高寒季节冻土区膨胀土边坡冻融变形特征分析

构建了三维膨胀土路堑边坡―板桩墙支护体系数值模型并验证了模型的可靠性，结果表明：无积雪覆盖周期性冻融情况下，随着冻融循环次数的增加，边坡坡面和坡面沿深度方向水平位移逐渐增大。冻融循环作用主要影响靠近坡脚处一级坡面；春融期积雪覆盖极端冻融情况下，由于春融期积雪入渗作用，导致膨胀土边坡坡面发生较大位移，随着冻融引起的融雪入渗加剧，坡面水平位移逐渐增加，最大水平位移位于一级边坡坡脚处，说明坡脚是决定边坡稳定性的主要部位。因此，对坡脚处进行防/排水或加固处理对边坡的稳定性具有重要意义。
第 1 章 绪 论

1.1 课题来源与研究意义

我国是一个冻土大国，冻土主要分布于青海、西藏和内蒙、东北大部分地区，而东北为典型高寒深季节冻土区[1-2]。中国冻土分布见图 1-1 [3]。近年来，随着我国寒区重大工程实践的日益发展―特别是高速铁路（包括快速客运专线建设），在高寒深季节冻土区（如哈尔滨地区、吉林延吉地区等）陆续发现具有特殊不良工程性能且大面积分布的膨胀土[4-6]，这些地区较多为浅地下水丰富的边坡场地条件[7-13]。地质灾害调查与工程实践表明，高寒季节区周期性冻融作用成为诱发膨胀土路堑边坡滑坡的主要原因之一。

1.2 国内外研究现状及分析

冻融循环作用下膨胀土细观结构产生裂隙，随着冻融循环的加剧，裂隙损伤引起细观结构发生非线性演化，最终表现为显著的宏观力学特性的差异，从而诱发高铁膨胀土人工路堑边坡发生失稳破坏。因此，膨胀土冻融细观结构损伤与宏观力学特性劣化存在紧密关联。此外，膨胀土冻融宏观力学特性直接与其本构模型有关，考虑冻融循环作用的膨胀土本构模型及其在高寒季节冻土区高铁膨胀土边坡的应用具有重要的理论与现实意义。鉴于此，为了更好总体把握本课题的研究现状，有必要针对膨胀土细观结构、宏观力学特性、弹塑性本构模型、膨胀土边坡变形特性及稳定性分析等四个方面进行阐述。

1.2.1 膨胀土微细观结构的研究

膨胀土是一种对环境的湿热变化敏感、颗粒高度分散的粘土矿物，其主要特点有吸水膨胀、失水收缩等。目前，国外学者针对膨胀土的细观结构开展了大量研究。Katti 和 Shanmugasundaram[24]研发了一种新型可控制膨胀变形的装置，以此研究膨胀土膨胀过程中细观结构的变化。试验中饱和试样在原来体积基础上分别膨胀 0%、50%、75%，然后对膨胀后的土样利用能量色散 X 射线分析，识别图像中的孔洞与颗粒灰度。研究表明膨胀变形导致团聚体分解成更小的颗粒，从而影响膨胀土的细观结构。Al-Mukhtar 等[25]通过 X 射线衍射、热重分析、扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）等方法，对比采用石灰改良的膨胀土与未处理的膨胀土在岩土工程性能（主要包括塑性、无侧限抗压强度、膨胀压力、渗透性）及细观结构方面的差异性。Al-Rawas 和 McGown[26]选取三个不同地点的膨胀土进行研究，探究其细观结构变化。Lin 和 Cerato[27]针对两种天然的膨胀土试样，采用扫描电镜（SEM）与环境扫描电镜（ESEM）对其进行扫描成像，探究膨胀土细观结构在干湿循环作用下演化规律。Stoltz 等[28]研究石灰改良的膨胀土在吸水与干燥情况下宏观与细观结构的演化规律。在宏观层面上，测定改良膨胀土（石灰含量分别为 0%、2%和 5%）在不同固化时间（0、28、180 天）下的土水特征曲线。此外，Cuisinier 等[29]也研究石灰改良膨胀土的细观结构变化规律，并探讨其饱和土的导电性。结果表明添加石灰会导致土样最大干密度发生显著变化，但对导电性能影响不大。Nowamooz 与 Masrouri[30]采用由渗透技术控制的吸力式里程表，针对膨胀土/淤泥土混合体进行试验研

究，通过压汞试验，分析孔隙结构变化。Romero[31]基于不同多模态孔隙分布的压实粘性土的细观结构与宏观特性研究结果，构建了一个可描述粘性土水―力特性的综合图像。Hicher 等[32]对通过室内三轴试验，分析各向异性对高岭土和火山灰土力学性质的影响。Sridharan、Griffiths 等[33-34]基于 CT 扫描试验，研究土体细观孔隙在加载过程中的变化规律。Nemat-Nasser 与 Okada[35]利用 X 光和显微镜分析不同排水条件下膨胀土细观结构的变化特征。

第 2 章 冻融循环作用下膨胀土细观结构与宏观力学特性演化规律

2.1 引言

目前，已有研究多集中在常温下膨胀土细观结构及宏观力学特性的研究，但对冻融环境下膨胀土细观结构损伤和力学特性演化规律研究鲜有报道。本章基于膨胀土冻融前后压汞试验（MIP）、CT 扫描试验，以及三轴固结排水剪切试验，揭示周期性冻融作用对膨胀土细观结构与宏观力学特性的影响，探讨冻融膨胀土内部细观结构损伤诱发的宏观力学特性劣化的内在关联。

2.2 膨胀土基本物理特性

膨胀土的形成过程决定其组成（主要有亲水矿物蒙脱石组成）及各组成成分的比例关系，以及膨胀土的基本物理性质指标（密度、重度、含水率等），是后面研究冻融膨胀土宏细观结构的前提。针对高寒季节冻融环境边坡场地，定位于我国季节冻土区高铁发展中常见的强风化与全风化膨胀土人工路堑边坡，依托吉林―图们―珲春（吉图珲）高铁，选取延吉段人工路堑边坡底部、中部和坡顶作为膨胀土土样采集点（见图 2-1），开展冻融环境膨胀土细观结构与宏观力学特性变化规律研究。