高等土力學(xué)結(jié)課論文要點(diǎn)

1、研究生結(jié)課論文性 質(zhì)國家統(tǒng)招（，）單 考（）工程碩士（）同等學(xué)力（）科 目高等土力學(xué)關(guān)于膨脹土研究的讀書報(bào)告1膨脹土的概念膨脹土指的是具有較大的吸水后顯著膨脹、失水后顯著收縮特性的高液限粘土。膨脹土的礦物成分主要是蒙脫石，為一種高塑性粘土， 一般承載力較高，具有吸水膨脹、失水收縮和反復(fù)脹縮變形、浸水承 載力衰減、干縮裂隙發(fā)育等特性，性質(zhì)極不穩(wěn)定。常使建筑物產(chǎn)生不 均勻的豎向或水平的脹縮變形，造成位移、開裂、傾斜甚至破壞，且 往往成群出現(xiàn)，尤以低層平房嚴(yán)重，危害性很大，裂縫特征有外墻垂 直裂縫，端部斜向裂縫和窗臺下水平裂縫，內(nèi)、外山墻對稱或不對稱 的倒八字形裂縫等；地坪則出現(xiàn)縱向長條和網(wǎng)格狀的裂

2、縫。一般于建筑物完工后半年到五年出現(xiàn)。膨脹土的分布廣泛，世界各國都有，我國是世界上膨脹土分布最 廣、面積最大的國家之一。20多個省、市、自治區(qū)（包括北京、河 北、山西、山東、陜西、河南、安徽、江蘇、四川、湖北、湖南、云 南、貴州、福建、廣西等）發(fā)現(xiàn)有膨脹土的危害，主要分布在云貴高 原到華北平原之間各流域形成的平原、盆地、河谷階地以及河間地塊和丘陵等地區(qū)。2對膨脹土監(jiān)測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 t

3、he Stabilisation of Expansive Soil Subgrade 一文中提出通過氯化鈣 和FeCl代替石灰的處理來治理膨脹土路基的方法。很多國家膨脹土路塹邊坡滑坍的整治， 常采用土釘墻、重力式擋 土墻、抗滑樁等剛性支護(hù)措施進(jìn)行處治，不僅造價高，而且施工困難。 此外，膨脹土路塹邊坡吸濕后會產(chǎn)生巨大的膨脹能， 如采用剛性支護(hù), 因變形被約束，這種膨脹能隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而積蓄、增大， 膨脹壓力也隨之迅速增大，常常導(dǎo)致剛性支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞。可以說膨脹土是公路工程建設(shè)中的一個頑疾，無論是哪個國家現(xiàn)在都還沒有研究出一個完美的方案來治理膨脹土。 但隨著科技的不斷 進(jìn)步，現(xiàn)在長沙理工大

4、學(xué)的鄭建龍校長和他的研究團(tuán)隊(duì)研究出了兩項(xiàng) 核心技術(shù)，一個是用膨脹土填充路堤的技術(shù)，另一個是邊坡的穩(wěn)定技 術(shù)。3膨脹士的判別方法膨脹土的塑性圖判別法塑性圖方法是CassagrandT 1936首先提出的。眾所周知，塑性指數(shù)和液限是反映細(xì)粒土的粒度、礦物成分、交換陽離子成分等特征 的靈敏指標(biāo)。Cassagrand邂性圖法是在以塑性指數(shù)為縱軸、以液限為橫軸的直角坐標(biāo)系中，利用塑性指數(shù)和液限將細(xì)粒土圈定在界限分如圖 3-1所示。圖中，液限口（圖3-1 Casagrande塑性圖分類標(biāo)準(zhǔn)明的范圍，以達(dá)到膨脹土分類的目的, wl采用的是76g錐液限值，劃分強(qiáng)、 中、弱膨脹土的液限界限分別為80, 60 和

