高等土力学结课论文

研究生结课论文

性质国家统招（√ ）单考（）

工程硕士（）同等学力（）

科目高等土力学

成绩

关于膨胀土研究的读书报告

1 膨胀土的概念

膨胀土指的是具有较大的吸水后显著膨胀、失水后显著收缩特性的高液限粘土。膨胀土的矿物成分主要是蒙脱石,为一种高塑性粘土，一般承载力较高，具有吸水膨胀、失水收缩和反复胀缩变形、浸水承载力衰减、干缩裂隙发育等特性，性质极不稳定。常使建筑物产生不均匀的竖向或水平的胀缩变形，造成位移、开裂、倾斜甚至破坏，且往往成群出现，尤以低层平房严重，危害性很大，裂缝特征有外墙垂直裂缝，端部斜向裂缝和窗台下水平裂缝，内、外山墙对称或不对称的倒八字形裂缝等；地坪则出现纵向长条和网格状的裂缝。一般于建筑物完工后半年到五年出现。

膨胀土的分布广泛，世界各国都有，我国是世界上膨胀土分布最广、面积最大的国家之一。20多个省、市、自治区（包括北京、河北、

山西、山东、陕西、河南、安徽、江苏、四川、湖北、湖南、云南、贵州、福建、广西等）发现有膨胀土的危害，主要分布在云贵高原到华北平原之间各流域形成的平原、盆地、河谷阶地以及河间地块和丘陵等地区。

2 对膨胀土监测治理中外研究成果

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 the Stabilisation of Expansive Soil Subgrade》一文中提出通过氯化钙和FeCl代替石灰的处理来治理膨胀土路基的方法。

很多国家膨胀土路堑边坡滑坍的整治，常采用土钉墙、重力式挡土墙、抗滑桩等刚性支护措施进行处治，不仅造价高，而且施工困难。此外，膨胀土路堑边坡吸湿后会产生巨大的膨胀能，如采用刚性支护，因变形被约束，这种膨胀能随着干湿循环次数的增加而积蓄、增大，膨胀压力也随之迅速增大，常常导致刚性支护结构破坏。

可以说膨胀土是公路工程建设中的一个顽疾，无论是哪个国家现在都还没有研究出一个完美的方案来治理膨胀土。但随着科技的不断进步，现在长沙理工大学的郑建龙校长和他的研究团队研究出了两项核心技术，一个是用膨胀土填充路堤的技术，另一个是边坡的稳定技术。3膨胀土的判别方法

3.1 膨胀土的塑性图判别法

塑性图方法是Cassagrand于1936首先提出的。众所周知，塑性指数

和液限是反映细粒土的粒度、矿物成分、交换阳离子成分等特征的灵敏指标。Cassagrande塑性图法是在以塑性指数为纵轴、以液限为横轴的直角坐标系中，利用塑性指数和液限将细粒土圈定在界限分明的范围，以达到膨胀土分类的目的，如图3-1所示。图中，液限w L采用的是76g锥液限值，划分强、中、弱膨胀土的液限界限分别为80, 60和 40,A线为:

o

目前世界上发达国家如美国、英国、德国、口本等都将塑性降}当作细粒土分类的主要工具。我国交通部部颁标准JTJ051-93中也采用了与Cassagrande塑性图相似的塑性图法来判别膨胀土。其中，划分强、中、弱膨胀土的液限界限也是80, 60和40,

A线仍为:

，但所采用的液限w L为100g锥液限值。

塑性图分类法物理概念明确，工程实践中简单易行，因此是国外广泛采用的膨胀土分类的方法。然而，按照图上不同的区域对应不同的分类等级，在交界的区域对膨胀土等级的划分则是模糊的、难以确定的。如在强膨胀土与非膨胀土交界的区域，无论是判为强膨胀土还是判为非膨胀土都是不科学的。

3.2神经网络判别法

人工神经网络是20世纪80年代中期兴起的一门非线性学科，在模式识别、数据处理、自动控制等领域取得了很好的应用效果。并近年来，人们尝试用神经网络模型来反映膨胀土的胀缩性同其物理力学试验指标之间的非线性关系，如付鹤林采用了BP网络模型，陈爱军采用了LVQ (Learn Vector Quantization)网络模型。虽然神经网络模型克服了传统的统计回归方法中隐含判别因子同胀缩性之间存在某种确定性关系的假定，但在建立这些神经网络模型时，知识的获取也是一件不容易的事。所以用神经网络的方法评判膨胀土的等级仍有一定的适用范围和局限性。

3.3灰色系统理论在膨胀土评判中的应用

灰色系统理论是由邓聚龙教授十1982年创立的。自问世以来，已广泛应用十农业、经济、军事等几十个领域，取得了较好的效果。近年来，灰色理论被应用十膨胀土的判别。采用多指标评判模型，对膨胀土的等级进行灰色评判，弥补了传统的塑性图法和规范法在指标的获取时的片面性、随机性和不确定的缺陷。如李玉花利用灰色理论中的灰色聚

