了得網工業技術_膨脹土邊坡

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《膨脹土邊坡》與工程實例緊密結合，《膨脹土邊坡》的觀點與理論大多已應用於南水北調中線工程的設計、施工和運行管理。《膨脹土邊坡》可供相關專業的科研人員、工程技術人員、大專院校有關專業的師生閱讀、參考。

內容簡介

《膨脹土邊坡》以南水北調中線工程的膨脹土問題為背景，圍繞膨脹土邊坡的穩定問題，從膨脹土判別、變形及強度理論、膨脹土邊坡的破壞機理和穩定性分析方法以及邊坡處理技術等方面出發，繫統回顧了20世紀30年代以來有關膨脹土的研究理論及其發展歷程，結合近年來國家“十一五”、“十二五”科技支撐課題的**研究成果，以膨脹土邊坡的破壞機理為主線，闡述了膨脹土強度、變形與邊坡穩定的關繫，提出了膨脹土邊坡處理的原則及各類判別處理方法。

作者簡介

序
前言
第1章緒論1
1.1膨脹土國內外研究概況1
1.2南水北調中線工程膨脹土問題研究11
1.2.1研究概述12
1.2.2“十一五”期間膨脹土研究工作15
1.3研究展望20
參考文獻21
第2章膨脹土的基本工程特性23
2.1膨脹土的分布與成因23
2.1.1概述23
2.1.2膨脹土的分布23
2.1.3膨脹土的成因27
2.2膨脹土的判別與分類28
2.2.1常用判別與分類方法28
2.2.2用電導率進行膨脹土的判別29
2.3膨脹土的物理性及膨脹性39
2.3.1膨脹土的物理性39
2.3.2膨脹土的脹縮性41
2.3.3膨脹性指標與物理性指標的關繫42
2.3.4膨脹性指標試驗存在的問題43
2.4膨脹土的滲透性44
2.4.1土樣滲透性室內測試44
2.4.2土體滲透性現場測試45
2.4.3干濕循環對膨脹土飽和滲透繫數的影響47
2.4.4膨脹土（岩）的非飽和滲透繫數推測49
2.5結語51
參考文獻51
第3章膨脹土的裂隙性52
3.1膨脹土裂隙特征及分類52
3.1.1膨脹土裂隙的分布特征52
3.1.2膨脹土裂隙的工程分類和定名54
3.2膨脹土裂隙的成因54
3.2.1脹縮裂隙的成因54
3.2.2非脹縮裂隙的成因55
3.3膨脹土脹縮裂隙的發育規律及工程意義56
3.3.1脹縮裂隙的發育規律及定量評價56
3.3.2脹縮裂隙的工程意義65
3.4非脹縮裂隙的發育規律及工程意義65
3.4.1非脹縮裂隙的發育規律65
3.4.2非脹縮裂隙的工程意義74
參考文獻75
第4章膨脹土的強度特性76
4.1膨脹土強度的特殊性76
4.2膨脹土強度試驗方法77
4.2.1脹縮裂隙膨脹土土體強度試驗78
4.2.2裂隙面強度試驗78
4.3脹縮裂隙膨脹土土體強度81
4.3.1膨脹土干濕循環後直剪試驗82
4.3.2膨脹土干濕循環後三軸試驗83
4.3.3干濕循環對膨脹土強度的影響分析85
4.4非脹縮裂隙膨脹土強度86
4.4.1土塊強度87
4.4.2裂隙面強度87
4.5填築膨脹土強度90
4.5.1重塑樣與原狀樣強度90
4.5.2不同含水率膨脹土強度92
4.6非飽和膨脹土強度94
4.6.1非飽和總應力強度94
4.6.2非飽和強度有效應力強度96
4.7膨脹土強度非線性100
4.8本章小結102
參考文獻104
第5章膨脹土的脹縮特性105
5.1膨脹土的膨脹特性105
5.1.1膨脹土原狀樣膨脹特性105
5.1.2膨脹土重塑樣膨脹特性107
5.2膨脹土的收縮特性110
5.2.1膨脹土原狀樣收縮特性110
5.2.2膨脹土重塑樣收縮特性111
5.3膨脹模型115
5.3.1K0應力狀態膨脹模型115
5.3.2球應力狀態膨脹模型118
5.4本章小結121
參考文獻121
第6章膨脹土邊坡的破壞機理123
