膨胀土基坑水位变化对坑壁荷载影响研究

发布时间：2020-07-20 16:03

【摘要】：膨胀土在我国分布广泛,位于膨胀土地区的基坑在开挖过程中受地下水位上升、降雨和基坑内积水等因素的影响,容易发生变形破坏。基坑的失稳往往会造成经济损失,甚至造成人员伤亡等无法挽回的后果。膨胀土基坑失稳的因素很多,而降雨和膨胀土基坑侧壁地下水渗流是诱发基坑失稳的关键因素。膨胀土遇水崩解,破坏土的结构,导致强度降低;此外,产生的膨胀力也会对支护结构产生不利影响。尽管人们对基坑问题做了大量研究,但一直没有完全掌握基坑失稳的破坏机理,对于其影响因素还需更深入的研究。本文围绕膨胀土的抗剪强度、膨胀变形特性和渗透特性展开研究,并基于坑底浸水问题对侧壁稳定性进行了分析。膨胀土作为一种典型的非饱和土,其强度可以表示为饱和状态下的有效抗剪强度和由基质吸力引起的吸附强度。含水量的增大不仅破坏土颗粒的联结状态,还会导致吸力的降低,两者都对土的强度有重要影响,所以研究土的强度随含水量的变化规律显得十分关键。研究非饱和土的基质吸力必须结合土—水特征曲线,依据现有理论可以对非饱和渗透系数和抗剪强度分析。本文引入湿胀率的概念,并通过此试验测得的干密度和含水量的关系结合使用土壤张力计实测了膨胀土的土—水特征曲线。并基于理论预测模型和饱和渗透系数,预测了非饱和膨胀土渗透系数与含水量或基质吸力的关系,用于研究基坑侧壁地下水的渗流。近年来利用有限元分析软件计算非饱和土基坑侧壁的渗流和稳定性方面有着广泛的应用。本文利用Geostudo软件分别模拟膨胀土基坑侧壁土体的渗流场和稳定性,得到正常情况下和水位上升坑底浸水后侧壁孔隙水压力的分布以及侧壁稳定性系数等的变化。本文得到的主要结论如下:(1)膨胀土的抗剪强度指标c、φ值随土样含水量的增大而减小。初始含水量越大的土样在增湿到相同含水量时的c值越大,φ值越小。这种现象在含水量较低时的差别更为明显,土样含水量增大到30%后土的c、φ值都急剧降低。(2)膨胀土的湿胀率随土样含水量的增大而增大,土样自由膨胀率越大,亲水性矿物含量越高,湿胀率也越大,其可以在一定程度上反映土体吸水后膨胀力的大小。膨胀土湿胀率的大小还取决于土样的初始含水量和在此基础上含水量的增量,初始含水量越低吸水达到相同含水量时的湿胀率也越大,最终完全稳定后的最大湿胀率也越大。(3)利用张力计能可靠地测量膨胀土的土—水特征曲线,在此基础上基于理论模型预测了膨胀土的非饱和渗透系数,渗透系数随含水量的降低或基质吸力的增大而减小,两者的关系可以用指数函数表示。(4)基于体积含水量函数和非饱和渗透性函数,利用Geostudio软件的SEEP/W模块计算水位上升坑底浸水后的渗流。浸水后侧壁一定范围内土体的孔隙水压力增大,基质吸力减小,含水量增大,导致土的强度降低,侧壁主动土压力增大。在此基础上使用SLOPE/W模块进行稳定性分析,结果表明浸水后侧壁的稳定性系数明显降低,说明含水量增大导致的强度降低会对基坑侧壁的稳定性造成不利影响。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU46;TU443
【图文】：

图 2-1 平顶山膨胀土的主要分布区Figure 2-1 Main distribution area of expansive soil in Pingdingshan2.2.2 膨胀土的主要类型根据地调资料，平顶山的膨胀土具有鲜明的特色，按颜色可以分为灰绿、棕红及灰白色三种类型，其岩性特征也有很大的差异[112]。平顶山膨胀土的分布在空间上没有明显的规律，但灰绿色土大多位于棕红色膨胀土的上部，白色含钙质粘土混于两者之中，平顶山主要的膨胀土在该地区的分布如图 2-2 所示。（1）灰绿色膨胀土灰绿色膨胀土作为平顶山膨胀性最强的一类膨胀土，通常位于最上层，埋深较浅。一般呈致密或硬塑状态，含有钙质及钙质结核，内部裂隙发育，裂隙面为腊状且具有油脂光泽，通常还含有铁锰质薄膜及结核，透水性差。主要分布于市区西部一带，厚度范围通常为 3~10 m，胀缩性最强，危害较大。（2）棕红色膨胀土该膨胀土为平顶山最主要的一类，在三种膨胀土中胀缩性较中等。自然状态

图 2-2 膨胀土取样点位置Figure 2-2 Sampling point location of expansive soil常平顶山膨胀土层上部主要还有钙质结核和粉质黏土层，该地区的 2-3 所示。

图 2-2 膨胀土取样点位置Figure 2-2 Sampling point location of expansive soil通常平顶山膨胀土层上部主要还有钙质结核和粉质黏土层，该地区的主要地层如图 2-3 所示。

【参考文献】

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本文编号：2763657