膨胀土的判别与分类及其成因

膨胀土在我国的分布面积很广，已造成的灾害损失触目惊心。随着我国公路建设的迅速发展，其对公路工程的各种危害也日益严重，因此，在公路工程设计和施工中，加强对膨胀土分布的了解及对它的危害性采取有效的防范措施，就晃得非常必要。本文着重讨论了有关膨胀土的基本概念、特点、判别方法、判别指标以及分类方案和分布与成因等问题。     

膨胀土路基填料的判别与分类方法研究

依托广西崇左—上思二级公路的膨胀土路基工程,通过对现有膨胀土分类与判别方法的分析与探讨,提出了能充分反映和表征路基膨胀土的要求和胀缩机理的液限、塑性指数、自由膨胀率、<0.005 mm颗粒含量、CBR膨胀率的五指标判别方法,并用灰色类聚法进行验证,得到了基本一致的判别与分类结果。     

膨胀土判别的属性测度模型

结合高速公路路基膨胀土的判别实践,提出了基于属性数学理论的膨胀土属性测度评判模型。首先根据《公路路基设计规范》对膨胀土评判要求以及有关专家学者的研究成果,提出用于膨胀土判别的评价指标,然后根据属性数学的基本理论构造属性测度函数,以属性测度函数计算单指标的属性测度和不考虑指标权重的综合属性测度,以该综合属性测度对膨胀土的膨胀等级进行判别,最后以置信度准则进行膨胀土胀缩等级的属性识别。研究中,以客观性权重和相似权分别对评价指标进行赋权,计算赋权后的评价指标的综合属性测度,从而对不考虑指标权重的综合属性测度评判模型进行对比和验证。结果表明,三者评价结果相同,且评价结果与《公路路基设计规范》评判法、模糊综合评判法的评价结果有较好的一致性。     

公路路基膨胀土判别和分类的属性识别方法

通过构造单指标属性测度函数,以计算单指标属性测度和相似数定义相似权的方法,按一种客观性标准确定膨胀土评价指标的权重值,从而建立基于相似权的膨胀土评判的属性识别模型。以公路路基膨胀土的检测数据为例,说明该模型的使用方法和评判过程。新的膨胀土判别与分类方法具有准确度高、易操作的优点。     

对新公路膨胀土判别分类指标和标准的试验验证

以标准吸湿含水率为主控指标的新公路膨胀土判别分类标准尚处于试行阶段,仍需得到广泛的验证.为此,对我国6个典型膨胀土分布区的土样进行了系列物理化学性质试验,分析了标准吸湿含水率与蒙脱石含量、比表面积、阳离子交换量之间的相关性,应用新标准和其他代表性标准对各土样进行了分类,并将结果进行了分析比较.研究表明,标准吸湿含水率与能正确表征膨胀土胀缩潜势的微观指标之间具有良好的线性关系,新标准与以微观指标为主的标准对膨胀土分类的结果一致,由此验证了标准吸湿含水率作为膨胀土判别分类指标的合理性以及公路膨胀土判别分类新标准的准确性.     

基于范例推理的膨胀土判别与分类方法研究

针对膨胀土判别分类方法的多样性及复杂性,提出了基于范例推理的膨胀土判别与分类方法,即通过数学方法计算出将要判别的目标范例与由各种膨胀土案例组成的源范例库中最相似的已知源范例,推知目标范例的类别与源范例一致,从而实现膨胀土的判别。     

膨胀土胀缩等级的模糊评判

该文分析了现有膨胀土胀缩等级评判方法和标准,通过研究膨胀土物化实验的结果,提出了能充分反映和表征膨胀土胀缩机理和特性,且实验简单、容易测量的比表面积,小于5μm颗粒百分含量和塑性指数判别膨胀土等级的方法。建立了膨胀土胀缩等级判别的模糊数学模型,并通过最小二乘法分析了上述三项指标与膨胀土自由膨胀率之间的关系,根据理论分析和大量实测资料建立了每个指标的权重。     

