（地质工程专业论文）含水率对甘肃黄土边坡抗剪强度的影响研究.pdf

摘要 甘肃黄土高原地区黄土分布广、厚度大，最厚处超过3 0 0 m 。受地层岩性控制，该 地区的工程地质问题十分严重。在边坡工程、路基工程及基坑工程等建设中，均需进行 边坡稳定性评价，而土的抗剪强度参数是各类工程稳定性评价的必备指标，因此对土的 强度参数的研究一直以来都具有非常重要的意义。 本文通过野外极限状态坡测量、取样及不同含水率下的原状土的直剪试验、三轴压 缩试验和重塑土的反复剪切试验，测得了甘肃地区不同地层黄土的三类抗剪强度指标。 试验结果表明： 1 直剪试验中土样含水率对粘聚力影响较大，对内摩擦角影响较小；而三轴试验中土 样含水量不仅对粘聚力有较大影响，对内摩擦角也有较大影响，体现为中问含水量下的 内摩擦角大，低含水量和高含水量下内摩擦角小的现象。分析认为该现象是由于直剪试 验和三轴压缩试验中土的破坏模式不同所致：直剪试验的剪切面固定；而三轴试验在不 同含水量下破坏机理不同，剪切面不固定，剪切面上的正应力变化较大。 2 反复剪切试验测得的残余强度的内聚力c 值基本接近于零，不随含水率及粘粒含量 的变化而变化；而中值随含水率及粘粒含量的升高而降低。表明c 值的大小主要取决于 土的结构强度，巾值的大小与粘粒含量及剪切过程中土颗粒的定向排列有很大关系。 3 基于极限状态坡的反演分析，提出了一种直剪强度参数的校正方法。利用启动含水 率下的三轴试验参数对直剪试验参数进行了修正。结果发现直剪试验的内聚力c 值的校 正值随液塑限、粘粒含量的增大而减小，内摩擦角q 值基本不受液塑限、粘粒含量的变 化影响。该校正值对边坡的防护设计及治理具有一定的借鉴意义。 关键词：黄土、直剪试验、三轴压缩试验、反复剪试验、极限状态坡、校正值 a b s t r a c t l o e s si ng a ns ua r e ah a saw i d ed i s t r i b u t i o na n dal a r g et h i c k n e s s ，w h i c hi sm o r et h a n 3 0 0m e t e ri ns o m ea r e a c o n t r o l l e db ys t r a t u ml i t h o l o g y , t h ee n g i n e e r i n gg e o l o g yp r o b l e m si s v e r ys e r i o u s s ot h es t a b i l i t ya n a l y s i si s n e c e s s a r yi ns l o p ee n g i n e e r i n g ，e m b a n k m e n t e n g i n e e r i n ga n de x c a v a t i o nt r e a t m e n te t c t h es h e a rs t r e n g t hp a r a m e t e r sa r et h ee s s e n t i a l i n d e xi ne n g i n e e r i n gs t a b i l i t ya n a l y s i s s t u d y i n go ns h e a r s t r e n g t hp a r a m e t e r sh a sb e e ng o ta v e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e b yt h em e a s u r e m e n to fl i m i ts l o p e ，s a m p l i n ga n dd o i n gd i r e c ts h e a rt e s ta n dt r i a x i a l c o m p r e s s i o nt e s to fu n d i s t u r b e ds o i la n dr e p e a t e ds h e a rt e s to fr e m o u l d e ds o i lu n d e rd i f f e r e n t w a t e rc o n t e n t ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h r e ek i n d so fs h e a rs t r e n g t hp a r a m e t e r so fl o e s si ng a ns u a r e a t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a t ： 1 i nd i r e c ts h e a rt e s t ，t h ew