5、 40,A 線為:I尸.7（爪20）。目前世界上發(fā)達(dá)國家如美國、英 國、德國、口本等都將塑性降當(dāng)作細(xì)粒土分類的主要工具。我國交通部部頒標(biāo)準(zhǔn)JTJ051-93中也采用了與Cassagrand邂性圖相似的塑性圖法來判別膨脹土。其中，劃分強(qiáng)、中、弱膨脹土的液限界限也是 80, 60和40,A線仍為：7(生TO),但所采用的液限wl為100g錐液限值。塑性圖分類法物理概念明確，工程實(shí)踐中簡單易行，因此是國外 廣泛采用的膨脹土分類的方法。然而，按照圖上不同的區(qū)域?qū)?yīng)不同 的分類等級，在交界的區(qū)域?qū)ε蛎浲恋燃壍膭澐謩t是模糊的、難以確定的。如在強(qiáng)膨脹土與非膨脹土交界的區(qū)域，無論是判為強(qiáng)膨脹土還是判為非膨脹土

6、都是不科學(xué)的。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)判別法人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是20世紀(jì)80年代中期興起的一門非線性學(xué)科，在 模式識別、數(shù)據(jù)處理、自動控制等領(lǐng)域取得了很好的應(yīng)用效果。并近 年來，人們嘗試用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來反映膨脹土的脹縮性同其物理力學(xué) 試驗(yàn)指標(biāo)之間的非線性關(guān)系，如付鶴林采用了BP網(wǎng)絡(luò)模型，陳愛軍采用了 LVQ (Learn Vector Quantization)網(wǎng)絡(luò)模型。雖然神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型 克服了傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)回歸方法中隱含判別因子同脹縮性之間存在某種 確定性關(guān)系的假定，但在建立這些神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型時，知識的獲取也是 一件不容易的事。所以用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法評判膨脹土的等級仍有一定 的適用范圍和局限性。灰色系統(tǒng)理論在膨脹土評判中

7、的應(yīng)用灰色系統(tǒng)理論是由鄧聚龍教授十1982年創(chuàng)立的。自問世以來， 已廣泛應(yīng)用十農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)、軍事等幾十個領(lǐng)域，取得了較好的效果。近年來，灰色理論被應(yīng)用十膨脹土的判別。采用多指標(biāo)評判模型，對 膨脹土的等級進(jìn)行灰色評判，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的塑性圖法和規(guī)范法在指標(biāo) 的獲取時的片面性、隨機(jī)性和不確定的缺陷。如李玉花利用灰色理論 中的灰色聚類法對膨脹土進(jìn)行分類， 使分類定量化，并解決了傳統(tǒng)作 指標(biāo)評判結(jié)果交叉而不能歸類的問題；王建軍結(jié)合灰色理論中的關(guān)聯(lián) 度模型、運(yùn)用最大關(guān)聯(lián)度識別原則，建立了膨脹土脹縮等級的灰色關(guān) 聯(lián)綜合評判模型，充分考慮了多個影響因素和各指標(biāo)的權(quán)中及波動性 影響，因而可以減少評判中的失誤。但是，

8、運(yùn)用灰色系統(tǒng)理論進(jìn)行膨 脹土的評判仍具有較大的主觀性。無論是灰色關(guān)聯(lián)法中的關(guān)聯(lián)系數(shù)、 關(guān)聯(lián)度，還是灰色聚類法中的各指標(biāo)的權(quán)重， 他們的確定在一定的程 度上都是與經(jīng)驗(yàn)分不開的。可拓學(xué)在膨脹土評判中的應(yīng)用可拓學(xué)（Extensics誕生十1983年，已在許多領(lǐng)域得到成功應(yīng)用， 也為解決膨脹土脹縮等級的評判問題提供了一個新的途徑。運(yùn)用可拓學(xué)進(jìn)行膨脹土判別和評價的方法又被稱為物元分析 法。其基本原理是：將評價的對象、各評價等級和對象關(guān)十各種等級 的指標(biāo)量值組成一個整體即物元來研究，用可拓集合的關(guān)聯(lián)函數(shù)值一 一關(guān)聯(lián)度的大小來描述各種指標(biāo)參數(shù)與所研究的對象等級的從屬關(guān) 系，從而把屬十或不屬十的定性描述擴(kuò)展為