膨胀土分类方法研究

膨胀土胀缩等级的确定是膨胀土地区工程建设的重要工作。对国内外现有膨胀土的分类方法进行了综述,通过对现有膨胀土分类方法的对比,指出了各种膨胀土分类方法的优缺点。同时通过室内试验,采用标准吸湿含水率对常张高速公路和南友高速公路地区的膨胀土进行了重新分类,为今后在这些地区的工程建设提供了参考数据。     

膨胀土填料分类指标体系的合理性验证

为进一步检验膨胀土填料分类指标体系的合理性,对在建广西百隆高速路上3种膨胀土系统开展了基本土性和各种强度、变形等路用性能试验,全面分析测试结果并对照新填料分类体系,3种土样均满足以改进CBR值、改进CBR膨胀量和稠度为指标的分级标准,都可直接用于下路堤填筑。据此,按物理处治技术原理并结合工程实施条件,采取粘土包边膨胀土夹层填芯方案,将性质最差的1号土分2阶段填筑于ZK176+135～+410路段,共消耗膨胀土60 000 m3,跟踪检测表明,路堤施工质量良好。通过系统试验和修建工程实体验证了膨胀土填料三指标分类体系的合理性。     

膨胀土侧向膨胀力试验研究与应用

侧向膨胀力是膨胀土支挡结构设计计算中的关键参数。为揭示并表征膨胀变形影响下侧向膨胀力的变化规律,研制二维膨胀仪,提出侧向膨胀力试验方法,以广西百色压实膨胀土为对象,分别研究竖向膨胀和侧向膨胀影响下侧向膨胀力的变化规律,并建立相应的关系表达式。试验结果表明：恒体积浸水条件下,侧向膨胀力与竖向膨胀力之比为0.42;完全侧限条件下,侧向膨胀力会因竖向膨胀的增大而减小;竖向应力通过影响竖向膨胀变形从而间接影响侧向膨胀力;竖向膨胀相关的侧向膨胀力折减系数D_f随竖向应力比（竖向应力与竖向膨胀力之比）的变化可用幂函数表征。保持竖向膨胀不变条件下,侧向膨胀力会随侧向应变（侧向膨胀率）的增大而减小;侧向膨胀力越大,最终侧向应变越大;侧向膨胀相关的侧向膨胀力折减系数R随侧向应变比（侧向应变与最终侧向应变之比）的变化亦可用幂函数表征。以浸水条件下大型膨胀土挡墙为例,应用该试验成果分别计算挡墙静止和被推移时的侧向膨胀力沿深度的分布,实测结果验证了计算结果的合理性。提出的侧向膨胀力试验方法和表征公式简单实用,可提高膨胀土支挡结构设计计算中关键参数取值的准确性。     

基于工程应用的膨胀土本构模型

采用侧限有荷膨胀试验,研究了膨胀土有荷膨胀率和上部荷载、终了含水量以及过程含水量之间的关系,据此推导出了可以用来计算膨胀土路堤随含水量以及上部荷载变化而变形的本构模型。研究结果表明:在初始含水量一定的条件下,有荷膨胀率与上部荷载半对数呈线性关系,终了含水量与上部荷载半对数呈线性关系,有荷膨胀率与过程含水量呈线性关系;该模型是利用室内常规试验可以得到的,能反映研究地区岩土体主要性状的应用型本构模型。     

膨胀土路基的胀缩变形模型试验

为了研究不同气候条件下膨胀土路基的胀缩变形规律,通过8组膨胀土路基模型试验,对广西南友路宁明地段中等膨胀土和湖南常张路慈利地段弱膨胀土,在压实度为90%和不同排水边界条件下,模拟路基分别处于积水、阴天、日照、降雨4种条件,研究膨胀土路基中各位置测点的胀缩变形大小及变化规律等,获得了这两种膨胀土路基的竖向和水平方向的胀缩变形量与变化规律。研究结果对膨胀土路基的设计和施工,保护路基、路面及路基中的构造物具有重要的理论和工程实际意义。     