a t e rc o n t e n th a sal a r g e re f f e c to nt h ec o h e s i o na n dh a sa r e l a t i v e l ys m a l le f f e c to nt h ei n t e r n a lf r i c t i o na n g l e ；h o w e v e ri nt r i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s t ，t h e w a t e rc o n t e n th a sal a r g e re f f e c tn o to n l yo nt h ec o h e s i o nb u ta l s oo nt h ei n t e m a lf r i c t i o n a n g l e i ts h o w st h a tt h ei n t e r n a lf r i c t i o na n g l eh a st h el a r g e s tv a l u ew h e nt h es o i lh a st h e m i d d l ew a t e rc o n t e n t ，b u th a sas m a l l v a l u ew h e nt h es o i lh a sas m a l l e ro rl a r g e rw a t e rc o n t e n t i ti sr e s u l tf r o mt h ed i f f e r e n tf a i l u r em o d e so fs o i lo fd i r e c ts h e a rt e s ta n dt r i a x i a lc o m p r e s s i o n t e s t ：i nd i r e c ts h e a rt e s t ，t h es h e a rp l a n ei si n h e r e n t ；b u ti nt r i a x i a lc o m p r e s s i o n t e s t ，t h ef a i l u r e m e c h a n i s mv a r i e sw i t ht h ew a t e rc o n t e n t ，t h es h e a r p l a n ei sn o ti n h e r e n t ，a n dt h en o r m a ls t r e s s o ft h es h e a rp l a n ev a r i e sr e l a t i v e l yl a r g e 2 a c c o r d i n gt ot h er e s u l to fr e p e a t e ds h e a rt e s t ，t h ev a l u eo fc o h e s i o no fr e s i d u a ls h e a r s t r e n g t hi sc l o s et oz e r o ，w h i c hd o e s n tv a r yw i t ht h ew a t e rc o n t e n t b u tt h ev a l u eo fi n t e r n a l f r i c t i o na n g l ed e c r e a s e sw i t ht h ew a t e rc o n t e n ta n dc l a yc o n t e n ti n c r e a s e s i ti ss h o w nt h a tt h e v a l u eo fc o h e s i o ni sd e t e r m i n e db yt h es t r u c t u r es t r e n g t h ，a n dt h ev a l u eo fi n t e m a lf r i c t i o nh a s g r e a tr e l a t i o n s h i pw i t ht h ec l a yc o n t e n ta n ds o i lp a r t i c l e so r i e n t e da r r a n g e m e n td u r i n gt h e s h e a r p r o c e s s 3 b a s e do nt h eb a c ka n a l y s i so ft h el i m i ts l o p e ，ac o r r e c t i o nm e t h o do fd i r e c ts h e a r s t r e n g t hi sp r o p o s