（道路与铁道工程专业论文）膨胀土力学参数的试验研究.pdf

摘要 在膨胀土边坡稳定性数值模拟分析计算时，所需抗剪强度指标、膨 胀土在不同含水量下的泊松比直接从试验获取非常困难，此外关于结构 层对模型强度的影响很难确定。本文以宁明灰褐色膨胀泥岩和灰白色非 饱和膨胀土为研究对象，研究了宁明灰褐色膨胀泥岩的围结构性对毛细 吸水性能的影响；通过对具有软弱结构面大尺寸三轴试样的剪切试验来 研究软弱结构面对试样整体的影响；并基于g d s 三轴试验仪和霍尔传感 器控制的k 。固结试验，问接的测量了宁明灰白色膨胀土的泊松比和弹性 漠量，为仿真计算提供了参数。 广西南宁南友路膨胀土路堑边坡滑塌时滑动面均发生在土岩界面 上，本文通过模拟实际工况，研究了原状膨胀泥岩毛细吸水的各向异性 特性。结果表明膨胀泥岩由于历史成因导致的微观结构性，使得其吸水 盐能具有沿层理方向吸水快，并且能导致泥岩崩解：沿垂直层理方向缓 慢且不会使泥岩产生裂缝。 通过w f i 公司生产的t r i t e c h 三轴试验系统研究了结构面对膨胀土 强度的影响，并且较详细介绍了该系统的组成和试验操作过程。试验表 明：具有结构面的膨胀土在低应力下产生大变形的特征，并进一步提出 了这个特征是导致膨胀土坡顶产生后缘裂隙主要原因之一的观点，为数 值模拟分析提供更符合实际的膨胀土体和软弱层的抗剪强度指标。 考虑到边坡失稳常常发生在雨季，这个时期正是坡体内部温度急剧 变化的时期，温度对膨胀土抗剪强度的影响在可控温的大三轴试验仪上 进行了研究。结果表面膨胀土的抗剪强度指标与温度均呈现较好的线性 关系。 本文另外一个重要成果是从广义胡克定律出发推导出以k 。来表示泊 松比和弹性模量的公式，并成功地通过g d s 三轴仪和霍尔传感器实现了 准确、简便、间接测试“和f ，并为膨胀土边坡稳定性数值模拟分析提 供所需参数。 关键词：膨胀土；膨胀泥岩；大三轴试验，软弱结构面；泊松比；弹性 模量 a b s t a c t w h e nt h es t a b i l i t yo fe x p a n s i v es o i l s l o p ei sa n a l y z e db yn u m e r i c a l m o d e l i n g ，p a r a m e t e r s t h a tt h em o d e ln e e d sa r ed i f f i c u l tt om e a s u r e b e s i d e s h o ww e a ks t r u c t u r a ls ur f a c ei n f l u e n c e so nt h ee x p a n s i v es o i l s t r e n g t hi sn o tc l e a r t h i sr e s e a r c hp a p e rw a sd e s i g n e dt os t u d ye x p a n s i v e s o i la n ds h a l ef r o mn a n y o ur o a dt o p r o v i d ep a r a m e t e r s f o r s i m u l a t i n g c a l c a l a t i o nm e t h o d s l i d i n g f a c e sw e r ea l lf o r m e do nt h es o i l r o c k i n t e r f a c e s ，w h e n e x p a n s i v es o i ls l o p ef a i l u r eo fn a n y o ur o a do c c u r r e d i nt h i sr e s e a r c h ， a n i s o t r o p yo fw i c k i n ga b i l i t yi ne x p a n s i v es h a l eo fo r i g i n a l s t a t ew a s s t u d i e d t h o u g hs i m u l a t i n g t h e w o r k i n gc o n d i t i o n r e s u l ts h o w st h a t ， b e c a u s eo ft h em i c r o s t r u c t u r ec r e a t e db ys e d i m e n t a t i o no c c u r r e dd u r i n gt h e g e o l o g i ct i m e ，w a t e rs o a k i n gi nt h ed i r e c t i o no fs t r a t i f i c a t i o ni sm u c hr a p i d f o l l o w e db yf o r m i n gc r a n n i e s ，w h i l ei nt h ep e r p e n d i c u l a rd i r e c t i o n ，w a t e r s o a k i n gi sm