高寒区(严寒区)膨胀土是一个新的冻土学与冻土工程重大问题。《高寒区高铁膨胀土与工程》围绕高寒区高铁建设发展的工程需求,较全面介绍了高寒区膨胀土的基本特性、冻融特性、胀缩特性、流变特性、冻融损伤宏细观特性与相应的分析理论、方法,以及膨胀土边坡与隧道的工程问题、分析方法、处置措施。主要内容包括:高寒区膨胀土基本特征及其与非冻土区膨胀土之间差异、开放系统非饱和膨胀土冻胀特性、冻结膨胀土统计损伤模型、冻融膨胀土宏细观损伤特性、冻融膨胀土双屈服面弹塑性本构模型、冻融膨胀土蠕变与松弛特性、非饱和膨胀土水-热-变形耦合冻胀模型、膨胀土边坡冻融稳定性与滑塌机制、膨胀土隧道施工方法与防冻害措施。
第1章绪论
1.1工程背景与存在问题
我国是一个冻土大国，多年冻土和季节性冻土面积分别占国土面积的21.5%和53.5%，主要分布在我国青海、西藏、内蒙古、东北大部分地区［1］。季节冻土区自东向西划分为湿润区、半湿润区、半干旱区、干旱区，气候区域性差异显著。其中，绝大多数地区地下水资源为小于10万m3/km2的松散岩类孔隙水和基岩裂隙水，部分地区为10万～20万m3/km2的松散岩类孔隙水［2］。随着“交通强国”战略和“十四五”规划的提出，我国交通线路迅速发展。在高寒深季节冻土区（如哈尔滨地区、佳木斯地区、延吉地区等），一些已建、正在与计划建设的高速铁路、快速客运专线穿越大面积的膨胀土且具有丰富地下水的复杂场地，如吉（吉林）—图（图们）—珲（珲春）高铁沿线地层的白垩系—第四系上更新统泥质软岩、玄武岩残积层、泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、黏土岩、黏性土等，均为膨胀性土体，分布于蛟河盆地、敦化高松树、延吉—珲春等地，累计长度达97km；而哈（哈尔滨）—佳（佳木斯）高铁沿线地层主要为白垩系—新近系泥岩、凝灰岩等，发育大面积的膨胀性土体，分布于哈尔滨—方正、牡丹江以西、依兰—佳木斯、佳木斯站—东佳木斯站等地，累计长度达78km。膨胀土具有显著的吸水膨胀性与失水干缩性、干裂性，而强风化与全风化膨胀土具有更强的膨胀性、蠕变性、渗水性，且强度低、稳定性差。同时，丰富的降水、地下水场地条件和极端低温（部分地区可达-40℃）下，膨胀土的湿胀干缩和冻胀效应更加突出，膨胀土场地上建设的工程极易出现灾害。自2013年以来，在季节冻土区膨胀土场地高铁建设中陆续出现膨胀土灾害问题，如膨胀土边坡滑塌、隧道衬砌大变形、小盘岭1号隧道塌方等，深季节冻土区膨胀土场地重大基础设施的施工建设和运行安全问题备受关注。
高寒季节冻土区周期性冻融作用是诱发膨胀土灾害的主要原因之一。在高寒季节冻融极端环境中，季节性冻融作用诱发膨胀土灾害将直接影响高铁建设与安全运行。由于我国深季节冻土区高铁建设中遇到的深厚残坡积膨胀土灾害尚属国际高寒区首次发现，针对这方面的研究仍很匮乏。高寒深季节冻土区，存在丰富的浅表地下水和深厚膨胀土层的反复冻融，快速轨道建造过程中路基、边坡和隧道的冻害防控和快速安全施工等缺乏可靠的理论依据与可行的技术方法，很难或无法满足高质量建设施工与稳定控制要求。“动态设计、经验施工”是这类复杂场地条件下工程建设的主要原则，缺乏科学的理论依据与可靠的计算方法，存在极大的盲目性与风险性，将给工程建设的发展埋下极大的隐患。图1-1为东北某一快速客运专线深厚膨胀土场地沿线人工路堑高边坡破坏情况。综上，高寒季节冻土区膨胀土失稳破坏已成为严重影响高铁行车安全的重要原因之一。
1.2膨胀土特性研究进展
作为一种高塑性的特殊土，膨胀土中含有较多亲水性极强的矿物成分，表现出吸水膨胀、失水皱缩、浸水强度骤降等诸多水敏性特征。在我国季节冻土区，膨胀土广泛分布，冻融循环作用对膨胀土的影响不容忽视。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差异，从而诱发膨胀土灾害。因此，有必要针对膨胀土的力学特征、冻胀机制与影响因素、弹塑性本构模型等方面进行研究分析。
1.2.1非饱和膨胀土强度特性
在非饱和膨胀土的强度特性研究方面，主要集中于通过三轴或直剪试验研究膨胀土初始含水率、饱和度、初始干密度等物理力学参数对强度的影响规律，分析非饱和膨胀土结构特征与宏观力学强度之间的关联性。针对非饱和膨胀土膨胀力测试方法，目前常用的是零膨胀试验与膨胀-固结试验两种测试，即抑制膨胀试验和双固结膨胀试验，两种测试方法下均呈现膨胀压力随初始干密度增加而增加，随初始含水率增加而减小的试验规律。在恒定吸力与变吸力下的力学特性方面，非饱和高膨胀性黏土与普通非饱和土没有显著差异，因此建立统一本构模型是可行的，在此基础上提出非饱和高膨胀性黏土的本构模型框架。不同应力路径的三轴试验结果表明：膨胀土各向同性压缩屈服特性可用LC（Loading Collapes，加载湿陷）屈服面表达；不同围压下，收缩路径的屈服吸力随围压增大而减小。在胀缩循环作用下，非饱和膨胀土的力学响应特征体现为在胀缩过程中竖向膨胀变形量与竖向收缩变形量相等且胀缩路径可逆。非饱和膨胀土的抗剪强度试验结果表明：膨胀力与试样含水率之间存在指数关系，非饱和膨胀土强度与膨胀力存在线性关系，非饱和重塑膨胀土吸力与吸力强度存在特征。双压力室非饱和土三轴仪对于探究吸力变化对非饱和膨胀土变形与抗剪强度的影响起到重要作用。进一步结合微观试验探究土样力学特性与内部结构特征的相关性，明晰非饱和膨胀土不同裂隙状态下的强度影响因素与变化规律。