e d i nt h ep a p e rw eu s et h es h e a rs t r e n g t hp a r a m e t e ro ft r i a x i a lc o m p r e s s i o n t e s tu n d e rt h es t a r t i n gw a t e rc o n t e n tt oc o r r e c tt h ed i r e c ts h e a rs t r e n g t hp a r a m e t e r t h er e s u l t s s h o wt h a tt h ec o r r e c t i o nv a l u eo fc o h e s i o no ft h ed i r e c ts h e a rs t r e n g t hd e c r e a s e sa st h el i q u i d l i m i ta n dp l a s t i cl i m i ta n dc l a yc o n t e n ti n c r e a s e s ，b u tt h ei n t e m a lf r i c t i o n a n g l ed o e s n t i i i e f f e c t e db yt h e s ei n d e x t h ec o r r e c t i o nv a l u er e f e r r e dam e t h o dt os l o p ep r o t e c t i o nd e s i g na n d t r e a t m e n t k e yw o r d s ：l o e s s ；d i r e c ts h e a rs t r e n g t h ；i r i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s t ；r e p e a t e ds h e a r s t r e n g t h ；l i m i ts l o p e ；c o r r e c t i o nv a l u e i v 本文受国家自然科学基金项目( 4 0 7 7 2 1 8 1 ) “黄土路堑边坡稳定 性的可靠度研究 和项目( 4 0 9 7 2 1 8 2 ) “灌溉诱发的黄土滑坡一泥流形 成机理及预测判据研究 资助。 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 帚一早珀t 匕 1 1 课题的提出及研究意义 黄土，作为一种特殊性土，覆盖着约1 0 的地球陆地表面，集中分布在温带和沙漠 前缘的半干旱地带。在我国，黄土分布面积达4 4 万平方公里，尤其在黄河中游地区厚 层的黄土连续覆盖面积约2 7 3 万平方公里( 刘东生等，1 9 6 5 ) 【l 】，其中甘肃中东部地区 黄土覆盖面积达1 1 2 万平方公里，占甘肃总面积的2 4 9 ，形成了巍然壮观的黄土高原。 我国的黄土高原在世界上独一无二，从黄土引发的地质灾害方面来讲，黄土高原给我们 带来了非常严峻的挑战。 黄土的颗粒成份以粉粒为主，含碳酸盐，结构疏松，孔隙多且大，孔隙度达3 3 6 4 ，富含虫孔、植物根孔等；质地均匀，无明显层理，但垂直节理发育；具有湿陷性， 水稳性极差，遇水强度严重下降。因此每逢农田灌溉季节和雨季来临，黄土高原地区滑 坡便频繁发生。近5 0 多年来，随着经济建设的迅速发展，在山区工农业生产活动中不 可避免的遇到了大量自然滑坡灾害和斜坡稳定问题，也因不合理的人为活动引发了大量 的人为滑坡灾害，造成了严重的生命和财产损失，严重制约着农村、城市、交通运输、 水利工程和矿山等各方面的发展。 边坡和滑坡的稳定性分析方法主要有两大类：一类是极限平衡法，包括瑞典条分法、 简化b i s h o p 法、m o r g e n s t e r n p r i n c e 法，以及近代伴随计算机技术的发展而出现的自 动搜索临界滑裂面的方法；另一类是有限元法：它可以考虑渗流、应力应变和固结效应， 只要输入相应的参数和边界条件，选择恰当的计算模型，就可以计算出边坡的稳定系数。 可以看出这两类算法的核心问题就是如何取参数。 目前黄土强度参数的研究主要以试验为主，但是试验条件不同，得到的试验参数差 别很大。若选取参数过大，工程治理过于简单，可能会导致工程安全系数偏低，容易失 稳破坏；若取参过小，又偏于保守，造成工程量的浪费，不经济。如何正确有效地取参， 是边坡治理及工程建设中所面临的重要问题。 针对日前强度取参存在的问题，本文通过系统取样、室内试验和反演分析，对甘肃 黄土强度参数的取值提供一种方法，以期对该区黄土边坡和滑坡的稳定性评价有一定的 帮助。 1 2 土的强度参数的国内外研究现状及存在问题 土的抗剪强度指标的测试方法，可分为室内试验和原位测试两大类。