o r es l o w l y ，a n dn ov i s i b l ec r a n n yi so b s e r v e d h o ww e a ks t r u c t u r a ls ur f a c ei n f l u e n c e so nt h ee x p a n s i v es o i ls t r e n g t h w a si n v e s t i g a t eb yt r i a x i a lt e s ts y s t e mm a n u f a c t u r e db yw f i t e s tr e s u l t s h o w st h a tl a r g ed e f o r m a t i o no c c u r su n d e rl o ws t r e s sd u r i n gt r i a x i a lt e s to f e x p a n s i v es o i ls a m p l ew i t hw e a ks t r u c t u r a ls u r f a c e f u r t h e rm o r e ，t h ev i e w t h a t ，t h i sc h a r a c t e r i s t i ci st h ec r u c i a lr e a s o nl e a d i n gt ot h ea p p e a r a n c eo f c r a n n i e so nt h et o po ft h es l o p eb e f o r et h es l o p ef a i l s ，i sp r o p o s e d c o n s i d e r i n gt h a ts l o p ef a i l u r e sm o s t l yt o o kp l a c ed u r i n gt h er a i n y s e a s o n ，w h i c hw a sa l s ot h ep e r i o dt h a tt h et e m p e r a t u r ec h a n g e ds h a r p l y ，t h e e f f e c to f t e m p e r a t u r eo nt h es t r e n g t ho fe x p a n s i v es o i lw a ss t u d i e db y t r i a x i a lt e s t t h er e s u l ts h o w st h a tt h es t r e n g t ho fe x p a n s i v es o i li n c r e a s e s l i n e a r l yw i t ht e m p e r a t u r e a n o t h e rs i g n i f i c a n tf r u i ti st od e d u c eaf o r m u l at o e x p r e s sp o i s s o n r a t i oa n dr e s i l i e n c em o d u l u sb y k 0 a n dm o r ei m p o r t a n ti st h a tua n de w a sm e a s u r e dr e l a t i v e l ya c c u r a t e l ya n dc o n v e n i e n t l yw i t ht h eh e l po fg d s t r i x a i lt e s t s y s t e m t h i s t e s t p r o v i d e s c o n v i n c i b l e p a r a m e t e r s f o r s i m u l a t i n gc a l c u l a t i o nm e t h o d i i k e yw o r d s ：e x p a n s i v es o i l ；e x p a n s i v es h a l e ；t r i a x i a lt e s t ；p o i s s o n r a t i o ：r e s i l i e n c em o d u l u s i l l 、 长沙理工大学 学位论文原刨性声明 本人郑重声明：j i f f 呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成暴。除了文中特别加以标淀引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究骰出重要燹献的个入署嚣集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期：年月目 学位论文版权使用授权书 本学位论文 乍者完全了鳃学校毒关保整、使矮学位论文瓣鬣定，嗣意学校保 留并向国家有关部门躐机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被奁阅和借 阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进厅硷豢，可以罴爱影馨、续印竣捅撵等复裁手段保存蒡爨汇缓本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不糅密滔。