土力学专业本科毕业设计Word文档格式.docx

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通过对工程结构物的长期、实时监测与评估，为工程的设计、维护与管理提供依据和指导，为工程在特殊情况（恶劣气候，偶然重载）可能出现的破坏提供预警。

其常见的形式主要有水工结构物的监测、不良地质情况或工程情况、桥梁施工控制和健康监测。

在这些常见的观测领域内，水工结构物（如大坝）的安全监测又是研究得最早，发展得最成熟的一个分支。

在国外，意大利的大坝观测，自上世纪70年代以来，一直处于国际领先地位，每座坝在施工初期就安装仪器．观测贯穿于整个施工期、运行期。

大坝主要观测项目都具有数据自动化采集和远程传达系统，对监测成果的解释主要靠数学模型，而且推出了计算机辅助监测系统（MASM），实现大坝安全监测的全面自动化。

法国和葡萄牙等注重监测资料管理的自动化，而管理自动化加部分数据采集自动化成为西班牙等国大坝安全监测的特点。

80年代以来，我国先后制定了《混凝土大坝安全监测技术规范》（SDJ336--89），《土石坝安全监测技术规范》（SL60--94）．《钢弦式压力传感器》（GB／T13606--92）等一系列规范标准。

科学技术的进步，特别是传感量测技术、微电子技术、精密铸造技术、计算机信息技术、岩土力学及有限元等数值分析方法的飞速发展，从技术手段和理论基础上为岩土工程监测的发展提供了有力的支持。

目前，监测技术的发展主要沿着“硬件”和“软件”两条线，“硬件”就是指监测仪器设备，“软件”就是指数据处理的工具和方法。

在。

硬件”方面，研制开发了一系列观测精度高、稳定性好，智能化和自动化程度高的先进监测仪器，如意大利舍利（Seli）公司生产的变磁阻感应式遥测垂线坐标仪，可钻出孔径76mm、深达lOOm．孔偏差小于lOmm的倒垂线孔，并采用自动对中仅从埋设点向上沿垂线进行多点三向位移观测；

伺服加速度传感器的使用，使测斜仪的精度可达3μm，相应应变精度可达3×

10-6，加拿大Saskachewan大学研制的热传导探头，可在野外测量超过1000kpa的基质吸力。

此外，一些新兴的高科技如GPS技术、测量机器人等也在岩土工程监测中有所应用。

在“软件”方面，数据处理的方法和理论也有重大的突破，目前工程监测数据的分析方法主要有三大类：

统计分析法、信息分析法和专家系统。

统计分析法通过分析监测资料的统计特征，从统计规律中揭示工程状态，其主要的分析工具有经验方法、数理统计方法、灰色理论等。

信息分析法是从系统科学、信息论的高度考虑各种影响因素间的复杂关系，对大量的信息进行抽象和综合，以期得出考虑全面的、客观性较强的结论。

如神经网络、模糊数学、小波分析等。

专家系统上是一种以知识库为基础的计算机程序系统，具有大量的专门知识，能应用人工智能的理论和技术，根据人类专家的知识和经验进行推理，模拟人类专家进行决策，解决需要专家才能解决的复杂问题。

目前国内大规模的水电工程都有自己的专家系统，如河海大学开发的龙羊峡

大坝安全评价专家系统、二滩大坝安全专家决策系统等，也有一些边坡监测信息数据库分析专家系统。

1996年，长江科学院包承纲等人在南水北调中线工程所经过的湖北枣阳引唐灌区开展现场观测研究工作，运用了国产热传导探头和张力计监测膨胀土边坡在降雨期间的吸力反映。

观测结果认为：

膨胀土边坡的土中吸力在土层深度方向呈指数函数分布，表层吸力较大，随深度增加吸力减小但并不为零：

同时，膨胀土边坡中存在吸力“影响深度”，在此深度以上，膨胀土的变形、强度等受到降雨、裂隙分布、气温等环境因素的影响，在此深度以下至地下水位以上，吸力几乎不受降雨的影响。