在不同的试验 第一章绪论 条件下，土的剪切强度指标具有不同的实际意义。 现在比较通用的测试土的抗剪强度指标的室内试验主要有直剪试验、三轴压缩试 验、反复剪切试验、大型环剪试验，以及李同录( 2 0 1 0 ) 【2 】研制的实用新型剪切蠕变试 验。直剪试验操作比较简单，通过人为施加固定的垂直应力来模拟土的天然竖向应力， 固结完成后，施加水平方向的剪应力，将土沿固定的剪切面破坏，通过量力环的变形读 数来计算土在该应力路径下的抗剪强度。该方法主要用来测土的峰值强度，根据实际要 求可分为固结排水剪切、固结不排水剪切和不固结不排水剪切试验。三轴压缩试验，可 以模拟不同工况，进行不同应力路径的试验，也可以很好的控制排水条件，对非饱和土 不排水条件下还可量测试样的超静孔隙水压力。反复剪切试验，主要是在直剪试验的基 础上加以完善实现的。由于剪切盒的面积有限，每次剪切完成后，只能通过手动将“滑 面”退回，再次剪切。而且剪切过程缓慢，不能很好的控制排水条件，孔隙水压力也无 法量测，导致剪切过程中误差较大。环剪仪主要用来测试土的残余抗剪强度，在试验过 程中能有效地量测和控制土样孔隙水压力的变化，因而参数更加准确。 龙建辉( 2 0 0 8 ) 【3 】对滑带土的抗剪强度特性进行了综合研究，提出了“属性强度” 和“状态强度”的概念，并论证了滑坡各特征强度的属性问题及其相互关系；他认为滑 坡的峰值抗剪强度是一种“状态强度”，它与非饱和黄土的结构强度及含水量等因素有 关；滑坡的完全软化强度和残余抗剪强度是一种“属性强度”，它主要与表征滑带土属 性的粘粒含量、矿物成分及塑性指数等指标有关，并建立了属性强度与各属性问的相关 关系，通过它们能较好地利用常规测试指标来获得抗剪强度。对滑带土微观结构的研究 分析( s e m ) ，验证了所得滑带土强度规律性的认识。同时他还研究了“启动含水量”和 “启动强度”作为滑坡发生的临界条件，并指出滑带土的塑限含水量为滑坡的启动含水 量。章健( 2 0 0 8 ) 【4 j 利用饱和反复剪试验测得的残余强度对已知滑坡进行数值计算，通 过建立滑坡运动模型及参数的反算提出了高速远程黄土滑坡预测预报方法。蔺晓燕 ( 2 0 0 9 ) 【5 j 用李同录研制的新型剪切蠕变仪测得的试验参数与传统的直剪仪、三轴仪器 试验结果进行比较，提出了一种测定土的蠕变强度的新方法。 谭文辉，任奋华( 2 0 0 7 ) 【6 】，对峰值强度与残余强度对边坡加固的影响作了研究： 现有的边坡加固方案中，基本上都是用岩土的峰值强度来确定边坡的临界滑面和锚固长 度，但实际上，边坡出现滑动后，滑面保持残余变形和抵抗外部载荷的能力出现了衰减， 滑面上的强度只是残余强度，采用一种混合方法进行边坡加固，即用峰值强度来确定边 坡的临界滑面，用残余强度来确定锚固长度。他认为，采用混合方法对边坡进行加固可 2 长安大学硕士学位论文 以提高边坡加固工程的安全性，具有较大的实际意义。 g u r c i u o l i & l p i c a r e l l i ( 2 0 0 4 ) 【7 】就高超固结土初次滑动的抗剪强度远小于室内试 验测得的强度这一现象进行了讨论，他关注于边坡破坏之前应力场的变化，并指出在许 多情况下，边坡的破坏都意味着主应力场的翻转，该主应力场在一定区域内引起了剪应 变的发展，破坏区域的厚度取决于初始应力场。在脆性土中，主应力场的变化可以使抗 剪强度从峰值强度降低到一个介于峰值和临界强度之间的值，该过程甚至还没有形成滑 动面。文中提出了一些说明土在破坏之前强度降低的现象和机理：软化、崩解、疲劳、 应变一软化和蠕变等。 d o vl e s h c h i n s k y ( 2 0 0 1 ) 【8 】提出边坡治理中的设计的两端论法，集中讨论了边坡治 理时应该取峰值强度还是残余强度。他以加筋土作为研究对象，设计方法都是基于极限 平衡分析，工程加固强度和长度是基于土的抗剪强度和潜在滑裂面的位置。由于土具有 应变软化特性，因此在极限平衡分析中该取峰值强度还是残余强度就成为一个值得讨论 的问题。选择的结果有很大的经济效应，尤其是当基础的强度足够大时。他在论述中考 j 虑到了潜在滑裂面的渐近性破坏。针对要设计安全经济的基础，提出了一种混合的设计 方法。该方法假定临界滑动面位置是由室内试验峰值强度确定的。因此，加固的长度取 决于峰值强度。然而，渐进性的破坏也许会沿滑裂面发生，在滑动过程中，土的强度会 由峰值强度降低到残余强度。因此，计算土工合成物的所需强度时选取残余强度来确保 安全性。通常，参数学展示了与选择残余强度参数相比，复合法仅考虑到所需强度有微 j 小的降低，大约l o 卜2 0 。然而，所需长度的降低是很大的，约1 5 - 3 0 ，具体大小 与坡角有关。从经济成本来说，土工合成物的长度比强度更敏感，因此该方法对由于忽 略渐进性破坏但不增加危险性的设计具有重大意义。