膨胀土湿热耦合性状与路堑边坡防护机理研究

论文摘要

本文以广西南宁膨胀土为研究对象,采用现场试验、室内试验和数值计算模拟的方法,对大气作用下膨胀土的工程性状、膨胀土路堑边坡的灾变机理以及多种防护方法的工作特性进行了分析。首先,进行了大型膨胀土堑坡的现场试验,通过气象观测、边坡温湿度和渗透特性的测试以及坡体变形的监测,对大气作用下膨胀土堑坡的灾变机理进行了分析,并对植被和框锚结构防护系统的工作特性进行了探讨。结果表明,膨胀土的工程性质与蒸发和降雨过程息息相关;土体含水量的变化是影响边坡变形的主要因素,而温度变化是促进因素,二者的耦合作用使得边坡趋向不稳定;含水量变化下的大气影响深度随季节性干湿循环而变大,但其变化滞后于温度;植被防护可减小温度、湿度的变动幅度,降低影响深度;降雨持续时间决定坡体变形,一定降雨强度下持续的降雨过程才能使边坡趋于破坏;大气剧烈影响深度范围内土体的胀缩性会对锚杆工作状态产生较大的影响,在边坡上早期施加锚杆和框架梁后,框架梁可通过锚杆对梁的约束力限制土体的膨胀变形,进而保证土体的强度,同时框锚结构系统在实际受荷过程中会释放部分膨胀力,降低梁底土体反力,有利于框锚结构的稳定。其次,采用室内试验的方法,考虑脱湿速率、吸湿速率、水化状态和干湿循环作用的影响,模拟自然环境下膨胀土的湿热状态,对其力学性质、持水特征、胀缩性和渗透性进行了深入分析。结果表明,湿热状态会对膨胀土的工程性状产生较大影响:反复的吸湿、脱湿使土体趋于松散,强度降低,渗透性增强;脱湿速率越小,土体的收缩变形越大,进气值越大;吸湿速率越小,土体的膨胀变形越大,膨胀后强度越低;在水化过程中,水化时间越长、温度越高,土体强度越低,强度呈现变动特性。第三,基于现场试验和室内试验,结合自编的处理软件对膨胀土的裂隙特性展开分析。结果表明,二值化像素和分形维数统计的方法均是对膨胀土裂隙的平面描述,而渗透试验和变形模量测试的方法可以从空间上反映膨胀土裂隙的发育状态。第四,在考虑膨胀土湿热耦合性状和裂隙分布的基础上,采用数值计算模拟的方法,对大气作用下膨胀土边坡的工作特性进行了分析,并结合植被的生理特征和力学特性对植被护坡的机理开展了深入研究。结果表明,膨胀土堑坡的灾变过程与膨胀土的工程性状紧密相关,而气候环境是促进因素,季节性的干湿循环、高湿的持续蒸发、连绵的降雨过程均是最不利于膨胀土堑坡稳定的气象状态;植被护坡在降雨过程中主要是根系的力学效应发挥作用,而后植被的蒸发、蒸腾作用可缩短土体水化的时间,阻止土体强度的进一步衰减,降低坡体的风化程度,有利于边坡长期的稳定。最后,采用数值计算模拟的方法,对浆砌片石和框锚结构防护系统的工作特性进行了分析。结果表明,浆砌片石护坡可保持边坡湿度场稳定,减缓温差及温度变化对坡体的影响,降低浅层土体风化程度,阻止大气影响深度向土体深处发展;在框锚结构护坡系统中,锚杆在强风化区内设置自由段,既不会降低边坡的安全系数还有利于锚杆的稳定,框架梁的存在使边坡滑动土体的下滑推力转由深部土体承担,可有效维持浅层土体的稳定性,锚杆轴向力和框架梁弯矩的分布特征可为工程设计提供科学依据和优化措施。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 非饱和膨胀土工程性状的研究现状
• 1.3 膨胀土堑坡灾变机理的研究现状
• 1.4 膨胀土堑坡防护方法的研究现状
• 1.5 论文主要研究工作
• 第二章 膨胀土湿热耦合性状和路堑边坡工作机理的现场试验
• 2.1 引言
• 2.2 试验场地概况
• 2.3 试验场地气象特征
• 2.4 膨胀土的工程特性
• 2.5 膨胀土边坡湿度变化特性
• 2.6 膨胀土边坡温度变化特性
• 2.7 膨胀土边坡雨水入渗速率的影响因素与相关性分析
• 2.8 膨胀土边坡变形的湿热耦合效应及其与降雨历时的关系
• 2.9 膨胀土与框锚结构作用特性和植被根系加筋作用力学效应分析
• 2.10 小结
• 第三章 膨胀土湿热耦合性状室内试验
• 3.1 引言
• 3.2 膨胀土基本物性指标
• 3.3 非饱和膨胀土土水特征曲线试验
• 3.4 脱湿速率影响下的膨胀土工程性状与持水特征
• 3.5 吸湿速率影响下的膨胀土工程性状
• 3.6 考虑水化状态影响的膨胀土膨胀变形和强度特性
• 3.7 干湿循环作用下的膨胀土膨胀变形和强度特性
• 3.8 干湿循环作用下的非饱和膨胀土渗透特性
• 3.9 小结
• 第四章 膨胀土裂隙性的描述方法研究
• 4.1 引言
• 4.2 非饱和膨胀土裂隙的研究进展和度量方法分析
• 4.3 非饱和膨胀土裂隙特性的描述与分析
• 4.4 小结
• 第五章 考虑膨胀土湿热耦合性状影响的路堑边坡工作机理数值模拟分析
• 5.1 引言
• 5.2 数值计算理论模型
• 5.3 计算模型和基本计算参数
• 5.4 考虑土体渗透性和降雨条件影响的膨胀土边坡工作特性计算分析
• 5.5 考虑土体脱湿速率影响的膨胀土边坡雨水入渗计算分析
• 5.6 考虑膨胀土边坡裂隙描述的雨水入渗和稳定性计算分析
• 5.7 植被护坡作用的计算分析
• 5.8 小结
• 第六章 膨胀土路堑边坡防护机理分析
• 6.1 引言
• 6.2 计算模型和基本计算参数
• 6.3 浆砌片石护坡机理的计算分析
• 6.4 框锚结构护坡机理的计算分析
• 6.5 小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 博士研究生就读期间参与的科研项目与发表论文
• 致谢