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名 导师签名 蠢凝：酬年一才弱 圈期9 啻p 多年胃珂自 第一章绪论 膨胀土是一种吸水膨胀软化、失水收缩开裂的特殊粘性土，其主要不良工程 特性表现为多裂隙性、强超固结性、强亲水性、反复胀缩性和浅层破坏性。膨 胀土给工程建筑物带来的危害，既表现在地表建筑物上，也反应在地下工程中。 它不仅对铁路、公路、渠道的边坡、路基和路面：也对房屋基础、地坪、地下洞 室及隧道围岩、衬砌：甚至对这些工程所采取的稳定性措施，如护坡、挡土墙和 桩等也产生破坏。因而从某种意义上讲，膨胀土对工程建筑的危害无所不包，成 为浅表层轻型工程建设的全球性技术难题。多年来，膨胀土及其工程问题一直是 岩土工程和工程地质研究领域中世界性的重大课题之一0 1 ，虽经半个多世纪的广 泛深入研究，但至今在各国的工程建设中膨胀土引起的工程问题仍时有发生并造 成重大经济损失。在美国，据k r o n 和s l o s s o n 在1 9 8 0 年估计，由于膨胀土对各类建 筑物的危害，每年要损失7 0 亿美元”1 。s n e t h e n ( 1 9 8 6 年) 称，从经济上讲，膨胀 土是美国付出最大代价的自然灾害之一，每年都有大量工程建筑物遭受膨胀土的 严重危害。在膨胀土地区修建的铁路，路基下沉、基床翻浆冒泥、边坡滑坡等病 害都十分普遍。不少地段防护工程屡遭破坏。仅据襄( 樊) 渝( 重庆) 铁路施工 决算统计，由于膨胀土在施工期间造成的破坏，竟使路基每公里的造价增加了 9 1 4 5 万元，实际投资为设计造价的三倍。因此，我国铁路部门在总结膨胀土地区 修筑铁路的经验时就有“逢堑必滑，无堤不坍”之说。 过去，我国公路等级低，在膨胀土地区修筑公路时，由于填挖高度不大，路 基病害虽时有发生，但危害不严重且影响不大，公路部门并未给予足够的重视， 2 0 世纪8 0 年代爿出现一些零星的研究报告，缺乏全面的研究。随着改革开放的深 入，国民经济高速发展对公路运输能力的需求越来越大，汽车轴重的增加和行车 密度与速度的提高，我国开始了大规模的高等级公路建设，其中不少路段穿越了 典型膨胀土地区，膨胀土对公路建设的危害逐渐变得越来越严重。膨胀土路基稳 定与变形问题成为膨胀土地区公路修建的主要技术难题之一。而公路部门对膨胀 土地区筑路技术研究还不多，现有的公路技术规范大多沿用铁路及建设部门的做 法，没有考虑公路对路基要求及行车荷载的特性，且很不系统，加之全国各地膨 胀土的成因、气候条件对公路工程的危害性和破坏的程度不同，膨胀土及其工程 问题的研究成为公路部门必须克服的难关“。世纪之交，党中央国务院又提出 西部大开发的伟大战略，为加快西部的开发与建设，改变交通落后的状况，促进 经济快速发展，西部膨胀土地区的多条高速公路开始修建或在积极筹划中。为此， 交通部于2 0 0 2 年立项开展“膨胀土地区公路修筑成套技术研究”，目的是要解决 好膨胀土地区公路修筑中所遇到的关键技术问题，同时为建立公路部门自己的技 术规范做准备。长沙理工大学被确定为该项目的主持单位。 建设中的广西南友公路全长约2 2 0 公里，路线穿越宁明盆地时，遇到第三系 始新统那读组( n y ) 粘土岩及其风化残积形成的厚层粘土，普遍具有膨胀性。调 查研究表明，南友高速公路宁明膨胀土是一种残积型膨胀土，其母岩是下第三系 那读组粘土页岩。由于侵蚀( 卸荷) 和化学风化作用，特别是南亚热带风化淋滤作 用，残积层不仅发生矿物的水解和转化，而且造成密度和强度降低含水率增高， 形成残积型膨胀土共有的低密度( s = o 8 5 1 0 ) 、高含水率( 2 9 0 3 5 4 ) 、高分 散性( 小于2 a n 粘粒含量 4 0 和强收缩( 体缩 1 4 ) 等一系列不良工程性质。受 母岩结构的影响，该残积膨胀土不仅土的颜色、土的性质在剖面上星现显著的不 均一性和各向异性，而且天然残积膨胀土中普遍可见母岩残余结构( 微层理和微构 造裂隙) ，沿缓倾角残余构造节理两侧数毫米至1 5 c m 范围均遭到强烈的化学作用 ( 差异风化) ，红色氧化铁富集。 路堑开挖揭露的边坡典型地质剖面可分为三层：表土层为棕红略带黄色斑点 的高液限土，厚o 5 1 5 m ；中部为棕黄色或灰白色、斑纹状强风化膨胀土层，厚 度为2 - 6 m ；下部为深灰色、灰褐色弱风化粘土页岩。从坡面上可清楚看到构造 节理与裂隙和风化裂隙极度发育，有竖向、斜交和水平一种，分层明显，贯通性 层间裂隙与岩土体分层一致，该路段膨胀岩土连续分布长近1 4 k m ( k l3 0 k 1 4 4 ) 。 施工中的边坡滑坍、滑坡现象多受到上述宏观不连续面所控制【6 】，如图1 1 和1 2 。 图1 1 极度发育的剪切节理图1 2 路堑边坡牵引滑坡 基于以上背景，课题组决定在南友公路选择试验路段作为项目研究的依托工 程，展开“膨胀土地区公路修筑成套技术研究”的研究工作。