他建议工程师在设计过程中对巾值 的选取尽量不要超过3 5 。，在施工过程中要密切监测以确保设计值满足场地条件。 t i m o t h yd s t a r k & h a n g s e o ka n de ta 1 ( 2 0 0 5 ) 【9 】认为对于边坡的稳定性分析，要用 应力路径破坏包络线或是用滑动面通过位置的特殊物质在有效正应力下的摩擦角来描 述土的抗剪强度，而不是用粘聚力和内摩擦角共同来表示土的强度。同时，他建议做稳 定性分析时，残余强度和完全软化强度所对应的粘聚力应该取零。为简化边坡稳定性分 析时参数的选取，他在原来s t a r k e i d 的基础上对排水残余强度和完全软化强度的经 验关系也做了改进。环剪试验的结果表明，先前存在的剪切面存在自愈功能，这是导致 抗剪强度增加的原因。自愈能力的大小随土的塑性的增大而增大，且这种增大对滑坡治 理的大小，时间和花费都有影响。 第一章绪论 t i m o t h yd s t a r k h i s h a mt e i d ( 1 9 9 7 ) 0 0 1 曾讨论过粘性土环剪试验、直剪试验和 三轴压缩试验的结果的差异，他指出完全软化抗剪强度是应力路径决定的，并且与粘土 矿物的种类及粘粒含量有关，并提出了完全软化摩擦角与液限、粘粒含量和有效正应力 的经验函数关系。对于液限在4 1 - - - 1 3 0 的硬裂隙粘土的初次滑动的研究，提出沿破坏 面的抗剪强度低于完全软化抗剪强度。本文还提出了基于土的塑性来评价初次滑动的抗 剪强度方法。液限大于3 0 的土的完全软化摩擦角和残余摩擦角之问有很大差别。对于 这类土，预剪切面的存在与否必须说清楚。 目前在边坡防治工程、各类建筑物基坑支护及地基处理过程中，如何有效地选取合 理的参数，做到既安全又经济合理，是一个很值得探讨的问题。以上理论，均是结合实 际工程遇到的问题，采用目前先进的试验手段进行试验后论证提出的，其参数的试验及 折减方法对边坡稳定性的设计及治理，具有很好的实际意义。但是由于地区差异，这些 经验参数仅适用于工程地质条件类似的地区。要获得当地的经验强度参数，需对大量工 程实例的统计分析后方可推广使用。 1 3 本文的主要研究内容及技术路线 针对目前研究中存在的问题，以解决甘肃黄土地区的工程地质问题为目的，本文主 要从以下几个方面进行研究： 1 选取极限状态坡为研究对象，通过野外量测获得极限状态坡的坡形几何参数，并 在测坡点取坡体原状样，带回试验室。 2 制备土样并进行室内试验。将同一土样制成一定数量的三轴试样、直剪试样，及 并行的重塑直剪试样。然后将试样分组配制成四种含水率，在不同的含水率下分别进行 三轴压缩试验、直剪试验、反复剪试验，获得土在不同含水率下的三类 抗剪强度参数。 3 从土的破坏模式入手，三类剪切试验所对应的土的破坏条件不同，依据非饱和土 的抗剪强度机理，对不同含水率下的三类抗剪强度参数进行对比分析，提出含水率对各 类抗剪强度指标的影响规律。 4 利用有限元计算软件m i d a s 建立极限状态坡的计算模型，选取三轴试验测得的强 度参数指标作为模型的强度参数，进行计算。根据计算结果，对直剪试验强度指标进行 校正，提出直剪试验强度指标校正值。 本文的技术路线如图1 1 所示。 4 长安大学硕士学位论文 图i i 技术路线图 5 第二章研究区工程地质环境概况 第二章研究区工程地质环境概况 2 1 区域地形地貌特征 甘肃省位于中国西北部，地处黄河上游，居黄土高原、内蒙古高原、青藏高原的交 汇处，总面积4 5 4 4 x1 0 4 k m 2 。区域中部分布有世界上最典型的黄土，吴玮江、王念琴 甘肃滑坡灾害【】中将其定名为陇中黄土高原丘陵区，其覆盖面积约1 1 2 x1 0 4 k m 2 ， 占甘肃总面积的2 4 9 ，海拔1 2 0 0 m ，相对高差5 0 0 - 1 0 0 0 m 。近南北走向的六盘山把黄 土高原分为陇东黄土高原和陇西黄土高原。 陇东黄土高原位于六盘山以东，普遍分布有厚达百米的黄土，地势大致由东、北、 西三面向东南部缓慢倾斜。四周被子午岭、白于山、六盘山和北山等环绕，为形如向南 开口的簸箕状盆地。由于流水的长期侵蚀、切割，黄土高原被分割成大小不等的塬、梁、 峁和纵横深切的沟壑地形。中部和南部分布有董志塬、早胜塬、十字塬等2 6 个较大的 塬，其中著名的董志塬面积达8 2 8 k r n 2 。该区为典型的黄土塬区地貌，地势平坦开阔， 海拔1 3 5 0 m - - 1 4 5 0 m 。塬区的东、北、西三面逐渐过渡为起伏较大，切割强烈的黄土梁、 峁地貌，相对高差在1 5 0 m - 2 5 0 m 。区内中小型黄土滑坡、崩塌发育。此外，该地区发 育有泾河、马莲河等河谷地貌，河谷宽度一般为1 - - 6 k m ，发育有1 - - 5 级阶地，地形平坦 开阔，延伸性好。 陇西黄土高原是我国黄土高原最西部分，四周被祁连山、崛崤山、六盘山和秦岭等 山脉环绕，也称陇西盆地。