（岩土工程专业论文）三种改良土的渗透性试验研究.pdf

e x p e r i m e n t a ls t u d yo np e r m e a b i l i t yo ft h r e ek i n d so fl o e s s b y y a n g z e p i n g b e ( h e n a np o l y t e c h n i cu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n g e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n g i nt h e s c h o o lo fc i v i le n g i n e e r i n g o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r of e s s o rm ih a i z h e n j u n e ，2 0 1 1 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承 担。 作者躲徊秆日期垆忡川同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密瓯 ( 请在以上相应方框内打“v ”) 作者签名：律勿湃尹日期：矽，年钿，日 导师签名：珠殇z 爹日期：，年月，日 硕士学位论文 ! lr 曼曼曼量曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼量量曼量曼曼曼曼量量量皇曼曼曼皇曼曼! ! 曼皇曼曼曼曼曼舅量曼曼皇量量曼曼曼曼曼皇曼曼量曼曼置曼曼暑曼曼曼皇曼曼曼量鼍 目录 摘要。i a b s t r a c t 。i i 第1 章绪论1 1 1 弓i 占一l 1 2 改良土的应用。2 1 3 土的渗透性研究现状3 1 4 改良土渗透性研究现状。4 1 5 本文研究内容及方法一5 第2 章改良土中各成分性质及击实试验6 2 1 原材料性质6 2 1 1 黄土6 2 1 2 石灰6 2 1 3 粉煤灰。7 2 1 4 水泥。7 2 2 试验材料7 2 3 击实试验8 2 4 试验结果及分析9 2 4 1 素土的最优含水量和最大干密度9 2 4 2 石灰土的最优含水量和最大干密度9 2 4 3 二灰土的最优含水量和最大干密度1 0 2 4 4 水泥土的最优含水量和最大干密度1 1 2 4 5 试验结果1 2 2 5 试样制备1 2 2 6 本章小结一1 3 第3 章渗透理论及渗透方法1 4 3 1 概：j 罡1 4 3 2 达西定律1 4 3 3 渗透系数的测定方法1 5 3 3 1 室内渗透试验方法1 5 三种改良七的渗透性试验研究 曼量舅舅舅曼量量皇曼量曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼舅曼鼍皇曼曼量皇曼曼曼曼置曼曼舅皇曼曼曼曼! 皇曼曼曼曼曼曼皇曼! 曼曼曼曼舅舅量曼量堂皇詈量曼曼曼曼曼曼量量曼皇曼1 1 3 3 2 渗透系数现场测定方法1 7 3 3 3 渗透系数经验公式法1 7 3 4 影响土的渗透性的因素1 7 第四章黄土改良后的渗透性试验及结果分析1 9 4 1 室内试验1 9 4 2 试验结果及其分析2 l 4 2 1 天然原状黄土的渗透性2 1 4 2 2 扰动( 击实) 素土的渗透性。2 2 4 2 3 石灰士渗透性2 3 4 2 4 二灰土渗透性2 6 4 2 5 水泥土渗透性2 9 4 3 本章小结31 结论与展望。3 2 参考文献。3 4 致谢3 7 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录3 8 硕上学位论文 摘要 目前在湿陷性黄土地区，道路的路基工程，排水工程，垃圾场工程以及多层 建筑的地基等均涉及到改良地基的渗透性能。在该地区用灰土作为垫层时，也希 望能起到防水作用，在黄土路基的防水中采用水泥土已较普遍，工程界普遍认为 水泥黄士的防水功能强于灰土，但这些土都属于改良土，到底多大比例较为合适 仍不是很清楚，通常是加入水泥或熟石灰的比例愈大，防水性能则愈好。但石灰 掺量过大会影响强度( 通常最大比例为3 ：7 灰土) ，掺加水泥土比例较大时则造价 增加较多，工程较难承受；另外，较为准确的渗透性研究较少。 本文总结了国内外研究现状，选用石灰土、石灰与粉煤灰( 二灰) 黄土、水泥 土，通过击实试验和变水头渗透试验，测定了原状黄土及改良黄土在最大干密度 下的渗透系数。以期得到更加准确的渗透数据，为这些土在何种比例时可作为防 渗土料作为判据。