（岩土工程专业论文）黄土的结构性试验研究.pdf

硕士学位论文 摘要 黄土是一种典型的结构性土，其特殊的结构性和对水的特殊敏感性直接影响 着黄土的工程力学性质，这也是黄土力学研究的特殊性所在。本文通过原状土样、 重塑土样和人工结构性土样的静力学试验对黄土的结构性及结构强度特性作了 进一步探讨。 首先，在对黄土结构性及其形成机理分析的基础上，用水泥作为粘结材料制 成人工结构性土样，通过侧限压缩试验、浸水湿陷试验对原状土样和人工结构性 土样的结构性进行了研究，了解了结构性黄土的变形特征，说明了人工制各结构 性土样用于试验的可行性。 其次，在上述试验及分析的基础上，对人工结构性土样和重塑土样进行了三 轴剪切试验，探讨了土结构性的各主要因素对两种土样结构特性的影响，分析了 两种土样的应力一应变曲线、孔压及体积的变化规律。得到了不同试验条件下人 工结构土样的结构性参数曲线，并合理解释了这些曲线所表现出的相关特征。同 时，建议了一种更加简单、明确的结构性参数形式，验证了其合理性。 最后，深入分析了原状土样和人工结构土样的结构强度及抗剪强度指标的变 化规律。采用不同的数学模型对应力一应变试验数据进行拟合，给出了拟合曲线， 拟合曲线可以较好的与试验点吻合，说明了选用的数学模型是合理的。 关键词：黄土，试验研究，结构性，结构性参数 黄土的结构性试验研究 a b s t r a c t l o e s si sak i n do ft y p i c a ls t r u c t u r a ls o i l ，i t ss p e c i a ls t r u c t u r ea n ds p e c i a l s e n s i t i v i t yt ow a t e re f f e c to nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fe n g i n e e r i n gm e c h a n i c so fl o e s s ， t h i si sa l s ot h es p e c i a la s p e c to ft h es t u d yo nm e c h a n i c sb e h a v i o ro fl o e s s i nt h i s p a p e r , t h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h es t r u c t u r a ls t r e n g t ho fl o e s sa r es t u d i e db y t h es t a t i ct e s t so fi n t a c tl o e s s ，m a n - m a d el o s sa n dm a n - m a d ec e m e n ts t r u c t u r a ll o e s s i nl a b o r a t o r y a b o v ea l l ，b a s e do na n a l y z i n gt h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c sa n di t sd e v e l o p i n g m e c h a n i s m ，t h ec e m e n ts t r u c t u r a ll o e s si sm a d ei nl a b o r a t o r y ，a n dt h es t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c so fi n t a c tl o e s sa n dm a n m a d ec e m e n ts t r u c t u r a ll o e s sa r es t u d i e da n d t h ed i s f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i e so ft h et h es t r u c t u r el o e s sa r ec o m p r e h e n d e dw i t h c o n f i n e dc o m p r e s s i o nt e s ta n dt r i a x i a li m m e r s i o nd e f o r m a t i o nt e s t s ot h em e t h o do f m a k em a n - m a d ec e m e n ts t r u c t u r a ll o e s si sa v a i l a b l e t h e nb a s e do nt h ep r e v i o u se x p e r i e n c ea n da n a l y t i c s ，t h et r i a x i a ls h e a rt e s t sa r e c a r r i e do u to nm a n - m a d ec e m e n ts t r u c t u r a ll o e s sa n dm a n - m a d el o e s s d i s c u e s st h e k e yi n f l u e n c eo nc h a n g e si nt h es t r u c t u r a lp e o p e r t i e so fl o e s s a n a l y z et h ec h a n g e r e g u l a t i o n so ft h et w ok i n dl o e s so ns t r e s s - s t r a i nr e l a t i o n s h i p ，p o r ew a t e rp r e s s u r e a n db u l k s t r u c t u r a lp a r a m e t r i cc u r v e so fm a n - m a d ec e m e n ta r eo b t a i n e du n d e rt h e d i f f e r e n tt e s tc o n d i t i o n sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h e s ec u r v e sw h i c ha r ed i s p l a i e da r