（地质工程专业论文）安徽淮北平原新近沉积粉土工程性质研究.pdf

安徽淮北平原新近沉积粉土工程性质研究 摘要 本文着重对安徽淮北平原各地区新近沉积粉土的成因、分布、物理性质、 力学性质进行了详细的研究，并对其中的变化规律做了分析。在参阅大量文献 的基础上，笔者得出淮北平原新近沉积粉土成因有两种：一是由于淮河泛滥沉 积，新近沉积粉土主要分布在阜南、怀远以及五河一带的沿淮地区；另一是由 于黄河改道、泛滥沉积，新近沉积粉土主要分布在平原西北部的界首市。毫州 市和宿十h 市至泗县一带。在收集资料的基础上，笔者绘制了安徽淮北平原新近 沉积粉土分布示意图。此外作者收集了该地区大量的实际工程勘察资料、土工 试验资料以及载荷试验资料，通过对资料的分析和整理，统计得到安徽淮北平 原各地区粉土的颗粒成分含量、物理性质、力学性质；并对各地区粉土的颗粒 成分含量、物理性质、力学性质做了对比和分析，得出了各物理力学指标的变 化规律。在相关载荷试验及勘察资料的基础上，笔者得出了研究区各地区新近 沉积粉土的承载力。此外，笔者还对研究区粉土的液化以及其它危害做了研究， 并提出相应的治理措施。 关键词：淮北平原粉土承载力工程性质液化危害 s t u d y o nt h e p r o p e r t yo ft h en e w l y - d e p o s i t e ds i l t ys o i l i nh u a i b e ip l a i n a n h u ip r o v i n c e a b s t r a e t t h i sa r t i c l eg i v e sap a r t i c u l a rr e s e a r c ho nt h ef o r m a t i o n ，d i s t r i b u t i n g ，p h y s i c s a n dm e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i c so ft h en e w l y - d e p o s i t e ds i l t ys o i li nh u a i b e ip l a i n , a n h u ip r o v i n c e i ta l s og i v es o m ea n a l y s i so ft h ec h a n g er e g u l a r i t yo ft h es o i l c h a r a c t e r i s t i c s t h ea u t h o rg o tt w of o r m a t i o no ft h en e w l y - d e p o s i t e ds i i t ys o i li nt h i s a r e aa f t e rc o n s u l t i n gg l a s so fd a t a ：o n ei st h a tf o rt h ef l o o d i n go ft h eh u a ir i v e r , t h e s i l f ys o i lm a i n l yd i s t r i b u t e di nf u n a n , h u a i y u a na n dw u h ee t e ，w h i c hn e a rt h e d r a i n a g ea r e ao fh u a ir i v e r ；t h eo t h e ri st h a tt h ey e l l o wr i v e rc h a n g e di t sr o u t ea n d a l s ow i t ht h ef l o o d i n ga g g r a d a t i o n , s ot h a tt h es i l t ys o i lm a i n l yd i s t r i b u t e di nt h e n o r t h w e s tp a r to ft h ep l a i ns u c ha st h ej i e s h o uc i t y , b o z h o uc i t y , a n dt h ed i s t i c tf r o m t h es u z h o uc i t yt ot h es i x i a n f u r t h e rm o r e ，t h ea u t h o rh a dd r a w n t h ed i s t r i b u t i n gm a p o ft h es i l t ys o i l i n t h i sa r e aa f t e rc o n s u l t i n gn l a s so fd a t a b e s i d e s ，t h ea u t h o rh a d c o l l e c t e dp l e n t yo fe n g i n e e r i n gd a t a , s u c ha st h es o i lt e s td