（岩土工程专业论文）非饱和膨胀土的裂隙概化模型与边坡稳定研究.pdf

摘要 本文所进行的研究架构在膨胀土边坡变形与稳定预报的“双链”思想的基础上，认为 降雨入渗过程中膨胀土边坡土体的强度折减主要来源于两个方面：一是降雨入渗时边坡土 体中土的性状的变化；二是降雨入渗过程中由于土体含水量的增加变化导致边坡吸力降 低。本文着重研究前者，将膨胀土的裂隙性作为反映土体性状的主要方面，通过室内试验、 现场观测以及数值模拟分析方法，对裂隙的观测手段与定量化描述、浸水愈合特征、裂隙 网络渗流特性、裂隙土体强度特性等方面进行了全面系统的试验研究，在此基础上建立膨 胀土边坡裂隙网络入渗的数学模型和非饱和裂隙膨胀土固结的数学模型，并应用数学模型 对降雨入渗条件下不同裂隙发育状态时膨胀土边坡中水气运移、强度与变形特征进行了有 限元数值分析。 首先，在湖北枣阳试验现场，通过手工素描与拍照的方法对膨胀土裂隙进行了观察统 计：在室内，利用远距光学显微镜系统对膨胀土裂隙进行了连续拍照观测，建立了非饱和 膨胀土的裂隙概化模型。明确了裂隙度的概念，将其作为定量指标对非饱和膨胀土的裂隙 发育发展程度进行描述。并采用蒙特卡洛方法研究了非饱和膨胀土的随机裂隙网络的数学 模拟与自动生成。 然后，进行了非饱和膨胀土的单向浸水膨胀试验，研究得出了单向浸水条件下菲饱和 膨胀士的膨胀变形随时间发展的规律。提出了利用膨胀时程曲线计算裂隙周围土体的膨胀 变形量来确定裂隙随浸水愈合过程的方法。还进行了不同部位的膨胀土反复剪试验和不同 裂隙发育程度的膨胀土三轴剪切试验，研究了膨胀土强度随裂隙度及土体饱和度变化而变 化的规律，并提出了相应的拟合经验关系式。 最后，在试验的基础上，发展了非饱和土的有效应力原理，建立了膨胀土边坡裂隙网 络入渗的数学模型和非饱和裂隙膨胀土固结的数学模型，并编制了相应的有限元程序 u s f e m 和u c f e m 。所建立的数学模型充分考虑了裂隙的渗透、变形与强度特性，可以模 拟裂隙在水分入渗过程中逐渐愈合的过程。利用有限元方法对非饱和膨胀土边坡的降雨入 渗过程进行了数值模拟研究，全面研究了膨胀土边坡中水气运移、强度与变形特征等。程 序结果定量描述了不同裂隙分布、不同裂隙发育程度对膨胀土边坡降雨入渗过程的影响， 定量描述了裂隙在降雨入渗时的愈合过程，以及边坡土体强度、边坡稳定性随降雨入渗变 化的过程。通过对现场情况数值模拟结果的分析，揭示了非饱和裂隙膨胀土边坡降雨入渗 的特点，并据此，对膨胀土边坡工程的设计和旌工提出了建议。 关键词：非饱和，膨胀土边坡，裂隙度，裂隙概化模型，膨胀时程曲线，有效应力原理 有限元，降雨入渗，边坡稳定 a b s t r a c t “t w oc h a i n m o d e lf o rd e f o r m a t i o na n ds t a b i l i t yp r e d i c t i o no fe x p a n s i v es o i ls l o p ei st h e f r a m e w o r kf o rt h i sr e s e a r c h i nw h i c hi ti sc o n s i d e r e dt h a tt h er e d u c t i o no fs u e n g t h o f e x p a n s i v e s o i l sd u r i n gi n _ f i l t r a t i o ni sm a i n l yr e s u l t e do nt w oa s p e c t s ：1 ) s o i l sc h a r a c t e r i s t i c sv a r i a t i o na n d2 ) s u c t i o nr e d u c t i o nw h i l ew a t e rc o n t e n ti n c r e a s i n g f o c u s e do nt h ef o r m e ri nt h i sp a p e r , t h e f i s s u r e so fe x p a n s i v es o i l sr e g a r d e da sm o s ti m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l y z e dt h r o u 曲 l a b o r a t o r yt e s t ，f i e l do b s e r v a t i o na n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s c h e d u l e de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e s a r ec a r r i e do u to n q u a n t i f i c a t i o n a ld e s c r i p t i o no ff i s s u r e s ，h e a l i n go f f i s s u r e sd u r i n gi n f