陇西黄土高原的基底地层主要由白垩系、第三系等红层软岩 组成，在起伏的古地形基础上披覆式堆积了第四系厚层黄土。后经流水的长期侵蚀切割， 地形支离破碎，沟壑纵横交错。除北部有白草塬、三场塬等面积较大的黄土塬外，觉大 部分地区为黄土梁峁及沟壑组成的黄土丘陵地貌，一般海拔在1 2 0 0 - - - 2 3 0 0 m 之间，切割 深度多为2 0 0 4 0 0 m 。其地形南部较北部更为破碎，切割深度更大，水土流失严重，为 滑坡等地质灾害的发育提供了有利地形条件。 滑坡灾害区域分布受地貌单元控制非常明显，陇中黄土高原作为甘肃境内一个独立 的地貌单元，滑坡分布广泛。通过l ：5 万航片的全面系统解译、实地调查等工作，统 计到陇中黄土高原有体积大于5 0 1 0 4 m 3 的黄土滑坡2 6 5 7 处，占各类滑坡总数的4 7 6 。 滑坡发育程度是指某一地区内滑坡发育数量的多少与活跃强度。陇中黄土高原滑坡 发育面积1 0 3 x1 0 4 k m 2 ，采用滑坡发育密度，利用单位面积内滑坡发育的数量多少来表示 滑坡发育程度，对该区域滑坡统计评价研究。从区内滑坡实际发育状况和已有资料等考 6 长安大学硕士学位论文 虑，按l o o k m 2 面积内滑坡发育的数量多少，滑坡发育程度可分为5 级：滑坡强烈发育区 2 0 个l o o k m 2 ，滑坡发育区2 0 - - 1 0 个l o o k m 2 ，滑坡中等发育区1 0 5 个l o o k m 2 ，滑坡弱 发育区5 1 个1 0 0l 锄2 ：滑坡不发育区 1 个 0 0 姘。按照上述滑坡发育程度分级指标 和分区评价方法，对甘肃东部地区滑坡发育程度进行了分区评价( 见图2 1 ) 。 图2 1 甘肃东部滑坡发育分区图 如图2 1 所示，陇中黄土高原地区滑坡强烈发育区的面积有6 7 9 3 k , n 2 ，占总区域面积 的6 6 1 ；滑坡发育区的面积有1 6 8 2 2 k m 2 ，占总区域面积的1 6 3 6 ；滑坡中等发育区的 面积有3 1 8 9 2 k m 2 ，占总区域面积的3 1 ；滑坡弱发育区的面积有1 9 8 5 9 k m 2 ，占总区域面积 的1 9 3 1 ；滑坡不发育区的面积有2 7 4 7 4 k m 2 ，占总区域面积的2 6 7 2 。 2 2 气象水文条件 甘肃省地域辽阔，地形条件复杂，气候类型多样，有北亚热带、暖温带、中温带、 冷温带等多种气候类型。省内大部分地区具有气候干燥，气温年、日较差大，光照充足， 水热同季，降水、气温呈由东南向西北递减等主要气候特征。根据不同的水热条件，甘 肃省可划分为8 大个气候分区。研究区主要分布在陇中南部温带半湿润区和陇中北部冷 温带半干旱区内。其中，陇中南部温带半湿润区：包括渭河、西汉水的分水岭以北，积 7 第二章研究区工程地质环境概况 石峡、马山、华家岭、驿马关、荔园堡一线以南的平凉市全部，庆阳、定西、临夏三市 ( 州) 南部及天水市北部。年平均气温6 c 1 0 。年降水量5 0 0 , - - 一6 0 0 m m ，干燥度1 1 5 之间。陇中北部冷温带半干旱区：包括陇中南部温带半湿润区以北、乌鞘山、毛毛 山、老虎山、一条山一线以南的兰州、白银全部及庆阳、定西、临夏三市( 州) 、也就 是陇中黄土高原区北部，通称“中部干旱区。年均气温6 9 ，年降水量2 0 0 5 0 0 m m ，干燥度1 5 , - - , 4 ，降水量由南至北迅速减少，而且变率较大。 研究区位于黄河流域，汇水面积1 4 4 5 x 1 0 4 k m 4 ，主要有黄河干流和一级支流大夏河、 洮河、湟水河、渭河、祖厉河、泾河、马莲河等。流域内黄土广泛分布，植被差，河水 随季节性涨落变化大，含沙量高，水土流失严重，平均输沙量为5 1 8 x 1 0 8 t a ，占全省总 输砂量的8 9 5 。径流深度一般小于5 0 m m 。 由于气候干旱，甘肃省总体植被稀少，森林资源贫乏，森林覆盖率仅4 1 ，包括 灌木林地也仅为6 9 ，远低于全国平均水平。由于纬度、气候、地貌、海拔的差异，植 被覆盖度从东向西、由南向北逐渐变低，并显示出较明显的水平分带及垂直分带性。陇 中黄土高原南部，包括临夏、康乐、渭源、秦安、平凉、庆阳以南，上述落叶阔叶林带 以北地区，是温带落叶林带向草原带的过渡带。由于历史上长期的人为垦殖活动，植被 遭到严重破坏，仅在子午岭、六盘山等个别山岭区残存小片森林，植被覆盖率达4 0 , - - 8 0 。在广大黄土高原地区，则地表大部分为农田，建在荒坡陡岭和田间地埂部位生长 有酸刺、白荒草为主的灌丛草原和草地，植被覆盖率一般小于1 0 。但横亘于黄土高原 的马衔山、子午岭林区却高达7 0 - - 8 0 。 陇中黄土高原区水文地质条件复杂，富水性、水质变化很大。 陇东地区，主要含水岩层为第四系中更新统黄土和下白垩系志丹群砂岩。