根据现场勘测结果， k 1 3 0 k 1 4 2 一带约1 2 公里长公路段的路堑滑坡全部发生在南宁至友谊关公路的 右侧边坡( 结构面顺层理边坡) ，而稳定的左侧边坡( 结构面反层理边坡均稳定) 。 与一般岩质边坡一样，宏观结构面成了残积型膨胀岩土边坡稳定性的决定性因素。 因此，必须对膨胀土结构面对膨胀土边坡稳定性的影响进行研究，全面了解膨胀 土结构面的干湿开裂特性和强度特性，并为数值模拟计算提供强度参数。 此外，在边坡稳定性分析和模拟计算时，对于泊松比和弹性模量的确定一直 以来都缺乏很可靠的试验数据来源，一般都是经验性的或者半经验性的。本文希 望能够通过试验的方法，比较简单、准确地量测泊松比和弹性模量。 1 1 国内外研究现状 膨胀土是一种特殊粘性土，其力学参数的研究属于岩土力学的范畴。在岩土 力学研究中要回答的两大问题仍然是岩、土体的变形和稳定”1 。目前“参数给不 准”和“模型给不准”己成为岩土力学理论分析与数值模拟的“瓶颈”问题。研 究和实践都表明力学参数的选取比力学模型的建立更困难。如何准确确定岩上体 的力学参数是岩土力学研究中一项最基本、最迫切的任务。本节将扼要介绍国内 外在该研究领域己取得的主要研究成果。 1 1 1土的本构模型研究进展 为了更好地描述土体的真实力学一变形特性，建立其应力、应变和时间的关 系，在各种试验和工程实践经验的基础上提出一种数学模型”1 ，即：土体的本构 关系。自k h r o s c o e ”“”等1 9 5 8 1 9 6 3 年创建剑桥模型以来，各国学者己发展了 数百个土的本构模型：包括不考虑时间因素的线弹性模型、非线弹性模型、弹塑 性模型和考虑时间因素的流变模型等。 1 1 1 1 土的线弹性模型 经典土力学将土体视为理想弹性体，在进行变形计算时采用基于广义虎克定 律的线性弹性模型，假定土体的应力和应变关系成正比，通过测定土在不排水条 件下的弹性模量e 和泊松比，或者体积变形模量k 和剪切模量g 来描述其应 力一应变关系。土的线弹性模型单，适用于不排水、安全系数较大、土体不发生屈 服的情况，工程中可用于“! 】：计算地基中的垂直应力分布；计算地基在不排 水加荷情况下的位移和沉降；基坑开挖问题计算，用于估计基坑在不排水条件 下的侧向压力与侧向位移；计算软粘上地基在加荷不排水条件下的沉降和孑l 隙 水压力。 1 11 2 土的线弹性模型 土体在外荷载作用一般都要发生屈服，其应力一应变关系具有非线性，土体 发生的变形既有弹性变形又有塑性变形。土的非线弹性模型可以较好地描述其变 形特性。土的非线弹性模型理论可以分为三类：弹性模型、超弹性( h y p e re l a s t i c 模型( 又称g r e e n 超弹性模型) 和次弹性( h y p oe l a s t i c ) 模型。其中影响最大、最具 有代表性的主要是邓肯一张( d u n c a n c h a n g ) 模型“。”。邓肯一张模型以虎克定 律为基础，假定模型中的参数( 弹性模量e 、泊松比、体积变形模量k 和剪切 模量g ) 是应力状态的函数，与应力路径无关。利用土体常规三轴试验得到的应力 一应变曲线建立了模型参数关系。d u n c a n c h a n g 模型能较好地反映土体的主要 变形特性，考虑了土体非线性变形中加载模量和卸载模量的不同，模型中参数的 物理意义明确。同时可以通过常规三轴试验确定其模型参数，因而在工程中得到 了广泛的应用。但是，该模型不能反映土体的剪胀性及中主应力对模量的影响。 针对该缺陷，沈珠江提出了考虑球张量与偏张量相互影响及土体剪胀性的非线性 弹性模型。 1 11 3 土的弹塑性模型 土的弹塑性模型能较好地模拟土的弹塑性应力一应变关系。土的弹塑性模型 研究早期是借用金属材料的经典理想弹塑性模型，经过d r u c k e r “”和r o s c o e 逐渐 发展建立了加工硬化弹塑性理论和临界土力学。随后人们根据不同的屈服准则、 硬化及软化定律及流动法则，相继建立了大量的弹塑性模型其中主要有： 1 ) 剑桥( c a m br id g e ) 模型剑桥模型由剑桥大学罗斯科( k h r o s c e ) 等根据正 常固结或弱超固结粘上( 又称为“卡姆粘土”) 的三轴试验结果建立的，模型中假 定土体为加工硬化材料，服从相关流动法则和能量守衡方程。又称为临界状态模 型它从理论上阐明了土体的弹塑性变形特性。1 9 6 8 年k h r o s c o e 和j b b u r l a n d “8 对模型进行了修正。建立了修正的剑桥模型。模型通过常规三轴试验测 定土的压缩特性常数 、膨胀特性常数k 和试验常数m f 山上的内摩擦角控, t 1 ) - - 个参数。就能确定正常固结或弱超固结粘土在各种应力路径下的应力和应变，在 许多情况下能较好地反映土的变形特性。 2 ) 拉德一邓肯( p v l a d e - d m d u n c a n ) 模型1 9 7 5 年l a d e 和d u n c a n “ 将土体视为加工硬化材料，认为材料服从不相关联流动准则，采用塑性功硬化规 律，根据砂土立方体试样的真三轴压缩试验结果，建立了一个适于无粘性土的弹 塑性本构模型，可用于三向应力情况，参数由三轴试验结果推算确定。