i l t r a t i o n ， s e e d a g ec h a r a c t e r i s t i c so f f i s s u r e sn e t w o r ka n ds t r e n g t hc h a r a c t e r i s t i c so ff i s s u r e ds o i l b a s e do n t e s t sr e s u l t s n u m e r i c a lm o d e l sf o rf i s s u r e sn e t w o r ks e e p a g ea n du n s a t u r a t e df i s s u r e de x p a n s i v e s o i lc o n s o l i d a t i o na r ed e v e l o p e da n da p p l i e dt oaf i n i t ee l e m e n tm e t h o da n a l y s i so fa ne x p a n s i v e s o l ls l o p ed u r i n gi n f i l t r a t i o na n d e rd i f i e r e n tf i s s u r e ss t a t e s f i r s t l y , t h ee x p a n s i v es o i l sf i s s u r e sa tt e s tf i e l di nz a o y a n g ，h u b e ip r o v i n c e ，a r eo b s e r v e d a n dc o u n t e db ys k e t c ha n dp h o t o g r a p h ，a n de x p a n s i v es a m p l e sa r eb yc o n t i n u o u sp h o t o g r a p h i c m e a s u r e m e n t u s i n gl o n g - d i s t a n c e - m i c r o s c o p e s y s t e m i n l a b o r a t o r y g e n e r a l i z e d m o d e lo f f i s s u r e sd i s t r i b u f i o nf o ru n s a t u r a t e de x p a n s i v es o i l si sp u tf o r w a r d t h ec o n c e p t i o no ff i s s u r e s d e g r e ei sc l a r i f i e da n d u s e dt od e s c r i b et h ef i s s u r e sg r o w t he x t e n ti nu n s a t u r a t e de x p a n s i v es o i l s n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d a u t o - g e n e r a t i o no fr a n d o mf i s s u r e sn e t w o r ka r ec o n d u c t e db ym o n t e c a r l om e t h o d s e c o n d l y , o n e s i d ei m m e r s i o ns w e l l i n g t e s t sa r ec a r r i e do u t a n dt i m e - t r a v e l e x p a n s i v e p r o c e s sr e g u l a t i o n sa r eo b t a i n e d am e t h o d i s p r o p o s e dt oc a l c u l a t ee x p a n s i v ed e f o r r n a t i o no f s o i l sr o u n df i s s u r e sb yt i m e t r a v e l e x p a n s i v ec a l v e a n dt h e nt od e t e r m i n ef i s s u r e s h e a l i n g p r o g r e s s c y c l e ds h e a r t e s t sf o rd i 矗b r e n tp a r te x p a n s i v es o i l sa n dt r i a x i a ls h e a rt e s t sf o rd i f i e r e n t f i s s u r e sg r o w t he x t e n te x p a n s i v es o i l sa r ec a r r i e do u t t h es 