中更新统 黄土含水层主要分布在面积较大的塬区，含水层厚l o , - 一7 0 m ，单井涌水量1 0 0 - 一4 0 0 m 3 d ， 水质良好，矿化度 0 5 9 l 。其补给来源为大气降水，以泉水溢出的方式排泄于塬边沟 谷，也有人工开采。下白垩统呈向斜构造，含承压水，自上而下富水性由弱变强，单井 涌水量1 0 0 - - 一2 2 0 0 m 3 d ，水质由好变差，矿化度l l o g l 。 陇西地区地下水类型多，总的规律是水量贫乏，水质较差，但在黄河、渭河、洮河 等一些河谷地段及新生代断陷盆地，水量丰富，单井涌水量为1 0 0 0 5 0 0 0 m 3 d ，矿化度 0 5 , - 一l g l ，成为当地的重要供水水源。 黄土丘陵区，沟谷发育，切割强烈，地形破碎，含水层多为马兰黄土，分布上呈脉 状，具有不连续和不均匀的特点，隔水底板大多为新生界红层软岩。永靖一定西一华家 长安大学硕士学位论文 岭以北地区，黄土零星含水；以南地区，特别是渭河以南的地区，黄土地下水较普遍， 尤其是“掌形地”、地形低洼平缓区或古老滑坡体，常有泉水出露，一般单泉流量小于 0 1 l s 。此类地下水发育在黄土与红层软岩的接触面附近，由于水的软化、润滑作用， 容易形成滑动面，造成斜坡失稳。 2 3 区域地质构造 甘肃地区是几个重要纬向、经向和扭动构造体系及构造带的汇集部位，经2 0 余亿 年的地史演变，形成了复杂的地质构造。根据地壳运动史，地壳运动可划分为五台一蓟 县期、加里东期、华力西期、印支期、燕山期和喜马拉雅期等六个运动期【1 2 】。每一运动 期的期末都有一场激烈的构造运动，这可以较易鉴定的区域地层不整合界面为代表，这 种最重要的界面和所代表的运动是：早元古代末与长城纪间的阿拉善运动；青白口 纪末与震旦纪间的晋宁运动；震且纪末与寒武纪问的托菜运动；晚志留世末与早一 中泥盆世间的祁连运动； 早、晚二叠世间的北山运动，晚三叠世末与早侏罗世问的 印支运动，晚白垩世末与早第三纪初间的燕山运动第5 幕；晚第三纪末与第四纪初 间的喜马拉雅运动第2 幕。 省内的主要控制性构造体系有：天l h - 阴ll j 纬向构造体系、秦岭一昆仑纬向构造体系 和贺兰山经向构造体系。以乌鞘岭一屈吴山一六盘山构造带、美武新寺一大草滩构造带、 临潭一天水构造带、天水一拓石构造带为边界，确定了本研究区的范围。区域内地貌以黄 土为主，还发育有靖远、永登、兰州、榆中等多个构造盆地，以及黄河、渭河、洮河、 葫芦河、马莲河等河谷地貌，一般发育有4 - 6 级阶地，多呈宽阔谷地与峡谷相问的串 珠状分布。 2 4 区域地层岩性特征 2 4 1 黄土的粒度成分特征 黄土粒度成分区域分布特征是研究黄土的学者非常关注的问题。在这方面有颇多 研究，总的看法是黄土高原晚更新世黄土的颗粒成份自西北而东南逐渐变细。黄土高原 上黄土粒度分布特征明显地受着近南北向的六盘山和吕梁l i j 的影响。这两座大山将黄土 高原分为近南北向的三部分：六盘山以西的西部地区，吕梁山以东的东部地区，其问的 广阔地带为中部地区。长武及西峰等地区黄土样品粒度组成的特征是：细砂含量较低， 多数样品含量为1 2 1 5 ，粘粒含量一般为1 6 - - 一2 0 。兰卅i 、靖远一带黄土的颗粒成 份与北部梁峁区的相似，区别在于细砂含量普遍较低，一般小于2 0 ，平均粒径m 。较大， 9 第二章研究区工程地质环境概况 但小于6 0 0 巾。 黄土的结构特征指的是构成土体的固体颗粒和与其他有关的空隙特征，以及它们在 空问上的总体排列形式。黄土的结构形式是黄土岩性的基本性质。为了更清楚的反应粒 度组成在剖面上的变化，定义k d 为“粉砂黏粒比值”，即 i - - 粗粉砂粒组( 0 0 5 0 o l m m ) 含量粘粒组( o 10 1 旬0 50 0 5 _ o 0 10 0 1 帕0 0 50 0 0 5 _ 0 0 0 2 o 0 5 m m 的细砂和 0 0 0 5 m m 第二二章研究区工程地质环境概况 的粘粒含量变化比较显著，二者往往是相互消长的变化着。黄土由于粘粒含量的多寡不 同，其性质差别很大，粘粒的含量在某种程度上决定着黄土的基本性质。所以，我们在 确定黄土物理力学性质指标与其颗粒成份之间的相互关系中，主要讨论黄土中粘粒含量 对黄土物理力学性质的影响。方法是绘制各物理力学性质指标与粘粒含量( m c ) 之问的 相互关系图，并求出它们之间的相关系数。经整理发现，只有液限、塑性指数及压缩指 数等指标与粘粒含量( m c ) 有着比较明显的相关关系。 从图2 2 中可以看出，土的液塑限与土的粘粒含量呈正比：该区域土的塑限最小值 为1 5 ，液限最小值为2 6 ；随着土粘粒含量的增大，液塑限也在一定的比例系数下相 应的增大，其中塑限的增长系数为0 1 6 ，液限的增长系数为0 2 。 