1、研究生結課論文性 質國家統招（，）單 考（）工程碩士（）同等學力（）科 目高等土力學關于膨脹土研究的讀書報告1膨脹土的概念膨脹土指的是具有較大的吸水后顯著膨脹、失水后顯著收縮特性的高液限粘土。膨脹土的礦物成分主要是蒙脫石，為一種高塑性粘土， 一般承載力較高，具有吸水膨脹、失水收縮和反復脹縮變形、浸水承 載力衰減、干縮裂隙發育等特性，性質極不穩定。常使建筑物產生不 均勻的豎向或水平的脹縮變形，造成位移、開裂、傾斜甚至破壞，且 往往成群出現，尤以低層平房嚴重，危害性很大，裂縫特征有外墻垂 直裂縫，端部斜向裂縫和窗臺下水平裂縫，內、外山墻對稱或不對稱 的倒八字形裂縫等；地坪則出現縱向長條和網格狀的裂

2、縫。一般于建筑物完工后半年到五年出現。膨脹土的分布廣泛，世界各國都有，我國是世界上膨脹土分布最 廣、面積最大的國家之一。20多個省、市、自治區（包括北京、河 北、山西、山東、陜西、河南、安徽、江蘇、四川、湖北、湖南、云 南、貴州、福建、廣西等）發現有膨脹土的危害，主要分布在云貴高 原到華北平原之間各流域形成的平原、盆地、河谷階地以及河間地塊和丘陵等地區。2對膨脹土監測治理中外研究成果印度 JNTU 土木工程部的 Srinivas Manchikanti 和 G.V.RPrasada Raju 在 08 年的A Study on the Efficacy of Electrolytes in t

3、he Stabilisation of Expansive Soil Subgrade 一文中提出通過氯化鈣 和FeCl代替石灰的處理來治理膨脹土路基的方法。很多國家膨脹土路塹邊坡滑坍的整治， 常采用土釘墻、重力式擋 土墻、抗滑樁等剛性支護措施進行處治，不僅造價高，而且施工困難。 此外，膨脹土路塹邊坡吸濕后會產生巨大的膨脹能， 如采用剛性支護, 因變形被約束，這種膨脹能隨著干濕循環次數的增加而積蓄、增大， 膨脹壓力也隨之迅速增大，常常導致剛性支護結構破壞。可以說膨脹土是公路工程建設中的一個頑疾，無論是哪個國家現在都還沒有研究出一個完美的方案來治理膨脹土。 但隨著科技的不斷 進步，現在長沙理工大

4、學的鄭建龍校長和他的研究團隊研究出了兩項 核心技術，一個是用膨脹土填充路堤的技術，另一個是邊坡的穩定技 術。3膨脹士的判別方法膨脹土的塑性圖判別法塑性圖方法是CassagrandT 1936首先提出的。眾所周知，塑性指數和液限是反映細粒土的粒度、礦物成分、交換陽離子成分等特征 的靈敏指標。Cassagrand邂性圖法是在以塑性指數為縱軸、以液限為橫軸的直角坐標系中，利用塑性指數和液限將細粒土圈定在界限分如圖 3-1所示。圖中，液限口（圖3-1 Casagrande塑性圖分類標準明的范圍，以達到膨脹土分類的目的, wl采用的是76g錐液限值，劃分強、 中、弱膨脹土的液限界限分別為80, 60 和

5、 40,A 線為:I尸.7（爪20）。目前世界上發達國家如美國、英 國、德國、口本等都將塑性降當作細粒土分類的主要工具。我國交通部部頒標準JTJ051-93中也采用了與Cassagrand邂性圖相似的塑性圖法來判別膨脹土。其中，劃分強、中、弱膨脹土的液限界限也是 80, 60和40,A線仍為：7(生TO),但所采用的液限wl為100g錐液限值。塑性圖分類法物理概念明確，工程實踐中簡單易行，因此是國外 廣泛采用的膨脹土分類的方法。然而，按照圖上不同的區域對應不同 的分類等級，在交界的區域對膨脹土等級的劃分則是模糊的、難以確定的。如在強膨脹土與非膨脹土交界的區域，無論是判為強膨脹土還是判為非膨脹土