仃e n g t hv a r i a t i o no f e x p a n s i v es o i l s a l o n gw i t ht h ev a r i a t i o no ff i s s u r e sd e g r e ea n ds a t u r a t i o nd e g r e ei s s u m m e du p ，a n df i t t i n g f o r m u l a sa r es u m m a r i z e d f i n a l l y ，b a s e do n t h et e s tr e s u l t s ，e f f e c t i v es l r e s sp r i n e i p l ef o ru n s a t u r a t e ds o i l si sd e v e l o p e d n u m e r i c a lm o d e l sf o rf i s s u r e sn e t w o r k s e e p a g e a n du n s a t u r a t e df i s s u r e d e x p a n s i v e s o l l c o n s o l i d a t i o na r e d e v e l o p e da n d f i n i t ee l e m e n tp r o g r a m sn a m e du s f e ma n du c f e ma r e d e s i g n e dr e s p e c t i v e l y i nt h en u m e r i c a lm o d e l s ，f i s s u r e sc h a r a c t e r i s t i c so fs e e p a g e ，d e f o r m a t i o n a n ds t r e n g t ha r eo v e r a l lc o n s i d e r e d , a n dt h e nf i s s u r e sh e a l i n gp r o c e s sc a nb es i m u l a t e d 1 1 1 0 n u m e r i c a lm o d e l sa r ea p p l i e dt ot h ea n a l y s i so fw a t e r - a i rt r a n s m i s s i o n ，d e f o r m a t i o na n ds t r e n g t h v a r i a t i o ni na ne x p a n s i v es o i l s s l o p ed u r i n gi n f i l t r a t i o n t h er e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n q u a n t i f i c a t i o n a ld e s c r i b et h ei n f l u e n c eo f f i s s u r e sp o s i t i o n ，f i s s u r e sg r o w t he x t e n to ne x p a n s i v e s o i l ss l o p ei n f i l t r a t i o np r o c e s s ，f i s s u r e sh e a l i n g p r o c e s sd u r i n gi n f i l t r a t i o na sw e l la st h ev a r i a t i o n p r o c e s so f s o i l ss t r e n g t ha n ds l o p es t a b i l i t y t h ea n a l y s e so nn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sr e v e a l t h ec h a r a c t e r i s t i c so fw a t e r - a i r - t r a u s m i s s i o na n dd e f o r m a t i o ni nt h eu n s a t u r a t e de x p a n s i v es o i l s s l o p ed u r i n gi n f i l t r a t i o n a c c o r d i n g t on u m e r i c a ls i m u l a t i o n s ，s o m es u g g e s t i o n sa l e p r o p o s e df o r d e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fe x p a n s i v es o i l ss l o p e k e yw o r d s ：u n s a t u r a t e ds o i l s ，e x p a n s i v es o i l s s l o p e ，f i s s u r e sd e g r e e ，g e n e r a l i z e dm o d e lo f f i s s u r e s ，t i m e - t r a v e le x p a n s i v ec h i v e ，e f f e c t i v es t r e s sp r i n c i p l e ，f i n i t ee l e m e n t m e t h o d , i n f i l t r a t i o n ， s l o p es t a b i l i t y 目u舌 膨胀土的胀缩性、裂隙性和超固结性使其成为一种特殊的非饱和土，反映膨胀土应力 变形机理的非饱和土力学理论已应用于膨胀土问题的研究。但由于观测手段限制以及裂隙 问题固有的复杂性，针对反映非饱和膨胀土性状的裂隙性的相关研究还很欠缺，表现在缺 乏定量化描述膨胀土中裂陈发育程度的方法；膨胀体的渗流与强度特性髓裂隙发育而变 化的规律还不清楚；裂隙对膨胀土边坡的稳定性的影响问题有待深入等。南水北调中线工 程将穿过三百余公里的膨胀土地区，膨胀土渠坡的稳定阔题要求我们对膨胀土的工程性质 有更加深刻的认识。 为了更好地认识膨胀土的裂隙性，正确评价膨胀土边坡的稳定性，为工程的设计施工 提供理论指导。依据包承纲教授膨胀土边坡变形与稳定预报的“双链”思想，认为降雨入 渗过程中膨胀土边坡土体强度衰减主要源于两个方面：一是降雨入渗时边坡土体中土的性 状的变化；二是降雨入渗过程中由于土体含水量的增加变化导致边坡吸力降低。将膨胀土 的裂隙性作为表征膨胀土土体性状的主要因素，围绕裂隙观测与定量化描述、裂隙对渗流、 变形及强度的影响等问题对膨胀土的裂隙性进行了比较系统的力学特性分析、试验研究和 数值模拟，以下论文的主要创新点： 1 、进行了现场裂隙调查，初步建立了膨胀土裂隙的概化模型；利用现场裂隙的统计 数据特征值，研究了模拟呈系统裂隙网络的蒙特卡洛方法。采用远距光学显微镜系统对膨 胀土样的自然风干过程进行了连续定量观测，根据观测结果选择了裂隙图像的灰度熵作为 裂隙发育程度的度量指标。 2 、进行了膨胀土的单向浸水试验，认识了浸水膨胀变形随时闻变化的规律，并采用 b o t z m a r m 函数对膨胀时程曲线进行拟合，并将其应用于计算膨胀土地基浸水后任意时刻 的膨胀变形量和刻画裂隙随浸水时间逐渐愈合过程。 3 、通过反映裂隙随入渗逐渐愈合的特性的非饱和膨胀土边坡裂隙网络入渗模拟计算 分析，认识了包含裂隙的非饱和膨胀土边坡入渗规律，分析讨论了裂隙所处位置、裂隙渗 透性质及土体膨胀时程特性等对入渗过程的影响 4 、进行了饱和的膨胀土反复剪切试验和不同裂隙发育程度的非饱和膨胀土的不排水 不排气多级三轴剪切试验，初步认识了土体结构性、饱和度与裂隙度对膨胀土强度的影响 规律。 5 、通过理论分析和试验验证，建立了广义的菲饱和有效应力原理：采用有厚度的裂 隙单元，建立了考虑裂隙的非饱和膨胀土边坡稳定分析模型并编制了三维有限元程序，进 行了以现场试验为实例的模拟计算分析。逶过数值模拟分析加深了裂隙膨胀土边坡降雨入 渗规律的认识，讨论了边坡稳定性受裂隙影响并对边坡的设计方法提出了建议。 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。 寸，扒， 论文作者( 签名) ： ：蕉! 叁车嘭年。月夕日 学位论文使用授权声明： 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。 j 论文作者c 签名，：垂! 兰垒珈哆年。月罗日 河海大学博士论文：非饱和膨胀土的裂隙概化模型与边坡稳定研究 第一章绪论 1 1 非饱和膨胀土的研究现状 1 1 1 非饱和土力学的研究进展 非饱和土是由固相、液相和气相组成的三相复合介质，相的增加，特别是气相的存在 导致非饱和土的物理性态、有效应力原理、渗透性、应力应变关系、变形与固结、抗剪强 度、孔隙压力及其它有关方面都较饱和土要复杂得多1 。非饱和土力学的研究历史大体上可 以分为三个阶段：定性研究阶段、初步的定量研究阶段和全面定量研究阶段。 5 0 年代以前，非饱和土的研究基本上处于定性的研究阶段，开始对非饱和土中毛细作 用和负孔隙水压力有所关注。1 9 3 6 年第一届国际土力学与基础工程会议上，o s t a s h e v 的两 篇论文中提出毛细水流的许多影响因素，其中就包括孔隙水压力和毛细作用力。b o u l i c h e v 提出两种可以测量土中毛细压力和毛细水上升高度的仪器。1 9 4 1 年，h o g a n t o g l e r 和b a r b e r 综合评述了毛细水的性质，“可以认为，这类毛细水流动是严格符合公认的表面张力、 重力和水力学原理的”，他们已经认识到负孔隙水压对非饱和土强度的影响2 。