（道路与铁道工程专业论文）加筋纤维膨胀土强度与变形特性研究.pdf

n a n j i n gu m v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n d a s 仃o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo fa e r o s p a c ee n g i n e e r i n g s t u d y i n go ns t r e n g t ha n d d e f o r m a t i o n o ff i b e 卜r e i n f o r c e de x p a n s i v es o i l s a t h e s i si n h i 曲【w a ya i l dr a i l w a ye n g i n e e r i n g b y w u j i l i n g a d v i s e d b y p r o f e s s o rz h a l l gx i a o p i n g s u b n l i t t e di np a n i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s 氨wm ed e 铲e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g m a r c h ，2 0 1 0 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均己在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：爰垩垄堕 日 期：型坦：主：塑 t 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 近年来，随着膨胀土改良技术的发展，纤维加筋膨胀土日益受到岩土工程界的重视，因其 独特的优点可以物理的方式有效的改变膨胀土的特性，而不影响膨胀土的性质，亦不会对环境 造成污染。本文在室内试验的基础上对纤维加筋膨胀土的强度、干湿循环特性以及在荷载下的 膨胀变形进行研究，研究成果如下： ( 1 ) 不同长度、含量的纤维均匀的掺入膨胀土，测定纤维膨胀土的粘聚力、内摩擦角、无 侧向抗压强度，得出膨胀土最优含筋率为o 3 ；对比膨胀土与纤维膨胀土强度指标的差值，以 及试样在压力下的破坏照片。纤维长度及含量对膨胀土强度与变形影响显著，纤维还可以增加 纤维膨胀土的峰值强度、降低其残余强度的损失、增加试样破坏的韧性，并延缓破坏。 ( 2 ) 在膨胀土中添加长为1 2 咖，含量为o 3 的纤维，得到膨胀土与纤维膨胀土在不同干 湿循环状态下的强度衰减变化特征、不同循环次数下，试样裂隙发育状态和试样强度指标值与 循环次数的关系；纤维对膨胀土粘聚力的增加值是一个常量，且此常量不随着干湿循环次数的 变化而发生变化。 ( 3 ) 由膨胀土与不同长度、不同含量的纤维膨胀土在荷载下的膨胀变形得出，纤维长度越 长，含量越高，其对膨胀土的抑制效果越好，表现在膨胀率与膨胀内力的降低。 关键词：膨胀土，纤维膨胀土，强度，裂隙，干湿循环 加筋纤维膨胀土强度与变形特性研究 a b s t r a c t r e c e n y ，谢mm ed e v e l o p m 耐o fi i i l p r 0 v e dt e c l l i l o l o 昏e so fe x p a i i s i v es o i l ，础l n yp e o p l eo f g e o t e c h n i c a le n 昏n e e r i n gp a ym u c ha t t e n t i o no nf f b e r 佗i i l f o r c e de x p a n s i v es o i l s t h ec h 缸_ a c t e r i s t ：i c s o f 饮p a 璐i v es o i l sc 锄b ec h a n g e d 州吐lae 恐c 廿v ew a y ，w 1 1 i c hd o e sn o ta 彘c tm en 硼鹏o fe x p 孤s i v c s o i l0 rp o u u t em e 豇i 咖i n m e n tb e c a u s eo