为了对降雨诱发的非饱和膨胀土边坡失稳的机理有较深刻的了解，2001年，香港科技大学吴宏伟等选取了一个llm高的典型的非饱和膨胀土挖方边坡，进行人工降雨模拟试验和原位综合监测，全面监测和分析了降雨条件下渠道边坡的变形、强度、吸力含水量变化规律。

埋设的仪器包括张力计（量测吸力），热传导吸力探头，含水量探头，土压力盒，测斜管，雨量计，蒸发计以及地表径流量测等，组成了一个完整的监测系统，在约一个月的监测时间内，共进行了2场人工降雨模拟，通过对边坡土体中的水分，孔隙水压力，应力状态及土体的变形监测，来探讨边坡中土一水相互作用机理，监测结果表明：

降雨入渗造成2m深度以内土层中含水量和孔隙水压力大幅增加，致使膨胀土体的抗剪强度由于有效应力的减小及膨胀软化而降低；

同时，降雨入渗造成土体中水平应力与竖向应力比显著增加，并接近理论的极限状态应力比，以致软化的土体有可能沿着裂隙面产生局部被动破坏，此破裂面在一定条件下（如持续降雨）可能会逐渐扩展，最终发展成为膨胀土中常见的渐进式滑坡。

根据西部交通科技项目的要求，杨果林、刘义虎等人在常张高速公路的第十一标慈利东互通设立膨胀土试验路段，在3个不同的处治路段（原状土路段，改良土路段和加筋土路段）分别埋设沉降管，观测结果表明：

（1）在路堤填筑过程中，沉降量均小于150mm，说明在试验路段采取的土工膜隔水，掺石灰改良膨胀土，加筋处治膨胀土等措施取得了较好的效果。

（2）膨胀土路基的变形在施工填筑过程中存在着胀缩现象，主要是由于施工过程中天气的影响（如下雨和暴晒等）造成土体的干湿循环，使得路堤存在着反复胀缩变形现象，故施工过程中应该尽量避开雨季施工，并做好路堤周围边界的排水工作。

（3）沉降管的沉降速率由大变小，在填土荷载增加的开始阶段沉降曲线斜率比较大，但是当荷载增加到一定程度的时候沉降斜率就开始变小，说明路堤在施工初期的沉降量比较大，沉降也主要发生在施工期。

通过查阅大量的文献资料，笔者总结出了当前膨胀土路基监测的一些特点。

按照观测实施条件的不同，可分为自然型和人为控制型。

前者是让观测场所处于天然环境的作用下，这种观测一般是为了取得路基状态的描述量及其变化规律，所需时间较长，属于“实验”性质；

后者是人为的创造并控制现场条件，这种观测一般是为了探索某个特定的规律，采用的仪器比较精密，观测周期不长，属于“试验”性质。

此外，膨胀土路基监测还呈现出“两个结合”的趋势和特点，即实践观测与理论分析相结合，野外观测与室内实验相结合，这两种结合都是有机的优势互补的结合。

原位观测的优点在于与工程实践结合紧密，缺点在于观测数据受自然环境和仪器性能的影响较大，且需耗费大量的人力、物力；

理论分析的优点在于理论基础厚实严谨，可方便地模拟和反映多种工程状态，缺点在于某些参数和条件难以正确选取和实现；

室内试验的优点在于有规范标准可依，实验条件容易控制，可重复性强，缺点在于某些试验不能很好反映实际工况。

第一种结合比较典型的有：

沈珠江院士在现场观测完成后，应用非饱和土简化固结理论，建立有限元模型，模拟枣阳膨胀土边坡在人工降雨过程中孔隙压力变化和变形的发展过程，数值计算结果在定性上与实例观测资料一致。

刘义高运用基于拉格朗日差分法的数值分析软件FLAC，对南邓高速公路膨胀土边坡进行三维数值模拟分析，并比较实际监测变形值和三维模型计算值的相关性，结果表明两者基本吻合，但相关性不是很好。

第二种结合比较典型的有：

詹良通在现场观测完成后，从试验边坡上取了大量原状样，进行了一系列的室内试验，如自由膨胀率试验、原状收缩试验、剪切试验，对照边坡在干湿循环下的变形和强度的变化规律11⋯。