6.1膨脹土邊坡穩定影響因素分析123
6.2膨脹土邊坡失穩機理研究評述124
6.3膨脹土邊坡失穩機理的研究126
6.4邊坡穩定性試驗簡介127
6.4.1現場原型試驗介紹127
6.4.2室內模型試驗介紹130
參考文獻134
第7章膨脹作用下的邊坡破壞135
7.1大型邊坡常重力模型試驗135
7.1.1試驗繫統及監測布置135
7.1.2模型土樣的物理力學性質135
7.1.3邊坡破壞過程及結果分析136
7.1.4模型試驗的數值分析140
7.2邊坡離心模型試驗142
7.2.1試驗設備及方案142
7.2.2試驗結果分析142
7.3邊坡現場原型試驗145
7.3.1南陽膨脹土試驗段邊坡現場試驗145
7.3.2新鄉膨脹岩試驗段邊坡現場試驗147
7.4膨脹作用下的邊坡破壞機理153
第8章裂隙強度控制下的邊坡破壞155
8.1膨脹土邊坡現場原型試驗研究155
8.2典型的裂隙強度控制的滑坡159
8.2.1滑坡基本情況159
8.2.2中Ⅲ區邊坡變形觀測159
8.2.3中Ⅳ區邊坡變形觀測165
8.2.4現場開挖探槽169
8.2.5強度反分析170
8.3裂隙強度控制下的邊坡破壞機理171
參考文獻172
第9章膨脹土邊坡的穩定分析173
9.1概述173
9.2膨脹作用的膨脹土邊坡穩定分析174
9.2.1考慮膨脹性的邊坡穩定分析方法174
9.2.2物理模型試驗的數值模擬175
9.2.3現場降雨試驗的數值模擬182
9.2.4壓重效果的數值模擬188
9.3裂隙強度控制下的膨脹土邊坡穩定分析196
9.3.1考慮裂隙的邊坡穩定分析方法196
9.3.2裂隙對邊坡穩定的影響198
9.3.3工程應用201
參考文獻206
第10章膨脹土邊坡處理方法208
10.1概述208
10.1.1研究現狀208
10.1.2存在問題210
10.2膨脹土邊坡的處理原則211
10.2.1膨脹土邊坡處理技術要求211
10.2.2膨脹土邊坡處理思路211
10.2.3膨脹土邊坡的處理原則211
10.3膨脹作用下邊坡失穩的處理方法212
10.3.1膨脹作用下邊坡失穩的處理措施212
10.3.2膨脹作用下邊坡失穩的處理方案212
10.3.3非膨脹黏性土換填壓重法214
10.3.4水泥改性土換填壓重法216
10.3.5土工格柵加筋層壓重法233
10.4裂隙強度控制下邊坡失穩的處理方法256
10.4.1裂隙強度控制下邊坡失穩的處理措施256
10.4.2裂隙強度控制下邊坡失穩的處理方案257
10.4.3錨固法258
10.4.4抗滑樁支擋法264
10.4.5典型案例分析265
參考文獻267
第11章膨脹土邊坡安全監測方法268
11.1概述268
11.2監測目的和布置原則269
11.2.1監測目的269
11.2.2監測繫統布置原則269
11.3監測繫統設計270
11.3.1監測繫統設計原則270
11.3.2監測物理量選擇271
11.3.3監測物理量布置271
11.4監測頻度及資料整理分析272
11.4.1監測頻度272
11.4.2監測資料整理分析273
11.5監測儀器及安裝埋設技術273
11.5.1監測儀器選型273
11.5.2常用監測傳感器274
11.5.3專用監測傳感器275
11.5.4部分監測儀器技術指標278
11.5.5監測儀器安裝埋設技術282
11.6邊坡監測實例288
11.6.1現場試驗監測設計288
11.6.2氣像監測結果293
11.6.3邊坡穩定性監測295
11.6.4渠坡強制破壞試驗317
11.7自動化監測繫統320
11.7.1自動化監測技術要求320
11.7.2自動化監測結構及功能實現320
11.7.3自動化監測新技術簡述323
參考文獻324