6、都是不科學的。神經網絡判別法人工神經網絡是20世紀80年代中期興起的一門非線性學科，在 模式識別、數據處理、自動控制等領域取得了很好的應用效果。并近 年來，人們嘗試用神經網絡模型來反映膨脹土的脹縮性同其物理力學 試驗指標之間的非線性關系，如付鶴林采用了BP網絡模型，陳愛軍采用了 LVQ (Learn Vector Quantization)網絡模型。雖然神經網絡模型 克服了傳統的統計回歸方法中隱含判別因子同脹縮性之間存在某種 確定性關系的假定，但在建立這些神經網絡模型時，知識的獲取也是 一件不容易的事。所以用神經網絡的方法評判膨脹土的等級仍有一定 的適用范圍和局限性。灰色系統理論在膨脹土評判中

7、的應用灰色系統理論是由鄧聚龍教授十1982年創立的。自問世以來， 已廣泛應用十農業、經濟、軍事等幾十個領域，取得了較好的效果。近年來，灰色理論被應用十膨脹土的判別。采用多指標評判模型，對 膨脹土的等級進行灰色評判，彌補了傳統的塑性圖法和規范法在指標 的獲取時的片面性、隨機性和不確定的缺陷。如李玉花利用灰色理論 中的灰色聚類法對膨脹土進行分類， 使分類定量化，并解決了傳統作 指標評判結果交叉而不能歸類的問題；王建軍結合灰色理論中的關聯 度模型、運用最大關聯度識別原則，建立了膨脹土脹縮等級的灰色關 聯綜合評判模型，充分考慮了多個影響因素和各指標的權中及波動性 影響，因而可以減少評判中的失誤。但是，

8、運用灰色系統理論進行膨 脹土的評判仍具有較大的主觀性。無論是灰色關聯法中的關聯系數、 關聯度，還是灰色聚類法中的各指標的權重， 他們的確定在一定的程 度上都是與經驗分不開的。可拓學在膨脹土評判中的應用可拓學（Extensics誕生十1983年，已在許多領域得到成功應用， 也為解決膨脹土脹縮等級的評判問題提供了一個新的途徑。運用可拓學進行膨脹土判別和評價的方法又被稱為物元分析 法。其基本原理是：將評價的對象、各評價等級和對象關十各種等級 的指標量值組成一個整體即物元來研究，用可拓集合的關聯函數值一 一關聯度的大小來描述各種指標參數與所研究的對象等級的從屬關 系，從而把屬十或不屬十的定性描述擴展為

9、定量描述。其評價步驟為:確定膨脹土脹縮等級評判的評價指標和類別等級標準，以建立衡量條件集;建立關聯函數和確定權系數以計算待判膨脹土物元實測數據對各特征元相應類別的綜合關聯函數值；按與各等級集合的關聯度大小 進行比較來評定膨脹土等級。從根本上講，可拓學評判方法的結果也要受到人為因素的干擾， 因為關聯函數和權系數的確定是帶有經驗性的。 具體工程應用中，如 何對膨脹土進行判別和分類，除了借鑒和利用前人經驗成果外，同時 還應考慮到行業、地區的差別以及公路工程內部不同項目的特殊性、 實用性和綜合性，從而采用適當的膨脹土判別方法。4降雨滲入對膨脹土邊坡的穩定性4.1不考慮膨脹土裂隙的情況一般認為，降雨強度