fi t su n i q u e 缸l v 锄臆g e s h lt i l i sp a p e r t h es 仃e n g 吐l d r y w e t c y c l e sa n dd e f o 髓a t i o no fc ) 【p a n s i 、r cs o i l sa n df i b e h x p 砒塔i v es o i lu n d e rp r e s s u r ew 船s t u d i e d t h e m a i l li e s e a r c bc o n t e n t sa r ea sf 0 l l o 、s ： ( 1 ) d i 恐r e n ti e i l g t i la n dc o n t to fp o l 聊y l e n e 胁e 塔w 觞p u ti i le x p a l l s i v es o i ln 圮e 毹c t 谢 胁e rc a u s e d0 nc o h e s i o i l ，硫e m a l 伍c t i o n 锄g l e ，u n c f m e dc o n l p r e s s i v es n 饥g 吐l 蕊、e u 鹪s w e l l 吨 d e f b 彻撕o no fe x p a 璐i 、r es o i lw e 9 0 t ；s 仃e n g 电妇s p e c 咖d e s 臼u c t i o no fe x p a m i v es o i lw 船 c o r i l p a r e d 、析t l lt h e 丘b e re x p 孤s i v es o i l ，a n dt l l er e s u l ts h o w st l l a td i 丘苦r e n tl e n g t l l ，c o n t e n to ff i b e r c a u s e sm u c hi n l p a c t0 nt l l es 仃锄g t l la n dd e f o m 洲o no fe x p a r l s i v es o i l s f i b e r sc 锄a l s oi n c r e 舔ef i b e r p e a ks n e n g mo f e x p a n s i v es o i l ，陀d u c e l el o s so f r e s i d l l a js n - e n g t l lo ff b e r - r e i 川o r c e de x p a i 塔i v es 0 i l ， i l l c r e 笛e 也et o u g h n e s so fs o i l 蛔g e ，a n dd e l a yd a i m g eo ff l b e r - r e i n f o r c e de x p a i l s i v es o n ，i i l c r e 勰e t l l et o u g h n e s so fs o i l 妇g c ，姐dd e l a yd a r m g e ( 2 ) l e n g 吐lo f l 2 m i i l c o n t e l l to f0 3 p 0 1 ) ，p r o p y l e m 舶e r 、a d d e dt 0 吐坞e 印a i l s i v es o n ，锄d w eg e tm 龇l y 佗s u l t sw i l i c ha m es 臼e n g 也d e g r a 胁i o n ，t l l ed e v e l 0 i ) n l e n to fc r a c k 姐dt h er e l a t i o i l s i l i p b e “v e e nm es 咖g ma n dt i l l l e so fd 口一w e tc y c l e s t h ec o h e s i o nt l 圮f i b c ra d d st 0e x p a n s i v es o i l i sa n i i l c r e m 嘲l ，a n dt l l i si i l c 翮n 锄t a ld o e sn o tc h 托g e 谢吐1w e t 锄dd r yc y c l e ( 3 ) a c c o r d m g t ot h ed e f o m 谢o no