（道路与铁道工程专业论文）宁明膨胀土堑坡稳定分析及柔性处治技术研究.pdf

摘要 膨胀土是一种多裂隙且具有显著胀缩性的特殊粘土，其不良的工程性质常导致 路基的各种病害，其中路堑边坡的破坏尤为严重且难于治理。如何针对复杂的破坏 机理，建立合理的边坡分析方法并据以进行处治方案的设计和计算，一直是岩土工 程界亟待解决的技术难题。结合交通部西部膨胀土项目的开展，长沙理工大学课题 组采用土工格栅加筋技术已成功地实现对宁明膨胀土堑坡( 滑坡) 的有效处治，但 其理论研究相对滞后，柔性支护的处治机理也需论证。为此，本文以“南友”路膨 胀土堑坡为对象，开展边坡稳定分析及柔性处治技术研究。 首先，在弄清膨胀土土性、强度特征、滑坡机理的基础上，建立与之相适应分 析方法。依据膨胀土因吸水而产生的膨胀现象与物体因温度变化而产生的膨胀效应 间的相似性，用温度变化场来描述降雨后的边坡湿度变化场，利用有限元分析软件 a n s y s 的热一力耦合功能，成功实现膨胀土边坡湿度应力场的模拟，据此，用有限 元强度折减法分析边坡的稳定性。所得结果与实际情况较为吻合，较好解决了边坡 计算中传统方法难以考虑膨胀力的问题，同时，通过分析发现，坡体中软弱结构层 的存在以及风化作用深度内因土体湿度变化而产生的膨胀变形( 力) 是造成边坡坍 滑的重要原因。 通过有限元模拟计算，对柔性支挡处治技术的设计方案和处治效果进行了研究。 首次采用直接施加节点力来模拟土工格栅与膨胀土问的相互作用，并根据膨胀土边 坡破坏的特点，确定其相应的锚固区和活动区，较好解决了目前加筋土数值计算中 参数难以确定的问题。此外，通过分析计算，对“刚”、“柔”两种处治方式的效果 进行了对比，论证了膨胀土堑坡采用柔性支护处治的合理性和优越性。 最后，通过依托工程的修建，总结提出柔性支护的设计方法与施工工艺。 关键词：膨胀土；边坡分析方法：有限元强度折减法；柔性支护；加筋土： 湿度应力场 a b s t r a c t e x p a n s i v es o i l i sak i n do fs p e c i a lc l a yw i t hl o t so ff i s s u r i n ga n dd i s t i n g u i s h a b l e s w e l l i n g s h r i n k a g ec h a r a c t e r i s t i c ，i t sb a de n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so f t e n l e a d s t oa v a r i e t yo fd i s e a s e so fs u b g r a d e ，o fw h i c ht h ed e s t r u c t i o no fc u ts l o pi se s p e c i a l l ys e v e r e a n dd i f f i c u l tt oc o r r e c t i ti sa l w a y sa ne n g i n e e r i n gd i f f i c u l tp r o b l e mt h a ts h o u l db e u r g e n t l ys o l v e d t h a th o wt oa i ma tt h ec o m p l i c a t e df a i l u r em e c h a n i s m ，e s t a b l i s h r e a s o n a b l ec u ts l o pa n a l y z i n gm e t h o da n db a s e do ni tt od e s i g na n dc a l c u l a t et h et r e a t m e n t p r o j e c t ，c o m b i n i n gw i t ht h ed e v e l o p m e n t o fw e s t e r nt r a f f i cc o n s t r u c t i o ne x p a n s i v es o i l p r o j e c t ，c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o j e c tg r o u ph a ss u c c e s s f u l l y u s et h et e c h n i q u eo fg e o t e x t i l er e i n f o r c e m e n tt oe f f e c t i v e l yc o r r e c tn i n g m i n ge x p a n s i v e s o i lc u ts l o p e ，b u ti t st h e o r e t i c a lr e s e a r c hi sr e l a t i v eh y s t e r e t i ca n dt h et r e a t m e n t m e c h a n i s mo ff l e x i b l es u p p o r t i n gs t r u c t u r ei sa l s ot ob ed e m o n s t r a t e d t h e r e f o r e ，t h i s a r t i c l er e g a r d st h ee x p a n s i v es o i lc u ts l o p eo f“n a n n i n g - y o u y i g u a n ”a so b j e c t ，c a r r y o nt h ec u ts l o p es t a b i l i t ya n a l y s i sa n dt h er e s e a r c ho ff l e x i b l