膨胀土公路路堑边坡工程性状研究

论文摘要

膨胀土是一种具有胀缩性、裂隙性和超固结性的特殊粘性土。随着我国高等级公路的大量兴建和西部大开发战略步伐的加快，膨胀土对公路建设和运营的危害日益突出，因此系统开展膨胀土地区公路边坡工程性状的研究具有重要的现实意义。 本文应用室内试验、现场监测、理论分析和数值仿真等四种手段，以西安～汉中高速公路穿越膨胀土路段为依托工程，对膨胀土路堑边坡的工程力学性状和渗流性状开展了重点研究，并将非饱和土土力学理论应用于膨胀土课题的研究。主要研究内容如下： 1．对西安～汉中高速公路穿越膨胀土路段调研和取样，进行室内试验分析，研究了膨胀土的矿物成分组成、遇水崩解特性、胀缩特性及各指标相关性等内容，系统把握膨胀土的基本工程特性。 2．采用高速离心机进行原状膨胀土的土—水特征曲线研究，提出考虑体变膨胀土的土—水特征曲线，应用Brooks-Corey模型刻画膨胀土密度变化曲线，基于半对数模型和VG模型拟合土—水特征曲线，并根据基本土性参数建立MK模型，对膨胀土的土—水特征曲线进行推算。 3．进行系统的现场监测工作，应用TRIME水分量测系统和张力计对膨胀土路堑边坡进行数据采集，分析气候条件对膨胀土边坡吸力和含水量的影响规律，并根据实测吸力通过Mitchell公式确定大气影响深度。 4．基于线弹性力学理论和断裂力学理论推导了膨胀土的初始开裂深度和裂隙扩展深度表达式，明确膨胀土抗拉强度、地表临界吸力、泊松比等指标对深度影响效应，从理论上确定膨胀土裂隙开展深度。 5．基于非饱和土土力学理论进行渗流仿真分析和边坡稳定性分析，针对膨胀土裂隙提出等效材料方法模拟其降雨入渗性状，研究裂隙膨胀土边坡含水量和孔隙水压力分布特性，分析影响边坡稳定性的重要因素，并进行工程实例验证，对路堑边坡工程问题提出了有关建设方案和工程措施。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究目的及意义
• 1.2 国内外膨胀土的研究现状
• 1.2.1 关于膨胀土的会议和专著
• 1.2.2 膨胀土的结构及变形特性
• 1.2.3 膨胀土的强度特性
• 1.2.4 非饱和土抗剪强度研究进展
• 1.2.5 吸力及土—水特征曲线研究
• 1.2.6 非饱和膨胀土中的裂隙及其影响问题
• 1.2.7 降雨入渗对边坡的影响研究
• 1.2.8 膨胀土边坡稳定性分析的研究
• 1.3 论文研究的主要内容
• 第二章 膨胀土的分布及基本工程特性研究
• 2.1 膨胀土分布的地理位置及水文、气候条件
• 2.1.1 地质地貌特征
• 2.1.2 沿线水文条件
• 2.1.3 气候条件
• 2.2 膨胀土的颗粒组成及矿物组成特征
• 2.2.1 膨胀土的颜色特征
• 2.2.2 膨胀土的颗粒组成特征
• 2.2.3 膨胀土的矿物组成特征
• 2.3 膨胀土物理性质及胀缩性
• 2.3.1 膨胀土的崩解特性
• 2.3.2 自由膨胀率和膨胀力试验
• 2.3.3 无荷膨胀量试验
• 2.3.4 有荷膨胀量试验
• 2.3.5 收缩试验
• 2.4 膨胀土基本指标和胀缩指标之间的关系
• 2.4.1 膨胀土界限含水量
• 2.4.2 含水量、干密度分别与胀缩指标的关系
• 2.4.3 自由膨胀率与其它胀缩指标的关系
• 2.4.4 粘粒含量与胀缩指标的关系
• 2.5 本章小结
• 第三章 膨胀土的土—水特征曲线
• 3.1 非饱和土的相态特性
• 3.2 膨胀土吸力特性
• 3.2.1 吸力的概念
• 3.2.2 吸力的量测
• 3.2.3 影响吸力的因素
• 3.3 土—水特征曲线特性
• 3.3.1 土—水特征曲线的物理意义及组成
• 3.3.2 影响土—水特征曲线的因素
• 3.4 考虑体变膨胀土的土—水特征曲线测定
• 3.4.1 土—水特征曲线测定方法
• 3.4.2 土—水特征曲线试验原理
• 3.4.3 离心试验设备及测定程序
