膨胀土工程性状的超固结性效应与机理分析

本项目以人工开挖膨胀土边坡的变形和失稳破坏为研究背景，主要考虑超固结性对膨胀土工程性状的影响，分析超固结性对人工开挖边坡变形和失稳破坏的影响模式。拟通过试验研究不同超固结应力释放水平、释放路径、释放速率以及释放持续时间对膨胀土的强度和变形的影响规律，以及应力释放水平对其持水特性及渗流特性的影响，结合非饱和土力学、损伤力学等理论，建立考虑超固结性的非饱和膨胀土理论模型及其参数确定方法，深入认识膨胀土的超固结特性。在此基础上，结合现场堑坡开挖卸荷过程各阶段应力、变形监测资料，借助应变局部化理论与非饱和土试验结果，并通过数值模拟探讨超固结性对膨胀土边坡变形和失稳破坏的影响模式和判断准则，为膨胀土边坡的开挖方式、开挖顺序、最佳防护方式和时间的确定提供参考，为更有效地防治膨胀土地区的边坡工程灾害提供理论依据和技术支持。

针对目前膨胀土超固结性研究还不够系统深入的现状，采用试验和理论分析相结合的方法，通过室内应力路径三轴试验、渗透试验，以及人工开挖膨胀土边坡的现场变形及土压力监测，较为系统地研究了固结方式、超固结比、应力速率和时间等因素对超固结膨胀土的强度、变形特性的影响，以及不同固结方式和超固结比对渗透性能的影响。主要研究成果有如下几个方面：（1）探讨了卸荷速率、卸荷路径、固结方式以及超固结比对膨胀土力学特性的影响规律，发现膨胀土的不排水剪切强度随应力速率的增加而单调增加，超固结比和卸荷速率越大，相同轴向应变所对应的偏应力也越大，初始割线模量越大，该规律不随卸荷路径及固结方式的改变而改变；K0固结时的卸荷损伤较等压固结时大，反映出超固结膨胀土边坡卸荷时更易失稳。（2）固结时间对膨胀土力学特性影响显著。固结时间对于经历卸荷和未经历卸荷过程膨胀土不排水剪切强度的影响规律相反。经历卸荷过程后膨胀土的强度随固结时间的增加而减小，未经历卸荷过程膨胀土的强度随固结时间的增加而增大，固结时间对于膨胀土K0固结时强度的影响幅度较等压固结时显著。（3）膨胀土在经历卸荷-应力状态重塑后，其不排水剪切强度大于应力状态重塑前的强度，强度增幅与应力状态重塑前的卸荷幅度呈正相关。（4）通过CT扫描发现，CT数据（密度）ME及其方差SD值可以较好地定量地反映膨胀土应力状态重塑过程。（5）在分析邓肯-张模型的基础上，进行了考虑初始偏应力的改进邓肯-张模型的推导。基于膨胀土考虑应力速率时的相关试验结果，建立了符合各自固结方式及剪切路径的改进邓肯-张应力-应变关系式。（6）渗透试验结果表明，相同轴向应力下等压固结的渗透系数比K0固结的要大，超固结比越大，土体的渗透系数就越低；不同应力状态下的土-水特征曲线显示，超固结膨胀土的持水性性能随上覆荷载的增大而增强。（7）边坡在开挖卸荷初期侧向变形并不大，水平向的土压力在表层明显减小，侧向卸载造成的水平向位移和土压力变化有一定的滞后，且边坡底部和中部变化较大。（8）利用FLAC3D程序自带的FISH语言将改进邓肯-张模型进行二次开发后，在FLAC3D软件中进行了考虑卸荷速率及初始固结状态的膨胀土边坡稳定性计算与分析，发现K0对于边坡水平位移影响较大，利用常规三轴剪切强度参数进行开挖边坡稳定性分析偏于危险。并初步揭示了卸荷路径、卸荷速率以及固结方式对边坡安全系数的影响规律。