1 9 4 3 年， t e r z a g h i 在理论土力学中对h o g a n t o g l e l - 等人的工作进行了总结，同时他强调了水一气 接触面对土的性状的重要影响，推导出在孔隙率n 和渗透系数k 不变的情况下，毛细水上 升高度与时间的相关关系：式中：f 一时间；疗孔隙率：h 最大毛细水上升高度；髓一 时间，内毛细水上升的高度3 。v a t l e r o a d s ( 1 9 4 4 ) ，l a l l e ，w a s h b u r n ( 1 9 4 6 ) 和k r y n i n e ( 1 9 4 8 ) 也研究了毛细水的特性，结果与t e r z a g h i ( 1 9 4 3 ) 的结果基本一致。1 9 4 8 年，s i t z 建议将 毛细水分为重力毛细水和分子毛细水，重力毛细水与普通水相似，分子毛细水不同于普通 毛细水，它能承受很大的拉应力。t 9 4 8 年，b e m a t i k 观察到水气弯液面使土的强度增加。 1 9 5 1 年，l a m b e 发现控制毛细水流速率的不是饱和渗透系数，毛细区内的水力梯度是不均 匀的4 。 5 0 年代末到7 0 年代中期，非饱和土的研究开始进入定量的阶段，并取得了一些重要 的成果。b l a c k 和c r o n e y ( 1 9 5 7 ) ，b i s h o p “( 1 9 6 0 ) ，a i t c h i s o n ( 1 9 6 7 ) 和w i l l i a m s ( 1 9 5 7 ) 研究了非饱和土的体变和抗剪强度，提出了用有效应力表示的强度公式。c o l e m a n ( 1 9 6 2 ) ， m a t a y a s 和r a d h a k r i s h n a ( 1 9 6 8 ) ，以及f r e d l u n d 和m o r g e a a s t e m7 ( 1 9 7 7 ) 提出了用双应力 参量表示的强度公式。1 9 6 7 年，l y t t o n 用混合物理论与连续介质力学，研究了非饱和土多 相系的性质。其中b i s h o p 的有效应力与强度公式及f r e d l u n d 的双应力交量理论至今仍有较 多的讨论与应用。特别是双应力变量理论使得非饱和土的理论构架真正比较完整的建立起 来。 但是由于非饱和土吸力测量的困难，使得对非饱和土的研究工作直到9 0 年代才进一 步深入。1 9 9 5 年第一届和1 9 9 8 年第二届非饱和土国际会议分别在巴黎和北京召开，吸引 了大批专家和学者参加会议。这表明非饱和土的研究已经成为一个世界性的课题。成为土 力学研究中的一个热点。 第一章绪论 我国对非饱和土的研究开始于6 0 年代。9 0 年代以前，对非饱和土的一些基本物理力 学特性的研究较少，其中比较有代表性的有：1 9 6 5 年，俞培基和陈愈炯研究了孔隙气的形 态特征和非饱和的物理参量及其之间的相互关系，给出了确定封闭气泡气体压力的方法 8 。包承纲( 1 9 7 9 ，1 9 9 8 ) 研究了压实土的孔隙气和孔隙水的存在形态9 ”。这些工作都为 非饱和士的进一步研究打下了很好的基础。9 0 年代以后，非饱和土测试方法的改进和测试 设备稳定性和便捷性得到提高，1 9 9 5 年，殷宗泽自行改造和设计了国内第一台用于研究非 饱和土强度和变形的的非饱和土三轴仪。更多的人开始关注非饱和土和作为特殊非饱和土 的膨胀土，有关的试验研究广泛的引起了研究者的兴趣。殷宗泽、孙长龙( 1 9 9 5 ) 研究了 膨胀土的浸水变形规律n ”。有关非饱和土、非饱和膨胀土的强度变形等主要工程力学特 性的研究开始深入。殷宗泽、徐永福( 1 9 9 7 ) 研究了宁夏非饱和膨胀土的强度和变形特征 ”1 4 q1 9 9 7 年，徐永福用分形凡何理论研究了非饱和膨胀土的强度特性，提出了确定非饱 和膨胀土强度的一种新方法，用椭圆抛物线双屈服面研究了非饱和膨胀土的变形性质。 许多高校将非饱和土研究的有关课题作为研究生的论文题目，大大促进了非饱和土力学的 发展。杨代泉( 1 9 9 0 ) 将饱和土的比奥固结理论外推，建立了非饱和土的广义固结理论”。 陈正汉( 1 9 8 9 ，1 9 9 1 ) 用混合物理论研究了非饱和士的力学性质和固结理论1 6 ”。非饱和 土力学已经从解决工程危害转变到对非饱和土的定量研究上，1 9 9 2 年召开了全国非饱和土 理论和实践学术研讨会。1 9 9 4 年又召开了中加非饱和土学术会议。非饱和土的研究已成为 我国岩土工程界的一个热点。1 9 9 5 1 9 9 6 年间，沈珠江提出了一些有关非饱和土力学的新 的模型与理论，如广义吸力模型m 、损伤力学模型等。 1 1 2 膨胀土的物理力学特性 膨胀土主要是由强亲水性粘土矿物蒙脱石和伊利石组成的，是一种具有膨胀结构、多 裂隙性、强胀缩性和强度衰减性的高塑性粘性土。膨胀土分布广泛，在世界六大洲的4 0 多个国家都有分布。自1 9 3 8 年美国开垦局在俄勒冈州的一例基础工程中首次认识了膨胀 土问题起”，膨胀土开始引起人们的关注。我国是膨胀土分布广、面积大的国家之一，先 后已有2 0 多个省市发现有膨胀土2 0 ，其中主要分布在河南、湖北、广东、云南等省，在内 蒙2 1 、东北2 2 等地也有发现。早在五六十年代，就因其工程问题引起人们对它的重视2 3 。膨 胀土所引起的工程问题主要包括地基变形问题及边坡稳定问题。