fe x p a n s i v es o i l sa n d 6 b e r - e x p a r 塔i v es o i lu n d e rp r e s 刘i r e ，m e i i 蚵b i t o 巧e 脆c t l a tm e 硒e rc a u s e d0 ne x p a n s i v es o i lw 鹬v e 搿c l e a lt h e 他s u l t ss h o w 斌m e e x p a l l s i o no fi 1 1 t e m a lf o r c ea n de x p a l l s i o no nm t ed e g r a d e k e yw o r d s ：e x p 舡l s i v es o i l s ，r e i i l f o r c e de x p a n s i v es o i l ，s t 陀n g t i l ，f i s s 瑚鹭，w e t t i i l g _ d r ) ，i l l gc y c l e s i i 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 问题的提出。1 1 1 1 膨胀土的“三性”1 1 1 2 工程危害2 1 2 膨胀土国内外研究2 1 2 1 膨胀土研究历史2 1 2 2 强度与变形特性研究3 1 2 3 干湿循环国内外研究4 1 3 膨胀土的改良一7 1 4 纤维加筋膨胀土8 1 4 1 纤维土的实验研究8 1 4 2 纤维土强度理论研究9 1 5 本文的主要工作1 1 1 6 本章小结：。：1 1 第二章强度试验。1 2 2 1 材料及试样制备1 2 2 1 1 土的物理性质1 2 2 1 2 纤维的物理性质1 3 2 1 3 试样制备1 4 2 2 试验方案1 4 2 - 3 直剪试验结果分析1 4 2 4 无侧限抗压强度试验结果分析2 0 2 5 压实度与含水率对强度的影响2 4 2 5 1 压实度对强度的影响2 4 2 5 2 含水率对强度的影响2 5 2 6 加筋土强度特性2 6 2 7 小结2 7 第三章干湿循环试验一2 9 i i i 加筋纤维膨胀土强度与变形特性研究 3 1 引言2 9 3 1 1 干湿循环对工程的危害2 9 3 1 2 膨胀土工程破坏的特点2 9 3 1 3 干湿循环下膨胀土的强度分析3 0 3 2 干湿循环试验3 0 3 2 1 试样制备3 0 3 2 2 试验过程3l 3 2 3 试验结果分析。3l 3 3 干湿循环过程中试样裂隙演变3 8 3 - 3 1 干湿循环过程中干燥状态3 8 3 3 2 干湿循环过程中饱和状态4 0 3 3 3 千湿循环过程中最终状态4 2 3 4 本章小结4 3 第四章有荷膨胀试验“ 4 1 试验方案设计4 4 4 2 试验结果分析4 4 4 3 本章小结4 9 第五章结论与展望。5 0 5 1 本文总结5 0 5 2 展望。5l 参考文献。5 2 致 射5 7 i v 南京航空航天大学硕士学位论文 图表清单 图1 1 纤维对粘性土强度增加机理。9 图2 1 膨胀土的累计曲线。1 2 图2 2 干密度与含水率的关系曲线1 3 图2 3 抗剪强度与垂直压力关系图。1 6 图2 4 粘聚力与纤维长度的关系1 8 图2 5 粘聚力与纤维含量的关系一1 8 图2 6 内摩擦角与纤维含量的关系1 9 图2 7 内摩擦角与纤维长度的关系1 9 图2 8 抗剪强度与垂直压力曲线图。1 9 图2 9 抗压强度与纤维含量的关系2 l 图2 1 0 抗压强度与纤维长度的关系2 1 图2 1 1 轴向应力与轴向应变的关系2 2 图2 1 2 猕和k 不同纤维含量无侧限抗压强度破坏照片2 3 图2 1 3x 1 2 不同纤维含量无侧限抗压强度破坏照片一一2 3 图2 1 4x 1 8 不同纤维含量无侧限抗压强度破坏照片2 3 图2 1 5 不同压实度下粘聚力与纤维含量的关系2 5 图2 1 6 不同压实度下内摩擦角与纤维含量的关系2 5 图2 1 7 不同含水率下粘聚力与纤维含量的关系2 6 图2 1 8 不同含水率下内摩擦角与纤维含量的关系2 6 图3 1 干湿循环抗剪强度与垂直压力关系图3 3 图3 2 粘聚力与循环次数的关系3 5 图3 3 内摩擦角与循环次数关系3 5 图3 4 膨胀土抗剪强度与垂直压力的关系3 6 图3 5 纤维膨胀土抗剪强度与垂直压力的关系3 6 图3 6 膨胀土与纤维膨胀土抗剪强度与垂直压力关系3 6 图3 7 粘聚力与循环次数的多项式关系3 7 图3 8 内摩擦角与循环次数的多项式关系3 7 图3 9 干湿循环过程中试样烘干状态4 0 图3 1 0 干湿循环过程中试样饱和状态照片4 2 v 加筋纤维膨胀土强度与变形特性研究 图3 1 l 不同循环次数不同土样的自然风干状态照片4 2 图4 16 i m 纤维膨胀土的膨胀率与压力的关系。