前言

媒體評論

在線試讀

第1章緒論
1.1膨脹土國內外研究概況
膨脹土的研究歷史，幾乎與土力學的發展歷史一樣久遠。20世紀30年代後期，膨脹土造成的工程問題開始引起工程界的重視。在此以前，由於大多數住宅多由木結構框架組成，地基的膨脹變形並未引起廣泛的重視，直到磚結構住房的興起，纔出現了一些磚牆開裂、基礎變形的現像。
1938年，美國墾務局在建造俄勒岡州一座倒虹吸的基礎工程中開始注意到膨脹變形對工程的破壞問題[1]。隨後，在更多的工程中，工程技術人員逐漸領悟到，在膨脹土地區，工程構築物所發生的破壞有別於一般地基沉降造成的損壞。
20世紀40～50年代，由於膨脹土造成的破壞進一步增多，工程界開始重視膨脹土的工程問題，著手對膨脹土造成的工程破壞現像進行初步分析，並加以處理。由於技術發展水平限制，對膨脹土的研究僅限於探討各種變形破壞的性質與原因，研究建築物的補救措施，而對膨脹土的物理、化學和力學特性卻知之甚少。
20世紀50年代後期，隨著科技的發展和人類工程活動範圍的擴大，工程技術人員開始重點探索膨脹土的物質成分及其工程特性、膨脹機理等基本理論問題。通過大量的調查勘探和試驗研究，提出了許多鋻別膨脹土的方法、標準以及評價原則。這一繫列研究成果的取得為膨脹土研究理論的發展打下了堅實的基礎。1957年南非召開了全國性的**屆膨脹土研討會[2]。1959年，在美國科羅拉多，召開了全美首次有關膨脹土的會議。
進入20世紀60年代以後，膨脹土研究因生產實踐的需求而受到更為廣泛的重視，膨脹土問題從部分國家或地區的研究，逐漸發展成為世界性的共同課題。具有標志意義的是**屆國際膨脹土會議於1965年在美國的得克薩斯州舉行，會議在“覆蓋地區濕度平衡及濕度變化”和“膨脹土濕度變化的工程效應”兩個總題目下討論了環境因素、有效應力及有關因素的變化、膨脹土地基的力學特性等內容。1969年，第二屆國際膨脹土會議仍在美國的得克薩斯州舉行，這次會議著重討論了膨脹土的概念，標志著對膨脹土的理解有了新的進展。但由於膨脹土的復雜性和對這種土所引起的工程問題缺乏有效的解決辦法，未能繫統制定全世界適用的一般準則。這一時期盡管膨脹土的研究從理論到實踐都還不夠成熟。但是，它畢竟標志著岩土工程及工程地質中一個新的研究領域的形成。
20世紀70～80年代是全世界膨脹土研究蓬勃發展的時期，曾在世界範圍內形成研究的熱潮。對膨脹土試驗的儀器設備和分析理論、膨脹土的現場研究和環境影響，膨脹土地基處理以及膨脹土上基礎的專門設計和施工方法等問題進行了深入的研究。許多國家為統一對膨脹土的認識，制定了共同遵循的設計原則和工程措施，並先後頒發了各種***的標準化文件與規範。在國際土力學及基礎工程學會下設了膨脹岩土專業委員會。這期間，國際性的膨脹土會議召開了四屆。此外，在區域性的國際會議以及土力學和基礎工程國際會議中也有大量有關膨脹土的研究論文發表。這些研究成果既為各國經濟建設提供了技術支持，也有力地推動了膨脹土研究理論的向前發展。與此同時，經這一期間大量的實踐經驗證明，采用傳統的土力學理論已難以有效地解決膨脹土引起的特殊問題。
20世紀90年代，非飽和土的研究在國際上受到越來越多的關注，並開始形成獨立的土力學分支，作為區域性土來研究的膨脹土、殘積土、濕陷性黃土等均納入非飽和土的範疇。人們開始應用非飽和土力學理論來研究和解決膨脹土及殘積土有關的工程問題[2]。由於非飽和土理論的快速發展以及人們對其用於解決特殊土問題尤其是膨脹土問題的積極態度，從第七屆國際膨脹土會議後，膨脹土國際會議改名為國際非飽和土會議。