香港科技大学李爱国等人，在香港某人工边坡坡顶1，2，3，4m等不同深度同时安装了含水量计及吸力计。

根据土体体积含水量和吸力值的野外监测结果，得出了边坡坡顶土体不同深度的野外土一水特征曲线。

同室内土．水特征曲线明显的滞后性相比，野外土．水特征曲线的滞后性可以忽略。

第一章场地工程地质勘察

1.1概述

1.1.1工程概述

广西南友高速公路K139+500～K140+240路堤位于宁明县境内，该路段位于

主线上，长740米，该路段主要为第三系始新统那读组膨胀土，泥质粉沙岩及少部分砂岩，其中的粘土岩部分风化具有膨胀性，为膨胀泥岩。

第三系始新统那读组粘土岩的风化残坡积物则普遍具有膨胀性，为膨胀土，但其厚度不大，一般在2-5米间。

具体填挖高度见坡场地工程地质剖面图。

1.1.2勘察目的、任务要求

根据要求，结合本工程特点，本次勘查的主要目的和任务要求为：

查明拟建

场地附近不良地质作用的类型、成因、分布范围、发展趋势和危害程度，查明护

坡地段及其附近各岩土类型、成因、深度、分布范围、工程特性，并试验获得相

关数据对膨胀土等级进行判别，判断胀缩性岩土体对边坡稳定性的影响，查明有

关地区气象条件（特别是雨期、暴雨强度）、汇水面积、坡面植被、地表水对坡

面坡脚的冲刷情况，查明地下水类型、水位、水量、补给及动态变化、岩土的透

水性以及地下水的出露情况。

判定地下水对建筑材料的腐蚀性等：

查明岩土体的

胀缩性并对其胀缩性进行评价。

1.1.3依据的技术标准

本次岩土工程勘察工作所依据的技术标准包括：

《岩土工程勘察规范》

GB50021-2001,《建筑抗震设计规范》GB50011-2001,《建筑地基基础设计规范》

GB50007-2002,《广西膨胀土地区工业与民用建筑勘查、设计、施工及维护条例》

等。

1.1.4勘察等级

本工程重要性等级属于三级，场地复杂程度等级属于一级，地基复杂程度等

级属于二级，边坡安全等级属于二级，重要性系数γ0=1.00，综合评定本工程

岩土工程勘察等级为甲级。

1.2自然地理及气候条件

宁明县地处广西南部，为低纬度地区，全年受海洋温暖气流和北方冷气团交替影响，是国内气温较高，降水较多的地区，属于典型的南亚热带海洋型季风气候环境，年平均降雨量在1200毫米以上，年平均蒸发力在1000毫米左右：