4 7 图4 21 2 m m 纤维膨胀土的膨胀率与压力的关系4 8 图4 3 膨胀土与纤维膨胀土膨胀率与压力的关系4 8 表2 1 表2 2 表2 3 表2 4 膨胀土粒组成分1 3 含水量与干密度的关系1 3 聚丙烯纤维的性能指标1 4 抗剪强度数据k p a 1 4 抗剪强度与垂直压力关系1 7 试样抗剪强度指标值1 7 无侧限抗压强度值与轴向应变值2 0 不同压实度下的粘聚力与内摩擦角值2 4 不同含水率下的粘聚力与内摩擦角值2 5 干湿循环抗剪强度数据3 l 干湿循环试样抗剪强度与垂直压力关系表3 3 干湿循环试样强度指标值：3 4 干湿循环后强度指标降低值。3 4 不同压力下试样的膨胀率“ 6 m m 0 2 纤维膨胀土在不同压力的膨胀率及其比值。4 5 6 m mo 3 纤维膨胀土在不同压力的膨胀率及其比值4 5 6 m m 0 4 纤维膨胀土在不同压力的膨胀率及其比值4 5 1 2 m mo 2 纤维膨胀土在不同压力的膨胀率及其比值4 6 1 2 m m 0 3 纤维膨胀土在不同压力的膨胀率及其比值4 6 1 2 m m o 4 纤维膨胀土在不同压力的膨胀率及其比值。4 6 1 8 m m0 4 纤维膨胀土在不同压力的膨胀率及其比值。4 6 南京航空航天大学硕士学位论文 p d c 9 s p 尺2 以 干密度 粘聚力 内摩擦角 抗剪强度 垂直压力 相关系数 循环次数 注释表 v i i 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 问题的提出 膨胀土作为非饱和土的一种，除了具有非饱和土一般的性质，还具有自己的一些特性，这 些特性使其产生很多不同于一般非饱和土的破坏，影响工程的安全，威胁人们的生命。膨胀土 的特性主要表现在以下几点。 1 1 1 膨胀土的“三性”【1 】 ( 1 ) 膨胀土的胀缩性 膨胀土是常给工程造成麻烦的土，所以它被成为“难对付土”或“有问题的土”。它的主要 特征是“失水收缩、遇水膨胀”的胀缩性拉。膨胀土的膨胀性主要取决于蒙脱石的含量，因为 蒙脱土具有最强的胀缩性，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。影响膨胀土的因素除矿物成分外，还有它的微结构。而外在的最 大影响因素则是水和此相关的气候条件，而土中水的移动又取决于土体中吸力分布剖面，以及 有关的地面温度梯度、供水和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。 ( 2 ) 膨胀土的裂隙性 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，蒙脱石含量越多裂隙越发育。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 。次生裂隙口1 可能由于 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，应力释放而造成的。由此认为，次生裂隙的产生往往与土 体某种形式的不稳定相联系。 ( 3 ) 膨胀土的超固结性 超固结特性通常是由于山覆土层的侵蚀而形成的，同时还有因次生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。 加筋纤维膨胀土强度与变形特性研究 1 1 2 工程危害 正因为膨胀土特有的“三性”，所以膨胀土地区的工程建筑常常会遭到严重的破坏，给人民 的财产造成巨大的损失，因此越来越引起人们的重视。膨胀土的破坏性是长期的、反复的和潜 在的，被美国工程界称为“隐藏的灾害”，日本工程界称膨胀土为“难对付的土”，“问题多的土”， 我国在总结膨胀土地区修建铁路的经验中就有“逢堑必滑，无堤不塌”之说h ，膨胀土广泛的 分布在全世界六大洲四十多个国家，其中美国由于膨胀土造成的损失平均每年高达9 0 亿美元， 已超过洪水、咫风、地震和龙卷风所造成的损失的总和哺。