试验结果表明：原状黄土渗透系数随渗透时间的增长而逐渐减 少，最后趋于稳定。击实后素土渗透系数明显减弱，和原状黄土相比减少约一个 数量级。3 ：7 配比的水泥土可以作为防渗土料，3 ：7 配比的石灰土可作为短期防渗 隔水土料，二灰土不能担当此任；同时，发现各种改良土在养护2 8 天后其渗透系 数稳定，在养护至2 1 天左右渗透系数有增大现象，这一机理需进一步研究。 关键词：石灰土；二灰土；水泥土；击实性；渗透性 二三种改良t 的渗透性试验研究 a b s t r a c t p r e s e n ti nl o e s sa r e a ，t h er o a de m b a n k m e n tw o r k s ，d r a i n a g ew o r k s ，l a n d f i l l e n g i n e e r i n g ，a n dt h ef o u n d a t i o n so fm u l t i s t o r yb u i l d i n gf o u n d a t i o nh a dr e l a t e dt o i m p r o v e dp e n e t r a t i o np e r f o r m a n c e w i t ht h el i m ei n t h er e g i o na sac u s h i o n ，i ti s h o p e dt op l a yaw a t e r p r o o lw a t e r p r o o ff o u n d a t i o ni nt h el o e s ss o i lc e m e n th a sb e e n u s e dm o r ew i d e l y , t h ee n g i n e e r i n go fc e m e n tg e n e r a l l yc o n s i d e r e ds t r o n g e rt h a n w a t e r p r o o fl o e s sd u s t ，b u tt h e s e a r ea l li m p r o v e ds o i ls o i l ，i nt h ee n db em o r e a p p r o p r i a t et ow h a tp r o p o r t i o ni ss t i l ln o tv e r yc l e a r ，u s u a l l yb ya d d i n gt h eg r e a t e rt h e p r o p o r t i o no fc e m e n to rh y d r a t e dl i m e ，w a t e r p r o o fp e r f o r m a n c ei s b e t t e r b u th a d t h eg e n e r a la s s e m b l ya f f e c tt h es t r e n g t ho fl i m e ( u s u a l l yt h el a r g e s tp r o p o r t i o no f3 ：7 l i m e ) ，a d d i n gal a r g e rp r o p o r t i o no fc e m e n ti n c r e a s e dm o r ew h e n t h ec o s t ，e n g i n e e r i n g m o r ed i f f i c u l tt ob e a r ；i na d d i t i o n ，f e ws t u d i e sa r em o r ea c c u r a t ep e r m e a b i l i t y t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h er e s e a r c hs i t u a t i o n ，t h ec h o i c eo fl i m es o i l ，l i m ea n d f l ya s hl o e s ss o i l ，c o m p a c t i o nt e s tb yv a r i a b l eh e a dp e r m e a b i l i t yt e s ta n dm e a s u r e di n l o e s sa n dl o e s sp e n e t r a t i o no fm a x i m u md r yd e n s i t yc o e f f i c i e n t i no r d e rt og e tm o r