5-10月为丰水季节，平均气温23-28°

，11月-次年四月为枯水季节，平均气温13-19°

，年平均降雨量约1200mm，年平均气温22.1°

，年降雨天数在150天左右，年雷暴雨天书100天左右，勘察场地附近无大的常流河通过，暴雨期间附近的山间沟谷中汇聚一定的水流。

1.3场地地貌地形

场地地貌上属于宁明盆地边缘的丘陵区。

宁明盆地为典型的膨胀土地区，盆地受东西向构造断裂控制，地貌呈垄岗式低丘，浅而宽的沟谷，地形坡度平缓，一般为8-15°

，无明显的自然陡坎，场地为山坡的一侧，南北走向，坡顶到坡底最大高度约10多米。

构成边坡坡体的土体上部为松软的素填土，下部为膨胀土：

素填土在大气降水的作用下易形成小型泥石流或滑坡，膨胀土在大气降水的作用下或经暴晒后可能膨胀，开裂而形成浅层滑坡，损坏路基。

1.4地层，地质构造

场地处于宁明盆地边缘的丘陵区，据区域地质资料及工程勘察，该路段穿越宁明盆地边缘时，遇到第三系始新统那读组湖湘粘土岩及其风化残积形成的厚层粘土，普遍具有膨胀性。

膨胀土按其成因可大致归纳为3类：

①冰川泥砾及上覆的洪积土；

②那读组风化的残积—坡积土；

③明江一、二级阶地的冲积物。

据区域地质资料及工程勘察，该区域膨胀土属于第三系始新那读组湖相粘土岩的残积—坡积土，从路堑边坡剖面可以清晰分析自上而下分布有三种土层。

第一层为黄褐色高液限粘土或耕植土，厚度为0～1.5m，第二层为灰白色膨胀土，厚度为2～6m；

第三层为深灰色膨胀岩，厚度为0～12m。

1.5工程地质勘察剖面特征

1.6场地水文地质

场地第三系始新统那读组膨胀土覆盖层广布，据高岭附近公路边坡出露基岩观测，岩层产状近水平。

拟建场地及其附近未发现地表径流及地下水露头。

由于场地西侧边坡以外的区域标高较拟建场地大且范围较广，对勘察场地来讲，属于集水区，降水时雨水延破面拍向高速公路路床。

由于场地边坡破面植被较不发育，地表水对拟建场地有较强的冲刷作用。

本次钻探的两个钻孔中，均未遇见地下水，可判断拟建场地水文地质条件较为简单。

1.6.2地下水，地下水对膨胀土路堤的影响

1）采用膨胀土填筑路堤，只要处置措施得当，有效的隔绝外界水的影响，土体含水率就不会发生改变。

路堤的稳定性也就能得到保证，膨胀土路堤底部与地下水直接相连时，土层的含水率就会产生较大的增长，和饱和含水层相比，有沿地下水对膨胀土路堤的含水率影响较大，但影响范围两者相差无几。

与地下水引起的路堤含水率变化在路堤不同高度处成指数函数分布。

2）孔隙水压力是膨胀土路基中的一个重要参数，它的变化与图的含水率紧密相关，同时，裂隙水的变化往往是引起膨胀土边坡破坏的主要原因，因此可以通过埋设孔隙水压力计来检测膨胀土路基和边坡吸力状态。

3）膨胀土路基内部压力变化受土体的含水率控制，含水率增大会引起膨胀土中自重应力增大和膨胀力的出现。

膨胀土的膨胀力与含水率之间成指数关系。

在实际工程中，可以通过检测土压力的变化来检测路基稳定性。

4）膨胀土对温度的变化较一般粘土敏感，且温度是水分迁移的驱动势之一，在膨胀土路基工程中，应尽量减少温度对路基的影响。

5）在地下水的路段，膨胀土路堤注意隔水，防止由于膨胀土和水分直接接触形成软弱层，造成路堤延软弱层发生滑动破坏。

6）地下水出露位置和排水状况对路堤的稳定和沉降有较大影响，路堤中部出露地下水较为不利，当在中部出露地下水且排水不畅时，斜坡地基上路堤的不均匀沉降和稳定系数分别为8.8mm和1.192，比无地下水出露时，不均匀沉降增加了37.5%,稳定性系数降低了37%。

第二章场地膨胀土的胀缩等级判别

2.1判断膨胀性

膨胀土是一种粘粒成分主要由亲水矿物（蒙脱石、伊利石）组成的高液限粘土，其主要特征表现为吸水显著膨胀、软化，失水急剧干缩开裂，此外，还具有易崩解性、多裂缝性和超固结性。

表2-1即为膨胀土的判定指标，当符合表中的两项指标时，即应判定为膨胀土。

由于K139+500～K140+240与K138+600处于同一地段，土质相似，根据勘查资料，在K138+600取土深2-4m和4m以下土层进行室内土工试验。

结果见表2-2

表2-2土样的物理性质

经过试验所得结果与表21对比得知，此土样的液限、塑限指数，均在膨胀潜势等级判定标准范围之内，是具有代表性的膨胀土，该路段为膨胀土路段。

2.2膨胀土的分类判断

按现行分类判别标准表2-3，根据2-2实验路段土样的物理性质指标，依自由膨胀率和液塑图法综合判别，第一层为中等膨胀土，第二层为弱膨胀土。

表2-3

2.3该段膨胀土概况

通过勘查调查，我们发现广西南友高速公路K139+500～K140+240的膨胀土是一种红黄色或灰白色、斑纹状的残积型膨胀土，其母岩是第三系那读组深灰色、灰褐色粘土页岩。