et r e a t m e n tt e c h n i q u e f i r s t l y , b a s e do na s c e r t a i no ft h es o i lp r o p e r t y , s t r e n g t hc h a r a c t e r i s t i ca n dl a n d s l i d e m e c h a n i s m ，c o r r e s p o n d e n ta n a l y t i c a lm e t h o dh a sb e e ns e tu p a c c o r d i n g t ot h es i m i l a r i t y b e t w e e nt h ee x p a n d i n gp h e n o m e n ac a u s e db ye x p a n d i n gs o i la b s o r b i n gw a t e ra n dt h e e x p a n d i n ge f f e c tc a u s e db yo b j e c tt e m p e r a t u r ec h a n g e ，t h es i m u l a t i o no fe x p a n s i v ec u t s l o p eh u m i d i t yc h a n g ef i e l dh a sb e e ns u c c e s s i v e l yr e a l i z e db yu s i n gt e m p e r a t u r ec h a n g e f i e l dt od e s c r i b et h ec u ts l o p eh u m i d i t yc h a n g ef i e l da f t e rr a i n f a l l ，m a k i n gu s eo ft h e h e a t p o w e rc o u p l i n gf u n c t i o no ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s ，a n db a s e d o ni t ， t h es t a b i l i t yo fc u ts l o p eh a sb e e na n a l y z eb ys t r e n g t hr e d u c t i o nm e t h o dw i t hf e mt h e r e s u l ti st a l l yw i t ht h ep r a c t i c a ls i t u a t i o n ，t h ep r o b l e mt h a tc l a s s i c a la p p r o a c hb e i n g d i f f i c u l tt oc o n s i d e re x p a n s i v es o i l i nc u ts l o pc a l c u l a t i o nh a sb e e np r e f e r a b l ys o l v e d ，i n t h es a m et i m e ，a n a l y s i si n d i c a t e dt h a tt h ee x i s t i n go fw e a kl a y e ra n dw e a t h e r i n gd e p t ho f s o i lb o d ye x p a n d i n gd i s t o r t i o n ( f o r c e ) c a u s e sb yh u m i d i t yc h a n g ea r ei m p o r t a n tr e a s o n s t h a tc a u s ec u ts l o p el a n d s l i d e i i t h o u g hf e mm o d e l i n gc a l c u l a t i o n t h ed e s i g no ff l e x i b l es u p p o r t i n gs t r u c t u r e t r e a t m e n tt e c h n i q u e ，c o n s t r u c t i o na n dt h et r e a t m e n te f f e c th a sb e e ns t u d i e d f o rt h ef i r s t t i m et h i sa r t i c l ed i r e c t l ya p p l ym o d a lf o r c et os i m u l a t et h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ne a r t h g e o t e x t i l ea n de x p a n d i n gs o i l ，a n da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fe x p a n d i n gs o i lc u t s l o p ef a i l u r e ，d e f i n e dt h ec o r r e s p o n d i n ga n c h o r i n gf i e l da n da c t i v i t yf i e l d ，p r e f e r a b l y s o l v e dt h ep r o b l e mt h a tp r e s e n tr e i n f o r c e m e n ts o i ln u m e r i c a lc a l c u l a t i o nb e i n