e a c c u r a t ep e n e t r a t i o nd a t af o rw h a tp e r c e n t a g eo ft h e s et e r r i t o r i e sc a nb ea si m p e r v i o u s m a t e r i a la st h ec r i t e r i o n t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：l o e s sp e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n t i n c r e a s e dw i t ht h ep e r m e a t i o nt i m e ，g r a d u a l l yr e d u c ea n df i n a l l ys t a b i l i z e d a f t e rt h e p r i m es o i lc o m p a c t i o ns i g n i f i c a n t l yr e d u c e dp e r m e a b i l i t y , a n dl o e s sl e s st h a na b o u t o n eo r d e ro fm a g n i t u d e 3 ：7r a t i oo fc e m e n tc a nb eu s e da si m p e r v i o u sm a t e r i a l ，3 ：7 r a t i oo fl i m e s t o n es o i la n dw a t e rc a nb es e p a r a t e da sas h o r t - t e r ms e e p a g ec o n t r o l m a t e r i a l s ，l i m ea n df l ya s hi sn o tc a p a b l eo fd o i n g ；t h es a m et i m e ，i ti sf o u n d2 8d a y s i nt h ec o n s e r v a t i o no fs o i li m p r o v e m e n t t h ep e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n ta f t e rs t a b l et o2 1 d a y si nt h ec o n s e r v a t i o nh a v ei n c r e a s e dp e r m e a b i l i t yp h e n o m e n a ，t h i sm e c h a n i s m n e e d sf u r t h e rs t u d y k e yw o r d s ：l i m e - l o e s s ；l i m e - f l y a s hl o e s s ；c e m e n t - l o e s s ；c o m p a c t i o n ；p e r m e a b i l i t y 翼专， 硕七学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 黄土是一种特殊性土，它是一种较松散的欠压密土，具有粒状架空的大孔隙结 构。黄土对水具有特殊的敏感性，即在浸水的时候甚至于增湿的时候均会发生强度 很大程度地降低以及变形大幅度突增的特点n ，。在变形方面，水敏性的具体表现 为湿陷性，而正是因为水渗透浸润的特性从而引起黄土的湿陷现象，因而黄土土体 湿陷的发展正是由黄土土体的渗透特性所直接影响。针对湿陷性黄土地区的工程 设计，渗透性也是其中需要考虑的问题之一。为了进行不但科学而且经济合理的 工程设计，应该首先对土体渗透的规律和特点等进行充分的了解他，。 工程地质评价以及岩土工程中其中一项重要的内容就是土体的渗透特性。水 在土体中渗透流动，方面土体的渗透特性对土的强度、固结及其实际工程的施 工质量都会有重要影响。另一方面能够造成水量的损失，影响工程效益和浪费水 资源；而且更重要的还将会引起土体内部应力场的变化，进而会造成水工建筑结 构或者地基稳定性的变化，更有甚者还会造成一系列的工程事故口1 。所以土的渗 透特性以及渗透规律的实验和研究对岩土工程和工程地质领域的技术人员有着非 常重要的意义。 通常采用渗透系数来对土体的透水性进行描述。渗透系数是一项对土体渗透 性能进行描述的极其莺要的物理力学指标。