f口 罨：叫p 上f 拉型菇打 1 0 o 颦限 d 液限 y = 0 1 6 x + 1 4 9 5 2 y = 0 2 0 3 1 x + 2 5 4 4 1 图2 2 土的粘粒含量与液塑限关系图 2 4 2 黄土中集粒的特性 集粒在一些文献中被称为集合体或细粒集聚体，在土壤学中叫团聚体或团粒。它由 大量的细粒碎屑和少量的粘粒物质由微晶碳酸盐胶结而成，普遍存在于黄土之中，是黄 土的主要微结构特征之一。在进行粒度分析时，经盐酸处理，集粒即被破坏而瓦解，所 以他不是黄土中固定的成分，而是黄土原始物质沉积之后在特定的地质环境条件下的次 生产物。集粒大小相差悬殊，粒径大的常在0 2 m m 以上，小的不到o 0 0 7 m m ，一般粒 径为0 0 2 珈0 9 r a m 左右，集粒的形态很复杂。王永焱、张宗祜( 1 9 8 2 ) 【1 4 】和张宗祜( 1 9 8 5 ) 将集粒按结构特征分为六类，这六类是：镶嵌型，粗矿物碎屑颗粒均匀分布于以盐酸 钙微晶粒为主的细粒胶结物中；网格型，亦称结晶型，主要为方解石的晶簇或石膏结 晶体，具晶问孔隙；角砾型，及少量的粗颗粒，其边缘以少量的交接物连接在一起； 附着型，单粒粗矿物碎屑颗粒上粘附着少量粘土和碳酸盐物质基底型，少量粗碎屑 颗粒被大量粘土矿物和微晶碳酸盐胶结物包围；复合型，亦称聚合型，没有碎屑颗粒， 全部粗碎屑颗粒，全部由细粒分散物质组成。在扫描电镜下从三维空间可以看出，集粒 长安大学硕士学位论文 亦和碎屑颗粒一样，构成了黄土的骨架材料。它一般具有比较规则的外形，常见的有圆 球状、椭球状、似圆状、似长柱状及不规则状，其中圆球状和椭球状最为多见。集粒多 呈零星分布，但亦有成群分布的。有时集粒相互连接成块状。在薄片中，集粒主要由 0 0 1 m m 的微细碎屑颗粒和 0 o l m m 的颗粒含量较多，在 0 0 0 5 m m 的粘粒含量较低时，骨架颗粒呈支 架一镶嵌接触，随着粗颗粒含量的降低及粘粒含量的增高，骨架颗粒将有支架一镶嵌接 触转变为分散分布。就晚更新世黄土来说，榆林、靖边、西宁、兰州、靖远等地的黄土 属砂黄土，骨架颗粒以支架接触为主。次为镶嵌接触，除榆林、靖边两地的黄土湿陷性 较弱外，其余各地黄土均为强湿陷性黄土。长武、武功、西安及陕县等地的黄土属于粘 性黄土，骨架颗粒主要为分散分布，湿陷性较弱或不具湿陷性。西峰、洛川、吉县及太 原等地的黄土属于典型黄土，骨架颗粒接触关系处于支架一镶嵌向分散分布过渡状态， 1 6 长安大学硕十学位论文 黄土的力学性质介于上述二者之问。显然，由西北向东南黄土中粗颗粒含量逐渐减少， 粘粒含量逐渐增多，骨架颗粒也有支架一镶嵌接触变为分散分布，土的强度也由低增高， 说明黄土的物质成分是决定其性质的根本因素。 随着地层的增厚，压实作用程度增强，支架接触逐渐变为镶嵌接触，土体的稳定性 随之增高。由于粘粒含量有随地质时代由新到老逐渐增多的趋势，故在时代较老的典型 黄土中，分散分布比较多见，例如洛j i i n 面第7 层以下黄土中的骨架颗粒以分散分布为 主。 ( 二) 骨架颗粒的连接形式及区域分布特征 颗粒连接是指骨架颗粒之间的相互作用特征，它是控制土体强度及其工程地质性质 的最丰要凶素之一，是当前黄土结构研究中的一个重要课题。黄土中骨架颗粒的连接主 要是通过起胶结作用的粘粒物质来实现的，由于粘粒含量的不同，赋存状态不同，所以 颗粒连接的形式也不同，土体的强度也有差别。 1 小桥状连接 童 黄土中微细粘粒含量较少，常常分布并不均匀或包裹在粗颗粒周围呈薄膜状，在颗 粒接触处只有很少量的细粒胶结物质构成一种特殊的小桥，将粗颗粒搭连起来( 见图 2 5 a ) 。在粘性土的结构研究中，有人称它为“粘土的葱皮连接”，这种连接由于骨架颗 粒较大，所以其化学键力和重力相比是微不足道的，颗粒接触点连接的强度主要来源于 外部压力带来的有效接触应力及粘粒间分子引力( 范德华力) ，如果土体中只存有少量 3 毛细水，则由于弯液面所引起的表面张力，也能增加连接的强度，显然，这种连接的强 度时相当低的。在水浸入的情况下，部分岩晶溶解，发生离子代换，水膜楔入微隙等等， 这些都大大削弱了颗粒连接点的强度，即使在较小的压力下，也会使这种连接遭受破坏。 2 焊接状连接 由于粘粒物质增多，淋滤作用增强，在颗粒接触处集聚着较多的胶结材料，这时小 桥状连接就变成焊接状连接( 见图2 5 b ) 。这些粘粒物质的集聚过程是很复杂的。在孔 隙水中悬浮的粘粒物或溶解物( 如可溶盐、氧化物等) ，当水分蒸发时，就会随水退缩 到颗粒问的弯液面，进而浓缩、结晶或沉淀集聚在颗粒之间，起着“焊接”作用。这些 细粒沉淀物常常围绕两颗粒的接触点形如环状并起着支撑作用，所以有人称为环形支 托。这种连接的强度一般较为牢固。这些“焊接”材料比较复杂，主要有粘土，微晶碳 酸盐及无定形物质，后者主要存在于时代较老的黄土中。 1 7 第二章研究区工程地质环境概况 粘 骨架颗粒 ( a ) 小桥状连接( b ) 焊接状连接 图2 5