我國是世界上膨脹土分布面積*廣的國家之一，膨脹土分布的面積超過10萬km2。我國膨脹土的研究始於20世紀50年代，主要由於當時興修的鐵路（如四川成渝鐵路）沿線膨脹土路基滑坡非常普遍而引起重視[3]。1960年以來，水利灌溉工程（如安徽淠史杭灌渠）、幾條重要的鐵路干線（如太焦鐵路詹東段、成昆鐵路）以及工業與民用建築物（如湖北鄖縣縣城的遷址）的修建和運行中也普遍遇到膨脹土的破壞問題。所有這些膨脹土地區的工程實踐都為認識膨脹土和繫統開展膨脹土的研究積累了比較豐富的資料。初期有關膨脹土的研究工作主要集中於工程危害的處理上，少量的、較為基礎性的研究也大多帶有經驗性和半經驗性的特點。20世紀70年代初，我國纔開始有組織、有計劃地在全國範圍內開展大規模膨脹土普查工作，在此基礎上開展了膨脹土試驗與研究工作。在膨脹土的判別方法、膨脹土建築場地的綜合評價、膨脹土地基及建築物的變形計算和膨脹土地基大氣影響深度等方面進行了卓有成效的研究[4]。1980年以來，中國的鐵路、水利、交通等部門對膨脹土又組織了比較繫統的研究，取得了不少有意義的成果，並制定了膨脹土地區建築規範。
20世紀末至21世紀初，隨著我國經濟建設迅猛發展，高速公路向中西部地區快速延伸，膨脹土地質災害對公路建設和運營的危害日趨嚴重，引起了交通部門和公路建設領域工程師們的高度關注[5]，專家學者和工程技術人員開展了大量的理論分析、試驗研究和工程實踐，並取得了不少有價值的成果和經驗，內容涵蓋了非飽和土理論、膨脹土的判別與分類、膨脹土的工程性質、膨脹土地區公路勘察技術、路基防護與加固技術、構築物地基與基礎處治技術、膨脹土地區生態環境保護技術等。
與其他工程相比，水利工程尤其是渠道工程中遇到的膨脹土（岩）問題更多、更難應付[6]。就渠道工程而言，為適應地形條件變化，渠道工程有填方、挖方、半挖半填等不同類型，與道路工程、工業與民用建築物運行條件相比，膨脹土渠道運行的地質環境、土體狀態及其與水相互作用的條件等，對於邊坡穩定是*為不利的。輸水渠道有穩定的水頭作用，導致無論采用何種防滲措施，從長期角度看，渠道滲漏是不可避免的，這一點是膨脹土地段的渠道工作狀態的重要特點。膨脹土對於渠道工程的影響主要體現在兩個方面：其一是裂隙的存在直接影響渠坡的穩定狀態；其二是脹縮變形對渠道邊坡、襯砌結構及其他結構物的破壞。膨脹性岩土是在漫長的地質年代中生成的產物，在膨脹土中普遍存在非脹縮變形產生的非脹縮裂隙，當裂隙面傾角、傾向為順坡向時，將產生順坡向的渠坡失穩。此外，膨脹土在降雨或蒸發過程中的脹縮變形，將在一定深度影響範圍內產生沿降雨濕潤峰面的剪應力，在邊坡土體受干濕循環影響，強度衰減的情況下，極易產生坡面隆起、溜滑和局部滑塌等破壞。而且，干濕循環產生的脹縮裂隙將引起渠道邊坡和渠底滲漏，導致膨脹變形向渠道更深部位發展，引起渠坡穩定狀態的進一步惡化，同時，這種危害具有反復性。
多年來，國內外在有關膨脹土的工程處治技術上取得了豐碩的成果，但是，在有關膨脹土邊坡的破壞模式和破壞機理、膨脹土邊坡穩定分析方法、膨脹土的強度理論及強度參數確定等方面尚停留在20世紀90年代的水平，造成理論滯後於實踐的情況，歸納起來有如下幾個方面。
1. 膨脹土邊坡的破壞模式和機理
膨脹土是一種隨土體含水率變化而表現出顯著體積變形和膨脹壓力的特殊黏土。膨脹土邊坡的破壞形式有其特殊的規律，根據對國內外膨脹土邊坡滑動現像的分析，當前，對膨脹土邊坡的破壞特征有如下認識：①淺層性。表現為滑坡的發育深度同各地膨脹土的裂隙發育深度及大氣風化影響深度基本一致，通常小於6m。②逐級牽引性。滑坡先在坡腳局部破壞然後自坡腳逐級向上牽引發展，形成多層次滑動面。③緩坡滑動。膨脹土渠道的穩定邊坡比一般邊坡更緩，坡比陡於1∶5的膨脹土渠坡均有失穩的例子。④季節性。膨脹土邊坡失穩絕大多數發生在大雨期間或雨後，可見降雨是主要的外部誘發因素。
研究認為，膨脹土的自然邊坡影響因素復雜，邊坡破壞方式多樣，除了淺層、逐級牽引、滯後和降雨引發等特點外，以往研究根據膨脹土邊坡破壞特點，主要把膨脹土邊破的失穩形式分為深層滑動和淺層滑動兩種，這種分類雖形像直觀，但尚不是從破壞的力學機制出發進行分類。