而且，非饱和土的实际研 究主要也集中在对膨胀土工程特性与工程问题的研究上。 对膨胀土基本性质的研究主要是从微观结构、渗透性、强度和变形四个方面来进行的。 膨胀士的矿物组成以粘土矿物为主，其中蒙脱石的晶格单元由两层s i 0 2 和一层“，2d 3 组成，层问联结很弱，水份易于渗入层间，生成水夹层而产生晶内膨胀。蒙脱石一般又含 有较多的n a + 和c a “，由于阳离子的吸附作用，双电子层效应使得膨胀土产生粒间膨胀。 而伊利石的晶格结构与蒙脱石相似，所不同的是伊利石的晶格间结合的为足+ 。土粒的大 小、形状、联结及其相互排列的形式以及孔隙的大小、形状等都是膨胀土胀缩性能的重要 决定因素“巧拍”。通过运用光片、薄片及扫描电镜等研究发现，膨胀土在结构上的特 点是层面裂隙较为发育，它们是促进土体吸水、失水的良好通道，是使其具有强烈胀缩性 能的重要因素2 0 。冷冻真空干燥仪刀阳用于研究土体的微结构，可以很好的保持其自然结 构，减少了对土样的扰动。由予膨胀土是多种矿物的复合体，单一的采用某一种方法往往 4 塑塑查堂壁主堕苎：斐塑塑墅堂圭塑型堕量些塑型皇垫墼整塞婴塑l 难以鉴定，运用x 线折射法、差热分析法、染料吸附法、化学分析法及电子显微镜法等多 种方法综合鉴定，对膨胀土的结构组成可以收到较好的效果3 1 。同时，利用筛析法和比重 计法等宏观方法分析膨胀土的颗粒分布，进行膨胀土的分形结构的研究也取得了一些初步 成果3 23 3 。施斌等将膨胀土的微结构分为絮凝结构、定向排列结构、紊流结构、粒状堆积 结构、胶粘式结构与复合式结构等3 4 ，而g e n s 与a l o n s o 等提出的膨胀土双结构模型”将土 体的变形分为集聚体内部孔隙的变形和集聚体间的孔隙的变形分别处理，能较好的解释膨 胀土的胀缩特性。 非饱和膨胀土是一种特殊的非饱和土，土体孔隙中的流体除了孔隙水外还有孔隙气， 孔隙气的存在使得膨胀土中的渗透成为非饱和渗流问题，也即是非饱和的水气运动问题。 同时，由于膨胀土随含水鑫的变化发生膨胀和收缩，土体中的裂隙和孔隙大小和分布都发 生变化而影响渗透特性。因此膨胀土的渗透性研究十分复杂。非饱和土体中水气形态对渗 透性的影响很大，依据水相或气相的不同连通情况可以对土体所处形态进行归类明确研究 对象的特点。陈愈炯按水相将非饱和土体中空气和水的连通性划分为三种状态：气封闭状 态、双开敝状态和水封闭状态”。目前，包承纲9 所提出的按气相划分的四种土体形态：气 相的完全连通、部分连通、内部连通和完全封闭，已广泛为人们所接受。根据土一水特征 曲线可以导出渗透系数的半经验公式”。 膨胀土的峰值强度是相当高的，但是从失稳的膨胀土边坡反算得出的抗剪强度却往往 低于其峰值，这一现象早就引起土力学专家的注意。现在一般认为膨胀土强度衰减源于膨 胀的“三性”：膨胀性，裂隙性和超固结性。天然情况下，膨胀土的强度较高，但是经 浸水后含水量和体积增大，密度减小，强度降低。研究发现强度降低的程度与初始含水量、 干密度等有关”。由于裂隙分布规律性研究的缺乏，裂隙性对强度的影响更为复杂。不过 仍然有一些有价值的成果。b j e m l l n 认为超固结的膨胀土的抗剪强度并未在整个滑动面上 同时发挥，从而边坡的破坏通常是渐近的 。廖济川4 0 则提出裂隙对膨胀土强度的影响主要 表现于应力应变关系曲线的形态及强度随试样大小而不同。超固结性对膨胀土的影响问题 仍需注意。 膨胀土的膨胀变形特征是膨胀土最明显的特征，膨胀土也是因此而得名，对该特性人 臂1 进行了较多的研究，因而也取得了较丰富的成果。柯尊敬建立了膨胀土有关账缩特性 指标间的一些理论关系。膨胀力是反映膨胀土变形特性的一个重要指标，人们也进行了较 多的研究“和应用”。但其力学机理与物理概念并不十分明确因而在理论分析上仍然较少使 用。膨胀土的胀缩变形与其初始含水量、干密度、应力状态及浸水速率等都有关系。试验 研究证明，当膨胀土的初始含水量较低，干密度较大，上覆压力较小时，膨胀变形较大4 4 。 除了利用固结仪进行一维膨胀与固结变形研究外，三维变形的研究也有一定进展4 5 4 6 4 7 。 但是，许多工程实践与相关试验证明，膨胀土的上覆压力较大的情况下，膨胀土的膨胀变 形总的不明显，膨胀的膨胀变形引起的工程问题主要发生在轻型建筑物上。主要的膨胀 土工程问题是膨胀土边坡的稳定问题，围绕南水北调工程中线中的膨胀土渠坡稳定问题的 研究，大大促进了膨胀土研究的进展。 由于膨胀土遇水膨胀、失水收缩且强度随含水量变化明显，因此在膨胀土地基4 8 及边 坡工程中膨胀土的变形与强度问题就显得格外突出，并相应地提出了一些工程处理措施4 9 并得到了广泛的实践。 第一章绪论 1 1 3 非饱和膨胀土边坡的稳定问题 膨胀土是一种具有特殊性质的高塑性粘土，天然情况下常处于非饱和状态。非饱和膨 胀土是一种特殊的非饱和土。由于膨胀土常常造成工程危害，这种危害往往是渐进的、潜 在的，且有时是难以处理的，因此又被称为“灾害性土”，这种情况在边坡工程5 2 中 尤其如此。非饱和膨胀边坡的失稳影响工程的正常运行，造成人民财产的巨大损失，对其 进行专门的研究是十分必要的。