9、定量描述。其評價步驟為:確定膨脹土脹縮等級評判的評價指標(biāo)和類別等級標(biāo)準(zhǔn)，以建立衡量條件集;建立關(guān)聯(lián)函數(shù)和確定權(quán)系數(shù)以計(jì)算待判膨脹土物元實(shí)測數(shù)據(jù)對各特征元相應(yīng)類別的綜合關(guān)聯(lián)函數(shù)值；按與各等級集合的關(guān)聯(lián)度大小 進(jìn)行比較來評定膨脹土等級。從根本上講，可拓學(xué)評判方法的結(jié)果也要受到人為因素的干擾， 因?yàn)殛P(guān)聯(lián)函數(shù)和權(quán)系數(shù)的確定是帶有經(jīng)驗(yàn)性的。 具體工程應(yīng)用中，如 何對膨脹土進(jìn)行判別和分類，除了借鑒和利用前人經(jīng)驗(yàn)成果外，同時 還應(yīng)考慮到行業(yè)、地區(qū)的差別以及公路工程內(nèi)部不同項(xiàng)目的特殊性、 實(shí)用性和綜合性，從而采用適當(dāng)?shù)呐蛎浲僚袆e方法。4降雨滲入對膨脹土邊坡的穩(wěn)定性4.1不考慮膨脹土裂隙的情況一般認(rèn)為，降雨強(qiáng)度

10、越大、持續(xù)時間越長，上坡的安全系數(shù)就越小，上質(zhì)邊坡也就越不安全。但是通過表 2可以看出，在不考慮裂隙 的情況下，上坡的安全系數(shù)雖然隨降雨強(qiáng)度的增大、 降雨持時的增加 而減小，但是減小的量卻極其有限，這顯然與實(shí)際不符 .造成模擬失 真的原因是：膨脹上的滲透性系數(shù)一般都很小 城“。必2。2曲,上坡內(nèi) 實(shí)際滲入的雨水極其有限。也就是說，當(dāng)降雨強(qiáng)度大于上體表層滲透 性系數(shù)時，大部分的雨水都以地表徑流的形水分通過這些裂隙進(jìn)入上體，中間伴隨著在向裂隙為2時方而，膨脹上淺層裂隙極為發(fā)育。在降雨時,但通過裂隙的雨水入滲占絕對的主導(dǎo)地吸力梯度下的水分向膨脹上塊內(nèi)部的入滲,(c)裂隙為4時圖3 裂隙為I) ,2和

11、4時孔隙水原力分布位。因此，在研究膨脹上降雨入滲問題時，必須考慮膨脹上的裂表二無裂隙降雨對土體粽定性系數(shù)的影響雨強(qiáng),E -降雨持時/h2448720.001 ()1.0651. ()651.0530. 001 31.065L 057L0400. 001 51.063k 050L0140.00 71.057L 028。一9800. 001 91 . 05。(I 9090. 9374 .2考慮膨脹土裂隙的情況(1)降雨引起滲流場的變化。降雨強(qiáng)度為L)M1031/h,飽和滲透 系數(shù)為K“ 2.02 x io裂隙深度分別為0 m ,2 m和4 m在t=72h時段的孔隙水壓力分布圖，如圖3所示。從圖3可