10、越大、持續時間越長，上坡的安全系數就越小，上質邊坡也就越不安全。但是通過表 2可以看出，在不考慮裂隙 的情況下，上坡的安全系數雖然隨降雨強度的增大、 降雨持時的增加 而減小，但是減小的量卻極其有限，這顯然與實際不符 .造成模擬失 真的原因是：膨脹上的滲透性系數一般都很小 城“。必2。2曲,上坡內 實際滲入的雨水極其有限。也就是說，當降雨強度大于上體表層滲透 性系數時，大部分的雨水都以地表徑流的形水分通過這些裂隙進入上體，中間伴隨著在向裂隙為2時方而，膨脹上淺層裂隙極為發育。在降雨時,但通過裂隙的雨水入滲占絕對的主導地吸力梯度下的水分向膨脹上塊內部的入滲,(c)裂隙為4時圖3 裂隙為I) ,2和

11、4時孔隙水原力分布位。因此，在研究膨脹上降雨入滲問題時，必須考慮膨脹上的裂表二無裂隙降雨對土體粽定性系數的影響雨強,E -降雨持時/h2448720.001 ()1.0651. ()651.0530. 001 31.065L 057L0400. 001 51.063k 050L0140.00 71.057L 028。一9800. 001 91 . 05。(I 9090. 9374 .2考慮膨脹土裂隙的情況(1)降雨引起滲流場的變化。降雨強度為L)M1031/h,飽和滲透 系數為K“ 2.02 x io裂隙深度分別為0 m ,2 m和4 m在t=72h時段的孔隙水壓力分布圖，如圖3所示。從圖3可

12、以看出，當不考慮裂隙時，雨水入滲僅僅引起表層的孔 隙水壓力的變化，內部兒乎不受降雨的影響。考慮裂隙時，隨著裂隙國4安全系數與降雨持時的關系！ 一124364860降南特時小一不寫虐&源(Bishop1 一小考理裂隙Ganbu) 號出裂隙Sishup)* 有更裂隙Uanbu)iiB*0.8070.60.50.40.302Olo深度的加深，滲流影響區域逐漸擴 大。裂隙使一部分降雨可以方便到 達上體的內部，并使裂隙帶基本趨 于飽和，開始出現正的孔隙水壓力, 飽和區域逐漸加大加深，上體基質 吸力消失，抗剪強度降低，從而降 低邊坡穩定性。(2)降雨對邊坡穩定的影響。圖4給出了當降雨量為0. 001 7

13、m/ h , 裂隙2 m深時的安全系數與降雨持時的關系，從中可以看出，隨著降雨的持續，膨脹上邊坡的安全系數不斷下降，當不考慮裂隙時，降雨持續72 h后安全系數僅僅降低了 0. 082。而考慮裂隙時，安全系數明 顯降低，最大降低了 0.401,降幅接近50%。可見，在膨脹上邊坡失 穩的過程中，裂隙的深度成為影響邊坡穩定的重要因素。止匕外，圖 4 還對簡化的Bishop法和簡化的Janbu法的計算結果進行了比較，發 現由于簡化的Bishop）法和簡化的Janbu法的計算假定不同（Janbu法 與Bishop）法相比滿足水平力平衡，基本滿足所有靜力平衡條件），結果也有差別，但不影響整體的趨勢。Li1

14、.0圖30,70,60.5040,2叫通過圖5所示可以直觀地看出，不同裂隙深度（R= 0. 001 7 m/ h, Bishol）法T-袁斷洸盤口加日裂隙深曲Tfl裂隙深度2m一裂隙浜慢4 m,12243648峰時持時出計算）對上坡的穩定性影響較大。裂隙 深度越大，降雨對上質邊坡的影響越 大，但是安全系數的降低與裂隙的深度 并不成正比。在不降雨的情況下，裂隙對邊坡穩定的影響仍然存在，4 m深裂隙時安全系數降低0. 344。其主要原因是裂隙直接破壞了上 體的整體結構，形成許多潛在的破壞而，使得上體的抗剪強度降低。降雨強度對膨脹上邊坡的影響程度與上體本身的滲透性有關。當 雨強小于上體滲透系數時，安