特别是正在建设的南水北调中线工程输水总干渠将通过南 阳、沙河及邯郸等地三百余公里的膨胀土地区，膨胀土渠坡的稳定性严重影响着工程的建 设和输水的安全，研究解决膨胀土边坡稳定问题具有实际意义。 研究表明，膨胀土边坡的滑动破坏有共同的特点：浅层型( 一般在2 4 米，不超过6 米) 、平缓型( 与坡面近于平行) 和渐进型( 从下端开始滑动，逐渐向上发展形成牵引式 或迭瓦式滑坡) 。按设计完成的膨胀土边坡，在旖工初期往往是稳定的，以后随各种条件 的变化逐渐发生失稳滑动，其主要原因是土层的抗剪强度随时间衰减造成的，这一点已经 为许多研究者所共识。 气候的交替变化，导致膨胀土反复膨胀和收缩，形成膨胀土体松散，大量次生裂隙生 成与原生裂隙的进一步扩大使得土体中裂隙极为发育。裂隙的发展与土体的松散为膨胀土 的进一步风化创造了条件，雨水侵入与水分蒸发的反复使得裂隙开展到更深处的土体，形 成风化层。有的顺坡向或近于水平向的裂隙在剪应力作用下逐渐连通，形成近顺坡向或水 平向的破裂带。该破裂带在长期风化与淋滤等作用下，和与之垂直向的张裂隙的底部形成 顺坡向的软弱夹层，并具有良好的积水条件，成为潜在的滑动面。 地下水位上升与下降的交替变化，使得在水位附近的土体在浸水与脱水的反复中逐渐 软化。当地下水位上升到裂隙发育的较浅层或较深层的水平向破裂带时，破裂带中的充填 物被淋滤而逐渐减少，形成滑动面。地下水位持续较高时，土体充分浸水而膨胀软化，强 度大幅度降低，加上外来荷载或地下水的渗透压力作用，边坡稳定性下降并可能滑坡。 膨胀土开挖时对土体产生卸荷作用。卸荷作用下膨胀土体产生微裂隙的张开与扩展。 同时膨胀土的超固结性使开挖卸荷形成的水平应力远大于垂直应力，形成较高的应力水 平，并且从坡肩到坡脚递增。坡脚处的剪应力集中区使之可能最早进入塑性极限状态而破 坏，并且抗剪强度从峰值降为残余值，这样边坡往往从坡脚开始失稳，然后应力集中区向 上转移，造成边坡的牵引式与迭瓦式滑动。 膨胀土边坡失稳的机理可概述为： 膨胀土边坡在内外因素的共同作用下使得其抗剪强度随时间下降，从而逐渐发生失稳 滑动。其中内因指膨胀土的胀缩性、裂隙性及超固结性，三者是相互联系、相互促进的。 外因是气候变化、地下水位变动、开挖卸荷等，它们引起土体含水量的变化从而降低吸力、 使土体软化并削弱国结作用，为外部诱发条件与主导因素。 1 1 4 非饱和土力学在膨胀土研究中的应用 2 0 世纪7 0 年代中后期，随着国际非饱和土特性研究热潮的兴起，膨胀土中吸力的大 小及其变化和对力学性质的影响成为膨胀土研究中的重点，人们将膨胀土作为一种特殊的 非饱和土开始以更理性的方式进行研究。非饱和土力学理论应用于膨胀土的理论研究与工 程实践，从力学机理上更深刻地揭示了膨胀土的变形特性、水气运动及力学特性，其中主 6 河海大学博士论文：非饱和膨胀土的裂隙概化模型与边坡稳定研究 要包括双应力变量理论、有效应力理论、水气运动规律、强度与变形特征等基本问题。 对非饱和膨胀土所处应力状态有两种处理方法：采用非饱和土的有效应力和非饱和士 的双应力变量。非饱和土的有效应力一直是一个有争议的话题6 ”。为了便于引用成熟 的饱和土强度与变形理论，非饱和土的有效应力研究近来又成为研究的热点之一”s 5 拍 ”。如何根据理论分析和试验结果引入有明确物理意义的有效应力概念，从而用饱和土力 学方法解决非饱和土问题是非饱和有效应力原理研究的重点和难点。 如前文所述，膨胀土的渗透规律由于土体中孔隙气的存在，使之成为非饱和渗流问题。 研究嘭胀土的渗透问题，也即是非饱和土的水，气运动问题。同时，由于膨胀土随含水量 的变化发生膨胀和收缩，土体中的裂隙和孔隙大小及其分布都发生变化而影响渗透特性。 不同的水气形态下膨胀土的渗透规律研究方法也不同。 膨胀土遇水膨胀雨导致强度降低是膨胀土研究中最重要的工程问题。研究膨胀土的抗 剪强度理所当然的成为膨胀土研究的重点。非饱和土力学基础上的膨胀土抗剪强度理论比 较能够反映膨胀土的特性。 膨胀土的膨胀变形一开始就是工程关注的重点。膨胀土的非饱和状态，也即吸力的存 在对膨胀土的膨胀与固结变形不可忽略。相应的膨胀土的本构关系5 8 与固结理论”也有所 发展。 1 1 ，5 非饱和膨胀土中的裂隙及其影响问题 许多研究者”在膨胀土边坡稳定问题中研究中均发现了裂隙的存在及其发展变化对 其边坡稳定有着重要的影响。人们越来越认识和注意到膨胀土边坡失稳时主要沿土体内的 裂隙面或层理结构面滑动，工程实践和研究成果使人们达成这样的共识：裂隙问题是膨胀 土边坡稳定的关键问题，裂隙的发展大大降低了土体的强度，造成裂隙张开、延伸、扩展、 贯通和各种因素就是导致滑坡的因素。 对裂隙的研究主要包括裂隙观测、分布与发展规律、渗流特性和力学性质等几个方面。 裂隙作为岩土体的微细观结构通常采用压汞法们、显微镜切片法、x 射线衍射法、扫 描电镜法6 2 ”6 4 、超声波法舒的6 7 和计算机断面成相技术( c t 法) 6 8 进行观测。其中压汞 法实际上测定的是土体的孔径分布。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。 裂隙结构的分形特征成为裂黢分布研究的一个重要方面3 2 3 3 6 9 o ”。试验结果表明， 膨胀土的粒度与孔隙分布是分形的，不同成因的膨胀土，其粒度分维不同。