我国是世界上膨胀土分布最广泛的 国家之一，在华北平原、长江中下游平原、云贵高原、四川盆地、两广地区和华东地区均有膨 胀土分布，范围遍及云、贵、川、鄂、豫、皖、冀、鲁、陕等2 2 个省和自治区，大约有3 亿以 上人口生活在膨胀土分布地区，每年因膨胀土造成的经济损失估计达1 5 0 亿美元以上哺1 。由于 膨胀土不良工程特性导致的工程问题或地质灾害频繁发生，所以膨胀土及其工程问题一直是岩 土工程和工程地质领域中全球性的难题。 随着我国高等级公路的迅速发展，公路通过不良地质条件地区几率增大，平原地区由于土 地资源珍贵，必须要用当地的土体如弱膨胀土或中等膨胀土来填筑路基。用膨胀土填筑路基， 如果处理不当路面经常会出现开裂，翻浆冒泥等现象，路基会出现膨胀变形，导致路面的结构 层发生变形破坏，最后威胁到公路的安全运营；膨胀土边坡在外界干湿循环的条件下出现滑坡、 溜塌和坍滑等，这些都给当地居民带来严重的危害，因此对膨胀土的改良显得尤为重要。 1 2 膨胀土国内外研究现状 1 2 1 膨胀土研究历史 直到2 0 世纪3 0 年代后期膨胀土的问题才得到了土力学工程师们的重视，1 9 3 8 年美国在一 座大型基础工程的重大事故中首次认识了膨胀性地基的严重性。1 9 5 9 年，美国首次全国性的膨 胀性粘土学术会议在科罗拉多州召开。1 9 6 5 年，第一届国际膨胀土会议也在美国得克萨斯州举 行。1 9 5 9 年至1 9 7 7 年，英国、美国、罗马尼亚、前苏联和日本都相继在正式的土工规范与铁 路规范等文件中增列了有关膨胀土的条文内容，充分反映了各国对膨胀土问题的重视及对其所 采取的科学态度h 1 。 2 0 世纪5 0 年代初，我国在修建成渝铁路工程中，首次遇到成都粘土膨胀危害问题。2 0 世 纪6 0 年代初，太焦铁路詹东段施工期间，沿线发生了大量膨胀土路基滑坡。出现工程危害的是 膨胀土房屋地基因基土的胀缩而产生开裂和倒塌。当时的研究主要集中在膨胀土的分类鉴别、 实验方法和变形特性等，在膨胀量和膨胀力及其影响因素方面有不少的研究成果，这方面研究 成果后来还有发展，并将膨胀力及吸力联系起来。2 0 世纪7 0 年代中期，中国开展了大规模的 膨胀土普查工作，建立了科学研究试验基地，进行了卓有成效的研究，取得一些科研成果和工 2 南京航空航天大学硕士学位论文 作经验。1 9 7 5 和1 9 7 7 年召开了两次全国膨胀土地基设计专题学术研究会议，并于1 9 8 3 制定了 全国性膨胀土地区建筑技术规范。1 9 9 0 年在成都召开第一届全国膨胀土学术研讨会。随着 对膨胀土认识的深入，膨胀土及其所引起的工程问题受到越来越多国家的重视。1 9 9 4 年在武汉 召开了“中加非饱和土学术研讨会议”，标志着我国膨胀土研究上升到一个新的理论高度。在这 期间，很多的学者总结前入与自己关于膨胀土的研究成果，编著成书。期间，我国的科研工作 者总结自己和前人的研究成果编著成书，如廖世文乜1 的膨胀土与铁道工程，李生林h 1 的中 国膨胀土工程地质研究，刘特洪的工程建设中的膨胀土问题等。膨胀土的研究已经从一 个国家或地区的研究逐渐发展成为世界性的课题，到目前为止，己经先后召开了八届国际膨胀 土研究与工程会议，在膨胀土的成分、结构、强度、胀缩机理以及变形等方面取得了许多有价 值的研究成果。 1 2 2 强度与变形特性研究p 】 ( 1 ) 强度理论研究 国内外学者对膨胀土强度和变形特性作了大量的研究工作。膨胀土的强度特性和普通非饱 和土相比有很大不同，并比普通非饱和土更为复杂。对饱和土强度的研究有：b j e m l m 的渐进性 破坏理论嘲，s k e i l l p t o n 提出的膨胀土边坡滑动时的抗剪强度降到完全软化强度n 们， b i s h o p ，b j e m 珊的滞后破坏理论n ，廖世文的胀缩效应理论，潘君牧的气候作用理论1 2 1 ，廖济 川的分期分带理论1 3 1 等。非饱和土的强度理论有：b i s h o p 理论1 ，f r e d l u n d 双变形理论峙1 ，卢肇 钧吸附强度理论n 副，缪林昌吸力强度双曲模型n 刀等。 ( 2 ) 膨胀土实验研究 研究人员对膨胀土强度作了大量研究，有室内试验研究和现场试验研究等。膨胀土强度特 性变动较大，在自然状态下具有较高的强度，暴露在大气中遭受风化和干湿效应的影响，其抗 剪强度表现为衰减的特性，其残余强度与峰值强度相比有明显的降低。