• 3.4.4 膨胀土的体变性状
• 3.5 土—水特征曲线的试验成果及曲线拟合
• 3.5.1 干密度与吸力的关系
• 3.5.2 土—水特征曲线的拟合
• 3.6 土—水特征曲线的推算
• 3.7 本章小结
• 第四章 膨胀土边坡的吸力和含水量性状
• 4.1 研究方法简介
• 4.2 试验区气候特征描述
• 4.3 时域反射技术量测膨胀土边坡含水量
• 4.3.1 时域反射（TDR）原理及标定
• 4.3.2 TRIME测量系统
• 4.3.3 膨胀土边坡体积含水量变化特征
• 4.4 吸力量测
• 4.4.1 张力计的相关操作
• 4.4.2 张力计的野外量测
• 4.4.3 膨胀土边坡吸力变化特征
• 4.5 膨胀土大气影响深度计算
• 4.5.1 膨胀土的风化作用
• 4.5.2 确定大气影响深度的方法
• 4.5.3 大气影响深度的计算
• 4.6 本章小结
• 第五章 膨胀土裂隙性状的理论分析
• 5.1 裂隙的成因特征及力学效应
• 5.1.1 膨胀土裂隙的成因
• 5.1.2 膨胀土裂隙的力学特征及工程影响
• 5.2 膨胀土的抗拉强度
• 5.3 膨胀土开裂的定性描述
• 5.4 基于线弹性力学理论的膨胀土初始开裂深度计算
• 5.4.1 临界地表吸力
• 5.4.2 土体基质吸力为定值的初始开裂深度
• 5.4.3 土体基质吸力线性减小的初始开裂深度
• 5.5 基于断裂力学理论的膨胀土开裂深度计算
• 5.5.1 膨胀土裂隙两侧的水平应力分布
• 5.5.2 应力强度因子及其迭加原理
• 5.5.3 裂隙扩展深度计算
• 5.6 本章小结
• 第六章 裂隙膨胀土的渗透特性研究
• 6.1 膨胀土渗透系数
• 6.1.1 入渗特征描述
• 6.1.2 非饱和土达西定律
• 6.1.3 渗透系数计算
• 6.2 饱和-非饱和渗流程序设计
• 6.2.1 非饱和土壤水分运动基本方程
• 6.2.2 饱和—非饱和渗流控制方程
• 6.2.3 饱和—非饱和渗流问题的Galerkin解
• 6.2.4 程序介绍
• 6.3 不考虑裂隙的一维非稳定流入渗
• 6.3.1 初始条件和边界条件
• 6.3.2 不同降雨强度的孔隙水压力分布
• 6.3.3 不同降雨强度的含水量分布
• 6.4 裂隙膨胀土的一维非稳定流入渗
• 6.4.1 考虑裂隙影响的分析方法
• 6.4.2 初始条件和边界条件
• 6.4.3 不同降雨强度的孔隙水压力分布
• 6.4.4 不同降雨强度的含水量分布
• 6.5 裂隙膨胀土二维渗流的影响因素分析
• 6.5.1 初始吸力对裂隙膨胀土边坡渗流的影响
• 6.5.2 地下水位对裂隙膨胀土边坡渗流的影响
• 6.5.3 增湿和脱湿条件下裂隙膨胀土边坡孔隙水压力分析
• 6.6 本章小结
• 第七章 裂隙膨胀土边坡稳定性研究
• 7.1 非饱和土边坡的稳定性计算公式
• 7.1.1 非饱和土边坡安全系数的推导
• 7.1.2 非饱和土边坡稳定分析程序设计
• 7.2 膨胀土抗剪强度参数取值
• 7.3 影响膨胀土边坡稳定性的参数分析
• b对边坡稳定性的影响'>7.3.1 吸力内摩擦角（?）^b对边坡稳定性的影响
• 7.3.2 初始吸力对边坡稳定性的影响
• 7.3.3 地下水位对边坡稳定性的影响
• 7.3.4 裂隙深度和降雨强度对膨胀土边坡稳定性的影响
• 7.3.5 膨胀土边坡失稳机理分析
• 7.4 工程实例分析
• 7.4.1 计算模型及参数取值
• 7.4.2 计算结果及分析
• 7.5 膨胀土路堑边坡稳定的工程措施
• 7.6 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 主要研究结论
• 8.2 论文创新点
• 8.3 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表论文
• 致谢