膨胀土裂隙的 空间分布及动态演化特征可以用分维进行定量描述，膨胀土裂隙的力学效应特征与裂隙分 维有较好的相关性。缺乏有效地定量化描述裂隙发育程度的指标定义及其与士体强度渗流 特性关系的研究。 裂隙开度大小对渗流的影响是众多有关裂隙渗透特性研究的重点7 2 ”7 47 5 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7 9 。 裂隙对膨胀土的强度影响已进行了一些室内和现场试验，并取得了一定的成果弛3 3 。 7 第一章绪论 试验表明，裂隙面或层理结构面的强度较土体强度低，且与充填物有关；土体的滑动面通 过较多裂隙面或层理结构面时，强度大大降低”。膨胀土强度随裂隙发展而变化的定量规 律的研究还有待深入。 在进行裂隙岩体渗流与应力耦合分析时，通常按裂隙与孔隙的规模和渗透性，将岩体 中的裂隙分别按真实裂隙网络、随机裂隙网络、等效连续介质体系和连续介质体系进行裂 隙处理“。由于土体中裂隙的分布规律研究还比较缺乏，考虑裂隙对土体的影响时，有的 研究者引用断裂损伤理论，由损伤变量来描述裂隙发育状态，认为随裂隙发展土体的损伤 程度增加，并将其应用于数值模型分析8 2 ，但这种方法无法考虑裂隙的定向排列造成的土 体各向异性。裂隙的渗透与强度特性间的耦合关系也不明确，因而，裂隙对膨胀土边坡稳 定影响的研究尚处于定性和初步定量阶段6 08 3 。 1 2 边坡稳定分析方法的研究进展 边坡稳定是土力学中的一个古老的课题，对边坡稳定的计算方法的研究从土力学诞生 的那天起就没有停止过。膨胀土边坡稳定常用的计算分析方法可分为三种( 图1 1 ) ：极限 平衡分析法、统计比较判别法或工程地质对比法和有限元分析法。 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，其中包括圆弧滑动分 析法和折线滑动不平衡推力法和表层滑动分析法等，每一种分析方法又有一些具体的计算 方法“。由于计算简便，且使用经验丰富，该类方法为目前边坡设计计算的主要方法。 统计比较判别法或工程地质对比法对现有类似或相近工程地质条件情况下的土 坡进行统计分析，求得稳定边坡的坡比的大致范围、可能坡型为工程所用的方法，是一种 经验方法，可用于中小边坡的设计中。 有限元分析方法概念清晰，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的过程的一种分析方法。有限元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跖，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而对土坡的安全稳定进行评价。通常可以先用有限元计 算找出滑裂面( 可用常规有限元或自适应网格加密) ，然后用条分法计算安全系数。也可 以利用改进的有限元方法直接计算( 计算强度储备或极限荷载) 得到安全系数8 6 ”。 由于膨胀土边坡的滑动破坏具有浅层性、顺坡向和渐进性的特点，对膨胀土边坡的稳 定分析中应着重考察边坡的变形与应力发展过程；又因为膨胀土边坡在运行过程中往往处 于非饱和状态，所以分析膨胀土边坡的稳定性时应采用非饱和有限元方法髓。 在边坡稳定分析的成果中，安全系数是一个极重要的指标。在极限平衡法中安全系数 的定义为沿整个滑面的抗剪强度与滑面上实际剪应力的比值。有限元法中安全系数的计算 方法主要有以下几种： l 、由应力成果假定滑面或搜索最危险滑面8 9 ，由力的平衡关系计算安全系数； 2 、根据各单元的安全度( 应力水平) 的大小和分布情况分析9 0 ： 3 、由应变随强度或荷载变化结果直接得出安全系数。 第1 、2 类方法可以将整个边坡的应力变形情况反映出来，从而大体确定滑面的位置 和形态，但还需沿滑面进行统计计算方能得到整个边坡的安全系数。由第3 类方法求得的 安全系数以变形为控制量t 认为强度减少不多( 或荷载增加不大) 时变形发展较大即为边 8 翌壅盔兰堡圭丝苎! 韭垫塑壁些圭塑型堕塑些坚型量望堡登星婴窭一 坡破坏，可反映整个边坡的稳定状态，而且由最大应变发展方法可近似给出滑面的形态和 位置，因而是种较适合的方法。 一触 册寸 屯。 九( ”时 这样f 时刻，裂隙的宽度减小为： 5 7 = 6 4 一嫡o + 8 6 ) 2 当玩= 0 时，可认为裂隙已经完全闭合，此时裂隙的渗透与力学特性与周围土体完全 一致。 ，夕 隙 弋、 、 b h 膨胀土土体 图3 1 0 裂隙两侧土体计算厚度示意图 通过上面的计算分析方法可以揭示出水分入侵过程中，膨胀土中的裂隙由于两侧土体 的膨胀变形而逐渐愈合的过程。该变化过程对整个土体渗透特性及膨胀土边坡稳定性的影 响将分别在第四章及第六章中进一步讨论。 3 7 小结 1 、利用固结仪进行了不同初始含水量和干密度的膨胀土样单向浸水膨胀试验，试验 结果表明：初始含水量较低、干密度较大时土体膨胀变形量较大；反之较小。土体干密度 较小时，可能出现湿陷。 2 、膨胀土的单向浸水膨胀试验结果表明：膨胀土浸水变形量随时间而增长，膨胀过 程可分为吸水膨胀、加速膨胀、缓慢膨胀三个阶段。膨胀变形历时曲线可用b o l t z r n a n n 函