由于卸荷和化学风化作用，特别是亚热带风化淋滤作用，残积层不仅发生了矿物的转化，而且造成密度的强烈降低，形成残积型膨胀土所特有的低密度（0.85～1.0）、高含水量（29.0～35.4）高分散性（<

2μm粘粒含量>

40%）、强收缩（体缩>

14%）等一系列不良工程性质。

受母岩结构的影响，残积膨胀土不仅土的颜色、土的性质均呈现显著的不均一性和各项异性，天然残积膨胀土中普遍可见母岩残余结构（层理和微裂隙），沿岩心缓倾角残余构造节理两侧1cm至1.5cm范围均遭到强烈的化学作用（差异风化），红色氧化铁富集。

路堑开挖揭露的边坡土体典型地质剖面可分为三层：

顶部表土层以红色为主，带黄色斑点的高液限土或耕植土，厚0.5m～1.5m；

中部为红黄色或灰白色斑纹状膨胀土层，厚度为2m～6m；

下部为深灰色、灰褐色粘土页岩，厚度大未被揭穿。

从坡面上可以清楚看到原生节理与裂隙和此生节理和裂隙极度发育，有竖向、斜交和水平三种，分层明显，贯通裂隙与岩体分层一致。

2.4结论与建议

造边坡坡体的土体上部为松散软弱的素填土，下部为膨胀土；

素填土在大气降雨的作用下易形成小型泥石流或滑坡，膨胀土在大气降水的作用下或经暴晒后可能膨胀，宁明膨胀土是属于各向异性的膨胀土，以水平变形为主，对路堤稳定极为不利，必须对膨胀土的路基进行适当处治才能应用于工程建设，素填土在大气降水的作用下易形成小型泥石流，场地属于对建筑抗震不利地段，须采用有效的处理措施。

第三章膨胀土填料的性质分析

3.1膨胀土填料的土质特征

在K139+500～K140+240路段，在挖方边坡剖面上分布有两层膨胀土，均位于表层土（为高液限粘土或耕植土，d为0.5～1.5米）之下，即灰白色膨胀土层（第一层，d为2～6米）和灰黑色膨胀土岩层（第二层，挖方涉及到的d在0～12米）对两层膨胀土填料进行了室内土性试验和CBR试验，结果见表3-1，表3-2。

按现行分类判别标准：

依自由膨胀率和液塑图法综合判别，第一层为中等膨胀土，第二层则为弱膨胀土，但填料的CBR浸水膨胀率，第二层土达10.5%以上，而第一层土则高达16.7%以上，均远高于其他地区分布的同等涨缩等级的膨胀土，高CBR浸水膨胀率充分说明宁明盆地的膨胀土不仅具有典型膨胀土的土质特性，其填料浸水后的强膨胀性更为区域特有的土质个性，这一点在选择填料处治方法时必须充分考虑。

3.2膨胀土不泡水CBR试验

CBR值作为路基填料选择的相关指标，是美国加利福尼亚承载比试验的英文缩写，该试验是1928年-1929年PORTER在调查美国加利福尼亚州柔性路面的破坏状况时提出来的，试验结果用CBR值表示，是用材料抵抗局部载荷压入变形的能力来表示，指试料贯入量达到2.5毫米时，单位压力对标准为筛分碎石压入相同贯入量时标准荷载强度的比值。

承载比试验在世界各地得到广泛应用，已成为公路路面设计及路基填土的质量控制指标。

为探讨使用夹层法处理的可行性，进行了膨胀土不泡水CBR试验，即模拟路基膨胀土被封闭条件下的土性试验，对膨胀土不泡水条件下CBR强度和含水量的关系，最大干密度与含水量的关系进行了研究，实验结果见图3.1。