e i n t e r p r e t e dr e a s o n a b l yi nt h e o r y a tt h es a m et i m et h i sp a p e rp r o p o s e sa m o r es i m p l e a n dc l e a rs t r u c t u r a lp a r a m e t e rf o r mw h o s er a t i o n a l i t yi sc o n f i r m e d a tl a s t ，t h i sp a p e rd e e o l yr e s e a r c h sc h a n g er e g u l a t i o no fs t r u c t u r es t r e n g t ha n d s h e a rs t r e n g t ho fi n t a c tl o e s sa n dm a n m a d ec e m e n t t e s tc u r v eo fs t r e s s s t r a i ni s f i t t e di nd i f f e r e n tm a t hm o d e la n df i t t i n gc o e f f i c i e n ti sg i v e n t h eg o o dc o n s i s t e n c y o ff i t t i n gc u r v ea n dt e s td a t ap r o v e st h a tt h em a t h e m a t i c a lm o d e l sa r er e a s o n a b l e k e yw o r d s ：l o e s s ，t e s tr e s e a r c h ，s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c s ，s t r u c t u r a lp a r a m e t e r n 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。 作者签名： 力建日期：岬年奎月加日 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 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 日期：卿年t 月w 日 日期：砷年丁月为日 炎砰 店芬 硕七学位论文 第1 章绪论 黄土是干旱半干旱地区的沉积物，由于其特定的生成环境和存在的历史环境， 形成其明显的柱状节理和大空隙结构，这种独特的结构性直接影响着黄土的力学 性状和工程性质。因此，对黄土的结构性及结构强度特性进行研究具有一定的理 论和工程实际价值。 1 1 黄土的基本性质 1 1 1 黄土的分布特性 全世界各州黄土和黄土状土分布的总面积约1 3 0 0 万k i n 2 ，占全球大陆面积 的9 3 以上。它广泛分布于南美洲和北美州，特别是在北美洲，占据着密西西 比河和密苏里河流域的大片面积。它主要位于新西兰、澳大利亚、北美洲、法国 的北部和东部、中欧中部以及阿尔卑斯山和多瑙河流域的低地。同时，在东欧平 原，从波兰到伏尔加河流域也有分布。我国黄土和黄土状土的分布面积约为6 4 万k m 2 ，占国土面积的6 3 9 6 。最典型的黄土则分布于北部的广大地区以及内 蒙古等地区。在黄河中游地区，西起贺兰山，东到太行山，北起长城，南到秦岭 几乎全部被黄土覆盖，这里的黄土发育最好，地层全、厚度大、分布连续，是我 国黄土分布的主要地区【1 - 2 。 在我国黄土主要集中分布在中西部地区，地震多发且烈度较高，其干旱、半 干旱的地域特征以及黄土自身的大孔隙架空结构和对水的特殊敏感性均决定了 黄土力学特性研究在黄土地区的工程实践中的重要地位，特别是对黄土结构性的 研究已成为当前最重要的课题之一1 3 1 。 1 1 2 黄土的成因特性 黄土是干旱半、干旱气候条件下形成的第四纪沉积物。研究黄土最早是从研 究黄土的成因问题开始的。经过百余年的探索，目前，黄土的成因主要集中到“风 成说”和“水成说”上，一般认为，黄土的沉积以风为第一搬运营力，形成原生黄 土，部分原生黄土又以水为第二搬运营力，形成次生黄土。我国黄土的形成经历 了整个地质年代的第四纪时期，按地质特征可分为q l ( 午城黄土) 、q 2 ( 离石黄 土) 、q 3 ( 马兰黄土) 、q 4 ( 新近堆积黄土) 黄土，其中q 1 、q 2 黄土又称老黄土， q 3 、q 4 黄土又称新黄土。黄土具有一系列内部物质成分和外部形态特征，在地 理分布上也具有一定的规律【4 1 。 黄- t f j 可笫嗣任诫粒计咒 i i ii ! ! 1 1 3 黄土的组成特性 黄土的主要造岩矿物约有1 5 种。黄土以粗粉粒为主，构成了黄土的骨架。 其中，粒径为o 0 5 o 0 0 5 m m 的粗粉粒含量最大i ，一般在5 0 6 0 范围，其 浸水活动性也最强，黄土中细粉粒和粘粒所构成的团粒能赋予黄土不同的湿陷 性。黄土中的粘粒部分( 2 5 0 k p a 时，两种饱和土样的固结系数变化 曲线与饱和重塑曲线基本重合。 由图3 4 可以看出，原状结构性土样与人工结构性土样固结系数变化曲线形 式相似，规律相同。随着垂直压力的增加，两种土样的变化曲线均逐渐接近饱和 重塑土样的变化曲线，再次说明了人工制备结构性土样的试验方法可行。 黄七的结构性试验研究 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0 压力p ( k p a ) a 1 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0 压力，( 好a ) b 、 图3 4 黄土土样固结系数与压力关系图 3 2 固结不排水剪切试验 3 2 1 试验内容 试验在应变控制式三轴仪上进行，采用固结不排水方法。围压按1 0 0 、2 0 0 、 3 0 0 k p a 施加，含水量为8 、1 4 、2 1 和饱和，剪切速率为o 4m m m i n 和o 0 8 m m m i n 。其内容安排如下： 1 对重塑土样和人工结构土样( 水泥含量为1 o ) ，作不同含水量下、不同 围压下的剪切试验，得到应力一应变关系曲线，剪切速率取0 4 m m m i n 。 2 对饱和重塑土样和饱和人工结构土样( 水泥含量为1 o ) ，不同围压下的 剪切试验，得到应力一应变关系曲线和孔压关系曲线，剪切速率取o 4 m m