模型中考 虑中主应力、剪胀效应以及应力路径的影响，试验证明：在大多数荷载情况下它 能较好地模拟无粘性土的应力一应变性状。 3 ) 边界而模型为了描述反向卸载时的b a u s c h i n g e r 效应和周期循环加载情 况，m o i z 、1 w a m 、d a f a l i a s 以及d a f a l i a s h o i m a n n 等人发展了各种边界而模型。 其中比较有代表性的是d a f a t i a s h e i m a n n 边界而模型该模型“。主要基于塑性硬 化模量场理论和边界而理论，考虑了应力路径在屈服而内时可能产生的塑性变形 情况。 4 ) 多屈服而模型不少学者认为单一屈服面难以解释土的变形特征，主长采用 塑性体应变与塑性偏差应变，或其组合作为各自硬化参数，利用两个或多个屈服 而组合来描述土的变形特征，提出了双屈服而模型和多屈服而模型，沈珠江。”发 展了多重屈服而的概念并建立了三重屈服面模型，该多重屈服而模型能不同程度 地反映上的剪胀与剪缩。对不同的应力路径也有较好的适应性。 1 11 4 土的粘弹塑性模型 上体在骨架应力作用下，颗粒的重新排列和骨架的错动具有明显的时间效应， 土体的变形和内部应力变化都与时间有关，通过大量的试验证明了土体具有粘弹 性特征。土体的粘弹塑性模型建立一般采用三个基本元件：虎克体弹簧、牛顿体 粘壶和圣维南体滑块来进行组合，建立的经典模型有：m a x w e l l 模型、k e l v i n 模 型和b i n g h a m 模型，随后相继建立了m e r c h a n t 模型、s c h i f f m a n 模型、广义v o i g t 型和l e e 模型。国内针对上海软土的流变特性，建立了工程实用的上海软土粘弹 塑性模型。 11 1 5 土的其他模型 近年来随着c t 技术、x 射线和光弹试验等在土体研究中的应用，对土体的 宏观变形和微观规律有了更进一步的认识，尤其是原状土的结构性研究引起重视， 建立了不少的模型。研究成果表明：粘上的结构性对其压缩特性、强度包线特性、 固结系数等都具有显著的影响。在研究土体结构性模型的同时，不少学者结合其 它理论建立了土体的损伤本构模型和内时模型“”1 。 1 1 1 6 土的本构模型研究新理论 建立土的本构模型的核心问题就是通过土体在实验中所表现出的力学行为来 反演其内在的本构关系。近年来，由于科学技术的发展，大量非线性科学理论， 如分形几何、突变论、人工神经网络和生物竞争理论等被引入到土本构模型的研 究中，不少学者借助先进的数学理论和数值算法去探索土体本构模型研究的新途 径“”，这些方法主要依据实验资料，通过模型本身的运算来建立合理的本构关 系，有较高的应用价值，但模型的准确性和适用范围还有待深入探讨。 1 1 1 7 本构模型研究趋势 自t e r z a g h i 于1 9 2 5 年撰写土力学以来，土力学研究己经有近一个世纪 的时间。土是一种天然地质材料，复杂的工程性质与力学行为推动了土的木构模 型研究不断深入。今后，对土的本构模型仍有许多问题需要进一步深入研究。”： 1 ) 建立和发展复杂应力状态与加卸载序列条件下土的本构模型，准确反映土 的非线性、非弹性、软化、剪胀与剪缩性等特性，同时能揭示土的某些特殊变形 特性及机理，反映土的原生状态及应力诱发的各向异性效应及特殊荷载条件下的 力学规律。 2 ) 重视模型参数的测定和选用，重视本构模型验证以及推广应用研究。通过 不同类型仪器、不同应力路径的土工试验、离心模型试验以及工程现场测试等验 证形式，客观地评价和论证己建模型的正确性与可靠性，全面系统地讨论与比较 模型的实用性、局限性及其适用范围。在现有条件下加强本构模型研究试验数据 的统一管理与共享。开展本构模型基本参数数据库的建立与维护研究。更好地为 工程建设服务。 3 注重土体的微观结构和宏观结构研究。揭示土结构性及其变化的力学效果。 了解宏观现象下的内在本质。建立正确可靠的物理、力学和数学模型。对土的力 学性状进行模拟，解决工程实际问题。软粘上、黄上等结构性较强的上体，应继 续开展结构性模型的研究。引入损伤力学理论以及c t ，x 射线等测试技术，揭示 土体剪切带的形成机理以及土体的刚度降低与强度丧失之间的内在联系规律。将 宏观力学和微观结构研究相结合，引入各种非线性理论，从土的微观结构入手研 究土的应力一应变一时间三者之间的规律。重视土的结构性模型研究是2 1 世纪土 力学研究的重要内容之一“”。 1 1 2 土的基本力学参数研究现状 土力学数值模拟中常见的力学参数主要分为两大类：变形参数和强度参数。 参数的正确选取对于整个模拟结果的准确性起着至关重要的作用。但由于岩土体 的复杂性质，在进行模拟的过程中力学参数的选取往往是非常困难的一个环节。 因此在进行模拟结果的分析时，应充分考虑到数据及参数的局限性对结果所造成 的影响。对于不同的计算模型应采取不同的力学参数，并需要进行现场尺度的转 化。下面简要介绍一下这两大类参数的研究现状。 1 1 2 1 变形参数 杨氏模量e 和泊松比是表征材料力学属性的两个十分重要的参数，但在一 些情况下，e 和, t 并不能十分有效地反映材料的力学行为，如变形等。