南水北调中线工程膨胀岩(土)力学特性试验研究

摘要

膨胀岩是一种特殊的软岩，具有典型的胀缩性、超固结性、多裂隙性。膨胀岩（土）所处的地理位置多是干旱和半干旱地区，天然状态下呈现较硬状态，具有很高的抗剪强度；但是，随着雨水的入渗，土体含水率上升，其抗剪强度会大幅下降，表现出“变动强度”的性质。由于膨胀岩（土）的强度受到岩性、应力应变历史、裂隙状态、含水率等多方面特性的影响，膨胀岩（土）强度变异性较大，工程中要准确的测定其强度有较大的困难。本课题依托南水北调中线工程一期工程总干渠新乡膨胀岩（土）试验段（潞王坟段）工程通过室内试验、现场测试等多种手段来研究膨胀岩的力学特性。主要研究工作及所得到的认识如下：
　　 （1）详细分析了新乡潞王坟膨胀岩试验段的工程地质环境，取样进行了大量的室内基本土性试验，得到了新乡潞王坟膨胀岩试验段膨胀岩（土）的基本物理力学性质。
　　 （2）针对膨胀岩不同岩层、不同裂隙结构面分布等进行现场大型直剪试验和室内大型直剪试验，获取了膨胀岩的原状强度。成果表明：在现场岩体剪切试验中，随剪切位移的增长，剪应力很迅速的增加到峰值，当剪切位移仅仅为3～8mm时，剪应力就达到了峰值，之后剪切位移快速增长，剪应力迅速下降。裂隙对粘土岩强度有重大的影响，粘土岩的裂隙面强度<裂隙带强度<岩体强度。粘土岩裂隙面强度的内摩擦角仅为裂隙带强度的45％左右，粘聚力仅为裂隙带强度的47％左右。裂隙带强度的内摩擦角仅为岩体强度的60％左右，粘聚力仅为岩体强度的42％左右。室内大型直剪试验结果显示：泥灰岩的室内外试验结果一致性好，室内粘土岩大型直剪试验不能反映裂隙对粘土岩强度的影响。此规律是否具有普遍性，还需要更多的工作来证实。
　　 （3）通过控制含水率、干密度进行室内常规直剪试验探讨膨胀土强度的变化规律，试验结果表明：高密度条件下，剪应力-剪切位移关系曲线是软化型，随着含水率、垂直压力的增加，剪应力-剪切位移关系曲线从软化型发展成稳态型；内摩擦角（）、凝聚力c与干密度ρd成良好的二次函数关系，凝聚力c与干密度ρd成良好的指数函数关系，内摩擦角（）、凝聚力c与含水率w成良好的线性关系。
　　 （4）进行了粘土岩的三轴剪切试验，成果表明：原状样的CD试验应力-应变关系曲线为软化型，峰值对应的轴向应变为1％～2％，峰值后强度下降较多；重塑样应力-应变关系为稳态型应变硬化曲线，以塑性破坏为主；同时，原状样和重塑样都具有一定得剪胀性。随着含水率的增加，重塑样的CU抗剪强度逐渐降低。低围压作用下，应力-应变曲线软化特征明显，到达峰值时轴向应变为5％～8％；随着围压的增加，虽然达到峰值时轴向应变增大，但是土体的破坏仍呈现一定程度的脆性破坏性质，即剪切微裂隙在很短的时间内发展成剪切面，破坏具有突然性，破坏后强度迅速下降。
　　 （5）进行了粘土岩的无侧限抗压强度试验，成果表明：原状样破坏模式接近脆性破坏，破坏时轴向应变为2％，剪切面明显且沿原生裂隙开展；重塑样的破坏带有一定脆性破坏性质，重塑样的应力-应变曲线为软化型。原状样无侧限抗压强度为重塑样的50％，初始切线模量为重塑样的2倍；重塑样的无侧限抗压强度、初始切线模量都随干密度的增大而增大，且增幅变大；表明的提高干密度对粘土岩无侧限抗压强度、初始切线模量的提高效果显著。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 研究意义与背景

1.1.1 膨胀岩(土)的灾害问题

1.1.2 选题背景

1.2 膨胀岩(土)的工程特性

1.2.1 膨胀土与塑性图

1.2.2 膨胀土的物理性质

1.2.3 膨胀岩(土)的工程特性

1.3 膨胀岩土强度与本构关系的研究现状

1.3.1 强度与变形特性研究

1.3.2 本构关系的研究

1.4 本文的研究内容

第二章 膨胀岩的工程地质环境和基本特性研究

2.1 试验段概况

2.2 膨胀岩工程地质环境

2.1.2 成岩环境及地层岩性

2.1.3 构造背景

2.1.4 水文地质环境

2.3 膨胀岩基本特性试验研究

2.3.1 试验材料

2.3.2 试验的制各

2.3.3 基本物理性质

2.3.4 胀缩特性

2.3.5 渗透特性

2.4 本章小结

第三章 膨胀岩大型直剪试验研究

3.1 引言

3.2 直剪试验的发展与应用

3.2.1 直剪试验原理

3.2.2 直剪仪的发展

3.2.3 大型直剪仪的应用

3.3 现场大型直剪试验

3.3.1 试验场地概况

3.3.2 试验仪器

3.3.3 试验方法和试验步骤

3.3.4 现场大型直剪试验结果

3.5 室内大型直剪试验

3.5.1 试验仪器

3.5.2 试样的制备

3.5.3 室内试验结果分析

3.6 现场-室内大型直剪试验对比分析

3.7 本章小结

第四章 重塑膨胀岩土的强度特性研究

4.1 引言

4.2 试验理论依据

4.3 试验方案及试验步骤

4.4 干密度对重塑膨胀土强度的影响

4.4.1 不同干密度下的剪应力—剪切位移特性

4.4.2 干密度对重塑膨胀土强度指标的影响

4.4.3 干密度对强度的影响机理分析

4.5 初始含水率对重塑膨胀土强度的影响

4.5.1 初始含水率对膨胀土重塑样强度指标的影响

4.5.2 初始含水率对强度的影响机理分析

4.6 垂直压力对重塑膨胀土强度的影响

4.6.1 不同垂直压力的应力应变特性

4.6.2 垂直压力对强度影响的分析

4.7 本章小结

第五章 膨胀岩三轴试验研究

5.1 三轴试验的试验方法和步骤

5.1.1 三轴试验仪器

5.1.2 试样的制备及试验方法

5.3 三轴固结排水试验研究

5.4 三轴固结不排水试验研究

5.5 无侧限抗压强度试验研究

5.5.1 原状样-重塑样试验结果分析

5.5.2 不同干密度下的无侧限抗压强度

5.6 本章小结

结论与展望

1 本文进行的工作

2 取得的主要结论

3 展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