图3.1不泡水CBR试验CBR值与含水量的关系

由试验结果可知：

该膨胀土的不泡水CBR值随含水量变化总趋势是随含水量增大而降低，但在含水量为11%～15%及25%以后的两区段下降趋势变缓，含水量在25%以下，CBR值均>

10%，由此可见，只路基土的含水量保持在25%以下，该膨胀土用作路基填料能满足路堤填料对强度的要求。

灰白色膨胀土CBR试件浸水后土体膨胀量随浸水时间的变化关系见图3.2。

从中可见，膨胀土的浸水膨胀量在不到2h内就达到了3%，9h后就达到了8%，并且随时间不断增长，泡水4d后CBR浸水膨胀量达到了13.67%并且还在增长，因此，用这种土作路基填料进有效的封闭防水是十分重要的。

根据以上的分析，宁明灰白色膨胀土是比较好的膨胀土填料。

图3.2CBR膨胀量随时间变化关系图

3.3碎石土的土性特征

采用路堑开挖的宁明膨胀泥岩风化破碎土，其基本土性指标如下表3-3。

表3-3碎石土土性分析

下路基基底和上路堤填料：

土样取自K139+500～K140+240路段一个山坡借土场，该借土场整座山为泥质砂岩，开采量大，需爆破并配合大功率的推土机方能石土填料，土的性质见上表，从表可以看出，该土强度大，压实性好，透水性好，是一种良好的高速公路路基填料。

第四章场地膨胀土路堤填筑原理

4.1膨胀土特性

南友高速公路K139+500～K140+240,其地貌为东西构造断陷盆地，地势平缓，植被稀少，据上分析可知属典型的膨胀土分布区。

膨胀土是对环境的湿热变化敏感的髙塑性黏土。

在自然状态下，膨胀土多呈硬塑性或坚硬状态，具有黄、褐、灰白等色，膨胀土主要由强亲水性粘土矿物组成的，具有吸水膨胀软化、失水收缩开裂和重复胀缩变形的特性。

膨胀土主要矿物成分为蒙脱石、伊利石和高岭石；

其特殊的工程性质主要变现为多裂隙性、超固结性、强亲水性、反复胀缩性和强度衰减性、强风化性和崩解性。

膨胀土具有的胀缩特性，遇水膨胀、失水收缩，体积会发生急剧变化，易发生胀缩变形，使道路开裂、建筑物地基变形膨胀土给工程建筑物带来的严重危害。

其破坏具有以下特征：

即破坏的浅层性、多次反复性、长期潜在危险性以及对建筑物的成群破坏性。

工程技术人员不得不反复采取多种工程措施加以修复和防范，使工程造价显著提高。

宁明膨胀土是属于各向异性的膨胀土，以水平变形为主，对路堤稳定极为不利。

4.1.1膨胀土的多裂隙性

南友路膨胀土中的裂隙按成因类型可分为原生裂隙和次生裂隙。

前者具有隐蔽特征，后者多为宏观裂隙，具有开壮特征，多由原生裂隙发育发展而形成，具有继承性性质。

包括风化裂隙、卸荷裂隙、斜坡裂隙与滑坡裂隙等。

裂隙在平面上具有不规则多边形网状裂隙特征，从形态上看有垂直裂隙（包括陡倾斜角裂隙）、水平裂隙（包括缓倾斜角裂隙）和斜交裂隙。

垂直裂隙通常为胀缩效应引起的张力应变形成。

水平裂隙多由沉积间断及胀缩效应所形成的水平应力差形成。

裂层面填充有次生灰白色粘土，具蜡状光泽，有镜面擦痕。

密布的裂隙使得土体出现大量的不规则的软弱结构面，降低了土体的强度、恶化了工程性质。

对路堑边坡的稳定性极为不利，边坡极易失稳而沿裂隙结构面滑塌破坏。

4.1.2超固结性

膨胀土的超固结性是土体在地质历史过程中，曾经承受过比目前上覆压力更大的荷载作用，并已经大道完全或部分固结的特性。

超固结的膨胀土，其孔隙比较正常固结土的为小，在同一外荷载作用下，超固结土由于具有较高的初