因此在一 些数值模拟系统( 如f l a c ) 中，一般采用体积模量( k ) 和剪切模量( g ) 。 k 和g 均 由杨氏模量e 和泊松比转化而来，如下两式所示： e 扣而( 1 - 1 ) g = 志( 1 - 2 ) 2 ( 1 + ) 需要注意的是，当接近于o 5 时，k 可能会趋于无穷大，此时不能仍然盲 目地采用式子进行计算，应该根据力学实验或p 波波速进行估算。 1 1 2 2 强度参数 基本的材料破坏准则为摩尔一库仑准则，如式( 1 3 ) 所示： 6 f s = c r i c r 3 n 2 c n p ( 1 3 ) 式中：口= ( 1 + s i n a ) ( 1 一s i n ( o ) ，。1 一最大主应力，盯2 最小主应力，妒一摩擦 角，c 一内聚力。因此，妒，c 是两个主要的强度参数，一般由室内试验获得。 1 1 2 3 结构面抗剪强度参数确定方法的现状及思考 结构面的存在是造成膨胀土工程性质不连续、各相异性和不均一的根源而结 构面的抗剪强度总是低于膨胀土体的抗剪强度，因此结构面对膨胀土的变形和破 坏起着控制作用。因存在结构面而造成失事的土程实例国内外己不鲜见，无不与 结构面的存在有关系，所以研究岩体结构面抗剪强度具有必要的理论意义和工程 价值。 确定岩体结构面抗剪强度参数的方要方法有：室内中型直剪试验法、原位大 型直剪试验法、土程类比法或专家经验法、抗剪强度计算公式法、位移反分析等。 l 、室内中型直剪试验 室内中型直剪试验是通过现场采样、室内试验、数据统计整理分析的方法取 得试验指标，其试验方法、试验设备相对简单，操作方便，有规程规范可循。但 其试样的代表性、原状性、试验方法的合理性及有关数理统计方法等都直接影响 其试验结果。而且室内小批量小尺寸试样的试验值揭示不了岩体结构面实际的强 度和变形特性，存在明显的局限性。通常的室内中型直剪试验结果，对结构面性 状单一，整个岩体和同一结构面变化不大的情况，所获得的试验参数通过一定的 分析处理是可以用于指导工程实践的，同时室内试验对研究各种影响因素对结构 面抗剪强度参数的影响规律更易操作和把握。但对区域内结构面复杂的土体，或 者一因结构面空间展布差异性较大的情况，现场取样十分困难，试验的原状性也 无法保证，综合评定该结构面的抗剪强度和确定结构面的抗剪强度参数变得十分 困难。 2 、现场原位大型直剪试验 现场原位大型直剪试验，相比较于室内中型直剪试验而言，其试样制备及整 个试验过程均在现场原位进行，克服了室内试验现场采用的困难，有利于保证试 样的原状性，同时剪切断面较室内试验大，得出的试验结果相对可靠，但原位试 验设备复杂、成本昂贵、耗时费力，一般( 尤其是中、小型) 土程的技术、经济力 量不及。对大型土程，因为其必要性不言而喻，现场原位大型直剪试验是确定结 构面抗剪强度参数的必须环节。但现场原位大型直剪试验结果的合理性取决于控 稳结构面选取的合理性，同时也存在空间展布问题差异性问题。 3 、土程地质类比法 土程地质类比法是用己有大量工程建设经验，指导拟建工程的评价或设计参 取值的一种方法，是工程地质研究的传统方法之一，由于其方法简单，操作方便， 目前仍颇受工程界的欢迎。但由于其不定量性、经验性、地区性等特点，在以往 的应用中，研究结果的可靠性不高。特别是以往使用中，由于有人为因素的干扰， 仅通过少量个别因素相比较而得到的参数，其结果可靠性较差。现在有人应用模 糊相似优先比原理进行结构面抗剪强度参数的研究，有利十克服以往人为因素的 干扰，不定量性等，从而一定程度上提高研究结果的可靠性，对土程地质类比法 是一改善。 4 、理论抗剪强度计算公式法 对泥化夹层或胶结充填等有充填结构面的剪切强度主要受结构面表面形态、 充填厚度和充填物性质的控制。g o o d m a n 通过一系列试验验证了结构面充填物对 结构面抗剪强度的影响，b a r t o n 也对夹有充填物的结构面的抗剪强度问题作过全 面的论述。对节理、裂隙等无充填结构面的剪切强度主要受结构面表面形态的控 制，包括接触面上的粘结力( 基本摩擦角) 、表面形态引起的爬坡角和表面凸起物 被磨损或剪断引起的摩阻力。对结构面表面形态的假设不同，己提出了不同的计 算公式。孙广忠提出了表面形态为规则起伏度的结构面剪切强度公式。而将结构 面表面形态视为随机粗糙度的公式有p a t t o n 的剪胀公式及双直线剪切公式，j a e g e r 负指数剪切强度公式、b a r t o n 公式以及l a d a n y i 和a r c h a m b a u l t 剪切公式。夏才 初等提出了同时考虑结构面表面形态中的起伏度和粗糙度对结构面剪切强度不同 作用的结构面峰值剪切强度公式。对于这些抗剪强度公式，虽然都可建立相应的 试验模型，理论清楚，但计算公式中，要么参数确定较为复杂，不便推广和使用， 要么粗糙度的取值与使用者的经验有关，取值主观随意性大，精度较低。而且每 种方法都需要采用直剪来确定摩擦角，都需要直剪试验，最后才能获得公式所需 参数，比较复杂，同样存在直剪试验的问题。 1 2 本文内容 对非饱和膨胀土研究工作的回顾与总结之后，我们可以较为清楚地看出非饱 和膨胀土研究中的难点和急需解决的问题。