类法对膨胀土进行分类，使分类定量化，并解决了传统作指标评判结果交叉而不能归类的问题;王建军结合灰色理论中的关联度模型、运用最大关联度识别原则，建立了膨胀土胀缩等级的灰色关联综合评判模型，充分考虑了多个影响因素和各指标的权中及波动性影响，因而可以减少评判中的失误。但是，运用灰色系统理论进行膨胀土的评判仍具有较大的主观性。无论是灰色关联法中的关联系数、关联度，还是灰色聚类法中的各指标的权重，他们的确定在一定的程度上都是与经验分不开的。

3.4可拓学在膨胀土评判中的应用

可拓学(Extensics)诞生十1983年，已在许多领域得到成功应用，也为解决膨胀土胀缩等级的评判问题提供了一个新的途径。

运用可拓学进行膨胀土判别和评价的方法又被称为物元分析法。其基本原理是:将评价的对象、各评价等级和对象关十各种等级的指标量值组成一个整体即物元来研究，用可拓集合的关联函数值一一关联度的大小来描述各种指标参数与所研究的对象等级的从属关系，从而把属十或不属十的定性描述扩展为定量描述。其评价步骤为:确定膨胀土胀缩等级评判的评价指标和类别等级标准，以建立衡量条件集;建立关联函数和确定权系数以计算待判膨胀土物元实测数据对各特征元相应类别的综合关联函数值;按与各等级集合的关联度大小进行比较来评定膨胀土等级。

从根本上讲，可拓学评判方法的结果也要受到人为因素的干扰，因为关联函数和权系数的确定是带有经验性的。具体工程应用中，如何对膨胀土进行判别和分类，除了借鉴和利用前人经验成果外，同时还应考虑到行业、地区的差别以及公路工程内部不同项目的特殊性、实用性和综合性，从而采用适当的膨胀土判别方法。

4 降雨渗入对膨胀土边坡的稳定性

4.1 不考虑膨胀土裂隙的情况

一般认为，降雨强度越大、持续时间越长，上坡的安全系数就越

小，上质边坡也就越不安全。但是通过表2可以看出，在不考虑裂隙的情况下，上坡的安全系数虽然随降雨强度的增大、降雨持时的增加而减小，但是减小的量却极其有限，这显然与实际不符.造成模拟失真的原因是:膨胀上的渗透性系数一般都很小

，上坡内实际渗入的雨水极其有限。也就是说，当降雨强度大于上

体表层渗透性系数时，大部分的雨水都以地表径流的形式流走，只有很小部分的雨水入渗到上坡浅层上体内，所以对稳定性的影响较小;另一方而，膨胀上浅层裂隙极为发育。在降雨时，水分通过这些裂隙进入上体，中间伴随着在吸力梯度下的水分向膨胀上块内部的入渗，但通过裂隙的雨水入渗占绝对的主导地位。因此，在研究膨胀上降雨入渗问题时，必须考虑膨胀上的裂隙。

4 .2考虑膨胀土裂隙的情况

(1) 降雨引起渗流场的变化。降雨强度为

，饱和渗透系数为

裂隙深度分别为0 m ,2 m和4 m在t=72h时段的孔隙水压力分布图，如

图3所示。

从图3可以看出，当不考虑裂隙时，雨水入渗仅仅引起表层的孔隙

水压力的变化，内部儿乎不受降雨的影响。考虑裂隙时，随着裂隙深度的加深，渗流影响区域逐渐扩大。裂隙使一部分降雨可以方便到达上体的内部，并使裂隙带基本趋于饱和，开始出现正的孔隙水压力，饱和区域逐渐加大加深，上体基质吸力消失，抗剪强度降低，从而降低边坡稳

定性。

( 2)降雨对边坡稳定的影响。图4给出了当降雨量为0. 001 7 m/ h ,裂隙2 m深时的安全系数与降雨持时的关系，从中可以看出，随着降雨的持续，膨胀上边坡的安全系数不断下降，当不考虑裂隙时，降雨持续72 h后安全系数仅仅降低了0. 082。而考虑裂隙时，安全系数明显降低，最大降低了0. 401，降幅接近50%。可见，在膨胀上边坡失稳的过程中，裂隙的深度成为影响边坡稳定的重要因素。此外，图4还对简化的Bishop法和简化的Janbu法的计算结果进行了比较，发现由于简化的Bishop)法和简化的Janbu法的计算假定不同(Janbu法与Bishop)法相比满足水平力平衡，基本满足所有静力平衡条件)，结