在实际工程设计里，许多计算和分析 均需要用到渗透系数，例如：估计天然地基、施工选料，分析地基固结沉降的速 率，土坝及高填路堤的渗透及渗透稳定性，以及给排水设计、人工降低水位与地 基加固设计等等，因此正确地给出土体的渗透系数是非常必要的h 1 。 在湿陷性黄土地区，许多工程事故的发生均与土中的水有关系，正是由于渗 透力的存在，当水在土体中发生渗透流动时极其容易造成土的结构特性的破坏或 者强度的降低，进而导致各种水毁现象的发生。 随着我国对基础设施投资、建设力度加大等方面的重视以及国民经济的快速 发展与西部大开发战略的一步实施，在我国辽阔的西北黄土地区，黄土是工业农 业等基础产业快速发展的必要基础条件，更是交通工程、水利水电工程和众多工 业、农业、民用建筑业等的基础条件和广泛使用的建筑材料来源。由于黄土土体 具有特殊的物质结构与组成成分，更使得在西北黄土地区进行各种大小工程建设 的时候，均会不同程度的遭遇到各种不同程度的黄土病害事故，例如：过沟黄土 填方路基施工之后的不均匀沉降、黄土地区的地基湿陷现象造成的建筑物倾斜和 裂缝的产生、挖方高边坡的坍塌等等，均会不同程度的直接影响到工程施工进度 以及工程建筑结构的正常使用，而导致这一系列问题的罪魁祸首就是水。所以， i 种改良卜的渗透性试验研究 对黄土渗透特性问题的研究，不论从黄土地区的减灾防害，还是从工程的设计施 工及安全运行评估方面均有着十分重要的现实意义。 1 2 改良土的应用 通过在土体中掺入石灰、粉煤灰、水泥等材料，来改善土体的工程性能，我 们称之为改良土。在我国，公路行业、水利系统以及建筑部门均把改良土称之为 固化土或稳定土，改良土中无机结合料通常为石灰、粉煤灰、水泥等；在工程实 际中，石灰、粉煤灰和水泥等材料已经投入使用了很多年，为此积累了不少经验， 总之，通过加无机结合料，改良土的各个性能指标得到很大的提高及完善。具体 表现为5 ： ( 1 ) 改善了土的力学性能，随着时间的延长强度和耐久性不断增长；增大了土 的凝聚力和内摩擦角，进而有效地提高了土的抗剪强度，改善了土的承载力、固 结特性和压实性等；吸水并降低土的塑性； ( 2 ) 改善了土的水稳性、抗冻胀性以及耐干湿循环能力等耐久性能； ( 3 ) 扩大了土料的使用范围，并且使可用土料地区分布更加广泛，原料更加充 足； ( 4 ) 由于目前施工技术比较成熟，会降低工程投资。 由于存在以上诸多的优点，改良土技术得到了广泛的应用，并取得了良好的 经济效益和社会效益。 根据土的不同类型，并且经过多年实践的证明，国内外通常认为石灰、粉煤 灰、水泥等都是很好的改良土无机结合料。 多年来，工程师们不断的在研究土与石灰、粉煤灰、水泥等无机结合料的混 合物，希望能够找到利用当地土料做为主要原料的廉价筑路材料，国内外工程师 们最早开始研究改良土的目的就在于此。国外对于改良土的研究随引n 们n 和应 用，早在十九世纪初就已经开始了。1 9 0 6 年，美国开始研究采用水泥、沥青以及 化学制品等对土进行改良。就在1 9 1 5 年美国一位佛罗里达州的大胆铺路承包人， 无意识地首次利用水泥改良土修筑奥克街的一段路，这很可能是世界上首次使用 水泥改良土的实例。二十世纪三十年代，美国使用了1 9 l 亿立方改良土在铺筑道 路和机场跑道方面。二十世纪中期，改良技术已经得到更加普遍地认同。当时就 有了改良土混合料中含水量与密实度之间的关系、压实改良土的冻融循环、干湿 循环以及用抗折试件断裂段来测定改良土抗压强度试验的方法，到目前为止，这 些方法仍是研究与评价改良土性质中的重要依据。 1 9 4 8 年，印度在旁遮普邦修建了约四千左右栋改良土民房，多年使用后建筑 物结构状况依然良好。肯尼亚、赞比亚、安哥拉等一些非洲国家也开始大量使用 改良土作为公路的基层或底基层，并修筑了上千公里的公路，只有肯尼亚有不到 2 0 的公路发生了不同程度上的断裂，其余的均使用状态基本完好。 通过研究国内外发展现状可以看出，世界上无论是发达国家还是一些发展中 2 硕士学宙论文 国家，都很重视改良土这一优质价廉的建筑材料。作为稳定固化土的一种方法， 由于改良土具有相当好的承载力与抗剪能力，越来越多地用于承受抗弯作用的道 路以及机场跑道的基层，或者建筑物的地基。相比较而言，改良土在铁道工程中 的应用不多，铁道工程对路基填料要求高。近年来，随着对改良土研究的不断深 入和工程需要，欧美和日本等一些国家也逐渐开始把改良土推广应用到铁路的路 基填料等领域，总结出了一些成功经验。 我们国家从解放后开始对改良土进行研究与应用，以用粉煤灰占主导地位。 到了六十年代，开始在柔性路面基层中应用改良填料。七十年代前期，我国水利 部门开始研究和试用水泥来改良土。七十年代的中后期，在山东、上海、天津、 北京等七八个省市，设计及科研单位开始了改良土的应用研究工作，并对改良土 的物理力学性质进行了深入的研究晦1 1 。 