对于开挖后的膨胀土边坡，结构面上 千湿循环的作用对其含水量影响很大，抗剪强度也在变动，虽然已有人进行了相 关研究，但是由于试验条件限制，并未做具有结构面的大试件模型试验研究，并 且也缺乏专门对结构面在干湿循环过程中的变化过程的定量研究。那么暴露在空 气中的结构面是怎样从一个稳定的自然状态开始演变成一个裂隙极度发育的软弱 层，这个软弱层的强度特征如何，以及对膨胀土土体整体的强度和变形影响是怎 样的，它们的变化规律又如何? 对于开挖后或者防护后的边坡稳定性验算中膨胀 土强度指标的取舍一直是研究的热点和难点，存在很大的经验或半经验性，非饱 和土强度理论的引入使得这一问题的研究更加理性和定量化，但是现有的强度参 数的测试都是以研究含水量均匀的土体强度，并未研究具有高含水量层结构的土 体强度。那么具有这样一个结构的土体强度是取决于低含水量中间层强度还是依 然决定于上下夹层的强度? 两个强度差异到底有多大呢? 此外，绝大部分滑坡均 发生在雨季，雨季又恰恰是膨胀土边坡不同位置含水量急剧变化的时候，那么， 结构面在不同含水量下对膨胀土结构面的强度到底有什么样的影响? 这些强度参 数该如何反映到数值模拟计算中去? 在仿真计算中泊松比是一个非常重要的参数之一，但其试验的直接测量一直 是非常困难的，那么在三轴试验条件下，到底能不能准确、简便地测试出来，以 便使这种试验方法具有推广价值? 带着这些疑问和思考，本文围绕膨胀土的结构面从自然稳定状态转变为裂隙 极度发育状态、结构面强度特性、结构面对土体强度影响和温度对抗剪强度的影 响等从理论和室内大型模型试验分析展开了研究，并提出了在g d s 上实现泊松比 的间接测量方法。 与现有的研究成果比较，本文主要完成了以下几方面的工作： 1 2 1 膨胀泥岩结构性的试验研究 本节主要通过室内试验研究广西宁明地区膨胀泥岩的干燥活化效应。由于膨 胀土干湿循环对其强度影响这一问题的复杂性，以前的研究多集中于对膨胀土的 基本物理化学性质、变形特性及治理等方面，虽然已有干湿循环对膨胀土强度的 影响的研究，但并研究结构面上发生干湿循环，由于泥岩在地质历史上的成因不 同于已经强烈风化的表面层，该结构面上的干湿循环和发生在暴露在空气中的边 坡表层干湿循环具有截然不同的特征。因此如何合理的模拟干湿循环对膨胀土结 构面状态的影响，从定性到定量，是一个值得进一步研究的问题。本研究将以模 拟实际工况下的干湿过程来研究膨胀泥岩的演化过程，为路堑边坡稳定性分析提 供试验支持、理论支持和更加符合实际情况的室内试验参数。 具体来说本项研究主要是按照以下两个模拟试验条件进行： ( 1 ) 完全暴露在空气中的结构面，重点研究在无荷载下进行的干湿变化过程及 变形开裂特性； ( 2 ) 土体内部的结构面，研究了荷载范围在5 0 k p a 至2 0 0 k p a 下的干湿变化过 程及变形开裂特性。试验土样均采用广西南友路宁明段k 1 3 4 + 0 8 0 泥岩原状土， 取样深度为6 米左右。 1 2 2 灰白色膨胀土和软弱结构面抗剪强度特性 本节围绕膨胀土的软弱结构面含水量迅速提高，强度显著降低，主要就膨胀 土的变形特性、强度特性、应力一应变关系等从理论、室内试验和数值分析三个方 面开展了研究： 9 1 、通过大三轴试验研究了广西宁明灰白土膨胀土在不同压力下，标准试件的 强度变化规律，建立了非饱和膨胀土抗剪强度指标c 、妒与土体含水量、温度的 关系： 2 、研究了不同含水量状态的软弱结构面在大三轴剪切试验中对膨胀土试件整 体强度的影响，提出了在数值计算中膨胀土强度参数的选取的原则。 1 2 3 通过g d s 三轴仪和霍尔传感器间接量测膨胀土的u 和f 1 、通过广义胡克定律推导出由k o 固结试验间接测量测量泊松比和弹性模量 的麟= 去和e = 半h 啦) 。 2 、g d s 三轴仪结合霍尔传感器，在试验上成功测试出高可信度的_ 和e ， 并用该法测量出宁明膨胀土在不同饱和度下的泊松比和弹性模量。 3 、成功地为膨胀土边坡稳定性数值模拟分析提供高信度的试验参数。 1 2 4 具有结构面的膨胀土土体强度的温度敏感性 研究了温度为9 。、2 3 0 、3 7 0 和5 0 。时，具有软弱结构面的膨胀土土体强度与 温度的关系，得出当温度从9 0 升到5 0 。时，强度明显增加，温度与强度呈现很好 的线性关系的结论。 第二章宁明膨胀泥岩结构性的试验研究 2 1 宁明膨胀泥岩的成因类型和分布特征 成规模的层状土体宏观结构面主要存在于沉积型和残积型两大类膨胀土中。 湖相及其残积相成因膨胀土具有成片连续分布的特征，对公路建设影响较大。湖 相及其残积相成因膨胀土最著名的代表区域有：广西的宁明笳地、南宁盆地、百 色盆地和田阳贫地：云南的蒙自、鸡街、建水和曲靖等断陷盆地。南友路下第三 系深灰色弱风化泥岩力学性质及膨胀势判别试验结果如表2 1 1 和表2 1 2 。 表211 南友路下第三系深灰色弱风化泥岩力学性质及膨胀势判别试验结果 容重含水率干容重单轴抗压强度变形模量 试验号 ( g 。c m 。) ( ) ( g 。c m 。) ( m p a )( m p a ) 4 0 4 4 21 5 91 9 9 21 81 8 79 6 8 表21 2 南友路下第三系深灰色弱风化泥岩力学性质及膨胀势判别试验结果 弹性模量岩块干燥饱和吸水率岩粉吸水率 试验号胶结系数 ( m p a ) ( ) ( ) , 1 0 4 41 0 2 51 5 9 84 4 6 82 8 2 2 膨胀泥岩的毛细吸水试验 膨胀土具有湿胀干缩且变形较大的典型特征。