的影响，其工程地质性质易发生变化。该层埋藏于深厚覆盖层 ( 2 0 m 3 0 m ) 之下，在基坑开挖前无法进行现场试验，钻孔取样所取得的资料又难以反 映实际情况。这种过渡性岩土体的性质比一般土和岩石都复杂，目前，国内外对其研究 十分有限，无论按现有的岩石试验规程还是土工试验规程都难以准确地表述这类岩层的 物理力学特征。 1 4 华北水利水电学院硕士学位论文 2 2 2 地层岩性 坝址区的地层可分为第四系覆盖层和下伏的上第三系地层。上第三系地层属洛阳组 河湖相地层，是电站厂房的主要地基。该层与第四系呈角度不整合接触。其顶面起伏不 平，基坑揭露的顶面高程为1 0 1 5 m 8 7 o m 。其岩性为砂、