15、全系數受其影響；當雨強大于上體本身 的滲透性時，是否考慮膨脹上的裂隙性，對上坡滲流場及安全系數的 影響差別很大。裂隙的存在對上坡中孔隙水壓力和體積含水量分布有顯著的影 響。裂隙開裂深度越深，影響越大，安全系數越小。所以，在分析降 雨入滲對膨脹上邊坡穩定的影響時，必須考慮裂隙的影響。 5膨脹土邊坡自平衡預應力錨固方法 5.1自平衡預應力錨桿受力分析圖1自平衡預應力錨固橫型Fig. 1 Reinforced model of self-balance prestressedbolts在天然條件下，膨脹土含水率 較低，具有高的膨脹潛勢。在膨脹 土擾動激活吸水后，土體發生膨 脹，為分析土體和錨桿的應力

16、變 化，取預應力錨桿和周圍土體作為 分析單元，如圖1所示。圖中，Z 為預應力錨桿的自由段，d為膨脹土活動帶深度。由于自然環境的變 化，土體的含水率發生變化，在膨脹土活動帶深度范圍內，不同深度， 土體的含水率變化不同。將其分為兩個部分，di為飽和土層，d2為非 飽和土層。自平衡預應力錨固體系的預應力值分為兩個階段，第一個階段為 邊坡開挖完成后，土體處于天然含水率，此時，施加初始預應力5;第一階段，土體吸水膨脹，由于錨桿和土體變形隴調，預應力鋼筋的 應力提高，自平衡預應力錨桿體系形成。在進行邊坡加固設計時，根 據最終狀態的安全系數，計算所需施加的預應力值為根據這個設 計值，初始預應力.巴的計算公式

17、推導如下：由截面內力平衡條件，可得式中，分別為最終階段錨桿的應力和土體的應力，Ab As分別為錨桿的截面積和錨固承臺范圍內土體單元的截面積。在進行第一階段分析時，基于以下兩個假定進行簡化分析：第一 階段施加的預應力所產生的變形己經完成 ；土體的膨脹量和含水率 的變化具有線性關系，則單元在吸水膨脹和錨桿應力作用下的變形4 D,采用虛功原理分析可得AD =必所（二）d二-（% 5）4,（2）式中，Es為土的變形模量， D為土體表面的線位移，獷（二）為 深度:處含水率的變化量，口為土體的線膨脹系數。其中，線膨脹系數 0c與土體的應力狀態有關，主要表現為土的膨脹量隨壓力增大而減小， 隨壓力減小而增大，

18、其影響因素復雜，因此在進行初步設計時，為簡 化計算，假定土體的線膨脹系數，口只受預應力錨桿壓力的影響，目 沿深度為常量。此時，可根據式（1）所得的土體壓應力，計算土體的 線膨脹系數。同時，假設錨桿錨固段的位移為零，則錨桿的應力可 表不為式中，Eb為錨桿的彈性模量。將式（2）代入式（3）并化簡后可得(4)7 = 7. I CfiA 歹dz1 耳4。5.2膨脹力計算模型含水率是膨脹土的基本物理指標，也是產生膨脹與收縮、強度衰 減等重要特性的物理化學基礎。顯然，若土的含水率始終保持某一恒 定值不變，則膨脹土的體積將不會發生變化。當土體各部分含水率發生變化時，土體將產生線應變其中，W是土體內任一點的當前含水率， W0是原狀土體的天然含水率。由 于受到外部約束及土體內不同部位含水率變化不均勻的影響，土體內將產生膨脹力。假設土體均勻膨脹只產生線應變目剪應變為零。在進行應力分析時，土體的應力應變關系可表示為，(6)式中，D為彈性矩陣，4 e分別表示應力和應變，蟲為膨脹土由于 含水率變化所引起的應變，對于一維問題，該應變可表示為跖二必取1 1 0/ (7)當體系作用有體力f和表面力T時，根據最小勢能原理，體系的 泛函可表示為1儲=,IfTZ)r - eTDr0 - uf dQ - ut7;IT c (8) / r對求解區域進行有限元離散，并由門=。可得體系的有限元方程Ku = P