在降雨、蒸发和温度等大气营 力作用下，膨胀土反复胀缩，产生的内应力导致新裂隙产生和原生裂隙扩展，从 而破坏了土体的完整性，使其强度降低。正是由土裂隙的演化，使施工初期稳定 的膨胀土边坡，随气候变化逐渐发生失稳滑动。虽然有很多研究者早就注意到了 反复干湿循环对边坡稳定的不利影响，对暴露在空气中的浅层膨胀土也进行了很 多研究，但缺乏对结构面上进行干湿循环的研究。调查研究表明：具有土岩界面 的膨胀土边坡，破坏往往是沿着土岩界面，并且该界面上在破坏时含水量非常高 4 0 o 表2 2 是雨季对底部滑动面为土岩界面和局部上层滞水界面的迭合部位2 个 典型台阶式滑坡进行的现场含水量测试结果。堑坡未滑动膨胀土含水量( 2 4 1 ) 与滑坡体内部层理处的膨胀土含水量( 2 6 2 ) 相近，两者均未软化，但前者略 小于后者；滑动面处的膨胀土含水量( 2 9 1 5 ) 与堑坡表面土的膨胀土含水量 ( 2 9 3 ) 相近，两者均己吸湿软化，但前者略小于后者，却远高于滑坡体内部 层理处的膨胀土平均含水量( 2 5 5 5 ) ：泥化结构面上的泥化层含水量高达3 8 3 ， 泥化层含水量明显高于边坡的任何其他地方，说明其形成过程及成分应该与膨胀 土边坡其他部位有显著差异，也说明泥化层是最软弱的结构面。路堑边坡各部分 平均含水量分布如图2 1 。 表2 2 结构面附近的土、岩的平均含水量 取土位置 未滑动部位滑坡体层理堑坡表面滑动面 灰白色膨胀土 2 4 1 2 6 2 2 93 2 9 1 5 灰黑色风化膨胀泥岩 2 5 8 5 2 4 9 2 6 3 2 8 7 泥化层 无无3 8 1 3 8 3 图2 1 路堑边坡各部分平均含水量分布图 2 2 1 试验原理和试验装置 将膨胀泥岩试件与放置于有地下水位的细砂上，细砂和试件放置一张滤纸， 试验过程中泥岩通过细砂的毛细作用，从底部的“地下水”吸水。试验装置如图 2 2 所示。这个试验用来比较泥岩在不同方向上的吸水能力，模拟实际工况下泥 岩在水平方向和垂直方向上遇到毛细水时的含水量的变化过程。 滤纸泥岩试样导管 干燥器 水 图2 2 吸湿试验装置 2 2 2 试样制备 泥岩试样取自k 1 3 9 + 2 9 7 刚发生滑坡的路段取回的原状土样，取土深度 9 9 m 一1 0 2 m 。其基本性质参数见表2 1 1 和表2 1 2 。试件尺寸：5 c m 5 c m x lc m ， 取样方式如图2 3 。取样后放于开放式容器中风干，直至含水量稳定为止，其稳 定含水量为4 4 左右。 2 2 3 无荷接触吸水试验 2 2 3 1 试验步骤 1 ) 将水平样和垂直样同时放于有滤纸的细砂上，地下水位控制在离细砂表面 1 0 c m 处； 2 ) 试验开始1 小时内每隔5 分钟记录一次试样重量，每次测完盖上干燥器玻 璃盖； 3 ) 试验开始1 小时后至2 小内每1 0 分钟记录一次试样重量； 4 ) 在试验开始2 小时后至9 小内每一小时记录一次试样重量； 5 ) 试验开始2 4 小时后，每2 4 小时记录记录一次试样重量，直到试验重量基 本保持不变为止，并记录最终重量。 2 2 32 试验现象 图22 取样方式示意图 试验开始后，水平取样的试样( h ) 与垂直取样的试样( z ) 相比，两者发生 了截然不同的反应，如图2 4 一图2 1 4 。 图2 4 试验开始5 分钟后h 1 侧面图25 试验开始5 分钟后z 1 侧面 图2 6 试验开始2 0 分钟后h 1 侧面 图2 7 试验开始2 0 分钟后z 1 侧面 图2 8 试验开始1 小时后h 1 侧面图29 试验开始1 小时后z 1 侧面 图2 1 0 试验开始2 小时后h 1 侧面图2 1 1 试验开始2 小时后z 1 侧面 图212 试验开始2 小时后正面 图2 13 试验进行到2 4 小时正面图21 4 试验进行到2 4 小时底面 2 2 4 试验数据和结果分析 2 2 4 1 试验数据 共有四组试样，每组4 个样，2 个水平取样试样，2 个垂直取样试样。其中水 平试样以h 表示，垂直试样以z 表示。4 组试样结果非常接近，均在恒温2 3 。c 的 条件下进行。下面取第一组数据为例。 表2 3 为试样h 1 、h 2 、z 1 和z 2 的含水量和裂隙发展数在7 2 小时内的记录。 将试样所在的干燥器密封后每2 4 小时测量一次重量，2 0 天后试样重量基本与第 7 2 小时的几乎相同，我们认为：第7 2 小时试样含水量可以作为未了状态。 表23 试样含水量与可见裂隙发展条数纪录表 时间含水量( ) 可见大裂隙数( 条) ( 分钟) h 1h 2z 1z 2h 1 h 2z 1z 2 o44 2 44 244 24 4 20000 557 65 7 16 4 75 9 70o23 1 05 9 163 17 6 77 0 70 034 15 65 46 5 78 3 577 70044 2 067 66 8 8 89 482 70066 2 5 70 67 0 995 08 7 60087 3 07 2 9 7 3 49 9 191