果也有差别，但不影响整体的趋势。

通过图5所示可以直观地看出，不同裂隙深度(R= 0. 001 7 m/ h, Bishol)法计算)对上坡的稳定性影响较大。裂隙深度越大，降雨对上质边坡的影响越大，但是安全系数的降低与裂隙的深度并不成正比。在不降雨的情况下，裂隙对边坡稳定的影响仍然存在，4 m深裂隙时安全系数降低0. 344。其主要原因是裂隙直接破坏了上体的整体结构，形成许多潜在的破坏而，使得上体的抗剪强度降低。

降雨强度对膨胀上边坡的影响程度与上体本身的渗透性有关。当雨强小于上体渗透系数时，安全系数受其影响;当雨强大于上体本身的渗透性时，是否考虑膨胀上的裂隙性，对上坡渗流场及安全系数的影响差别很大。

裂隙的存在对上坡中孔隙水压力和体积含水量分布有显著的影响。

裂隙开裂深度越深，影响越大，安全系数越小。所以，在分析降雨入渗对膨胀上边坡稳定的影响时，必须考虑裂隙的影响。

5 膨胀土边坡自平衡预应力锚固方法

5.1 自平衡预应力锚杆受力分析

在天然条件下，膨胀土含水率较低，具有高的膨胀潜势。在膨胀土扰动激活吸水后，土体发生膨胀，为分析土体和锚杆的应力变化，取预应力锚杆和周围土体作为分析单元，如图1所示。图中，Z为预应力锚杆的自由段，d为膨胀土活动带深度。由于自然环境的变化，土体的含水率发生变化，在膨胀土活动带深度范围内，不同深度，土体的含水率变化不同。将其分为两个部分，d1为饱和土层，d2为非饱和土层。

自平衡预应力锚固体系的预应力值分为两个阶段，第一个阶段为边坡开挖完成后，土体处于天然含水率，此时，施加初始预应力

;第一阶段，土体吸水膨胀，由于锚杆和土体变形陇调，预应力钢筋

的应力提高，自平衡预应力锚杆体系形成。在进行边坡加固设计时，根据最终状态的安全系数，计算所需施加的预应力值为

。根据这个设计值，初始预应力

的计算公式推导如下:

由截面内力平衡条件，可得

式中，

分别为最终阶段锚杆的应力和土体的应力，A b A S分别为锚杆的截面积和锚固承台范围内土体单元的截面积。

在进行第一阶段分析时，基于以下两个假定进行简化分析:①第一阶段施加的预应力所产生的变形己经完成;②土体的膨胀量和含水率的变化具有线性关系，则单元在吸水膨胀和锚杆应力作用下的变形△D，采用虚功原理分析可得

式中，E s为土的变形模量，△D为土体表面的线位移，

为深度:处含水率的变化量，α为土体的线膨胀系数。其中，线膨胀

系数α与土体的应力状态有关，主要表现为土的膨胀量随压力增大而减小，随压力减小而增大，其影响因素复杂，因此在进行初步设计时，为简化计算，假定土体的线膨胀系数，α只受预应力锚杆压力的影响，目沿深度为常量。此时，可根据式(1)所得的土体压应力，计算土体的线膨胀系数α。同时，假设锚杆锚固段的位移为零，则锚杆的应力可表示为

式中，E b为锚杆的弹性模量。将式(2)代入式(3)并化简后可得

5.2膨胀力计算模型

含水率是膨胀土的基本物理指标，也是产生膨胀与收缩、强度衰减等重要特性的物理化学基础。显然，若土的含水率始终保持某一恒定值不变，则膨胀土的体积将不会发生变化。当土体各部分含水率发生变化时，土体将产生线应变

，其中，W是土体内任一点的当前含水率，W0是原状土体的天然含

水率。由于受到外部约束及土体内不同部位含水率变化不均匀的影响，土体内将产生膨胀力。假设土体均匀膨胀只产生线应变目剪应变为零。在进行应力分析时，土体的应力应变关系可表示为

式中，D为弹性矩阵，σ,ε分别表示应力和应变，ε0为膨胀土由于含水率变化所引起的应变，对于一维问题，该应变可表示为

当体系作用有体力f和表面力T时，根据最小势能原理，体系的泛函可表示为

对求解区域进行有限元离散，并由

可得体系的有限元方程

其中，

分别表示体力、面力和膨胀力。它们可以采用下式用来计算

式中，N为形常数矩阵，B为应变矩阵。

6 总结

膨胀土在世界范围内目前都算是一个难题，由于各地的情况不一样，所以出现的变数也还很多，且其检测及治理也要依情况而制订相应方案。这些技术都在随着科技的发展不断进步，不断完善。相信终究有一天，人们能轻而易举的解决膨胀土的问题。并且达到高效节能的目的。只有不断地学习、研究。我们才能发现这种方法。学习了《高等土力学》这门课程，我对土力学有了进一步的了解，并激起了对土力学的学习兴趣。相信在今后的学习研究中会有更好的认识。