12、以看出，當(dāng)不考慮裂隙時，雨水入滲僅僅引起表層的孔 隙水壓力的變化，內(nèi)部兒乎不受降雨的影響?？紤]裂隙時，隨著裂隙國4安全系數(shù)與降雨持時的關(guān)系！ 一124364860降南特時小一不寫虐&源(Bishop1 一小考理裂隙Ganbu) 號出裂隙Sishup)* 有更裂隙Uanbu)iiB*0.8070.60.50.40.302Olo深度的加深，滲流影響區(qū)域逐漸擴(kuò) 大。裂隙使一部分降雨可以方便到 達(dá)上體的內(nèi)部，并使裂隙帶基本趨 于飽和，開始出現(xiàn)正的孔隙水壓力, 飽和區(qū)域逐漸加大加深，上體基質(zhì) 吸力消失，抗剪強(qiáng)度降低，從而降 低邊坡穩(wěn)定性。(2)降雨對邊坡穩(wěn)定的影響。圖4給出了當(dāng)降雨量為0. 001 7

13、m/ h , 裂隙2 m深時的安全系數(shù)與降雨持時的關(guān)系，從中可以看出，隨著降雨的持續(xù)，膨脹上邊坡的安全系數(shù)不斷下降，當(dāng)不考慮裂隙時，降雨持續(xù)72 h后安全系數(shù)僅僅降低了 0. 082。而考慮裂隙時，安全系數(shù)明 顯降低，最大降低了 0.401,降幅接近50%?？梢?，在膨脹上邊坡失 穩(wěn)的過程中，裂隙的深度成為影響邊坡穩(wěn)定的重要因素。止匕外，圖 4 還對簡化的Bishop法和簡化的Janbu法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，發(fā) 現(xiàn)由于簡化的Bishop）法和簡化的Janbu法的計(jì)算假定不同（Janbu法 與Bishop）法相比滿足水平力平衡，基本滿足所有靜力平衡條件），結(jié)果也有差別，但不影響整體的趨勢。Li1

14、.0圖30,70,60.5040,2叫通過圖5所示可以直觀地看出，不同裂隙深度（R= 0. 001 7 m/ h, Bishol）法T-袁斷洸盤口加日裂隙深曲Tfl裂隙深度2m一裂隙浜慢4 m,12243648峰時持時出計(jì)算）對上坡的穩(wěn)定性影響較大。裂隙 深度越大，降雨對上質(zhì)邊坡的影響越 大，但是安全系數(shù)的降低與裂隙的深度 并不成正比。在不降雨的情況下，裂隙對邊坡穩(wěn)定的影響仍然存在，4 m深裂隙時安全系數(shù)降低0. 344。其主要原因是裂隙直接破壞了上 體的整體結(jié)構(gòu)，形成許多潛在的破壞而，使得上體的抗剪強(qiáng)度降低。降雨強(qiáng)度對膨脹上邊坡的影響程度與上體本身的滲透性有關(guān)。當(dāng) 雨強(qiáng)小于上體滲透系數(shù)時，安

15、全系數(shù)受其影響；當(dāng)雨強(qiáng)大于上體本身 的滲透性時，是否考慮膨脹上的裂隙性，對上坡滲流場及安全系數(shù)的 影響差別很大。裂隙的存在對上坡中孔隙水壓力和體積含水量分布有顯著的影 響。裂隙開裂深度越深，影響越大，安全系數(shù)越小。所以，在分析降 雨入滲對膨脹上邊坡穩(wěn)定的影響時，必須考慮裂隙的影響。 5膨脹土邊坡自平衡預(yù)應(yīng)力錨固方法 5.1自平衡預(yù)應(yīng)力錨桿受力分析圖1自平衡預(yù)應(yīng)力錨固橫型Fig. 1 Reinforced model of self-balance prestressedbolts在天然條件下，膨脹土含水率 較低，具有高的膨脹潛勢。在膨脹 土擾動激活吸水后，土體發(fā)生膨 脹，為分析土體和錨桿的應(yīng)力