杨和平n 耵研究发现膨胀 土经过多次干湿循环后土体的强度衰减大，c 值衰减较厉害而缈值变化的幅度较小。陈可君u 们 不同初始干密度下击实的试样具有不同的初始结构，并由三轴试验研究得出吸力和净围压的增 加使得试样的抗剪强度提高，初始干密度大的试样同样有较高的强度。高春华比伽对膨胀土强度 和含水量之间的关系进行研究，结果表明随着含水量的增加，土体的强度明显下降。易顺民1 通过研究裂隙分维，对裂隙与强度的关系进行了综合评价。缪林昌m 1 对南阳膨胀土的强度进行 了实验研究，依据试验结果提出了非饱和膨胀土的吸力强度与饱和度之间的非线性关系式，并 研究了不同吸力状态下非饱和膨胀土的强度特征，由此提出双曲模型n 射。徐永福晗钉研究分析了 膨胀土的强度与起始含水率、上覆压力和膨胀力之间定量关系，通过非饱和膨胀土的三轴试验 结果，研究了吸力对强度的影响。雷胜友阱1 对三轴压缩剪切过程进行了c t 扫描发现其浸水过 3 加筋纤维膨胀土强度与变形特性研究 程实际上是水浸入膨胀土的裂隙和空隙，土体膨胀产生新的裂隙并最终贯通的过程。 缪林昌( 1 9 9 9 ) 哺1 、杨和平( 2 0 0 4 ) 心刀等人分别对宁夏膨胀土、广西宁明膨胀土用常规直剪试 验得出膨胀土的粘聚力、内摩擦角与含水量的关系，并在此关系的基础上得到了膨胀土抗剪强度 随含水量变化的关系式。杨庆等人( 2 0 0 4 ) 啪1 对辽宁黑山膨胀土做直剪试验，认为粘聚力的对数 与含水量成线性关系，而内摩擦角与含水量符合线性关系；贾东亮等( 2 0 0 4 ) 啪1 认为：膨胀土的 粘聚力和内摩擦角均随含水量增加呈线性递减，均可表示为y = 锻+ 6 ，而且含水量对内摩擦 角的影响小于对粘聚力的影响。尹利华等人( 2 0 0 5 ) 啪1 对陕南膨胀土通过直接慢剪试验方法得到 膨胀土的强度指标与含水量的方程式，并在此基础上获得强度随含水量的变化关系式。 膨胀土吸水膨胀，失水收缩，产生强烈的胀缩变形，它与一般的粘土变形有本质的区别。 膨胀土的变形可分为两大类：外加荷载作用下的压缩变形；外加荷载和入渗或浸水共同作用 下的湿胀、湿化变形，或外加荷载与蒸发、风干和水位下降而发生的干缩变形n 们。这两方面的 研究成果主要有：徐永福b 1 3 2 3 3 1 对膨胀土的膨胀变形与初始含水率、吸力、干密度和上覆压力 关系进行了研究，建立了膨胀土膨胀变形模型，并探讨了膨胀土地基随含水率变化路基的膨胀 变形计算模型。王保田1 通过现场和室内试验对膨胀土浸水变形特性进行了研究，并利用室内 试验的湿化应力应变关系对现场载荷试验的湿化变形进行了计算。 1 2 3 干湿循环国内外研究 膨胀土除了具有一般非饱和土的共性外，还受季节性气候的影响，其抗剪强度具有明显的 变动特征。而许多膨胀土分布地区的气候存在明显的干湿循环特征。这种干湿循环效应对膨胀 土体的强度特性有较大影响。 ( 1 ) 干湿循环试验研究 吉勃斯m 1 用含水量为3 2 的原状土，经过浸湿、风干及再浸湿处理的土样进行试验，结果 有效凝聚力c 减少5 0 ，有效内摩擦角够则基本不变。不同的干湿循环次序对强度的影响也不 相同。廖济川用天然含水量2 8 的滑坡后土样进行先干缩后浸水的试验，在快剪及固结快剪的 条件粘聚力与内摩擦角都减低了5 0 以上。 李妥德等哺1 用直剪慢剪试验进行了不同干湿效应循环次数甩对粘聚力c 及内摩擦角缈的影 响，结果得出粘聚力c 随，z 的增大急剧降低，内摩擦角够却略有增大，但都在经过二三次循环 后强度趋于稳定。 刘特洪h 1 对南阳构林棕黄色膨胀土作了室内和现场反复胀缩效应试验( 疲劳试验) ，试验表 明，前两次循环对比强度衰减1 7 2 2 ，第三次循环则强度趋向稳定，该值处于天然土体的峰 值强度和残余强度之间。余镇麟等对膨胀土的胀缩循环次数与模拟强度的关系也作了试验，模 拟剪切试验结果表明，粘聚力和内摩擦角均随循环次数增加而降低，其中粘聚力值降低较快， 4 南京航空航天大学硕士学位论文 内摩擦角值降低较小。但模拟强度粘聚力与内摩擦角值均在干缩湿胀循环2 3 次以后，即接近 于一稳定值，而不再继续衰减。 砧l 锄等m 1 ( 1 9 8 1 ) 研究了干湿循环对粘土抗剪强度的影响，指出击实粘土的抗剪强度随 干湿循环的增加而增加并认为这种强度增加主要是有效粘聚力增大的结果。 舢h o m o n d 掣嘲对约旦膨胀土进行了详细研究，得出结论认为随循环级数增加膨胀势降低， 并推测当每级循环收缩至初始含水量时，起膨胀势逐级减小，而每级收缩至缩限时其膨胀势增 大。 