膨脹土邊坡淺層失穩(wěn)機(jī)理及土工格柵加固處理研究.pdf

1、膨脹土作為世界范圍內(nèi)廣泛分布的特殊土，對(duì)相關(guān)地區(qū)的工程建設(shè)造成了極大破壞和影響，一直是巖土工程領(lǐng)域研究的難題之一。淺層失穩(wěn)破壞是發(fā)生在鐵路、公路、水利等工程中最普遍最頻繁的膨脹土邊坡破壞現(xiàn)象，但目前對(duì)淺層失穩(wěn)破壞機(jī)理缺乏足夠的認(rèn)識(shí)，傳統(tǒng)的極限平衡穩(wěn)定性分析方法不能如實(shí)反映和解釋膨脹土邊坡此類破壞的真實(shí)性狀，也制約了工程建設(shè)中如何采取合理有效的處理措施以解決由于其特殊性質(zhì)帶來的工程問題。因此，深入研究膨脹土邊坡的淺層失穩(wěn)破壞機(jī)理，并在此基

2、礎(chǔ)上探討相應(yīng)的工程措施是保障工程設(shè)計(jì)安全和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵。
　　本文結(jié)合南水北調(diào)中線工程的膨脹土邊坡穩(wěn)定問題，針對(duì)膨脹土最本質(zhì)的工程特性——膨脹性開展深入研究，通過大型靜力物理模型試驗(yàn)，研究壓實(shí)膨脹土邊坡在沒有裂隙、超固結(jié)性、干濕循環(huán)等因素的影響下，由于水分入滲引起的邊坡膨脹變形和滑動(dòng)的發(fā)生發(fā)展破壞全過程。在“濕度應(yīng)力場(chǎng)”理論基礎(chǔ)上，提出一種非飽和滲流場(chǎng)-膨脹變形場(chǎng)-應(yīng)力場(chǎng)的多場(chǎng)耦合數(shù)值分析方法，結(jié)合模型試驗(yàn)和數(shù)值分析成果，闡述了膨

3、脹土邊坡淺層失穩(wěn)的破壞機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，從加筋土的筋—土作用機(jī)理出發(fā)，研究土工格柵對(duì)膨脹土膨脹變形的約束效果，及其對(duì)邊坡淺層穩(wěn)定的改善作用，為確定合理的膨脹土工程處理措施提供理論依據(jù)。通過本文的研究，得到的主要結(jié)論如下:
　　(1)針對(duì)膨脹土邊坡極為普遍的淺層失穩(wěn)破壞形式，采用大型物理模型試驗(yàn)(6m×2m×2.8m)，并結(jié)合濕度場(chǎng)-膨脹變形場(chǎng)-應(yīng)力場(chǎng)的耦合數(shù)值模擬分析，揭示出膨脹土邊坡淺層失穩(wěn)的本質(zhì)在于膨脹土的膨脹性。由膨脹變形控

4、制的膨脹土邊坡淺層漸進(jìn)性失穩(wěn)破壞機(jī)理可闡述如下:膨脹土邊坡在受到外部水力邊界作用時(shí)，首先導(dǎo)致邊坡內(nèi)含水量場(chǎng)發(fā)生時(shí)空不均勻分布，繼而引起土體的不均勻膨脹變形，應(yīng)力應(yīng)交場(chǎng)發(fā)生重分布，在非飽和-飽和浸潤(rùn)交界區(qū)域形成剪應(yīng)力集中區(qū)，產(chǎn)生局部剪切破壞，并逐漸向邊坡深部擴(kuò)展，最終形成多重剪切面，邊坡發(fā)生漸進(jìn)性失穩(wěn)破壞。
　　(2)針對(duì)膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析，在“濕度應(yīng)力場(chǎng)”理論基礎(chǔ)上，提出一種結(jié)合非飽和-飽和滲流場(chǎng)、膨脹變形場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)多場(chǎng)耦合作用

5、的有限元數(shù)值分析方法，通過對(duì)模型試驗(yàn)的仿真模擬，證明這種多場(chǎng)耦合分析模型和方法可以真實(shí)反映膨脹土邊坡的淺層漸進(jìn)性失穩(wěn)過程，為深入理解邊坡淺層穩(wěn)定性的破壞機(jī)理提供了有用的分析手段。
　　(3)基于溫度膨脹和濕度膨脹的相似性，采用熱—固耦合有限元數(shù)值分析方法，根據(jù)室內(nèi)膨脹土無荷及有荷膨脹試驗(yàn)成果，反演得到不同含水率、干密度和荷載作用下的膨脹系數(shù)變化規(guī)律。結(jié)果表明:膨脹系數(shù)受含水率、干密度、荷載等因素的綜合影響，在低荷載條件下含水率和膨

6、脹系數(shù)近似符合線性關(guān)系。因此，在多場(chǎng)耦合數(shù)值計(jì)算中采用低荷載條件下對(duì)應(yīng)的含水率—膨脹系數(shù)（飽和度—膨脹系數(shù)）關(guān)系來反映邊坡不同部位濕度變化引起的膨脹系數(shù)的變化規(guī)律。
　　(4)采用大尺寸膨脹模型試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了鋪設(shè)土工格柵后膨脹土的吸濕膨脹變形發(fā)展規(guī)律，獲得了不同格柵參數(shù)（強(qiáng)度、類型、鋪設(shè)層數(shù)和方式等）對(duì)膨脹變形的影響規(guī)律，對(duì)土工格柵抑制膨脹變形的可行性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。
　　(5)通過大型物理模型試驗(yàn)，對(duì)土工格柵處理膨脹土邊坡淺