1 3 土的渗透性研究现状 对于土的渗透性的研究，早在1 8 5 6 年就开始了，是一个历史比较悠久的课题。 法国工程师达西( d a r c y ) 经过大量的试验研究，总结得出渗透能量损失与渗流速度 之间的相互关系，即达西定律。 松雷布a 山姆尼、l s 威拉德逊n 引推导了一种称为“向上渗流法 的简便实 验方法，该法利用达西方程，确定在给定水力梯度下土的渗透系数。 张瑛玲、朱敬毅等n 3 3 对粘性土渗透系数的室内测定方法进行了研究。指出： 影响渗透系数数值大小的主要因素是岩性。一般来说，亚砂土的渗透系数在 1 0 一1 0 。c m s 范围内，贬粘土的渗透系数在1 0 1 0 1 c m s 范围内，粘士的渗透 系数在l o 一1 0 q o c m s 范围内。 郭鸿等1 分别进行了三轴渗透和常规南5 5 渗透试验，并从水平向和垂直向， 在不同的围压下，不同的控制干密度下等几个方面进行了对比分析研究：试验结果 证明：在干密度一定的情况下，随围压的增大，黄土的渗透系数而减小：而在同 围压下，黄土的渗透系数随着干密度的增大而减小。 宋春梅n 引通过陕西某地黄土重塑试样的常水头试验研究，获得了该地重塑黄 土样的渗透系数，其值的变化范围为l o 喝1 0 c m s ，发现土样渗透系数总体上随 土样干密度的增大而减小，同时对不同含水量黄土经不同击实数后的试样在不同 渗透压力下渗透系数的变化特征进行了分析。不同含水量不同干密度的重塑土样 在不同渗透压力下的渗透系数变化较大，但是当含水量为1 5 4 及干密度为1 6 0 g c m 3 左右时，渗透系数随渗透压力的变化较小。 叶正强、李爱群等n 引通过室内试验测定粘性土在有荷条件下的渗透系数，结 果表明：粘土在固结压力增大的时侯，渗透系数随孔隙比的减小而显著减小，粉质 粘土却是略有减小；对于同一工程分类的土，在孔隙比相近情况下，击实土的渗透 系数远远小于原状土的渗透系数；当石灰和粉质粘土以3 ：7 比例混合后，比粉质粘 土具有更低的渗透系数。 3 三种改良卜i 的渗透性试验研冗 赵彦旭、张虎元等n 刀对不同干密度的压实黄土试样，采用非饱和导水率测定 系统进行非饱和渗透系数量测，得到不同干密度压实黄土的渗透系数与吸力的关 系，建立了基于干密度的压实黄土渗透系数的确定方法。渗透系数随吸力的增大 非线性减小，随干密度的减小而增大；在低吸力时，干密度对渗透系数的影响较 大；在较高吸力时，干密度对渗透系数的影响较小。 1 4 改良土渗透性研究现状 到目前为止，许多国内外学者已对改良土的渗透变化规律进行了研究。 郭鸿等n 8 1 人在渗透试验的基础上，整理试验结果，探求不同压实度和黄土 掺量下粉煤灰渗透特性的变化，建立以压实度和掺士量为参数的渗透系数函数。 嘲唧h 一。】) m 为掺土量( ) ，丸是压实度，p 。和g 。分别是土的干密度和比重，p ，。和g ，分 别是粉煤灰的干密度和比重，a 、b 为系数，取a = o 0 3 65 ，b = 2 3 8 9 。饱和掺土粉煤 灰在同一压实度下，渗透系数随着黄土掺量的增大而减小；在同一黄土掺量下， 渗透系数随着压实度的增大而减小；掺黄土粉煤灰的渗透系数是关于掺黄土量和 压实度的指数函数。 李志高等n 引对石灰一下蜀黄土、粉煤灰一下蜀黄土的渗透系数的主要影响因素 ( 掺灰比、含水量) 进行正交试验设计，选用双因素方差分析法分析了掺灰比、含水 质量分数与渗透系数之间的关系，发现掺灰比和含水质量分数对下蜀黄土的防渗 性能均有重要影响提出了下蜀黄土防渗性能的优化设计方案，认为高含水质量分 数低掺灰比的组合有利于防渗。石灰一下蜀黄土建议掺灰质量分数控制在3 6 ， 粉煤灰一下蜀黄土建议掺灰质量分数控制在1 2 一- - 2 5 ，含水质量分数在湿于最优含 水质量分数时，渗透系数能够满足防渗要求。 郭婷婷等乜叫人对黄土二灰土工程特性进行了研究，在黄土中加入石灰、粉煤 灰后，土中细粒物质增加，降低了土的孔隙比，同时水流也受到较强的黏滞性，减轻 了地基的透水性。随着粉煤灰含量的增加，其干密度减小，二灰土的渗透系数随之 增大，但其数值均较小，都属于低渗透性土。 刘鲁娜等心做了素土与水泥土渗透系数的对比试验，并从中找出一个最佳水 泥配比。在含水率2 3 o 、干密度1 6 0 9 c m 3 的状态下，掺加l o 水泥的水泥土的 渗透系数最小。 许兰蓉等瞳2 1 分析了灰土与水泥土不同配合比室内物理力学性质，试验结果初 步说明，石灰含量过大或过小，都将引起渗透性增大，只有在2 ：8 - - 4 ：6 之间时，灰 土渗透性较低。随龄期增大，灰土产生钙化硬结后，渗透性有降低的趋势。 储诚富等对原状土、重塑土和改性粉土的压实性、渗透性等主要防渗垫层 4 硕七掌位论文 指标进行了对比评价。