gd i f f i c u l tt o d e t e r m i n ep a r a m e t e r s b e s i d e s ，t h r o u g ha n a l y s i sa n dc a l c u l a t e ，t h ee f f e c to f “r i g i d a n d “f l e x i b l e ”t r e a t m e n th a sb e e nc o n t r a s t e d ，t h er a t i o n a l i t ya n ds u p e r i o r i t yo fu s i n gf l e x i b l e s u p p o r t i n gs t r u c t u r et oc o r r e c te x p a n s i v es o i lc u ts l o p eh a sb e e ns t u d i e d l a s t l y , t h r o u g ht h ec o n s t r u c t i o no fp r o i e c t ，t h ed e s i g nm e t h o da n dc o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g yo ff l e x i b l es h o r i n gh a v e b e e ng e n e r a l i z e d k e yw o r d s ：e x p a n s i v es o i l ：c u ts l o pa n a l y z i n gm e t h o d ：s t r e n g t hr e d u c t i o nm e t h o d w i t hf e m ；f l e x i b l es u p p o r t i n gs t r u c t u r e ；r e i n f o r c e m e n ts o i l ；h u m i d i t y s t r e s sf i e l d 1 1 1 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均己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：溥痕日期：加年月1 s 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 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 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在一年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：滹液日期：) 0 0 6 年月，( 日 导师签名 日期：五饵，月z 厂日 1 1 研究背景和目的 第一章绪论 膨胀土是一种主要由强亲水性粘土矿物蒙脱石及其混层粘土矿物组成的特殊 土，超固结性、裂隙性、吸水膨胀软化，失水收缩开裂且反复变形是其典型的工 程特性。膨胀土分布极广，迄今为止已发现膨胀土的国家和地区多达4 0 多个，遍 及六大洲。膨胀土对工程建设的危害几乎是“无处不包”，无论是地表建筑，还是 地下工程，不仅包括铁路、公路、渠道，也包括房屋的基础、地坪，以及地下洞 室及隧道围岩、衬砌；甚至还包括这些工程中所采取的稳定措施，如护坡、挡土 墙和桩等。据估计，膨胀土给世界各国造成的年经济损失高达数百亿美元，其中， 美国每年因膨胀土问题引起的损失达9 0 亿美元，大大超过了洪水、地震和风害等 年度平均损失的总和。膨胀土的破坏作用还常常具有长期潜伏性和多次反复性， 使处治变得困难且昂贵，因此膨胀土又有“昂贵土”之称，工程界还称之为“隐 藏的灾害”，将它视为“我们正面临的挑战”。 我国是世界上膨胀土分布最广，面积最大的国家之一。膨胀土危害区达2 0 余 个省、市、自治区。全国有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i ，i ，在这些地区修建的铁路，路基下沉、基床翻浆冒泥、 边坡滑坍等病害十分普遍，造成每年的直接整修费达亿元以上。以襄渝铁路为例，在施 工期间，膨胀土造成的破坏，就使路基的造价每公里增加9 1 6 4 万元。南昆铁路运营以 来，每年的膨胀土路堤、边坡灾害处理及维修费用达3 0 0 0 万元左右川。膨胀土给公路建 设同样带来严重的危害，不少膨胀土分布区公路在施工中就出现各种病害，路堑边坡在 开挖过程中反复滑塌，路基沉降变形严重，吸水膨胀软化，表层像发面似的鼓胀，导致 路面施工无法进行，某些公路运行多年后路基仍不稳定，沉陷或边坡塌滑时有发生，路 面大规模破坏，如河南境内的某条公路3 年中仅保留2 k m 左右的完好路段，其余全部遭 受因膨胀土造成的病害破坏1 3 】。 路堑滑坡是膨胀土地区公路建设中经常发生、危害严重且难以治理的病害之 一。由于公路部门对膨胀土地区路基设计与施工技术的专门研究非常滞后，目前 还没有专门的膨胀土边坡分析的力学计算方法，缺乏可用且有效的处治手段。寻 求一种既安全可靠又经济合理的处治办法是膨胀土地区公路建设中亟待解决的问题。 2 0 0 2 年开始修建的广西南宁至友谊关高速公路穿越宁明衙地边缘时遇到大量膨 胀性岩土，造成施工期间几乎所有路堑边坡都出现不同程度的滑坍，如何有效 加以整治，成了该公路建设的最大技术难题。为此，“膨胀土地区公路修筑成套 技术研究”项目课题组研究提出并实施了一系列处治方案i ”，修筑了多种方案足 够数量的试验边坡，其中以“土工格栅加筋土柔性支护综合处治”的方案最新颖， 且效果最佳，该项技术已较好地解决了该膨胀土地区公路建设中的难题，但与之 配套的处治机理、分析计算和设计方法方面还没有深入进行研究。