隧道围岩稳定性改进模糊概率模型及其应用研究

为更加准确有效地判别隧道围岩稳定性,引入RandWPSO-LSSVM(随机权重粒子群算法-最小二乘支持向量机)围岩极限位移预测模型,对传统模型的隶属函数进行优化,建立围岩稳定性改进模糊概率模型。基于改进模型方法,由围岩位移预测值u、预测位移标准差、围岩极限位移预测值U 及预测极限位移标准差即可求解隧道围岩稳定概率,并结合8 个工程算例对模型进行验证。结果表明,改进模型解决了传统模型隶属函数存在的极限位移取值范围不合理的问题,且有效消除了隶属函数线性简化处理导致的偏差,由其计算的稳定概率与实际情况吻合较好,围岩稳定性评价结果的可靠性更高; 将改进模型应用于实际工程的隧道围岩稳定性判别中,计算结果能够较好地反映实际工程情况。     

膨胀土地基浸水膨胀变形模型试验研究

通过10 m×2.5 m×4.1 m(长宽高)的大型模型试验,研究了深层浸水条件下膨胀土地基膨胀变形和含水率变化规律,进行了含水率、表面隆起、深层隆起等测试。试验结果表明,土体干密度和上覆荷载对膨胀变形和含水率变化影响较大,土体含水率的变化可分为起始、突变、稳定3个阶段;上覆荷载越大,土体表面隆起越小,表明上覆荷载能有效抑制膨胀土膨胀变形;膨胀土地基可划分为压密区、中性区和膨胀区3个变形特征区,或3个区的组合,变形区的高度不仅与外加压力值有关,且与基础大小和形状有关。研究结果对膨胀土路基的设计和施工具有重要的理论和工程实际意义。     

基于扰动状态理论的生物酶改良膨胀土K-G模型

以生物酶改良膨胀土的非线性弹性本构关系为研究对象,提出基于扰动状态理论的修正K-G模型。首先开展不同生物酶掺量条件下的重塑膨胀土样的等向固结排水试验和等p三轴固结排水剪切试验,研究生物酶改良膨胀土的应力-应变关系特征,基于非线性弹性K-G模型,分析生物酶掺量对膨胀土的切线体积模量K_t和切线剪切模量G_t中相关参数的影响规律。采用生物酶掺量作为扰动掺量,以试验和扰动状态概念为基础建立扰动函数,基于扰动状态理论对K-G模型进行修正,以反映生物酶掺量对改良膨胀土应力-应变扰动关系,使本构关系符合土体的实际变形过程,更合理地描述生物酶改良膨胀土的非线性弹性应力-应变关系。结果表明：通过对比ε_v-p及ε_s-q的试验曲线、K-G模型曲线与修正K-G模型理论计算曲线,体应变ε_v的K-G模型预测值小于试验值,而剪应变ε_s的K-G模型预测值大于试验值,修正K-G模型的体应变ε_v和剪应变ε_s的预测值都与试验值较为接近。修正K-G本构模型中各参数物理意义明确,与K-G模型中的参数确定方法一致,可以较合理地描述不同生物酶掺量扰动条件下改良膨胀土的变形特性。     

基于模糊模式识别的公路隧道围岩级别判定

应用模糊数学方法,建立模糊模式识别模型,给出了经过较为简单的计算快速、准确地判定公路隧道围岩级别的方法,并运用它对实际公路隧道围岩进行判别,获得了理想的结果。     

南宁膨胀土作路堤填料的土性试验

围绕南宁膨胀土能否直接用作路堤填料问题,系统开展了该类膨胀土的各种土性和路用性能试验研究。通过详细整理测试数据、系统分析试验成果,全面对照膨胀土路堤物理处治技术中新的填料分类指标体系,从路基填料的强度、变形和施工可碾压性3个方面逐一展开分析论证。结果表明:除一处土样天然稠度不满足要求外,其余南宁膨胀土均可直接用来填筑外环公路的下路堤;所得结果为该段路基实施物理处治方案设计提供了理论依据和参数。