结果表明，原状土和压实重塑土的渗透性不能达到l 1 0 c m s ，而改性土具有较好的压实性和低渗透性；提出了该种粉质黏土垫层改性 后的最佳掺灰比为1 2 。 t s a u d o n 和a a r n e 2 引提出了利用石灰在粘土中的硬凝反应，添加一定比例的石 灰以增加天然衬里的防渗性能。 d i g i o i a l ，g h o s h t 乜础的研究表明，在粘土中添加粉煤灰后，防渗层的抗渗性能 得到很大幅度的提高。 1 5 本文研究内容及方法 综上所述，尽管国内外学者在改良土渗透性方面取得了大量成果，但对于黄 土及其改良后的渗透性研究来说，仍然是不充分，说法不一的，至今还没有定论， 或许不同地区的土体有着一定的差异性，故需要进一步研究。 本文以黄土力学，黄土工程和土质学为基础，以黄土和以黄土为主要成份的 改良土为对象，做渗透试验，对其渗透性进行了一系列的试验研究和理论分析。 研究工作主要有以下几个方面： ( 1 ) 进行各种土的物理性质指标测试；室内测定水泥、粉煤灰的基本性质。 ( 2 ) 在土木工程施工中，为了改善土的工程性质，需要采用压实的方法使土 变得密实。用击实试验测定天然黄土和改良土的最优含水率与最大干密度，并按 击实结果制作试样。 ( 3 ) 用变水头渗透试验测定兰州原状黄土渗透系数，分别用不同比例石灰、 粉煤灰、水泥将黄土改良，在其不同含量下，研究其渗透系数变化规律；将素黄 土样夯实后，做浸水试验，比较夯实前后渗透系数的差异，分析其对渗透系数的 影响规律。 ( 4 ) 分析对比原状黄土和改良后的土样渗透试验的量值差异，探讨渗透试验 条件下各种影响因素对其渗透特性的影响规律。分析改性黄土可行性及改良土的 最佳配比。 5 ：种改良卜的渗透性试验研究 第2 章改良土中各成分性质及击实试验 2 1 原材料性质 2 1 1 黄土 黄土是一种多孔隙、弱胶结的第四纪沉积物，为灰黄、棕黄至棕红色，以粉 土颗粒为主，质地均匀，无层理，垂直节理发育，富含碳酸盐，具有大孔性和一系列 内部物质成分和外部形态的特征心刚。 黄土一般具有以下特征他7 。3 ： ( 1 ) 它是一种特殊的粘性土，粉土颗粒含量较高，遇水易冲蚀、崩解和湿陷。 ( 2 ) 富含碳酸盐类，疏松，多孑l 隙，垂直节理发育，极易渗水，含有大量可溶 性物质，很容易被流水侵蚀。 ( 3 ) 颗粒组成以0 0 0 5 - - 0 0 5 m m 为主，含量一般在6 0 以上，颗粒粒径大于 0 2 5 m m 的较少。 ( 4 ) 有肉眼可见的大孔隙，较大孔隙般在1 o m m 左右。 黄土的现存结构状态，是它整个历史形成过程中的综合产物。它决定着黄土 结构本身在新的条件下的变化倾向。例如湿陷性黄土的特征是低含水量、高孔隙 度和碳酸盐含量高的粉质土壤，因之遇水有崩解湿陷的特性。根据双目显微镜下 观察表明，黄土有其特殊的显微结构。它由结构单元( 单矿物、集合体和凝块) 、 胶结物( 粘粒、有机质、c a c o 。) 和孔隙( 大孔隙、架空孔隙和粒问孔隙等) 三部分组 成。黄土以粗粉粒( 0 0 l o 0 5 m m ) 为主体。较大砂颗粒( o 0 5 m m ) 含量较少，粗粉 粒构成黄土的骨架，而细粉砂、粘土和腐殖质等胶结物质附在砂颗粒的表面，特 别集中地聚集在大颗粒的接触点，它们与易溶盐形成的溶液与沉积在该处的碳酸 钙和硫酸钙一起形成了胶结性的联接，构成黄土的微结构特征。黄土的矿物成分 有碎屑矿物、粘土矿物及自生矿物3 类。碎屑矿物主要是石英、长石和云母，占 碎屑矿物的8 0 。此外，黄土中碳酸盐矿物含量较多，主要是方解石。粘土矿物 主要是伊利石、蒙脱石、高岭石、针铁矿、含水赤铁矿等。黄土的化学成分以s i o ： 占优势，黄土颗粒之间结合不紧密，孔隙率一般在4 0 - 5 0 。 2 1 2 石灰 石灰是建筑中常用的无机胶凝材料之一，各种化学组成的石灰均可用于稳定 土。石灰的等级愈高( 即c a o + m g o 的含量愈高) 时，在同样石灰剂量下有较多的c a o 和m g o 与土起作用，因而稳定效果就越好。石灰的细度越大，则其比表面积就越 6 硕二仁学位论文 大，在相同掺量下与土粒的作用就会越充分，因此效果愈好。石灰质量要求要符 合i i i 级以上标准，尽可能地减短石灰的存放时间，确保其在生产后的三个月之内 投入使用。 国外有用磨细的生石灰来稳定湿枯土，并获得了良好效果。由于生石灰在消 解过程中会放出大量热能，加速了灰土的硬化。此外，刚消解的石灰呈胶状c a ( o h ) ：，其活性和溶解度都比较高，能促进石灰和土中胶粒更好地作用。所以，使用生 石灰要比熟石灰稳定土的效果好。然而生石灰磨细需要很大的工作量，飞扬空中 的灰粉，对人的身体健康危害很大，因此目l j i 尚少使用钉。 