目前，在解釋膨脹土邊坡的破壞機理方面，也是眾說紛纭，很難歸納出哪種因素占主導地位。比較一致的有兩種觀點。一般認為，膨脹邊坡失穩的主要原因是降雨或地下水的入滲導致土體強度降低。持這類觀點的人認為：膨脹土在干濕循環的作用下，土體吸水膨脹裂隙閉合，失水收縮裂隙張開，土體的強度隨含水率變化，這是膨脹土的一個重要特性。因為裂隙的存在給水分的入滲提供了通道，在裂隙鄰近區域形成低強度帶。渠道開挖，改變了土體原有的應力狀態，導致正應力降低，剪應力增加，首先在局部破壞，然後發展成滑坡。裂隙使土體成為不連續體，破壞了土體的完整性和均一性。此外，還有觀點認為，膨脹土通常具有超固結特性。超固結土的剪切特征是應變軟化，當剪應力超過土體抗剪強度後，剪切面上的抗剪強度明顯降低。持這類觀點的人認為：渠坡土體開挖後，首先在某一小區域內產生剪切破壞，剪應力向四周迅速轉移，導致破壞區域的不斷擴大，形成漸進性破壞。
膨脹土渠坡在施工甚至運行初期往往是穩定的，這段穩定時間可以是幾年，甚至十幾年，此後逐漸發生滑動。目前人們普遍認為，主要原因是土層的抗剪強度隨時間而衰減，而這種抗剪強度的衰減主要是膨脹土的內在因素和某些外部誘發條件共同促成的。內部因素主要指膨脹土的脹縮性。膨脹土的這種脹縮特性受其內部水分狀態控制，而渠坡膨脹土的水分狀態主要受氣候條件和渠水水位及滲漏情況所控制。這些控制因素的交替變化，造成膨脹土的反復膨脹和收縮，*終導致膨脹土土體松散，在其中形成許多不規則的次生裂隙，並使其中的非脹縮裂隙進一步擴張，形成了錯綜復雜的裂隙網絡，破壞了膨脹土土體的完整性，為雨水入滲和水分蒸發提供了條件，進而為渠坡表面的膨脹土的進一步風化創造了條件，促進了土體內水分的波動和脹縮現像的發生，使裂隙面進一步擴張，並向深部發展，使該部分土體強度大為降低，形成風化層，此層厚度與氣候條件有關。在有的位置，順坡向或近於水平向的裂隙在剪應力作用下發生貫通，形成近坡向或水平向的破裂帶，這種破裂帶在長期的風化、淋濾等作用下，在與其垂直向的張裂隙底部形成順坡向的軟弱夾層，這種軟弱夾層具有較好的積水條件，其強度很低，是潛在的滑動面。
還有觀點認為，膨脹土邊坡的開挖對土體產生卸荷作用，這種卸荷作用促進了土體中微裂隙的張開和擴展。邊坡開挖卸荷還導致了水平應力的增加。又由於膨脹土的超固結特性，其水平應力往往比垂直應力大數倍，因此開挖卸荷完成後邊坡土體的應力水平很高，而且從坡肩到坡腳應力水平遞增，在坡腳處形成剪應力集中區，使該區的土體達到塑性極限狀態，產生較大的變形而軟化，該部位的抗剪強度從峰值降為殘餘值，因此渠坡往往從坡腳開始發生失穩，然後，應力集中區向上轉移，造成渠坡的牽引式滑動。
上述關於膨脹土邊坡失穩機理的分析無疑具有一定的道理，但仍然還有很多上述機理無法解釋的現像有待從力學機制上進一步澄清。例如，裂隙性是膨脹土的主要特征之一，這裡所指的裂隙，除了通常所見的、在膨脹土表面由於干濕循環所產生的“次生裂隙”外，更主要的是指在膨脹土中普遍存在的、非脹縮變形產生的裂隙。這些裂隙或集中於某一固定層位，或分布於地層的某一條帶，裂隙長度大小不一，裂隙的延展方向呈現一定的規律。天然狀態下，這些裂隙呈閉合狀態，通常“充填”有灰白或灰綠色黏土，少數裂隙無“充填”。裂隙面上的土體含水率高於兩側土體，而強度明顯低於兩側土體。在膨脹土研究的很長一段時間內，人們並沒有把膨脹土淺表層、大氣影響深度範圍內，受氣候條件劇烈影響而產生的“次生裂隙”與膨脹土體形成過程中已有的“原生裂隙”嚴格區別開來。因此，在膨脹土的研究領域，常常將兩者混為一談，並認為所有的滑坡都源於土體強度隨含水率減小而降低。而實際工程中，一些並未經歷干濕循環的邊坡和一些已有坡面防護措施的邊坡也都發生了滑坡。
又如，膨脹土的膨脹性如何影響邊坡穩定，現實中一些邊坡在坡比已經很緩的情況下，仍然發生滑坡。如果僅從膨脹土強度的衰減來解釋失穩現像，那就意味著，在邊坡設計中按土體的殘餘強度設計就能確保邊坡穩定，這顯然是不完全符合實際的。因此，對於膨脹

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