1.2.2干湿循环作用下膨胀土力学特性
膨胀土含有较多水敏性强的蒙脱石、伊利石等黏土矿物。在干湿交替频繁的气候环境中，“遇水膨胀、失水收缩”的胀缩性明显，引起严重的岩土工程问题，受到国内外学者的广泛关注，主要集中于干湿循环作用下膨胀土吸力、强度和胀缩变形的演化规律。无论是原状还是重塑膨胀土，在经历过多次干湿循环作用后，黏聚力显著减小，但内摩擦角变化不大；膨胀土上覆荷载越大，抗剪强度越大；在相同上覆荷载作用下，随着干湿循环次数的增加，抗剪强度逐渐减小，最终趋于稳定；上覆荷载对于膨胀土干湿循环作用下的胀缩变形具有抑制作用；渗透系数随干湿循环次数的增加而增加；干湿循环作用显著影响膨胀土的前期固结压力、初始压缩指数、弹性压缩指数等指标；反复干湿循环试验后膨胀土出现“疲劳”现象，这可能与干湿循环引起膨胀土内部裂隙增多有关，基于此提出一种实际荷载作用下计算膨胀土胀缩变形的方法。膨胀土在反复干湿循环过程中出现可逆的弹性响应，经历持续的收缩变形将增加膨胀土的超固结比。膨胀土在吸湿与干燥过程中吸力变化大致可分为快速变化、过渡变化和平缓变化3个阶段。
目录
前言
第1章绪论1
1.1工程背景与存在问题1
1.2膨胀土特性研究进展2
1.3高寒区膨胀土工程失效特征6
1.4高寒区膨胀土工程防控技术7
参考文献8
第2章高寒区膨胀土基本特征9
2.1概述9
2.2高寒区膨胀土物质组成和物理特性9
2.3高寒区膨胀土持水特性21
2.4高寒区膨胀土热物理性质25
2.5高寒区膨胀土胀缩特性29
2.6高寒区与非冻土区膨胀土工程地质性质对比31
2.7结论与总结34
参考文献34
第3章膨胀土冻融-胀缩耦合试验技术与装备36
3.1概述36
3.2开放系统膨胀土冻融-胀缩耦合试验装备36
3.3膨胀土冻融-胀缩耦合试验步骤与若干要点52
3.4结论与总结54
参考文献54
第4章开放系统非饱和膨胀土冻结水热效应与冻胀特性56
4.1概述56
4.2非饱和膨胀土冻结孔隙水温度效应56
4.3非饱和膨胀土基本冻胀特性66
4.4结论与总结85
参考文献86
第5章冻结膨胀土力学特性与结构损伤特性87
5.1概述87
5.2膨胀土低温三轴试验概况87
5.3冻结膨胀土力学特性89
5.4冻结膨胀土统计损伤模型94
5.5结论与总结99
参考文献99
第6章非饱和膨胀土水-热-变形耦合冻胀模型101
6.1概述101
6.2非饱和膨胀土冻结-胀缩牵连机制101
6.3非饱和膨胀土水-热-变形耦合冻胀模型103
6.4非饱和膨胀土水-热-变形耦合冻胀模型应用算例116
6.5结论与总结119
参考文献120
第7章冻融膨胀土流变特性121
7.1概述121
7.2非冻融膨胀土蠕变试验121
7.3冻融膨胀土蠕变试验128
7.4非冻融膨胀土松弛试验132
7.5冻融膨胀土松弛试验139
7.6基于西原模型融合扰动状态的冻融膨胀土流变模型144
7.7结论与总结152
参考文献153
第8章冻融膨胀土微细观结构与宏观力学特性154
8.1概述154
8.2冻融膨胀土微细观结构演变规律154
8.3冻融膨胀土宏观力学特性与演变规律162
8.4冻融膨胀土细观结构损伤与宏观力学性能劣化关联性166
8.5结论与总结169
参考文献169
第9章冻融膨胀土双屈服面弹塑性本构模型171
9.1概述171
9.2非冻融非饱和膨胀土弹塑性本构模型171
9.3冻融膨胀土基于广义塑性理论弹塑性本构模型173
9.4冻融膨胀土基于广义塑性理论弹塑性本构模型参数179
9.5冻融膨胀土基于广义塑性理论弹塑性本构模型数值实现182
9.6结论与总结187
参考文献187
第10章冻融膨胀土路堑边坡春融期稳定性与滑塌机制189
10.1概述189
10.2膨胀土路堑边坡春融期融雪入渗稳定性分析189
10.3春融期膨胀土路堑边坡滑塌机制208
10.4结论与总结213
参考文献213
第11章高寒区富水膨胀土隧道施工与止水防渗防冻215
11.1引言215
11.2吉图珲高速铁路东兴隧道工程概况215
11.3高寒区富水膨胀土大跨浅埋隧道暗挖工法216
11.4上下分步左右同步SRD法数值仿真分析220
11.5高寒区富水膨胀土隧道施工止水与运行防渗防冻一体化技术239
11.6结论与总结251
参考文献252