曹可之啪1 介绍的膨胀土地基建筑物的实测变形成果表明，膨胀变形量随着时间增长( 干湿 循环) 不断增加，最终导致建筑物破坏。这也是许多建筑物、道路在建成几年后才严重破坏的 原因。 刘松玉，季鹏等h 伽对击实膨胀土的循环膨胀特性进行试验。研究结果表明，击实膨胀土的 胀缩变形并不是完全可逆的，随干湿循环的发展，膨胀土的膨胀速率加快，绝对膨胀率总是增 大而相对膨胀率则降低。这种变化在第二，三级最为明显，第三级循环后便趋于稳定。这些变 化特性主要是粘粒集聚、微结构改变的结果。 杨和平、张锐等h u 在有荷条件下对膨胀土干湿循环胀缩变形及强度变化规律进行了试验研 究，试验表明膨胀土的胀缩变形过程并不是完全可逆。在一定荷载变化范围内，经历相同的干 事循环次数，荷载越大膨胀土的绝对和相对胀缩率越小；经过一个干湿循环后，土体强度衰减 最大，土的抗剪强度随上覆压力的增大而增大，且在同一级荷载下随着干湿循环次数的增加而 衰减，但随着荷载增加其衰减率变小。荷载对干湿循环过程中膨胀土的胀缩幅度及强度衰减具 有明显的抑制作用。 韩华强h 2 1 用饱和度代替吸力来研究非饱和膨胀土的强度和变形特性，发现膨胀土经过若干 次干湿循环后其长期强度和变形模量明显降低 卢再华、陈正汉h 3 1 等对南阳重塑膨胀土在干湿循环过程中裂隙的演化进行了c t 试验研究， 试样的c t 图像显示了原有裂隙开展，新裂隙产生，裂隙数量增加并连通，最后形成裂隙网络的 过程。定义了基于c t 数据的裂隙损伤变量，分析了裂隙损伤变量随累计干缩体变的变化规律。 并认识到干湿循环过程中膨胀土的胀缩变形并不是完全可逆的：随着干湿循环次数的增大，相 对体积膨胀率和相对体积收缩率逐渐减小。 ( 2 ) 裂隙开展的理论研究 裂隙的发育是膨胀土的一个普遍而显著的特征，而多裂隙所构成的裂隙面及软弱面是宏观 结构对膨胀土工程性质影响的最直接原因。李妥德等h 町对焦枝线南阳赵家沟、鸦宜线鸦雀岭、 阳安线勉西、西乡、安康等地区膨胀土取样进行非饱和无侧限抗压试验。试验结果表明，无侧 限抗压强度随试样直径的增加而减少，当试样直径达到某一数值后，强度趋向恒定值：当试样尺 5 加筋纤维膨胀土强度与变形特性研究 寸满足：d 3 0 p ( p 为裂隙频度：每单位体积土体内裂隙的总面积) 时，所测的强度便能充分反映 裂隙的影响，此时的强度可以认为是土体强度。 包承纲、刘特洪h 钉直接从含有不同裂隙面的样品的强度试验进行统计而求得裂隙含量与土 的强度的关系。 耿建彬( 1 9 9 8 ) 1 将裂隙的形成和发育分为原生裂隙和次生裂隙，并研究了影响次生裂隙形 成发育的因素。 易顺民( 1 9 9 9 ) h 从分形几何和膨胀上裂隙结构研究相结合的角度，探讨了膨胀土裂隙研究 的定量化模式。 黄文熙1 认为影响裂隙土强度大小的因素有：( 1 ) 裂隙发育分布范围、间距、倾斜度、排 列方向、形状和裂隙面的粗糙程度。( 2 ) 采样、钻探、试验时的应力变化。( 3 ) 在一定应力作用 下的时间历程。( 4 ) 裂隙间的完整土块的性质和硬度。 胡卸文h 训等对成都、合肥、南京、襄樊和安康粘土裂隙进行了研究，将裂隙分布分为三类 基本的形式：平行斜列式、水平及斜列式和羽形排列式，平行斜列式和水平及斜列式比较普遍。 并用分形的方法对裂隙的分布进行了研究嘞1 ，采用的是盒维法，即构造一些边长为r 的正方形 或称为盒子，正方形内裂隙的总数目为n ( r ) ，在一定范围内改变r 的大小，得到对应的n ( r ) 值，那么在l g n ( r ) 1 9 r 图中的直线段斜率即为分维值d 。通过研究得出结论，成都、合肥粘 土裂隙空间分布符合分形特征，d 值越大土体的完整性越差。 姚海林晦在参考国外有关研究的基础上，利用弹性理论和断裂力学原理提出了裂隙扩展深 度的数学表达式。该深度与土的抗拉强度、泊松比、地下水位埋深、地表基质吸力及土层吸力 分布的影响有关。裂隙扩展深度随地表的基质吸力增大而增大，随土体抗拉强度的增大而减小， 硬粘土比软粘土更易开裂。同时，姚海林还参考国际上利用断裂力学原理研究裂隙的成果，提 出了裂隙开裂深度、裂缝间距和裂隙开度的定量表达式。研究表明，裂隙的最大深度取决于裂 隙两侧的应力分布形式和断裂力学中的裂隙尖端应力强度因子，且与地下水位和地表基质吸力 的关系十分密切，土的泊松比对裂隙开裂深度也有重要影响。 袁俊平埔2 1 从统计分析的角度对裂隙的特征和影响作了初步的定量研究。