2 1 3 粉煤灰 粉煤灰是火力发电厂中磨细煤粉在锅炉中燃烧后从烟道排出的一种工业废 渣，是一种火山灰材料。它通常呈灰褐色，酸性，是实心的或空心的球状颗粒， 粉煤灰的百分之七十以上通常都是由s i o 。、a 1 ：0 。和f e ：0 。组成，有的时候还含有 比较高的c a o 。粉煤灰是一种典型的非均质性物质，含有未燃尽的碳、未发生变 化的矿物( 如石英等) 和碎片等，而相当大比例( 通常大于5 0 ) 是粒径小于1 0 肛m 的球状铝硅颗粒。典璎的粉煤灰中还含有钙、镁、钛、钠、钾、硫、磷等的氧化 物。 粉煤灰的结构比较细密，比表面积小，而且对水的吸附能力相对较小，所以 对相同量的石灰或水泥来说，其需水量较小。粉煤灰作为一种硅质或者硅铝质材 料，其本身是很少有或者说没有粘性，但是当它以细分散的颗粒状态与水和消石 灰、水泥混合时，就能发生反应，并且生成具有胶凝性的水硬性水化产物，粉煤 灰材料的这一性能称为火山灰性质，又叫粉煤灰的活性。因此，粉煤灰混合料既 具有干缩性小、抗裂性好，又具有水化热低、抗蚀性好等优点m - 。 2 1 4 水泥 水泥，粉状水硬性无机胶凝材料。加水搅拌后成浆体，能在空气中硬化或者 在水中更好硬化，并能把砂、石等材料牢固地胶结在一起。硅酸盐水泥是以硅酸 钙为主要矿物成分的水泥，是一种多矿物的聚集体。其主要矿物组成为硅酸三钙、 硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙。这四种矿物的组成决定水泥的性质。 2 2 试验材料 试验采用兰州龚家湾的扰动黄土，土样物理性质见表2 1 ，试验前将土样烘 干、捣碎，过5 m m 筛孔的土为试验用土，石灰为熟石灰，过2 m m 筛，有效c a o 和m 9 0 的含量为6 8 1 4 ，属于级石灰试验所用水泥为p 0 4 2 5 普通硅酸盐水泥，水 泥的各项性能指标见表2 2 ，粉煤灰为兰州西固热电厂的副产品，粉煤灰的各项 7 二种改良 的渗透忭试验研究 性能指标见表2 3 。 表2 1 试验黄土料的物理性能指标 表2 2水泥的各项性能指标 表2 3 粉煤灰各项性能指标 2 3 击实试验 土的击实性是指在一定含水率下，用人工或机械的方法，土被击实到某种密 实程度的性质。土体只有达到一定密度时才能具备抵抗外力的能力，要使改良黄 土有较高的强度和较小的变形特性，必须达到一定的压实度。这与改良黄土的含 水量密切相关。因此，通过试验得到改良黄土在不同配比下的含水率与干密度曲 线至关重要，同时，最大干密度和最优含水量也是控制基础质量的必要条件，为 此，需做击实试验。本试验中，击实试验是为了测定1 0 种土样的击实曲线，以确 定各土样的最大干密度和最优含水率。最大干密度下，土样处于最密实状态，土 样的渗透系数最小。 根据要求分批分别做石灰、水泥掺入比( 不同体积比) l ：9 、2 ：8 、3 ：7 ，二灰 土( 石灰、粉煤灰、黄土体积配合比) 1 ：2 ：7 、l ：3 ：6 、1 ：4 ：5 。 本文试验所用的击实试样均参照中华人民共和国国家标准土工试验方法标 准( g b l 2 3 - - 8 8 ) 引中土的轻型击实试验，确定各种改良土最优含水量及最大干 密度。 8 帧十字位论文 2 4 试验结果及分析 2 4 1 素土的最优含水量和最大干密度 。 素土击实试验结果见表2 4 ，图2 1 。 表2 4 素土击实试验结果 笔 u 巡 船 h - 素- t ( w ) p d ( g c m 3 ) 7 3 91 5 8 1 1 2 31 6 9 1 5 3 6 1 7 4 1 8 4 5 1 6 6 2 0 6 31 6 3 _ 枣臼 1，j1一，-1_j o 10 1 50 20 含水率_ 图2 1 素土击实试验曲线 天然黄土的最优含水率为1 5 3 6 ，最大干密度1 7 4 c m 3 。最大干密度较天 然干密度1 5 5g c m 3 有所增大，这主要是由于击实后，土样孔隙比减小导致的。 2 4 2 石灰土的最优含水量和最大干密度 石灰土击实试验结果见表2 5 ，图2 2 。 