16、變 化，取預(yù)應(yīng)力錨桿和周圍土體作為 分析單元，如圖1所示。圖中，Z 為預(yù)應(yīng)力錨桿的自由段，d為膨脹土活動帶深度。由于自然環(huán)境的變 化，土體的含水率發(fā)生變化，在膨脹土活動帶深度范圍內(nèi)，不同深度， 土體的含水率變化不同。將其分為兩個部分，di為飽和土層，d2為非 飽和土層。自平衡預(yù)應(yīng)力錨固體系的預(yù)應(yīng)力值分為兩個階段，第一個階段為 邊坡開挖完成后，土體處于天然含水率，此時，施加初始預(yù)應(yīng)力5;第一階段，土體吸水膨脹，由于錨桿和土體變形隴調(diào)，預(yù)應(yīng)力鋼筋的 應(yīng)力提高，自平衡預(yù)應(yīng)力錨桿體系形成。在進(jìn)行邊坡加固設(shè)計(jì)時，根 據(jù)最終狀態(tài)的安全系數(shù)，計(jì)算所需施加的預(yù)應(yīng)力值為根據(jù)這個設(shè) 計(jì)值，初始預(yù)應(yīng)力.巴的計(jì)算公式

17、推導(dǎo)如下：由截面內(nèi)力平衡條件，可得式中，分別為最終階段錨桿的應(yīng)力和土體的應(yīng)力，Ab As分別為錨桿的截面積和錨固承臺范圍內(nèi)土體單元的截面積。在進(jìn)行第一階段分析時，基于以下兩個假定進(jìn)行簡化分析：第一 階段施加的預(yù)應(yīng)力所產(chǎn)生的變形己經(jīng)完成 ；土體的膨脹量和含水率 的變化具有線性關(guān)系，則單元在吸水膨脹和錨桿應(yīng)力作用下的變形4 D,采用虛功原理分析可得AD =必所（二）d二-（% 5）4,（2）式中，Es為土的變形模量， D為土體表面的線位移，獷（二）為 深度:處含水率的變化量，口為土體的線膨脹系數(shù)。其中，線膨脹系數(shù) 0c與土體的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，主要表現(xiàn)為土的膨脹量隨壓力增大而減小， 隨壓力減小而增大，

18、其影響因素復(fù)雜，因此在進(jìn)行初步設(shè)計(jì)時，為簡 化計(jì)算，假定土體的線膨脹系數(shù)，口只受預(yù)應(yīng)力錨桿壓力的影響，目 沿深度為常量。此時，可根據(jù)式（1）所得的土體壓應(yīng)力，計(jì)算土體的 線膨脹系數(shù)。同時，假設(shè)錨桿錨固段的位移為零，則錨桿的應(yīng)力可 表不為式中，Eb為錨桿的彈性模量。將式（2）代入式（3）并化簡后可得(4)7 = 7. I CfiA 歹dz1 耳4。5.2膨脹力計(jì)算模型含水率是膨脹土的基本物理指標(biāo)，也是產(chǎn)生膨脹與收縮、強(qiáng)度衰 減等重要特性的物理化學(xué)基礎(chǔ)。顯然，若土的含水率始終保持某一恒 定值不變，則膨脹土的體積將不會發(fā)生變化。當(dāng)土體各部分含水率發(fā)生變化時，土體將產(chǎn)生線應(yīng)變其中，W是土體內(nèi)任一點(diǎn)的當(dāng)前含水率， W0是原狀土體的天然含水率。由 于受到外部約束及土體內(nèi)不同部位含水率變化不均勻的影響，土體內(nèi)將產(chǎn)生膨脹力。假設(shè)土體均勻膨脹只產(chǎn)生線應(yīng)變目剪應(yīng)變?yōu)榱恪Ｔ谶M(jìn)行應(yīng)力分析時，土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可表示為，(6)式中，D為彈性矩陣，4 e分別表示應(yīng)力和應(yīng)變，蟲為膨脹土由于 含水率變化所引起的應(yīng)變，對于一維問題，該應(yīng)變可表示為跖二必取1 1 0/ (7)當(dāng)體系作用有體力f和表面力T時，根據(jù)最小勢能原理，體系的 泛函可表示為1儲=,IfTZ)r - eTDr0 - uf dQ - ut7;IT c (8) / r對求解區(qū)域進(jìn)行有限元離散，并由門=。可得體系的有限元方程Ku = P