首先是要选定一个 反映裂隙各要素( 走向、倾角、长度、张开度、深度、间距裂隙面的光滑度等) 的综合指标，即 “裂隙度”的概念，并建议以图象灰度作为“裂隙度”的定量指标。采用室内光学图像的分析 观测法，对从现场取回的土样进行重塑，制成半园柱形样，并在自然条件下逐渐干裂，测定该 图样的图像灰度。从所得的图像灰度可以显示裂隙的发展变化。当土中裂隙不大发育时，图像 的灰度多集中于某一灰度值附近，图像比较均匀一致。当裂隙较发育时，图像的灰度逐渐分散。 但由于膨胀土干湿循环对其强度影响这一问题的复杂性，使得有关干湿循环对膨胀土强度 的影响这方面的研究结果迄今还很少看到。而且先前的研究大多集中在膨胀土的一次胀缩对其 6 南京航空航天大学硕士学位论文 强度和变形特性的影响上，并不符合工程实际情况。因此如何合理的模拟干湿循环对膨胀土抗 剪强度的影响，从定性分析向定量研究方向发展，是一个值得进一步研究的课题。同时研究膨 胀土裂隙随气候的演化规律，对膨胀土边坡的设计和边坡失稳的早期预报有较大意义。 为此，本文借鉴己有的干湿循环试验的成功经验，利用常规直剪试验仪，开展干湿循环条 件下膨胀土强度特性变化的试验研究，探讨膨胀土强度特性的干湿循环效应，为膨胀土边坡的 设计和边坡失稳的早期预报提出符合工程实际的参数和依据。 1 3 膨胀土的改良 膨胀土在天然含水率下常处于较硬状态，压缩性较低易被工程技术人员所忽视。随着我国 高等级公路的迅速发展，公路通过不良地质条件地区几率增大，平原地区由于土地资源珍贵， 必须要用当地的土体如弱膨胀土或中等膨胀土来填筑路基。用膨胀土堆筑路基，如果处理不当 路面经常会出现开裂，翻浆冒泥等现象，路基会出现膨胀变形，导致路面的结构层发生变形破 坏，最后威胁到公路的安全运营。 到目前为止，膨胀土地基处理方法主要有：夯实法、换土法，保湿法、化学改良法、生物改 良法、物理改良法。 ( 1 ) 夯实法是将膨胀土压实到所要求的密度。夯实法费用低，但是有一定的适用性限制，它 一般适用于弱膨胀土地基，夯实后的膨胀土地基干密度会增加，而且凝聚力和内摩擦角也增大， 地基承载力提高啼渊3 。 ( 2 ) 换土法惭1 是一种将地基下膨胀土挖去而换成普通土类或灰土的方法，这种方法能彻底 根治膨胀土造成的危害，以保证路基及其他结构物基础的稳定，对于强性膨胀上必须进行换土。 但是，这种力法对于处治中弱性膨胀上有一个十分明显的缺点就是运输成本高。 ( 3 ) 保湿法惭1 就是保持土中的含水率不变，从而限定其胀缩的程度。含水率的变化是引起 膨胀土干缩湿胀的最直接的因素，在具体施工中，对己成型路基进行基顶土工布封闭处理；在 底基层顶而喷洒沥青膜封层；在路基防护方面，采取增设隔水层等。该法效果有限，只能辅助 采用。 ( 4 ) 化学改良方法是向土中掺无机盐类或有机物质等，通过催化活化土粒表面反应来改善水 和土之间的相互作用，使土的性质在水的影响下仍能达到既定指，改善膨胀土的工程性质嘲1 。 李国华啼刀分别采用烷基节基毗咤化合物为主成分的水溶液、多轻基多氮原子聚合物为主要成分 的水溶液和a 1 c l 。水溶液来处理膨胀土，通过对改良后土体进行微观分析和物理力学试验，结 果表明：某些有机阳离子化合物能改变蒙脱石矿物晶层结构的电荷分布，削弱层间负电斥力，阻 挡水分子进入晶层和颗粒问，增加了松散微粒间的吸附和胶结作用，从而抑制了膨胀土的胀缩 变形：改良后的膨胀土的抗剪强度参数也有较大程度的提高。 7 加筋纤维膨胀土强度与变形特性研究 ( 5 ) 生物改良法嘲1 就是利用生物表面活性剂附着在粘土矿物的表面上可以降低液面张力和 使粘土矿物表面疏水化，破坏矿物表面水化膜或使之变薄，从而使粒间粘结力变大，土的抗剪 强度提高，胀缩性减小。 ( 6 ) 物理改良法包括土钉墙，桩基础，加土工织物和向膨胀土中掺入砂砾石改变土的级配等 方法。其中纤维加筋膨胀土作为一种新的材料改变膨胀土的效果显著。 1 4 纤维加筋膨胀土 土工合成纤维土技术是由法国道桥中心研究所在2 0 世纪8 0 年代提出的一项新型的土体加 固技术。它是通过喷射作业将连续的、很细的合成材料纤维同土体混合在一起所形成的一种土 工复合材料。同其它的土工加筋技术相比，由于纤维在土中的分布是均匀且无规则的，可以近 似地认为纤维土是均质的、各向同性的材料，所以纤维土在工程中表现出更好的三维结构性和 经济性。在法国境内已采用该项技术修建了几个边坡和挡土墙工程，并取得了良好的工程效果。 目前在我国还未将该项技术应用于实际工程之中。