表2 5石灰土击实试验结果 9 一 一 一 一 一 一惦 8 7 6 5 4 3 o 一二种改良卜的渗透件试验研究 2 5 7 61 5 4 2 7 5 51 4 63 1 3 3 1 3 9 1 8 1 7 薯 o 1 6 勺 鑫i 5 稍 h _ 1 4 1 3 险煮聂 - 一2 ：8 灰一匕 i 土圣17 灰毫 0 0 50 t0 1 5 0 20 2 50 30 3 5 含水率w 图2 2 石灰土击实试验曲线 2 4 3 二灰土的最优含水量和最大干密度 二灰土击实试验结果见表2 6 ，图2 3 表2 6 二灰土击实试验结果 l ：2 ：7 一二灰十 l ：3 ：6 二灰七l ：4 ：5 _ 二灰土 ( w ) p d ( g a m 3 ) ( w ) p d ( g a m 3 ) ( w ) p d ( g a m 3 ) 1 1 0 0 1 5 21 7 5 01 5 3 1 9 9 l 1 4 9 6 1 7 8 0 2 0 7 4 1 5 71 9 6 6 1 6 2 72 1 6 6 1 5 82 4 1 4 1 5 5 1 5 6 1 5 3 2 1 7 5 2 4 2 6 2 8 1 7 1 4 6 1 5 l 1 5 2 1 4 4 2 4 5 7 1 5 12 7 5 51 4 6 3 1 3 31 3 9 1 8 1 7 名 u 1 6 勺 鑫1 5 御 1 - - 1 4 1 3 0 0 50 1 o 1 50 20 2 5 含水率- 1 0 硕仁学位论文 图2 3 二灰土击实试验曲线 2 4 4 水泥土的最优含水量和最大干密度 水泥土击实试验结果见表2 7 ，图2 4 表2 7水泥土击实试验结果 1 8 口 a 鬻1 6 h - 1 5 o 0 5o 1o 1 50 20 2 5 含水率w 图2 4 水泥土击实试验曲线 根据做出的干密度p 。和含水率w 关系曲线，汇总击实试验结果见表2 8 。 表2 8击实试验结果 1 l 素卜乐弘 一 ：种改良卜的渗透性试验研究 2 4 5 试验结果 石灰土、二灰土的最大干密度均低于素土的最大干密度，且随掺合率的增大而 减小。水泥土的最大干密度均高于素土的最大干密度。石灰土、二灰土、水泥土 的最优含水量均随掺合率的增加而增大，增长趋势逐渐变缓，且均高于素土最优含 水量。改良土干密度较素土干密度的增减主要取决于掺和料的容重。当掺和料( 水 泥) 容重接近或略高于土的容重时，其改良土干密度较素土有所增大，但随掺合率增 减变化小，当掺和料( 如石灰、粉煤灰) 容重远低于土的容重时，其改良土容重将明显 低于素土容重，且随着掺合率的增高而降低，如石灰土、二灰土。改良土的最优含 水量除与掺和料的化学特性有关外，还与掺和料和土的相互反应有关。 2 5 试样制备 根据击实试验得到各个配比的最大干密度以及最优含水量，根据上述试验结 果制作击实试样( 直径1 0 2 m m ，高度l1 6 m m )( 见图2 5 ) ；所有试样脱模后均用密 封的保鲜膜袋装好( 见图2 6 ) 。到达规定养护日期后用渗透试验环刀取样，试样 为面积为3 0 c m 2 ，高度为4 c m ( 见图2 7 ) ，做变水头渗透试验。对于硬度比较大 的水泥土试样，提前用环刀取样、养护。养护期分别为7 天、1 4 天、2 l 天、2 8 天。 击实试验及渗透试验均按有关规范进行。 图2 5击实试样 图2 6 保鲜膜袋养护试样 硕i ：学位论文 量曼量量皇曼量量皇曼曼曼曼曼量量曼量曼曼曼皇曼量曼舅皇量曼皇皇量曼量兽曼曼曼曼量量曼蔓蔓皇皇鼍量量皇皇曼曼曼曼曼曼曼曼量量曼曼罾 2 6 本章小结 图2 7渗透试样 本章首先对所制试样的原材料进行了介绍，而后做了兰州黄土，以及不同配 比的改良土的击实试验，确定了其最佳含水量和最大干密度。得到以下结论： ( 1 ) 天然黄土的最优含水率为1 5 3 6 ，最大干密度1 7 4 9 c m 3 。最大干密度较 天然干密度1 5 5 9 c m 3 有所增大，这主要是由于击实后，土样孔隙比减小导致的。 ( 2 ) 石灰土、二灰土的最佳含水量随掺量比例加大而增大，最大干密度随着掺 量的增大而下降。显然，加拌石灰，粉煤灰后的土性发生了很大变化，对素土而 言，最大干密度较大，最佳含水量较低，而石灰土、二灰土的最大干密度随含水 量变化幅度减小，最佳含水量较素土增大。水泥土的最大干密度均高于素土的最 大干密度，并随着掺量的增大而增大，水泥土的最优含水量均随掺合率的增加而 增大，增长趋势随掺合率的增加逐渐变缓，且均高于素土最低含水量。 根据击实试验结果，按各个配比的最大干密度以及最优含水量制作渗透试样。 ：种改良仁的渗透性试验研究 置置量量皇皇皇舅曼曼蔓量曼皇曼昌量曼曼皇曼罾皇置蔓璺曼曼量鲁曼置皇曼曼曼量舅皇曼量曼曼量皇皇曼曼| 皇量皇曼曼宣量皇皇虽量量曼量鲁皇蔓量曼量皇董皇葛曼i 3 1 概述 第3 章渗透理论及渗透方法 由于土体具有连续的孔隙，水在重力作用下能穿过土的孔隙发生运动，引起 渗流，土体被水透过的性能，称为土的渗透性。土的渗透性一般用渗透系数表示， 渗透系数是衡量土体的渗透性能的一项重要物理力学指标。在渗流计算、地基变 形计算及用排水固结法处理软弱地基的设计计算等与水的渗流有关的工程问题 中，都需要用到渗透系数，因此正确给出土的渗透系数是非常重要的。渗透系数 是综合反映土体渗透能力的一个指标，但它不能由计算得到，只能通过试验测定。 渗透系数表示当水在土中运动条件满足达西规律条件时，水头梯度