基于此，本文 拟以宁明膨胀土路堑处治为对象，广泛收集与之有关的膨胀土士性、强度特性、 边坡稳定方法和加筋土机理等方面国内外研究资料，分析提出适合膨胀土堑坡破 坏机理的力学计算方法，为柔性支护处治技术的设计提供有效的分析手段；同时 验证柔性支护处治方案的有效性及优越性，总结提出柔性支护的设计方法和施工 技术。 1 2 国内外研究现状分析 1 2 1 膨胀土工程性质研究 膨胀土的问题直到2 0 世纪3 0 年代后期才被土力学工程师们所认识。随着经 济建设的发展，膨胀土的研究越来越引起岩土工程界的注意。在美国，首次膨胀 性粘土全国性学术会议于1 9 5 9 年在科罗拉多州召开。国际膨胀土科研与工程会议 每四年召开一次，迄今为止己召开了七次。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，2 0 世纪8 0 年代，我国制定了膨胀土地区建筑技术规范。可以 认为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共同课 题，在膨胀土的成分、结构、强度、膨胀机理以及变形等方面取得了许多很有价 值的研究成果。 ( 1 ) 成分与结构研究 土质学的研究自6 0 年代以来，己跨入第三个发展阶段。将土的成分与微观结构的 研究放在重要位置。膨胀土的矿物成分，化学成分以及土粒的大小、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。目前，膨 胀土矿物成分鉴定的方法主要有差热分析f r o a ) 、x 射线衍射( x r d ) s l “、红外光谱( i r ) t ，1 以及扫描电镜( s e m ) 等。 运用光片、薄片及扫拙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，它们是促使土体吸水、失水的良好通道，是使其具有强烈胀缩性能的重要因素。高 国瑞( 1 9 8 1 8 1 ；1 9 8 4 ) 等对粘土矿物叠片体与其工程性质的关系作了较多的研究，廖世文 ( 1 9 8 4 ) q ”、李生林( 1 9 9 2 ) e ”i 、施斌( 1 9 9 5 ) t “1 等通过对膨胀土微结构的研究，得出了膨胀土 的胀缩性、强度特性以及变形特性在很大程度上取决于膨胀土的结构特性的结论。 ( 2 ) 胀缩机理的研究 膨胀土胀缩机理的理论研究是一项极为复杂的工作，前人提出了各种理论，例如粘 土矿物晶格扩张理论、陈宗基和孙钧等的流变本构方程的膨胀理论、g c h o p m e n 的双电 层理论、s o h o f i e l d 的吸力势理论、刘振明的力学分析理论、温度应力场理论，t e r z a g h i 的弹性理论、表面张力理论、膨胀潜势理论、自由能变化理论、粘土矿物叠片体作用理 论和弹性弯曲等i lz l 。在这些理论中，应用较普遍的是晶格扩张理论和双电层理论。晶格 扩张理论认为，膨胀土晶格构造中存在膨胀晶格构造，水易渗入晶层问形成水膜夹层， 从而引起晶格扩张，使土体体积增大。但晶格扩张理论仅仅局限于晶层间吸附结合水膜 的楔入作用，而没有考虑粘土颗粒间及聚集体间吸附结合水的作用；双电层理论认为双 电层内的离子对水分子具有吸附能力，被吸附的水分子在电场力作用下按一定取向排 列，在粘土矿物颗粒周围形成表面结合水膜，由于结合水膜增厚“楔开”土颗粒，从而 使固体颗粒之间的距离增大，导致土体膨胀，是晶格扩张理论的有利补充。 ( 3 ) 判别与分类的研究 对于膨胀土的判别分类，不同的学者在各自的研究基础上提出了不同的判别分类方 法，柯尊敬( 1 9 7 7 ) 1 1 2 恢最大胀缩性指标进行判别分类；膨胀土地区建筑技术规范按自由 膨胀率进行判别分类；陈开云( 1 9 8 2 ) 1 1 2 1 用数学法进行因子分析与逐步回归分析，提出了 综合指标的多元线性函数，并给出了判别分类的临界值；李生林( 1 9 8 4 ) 【1 0 1 以塑性指数为 纵轴，以液限为横轴建立了塑性图，运用塑性图结合使用塑性指数与液限来判别膨胀土， 美国垦农局w g 荷尔兹( h o l t z w g ) 提出了以胶粒含量、塑性指数、缩限、膨胀体变为 指标的判别分类方法1 1 2 1 。交通部在西部科研项目专门立题进行研究，“膨胀土地区 公路勘察设计技术研究”课题，初步提出了按塑性指数和标准吸湿含水量进行分。 类的思想( 见表1 1 、1 2 ) 。这也可以说是这方面的最新成果。 表1 1 膨胀土的详判指标 名称判定指标 自由膨胀率f s ( ) f s 4 0 最大吸湿含水率( ) m 2 5 塑性指数，。 1 5 注：当符合表中的两项指标时，即应判定为膨胀土。 表1 2 膨胀潜势的分级 级别 非膨胀土弱膨胀土中等膨胀土强膨胀士 分级指标、 自由膨胀率 f s 4 04 0 4 f s 6 06 0 f s 9 0f s 9 0 f s ( ) 最大吸湿含水 ， 2 52 5 4 ， 4 84 8 4c 【， 6 8，6 8 率( ) 塑性指数 ，p 1 51 5 ，p 3 03 0 ，p n a z + = 0 对上式求解，不失一般性有 幻 。= 【k ，】- 1 可九= 【k ，】 q 。“= q 。+ g 。 式中 a = + 。一九 罗九s 1 例 0 s 九s 1 a r ) = 月) 。+ 。一 r ) 。= 九 蠢) ( 3 1 6 ) 当a 取得足够小时，可认为( 3 1 6 ) 得到的解是收敛的。为了改进增量法的 求解精度，还存在自修正法和混合法，等，这里不进行介绍。 在a n s y s 软件中存在多种求解方式，可人为选用，或由程序根据分析类型 自动采用，一般用增量法。 3 3 4 弹塑性矩阵表达式 本文中将边坡分析考虑为平面应变问题，以下介绍有关平面应变下的弹塑性 刚度矩阵。塑性刚度矩阵则是由弹性矩阵为基础推导而来。 ( 1 ) 弹性矩阵 根据平面应变问题，弹性矩阵为： 【。】万e 丽( 1 - 丽, u ) 1 1 一“ 0 “