a t aa n dt h el o a dt e s td a t a , t h r o u 曲t h e a n a l y s i s 缸通t h ec o o r d i n a t et ot h ed a t a , g o tt h ec o m p o s i t i o ua n dc o n t e n t o f t h en e w l y d e p o s i t e ds i l t ys o i l ，t h ep h ) r s i c sa n dm e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i c so f t h es o i l i nd i f f e r e n td i s t r i c t so ft h i sp l a i n , t h e nd i ds o m ec o n t r a s ta n da n a l y s i st ot h e s e c h a r a c t e r si nd i f f e r e n td i s t r i c t s ，f r o mw h i c ht h ea u t h o rt h e ng o tt h ec h a n g er e g u l a r i t y o fa l lt h ep h y s i c sa n dm e c h a n i c si n d e x b a s e do nt h el o a dt e s ta n ds o m eg e o l o g i c a l e x p e r i m e n t sd a t u m s ，t h ea u t h o ra c q u i r e dt h ec a r r y i n gc a p a c i t yo ft h es i l t y s o i li n d i f f e r e n td i s t r i c t so ft h i sa r e a b e s i d e s ，t h ea u t h o ra l s od os o m er e s e a r c ho nt h e l i q u e f a c t i o nb e h a v i o ra n dt h eh a r mo f t h es i l t ys o i l ，t h e ng a v es o m ea d v i c e st os o l v e t h ep r o b l e m k e y w o r d s ：h u a i b e ip l a i n , s i l t ys o i l ，s u b g r a d eb e a r i n gc a p a c i t y ，e n g i n e e r i n gp r o p e r t y , l i q u e f a c t i o n 插图清单 图2 1 安徽淮北平原地貌图7 图2 2 安徽淮北平原地理位置及水系分布图8 图2 3 安徽淮北平原区域构造概况9 图3 1 黄河下游河道历史变迁图1 0 图3 2 安徽淮北平原新近沉积粉土分布图1 l 图3 。3 阜南县阜新高速某特大桥地质剖面图1 2 图3 4 阜阳地区某中桥地质剖面图1 3 图3 5 毫州市毫古路地质剖面图1 4 图3 6 界首市界阜蚌高速二期某中桥地质剖面图1 5 图3 7 太和县界阜蚌高速二期某大桥地质剖面图1 6 图3 8 利辛地区界阜蚌高速二期某段路基地质剖面图1 7 图3 9 蒙城地区蒙蚌高速某大桥地质剖面图1 8 图3 1 0 怀远地区蒙蚌高速某特大桥地质剖面图1 9 图3 1 1 固镇地区粉土埋藏典型地质剖面图o o0 0e 2 0 图3 1 2 灵鐾地区泗宿高速某段路基地质剖面图2 1 图3 1 3 宿州地区泗宿高速某特大桥地质剖面图2 2 图3 1 4 潍溪地区合徐高速某大桥地质剖面图2 3 图3 1 5 五河县中国银行办公楼地质剖面图2 4 图3 1 6 五河县新华书店综合楼地质剖面图2 5 图3 1 7 淮北平原各地区新近沉积粉土粉粒含量柱状图2 6 图3 1 8 淮北平原各地区新近沉积粉土粘粒含量柱状图2 6 图3 1 9 淮北平原各地区新近沉积粉土湿容重比较折线图2 7 图3 2 0 淮北平原各地区新近沉积粉土含水量比较柱状图2 7 图3 2 1 淮北平原各地区新近沉积粉土孔隙比液性指数比较折线图2 8 图3 2 2 淮北平原各地区新近沉积粉土塑性指数比较柱状图2 9 图3 2 3 淮北平原各地区新近沉积粉土压缩系数比较柱状图2 9 图3 2 4 淮北平原各地区新近沉积粉土压缩模量比较折线图3 0 图3 2 5 淮北平原各地区新近沉积粉土粘聚力比较柱状图3 0 图3 ，2 6 淮北平原各地区新近沉积粉土内摩擦角比较折线图3 1 图3 2 7 淮北平原各地区新近沉积粉土标贯击数比较柱状图3 1 图4 1 载荷试验示意图3 6 图4 2 毫州地区新近沉积粉土静探图3 8 图4 3 地基载荷试验p j 曲线3 9 图4 4 界首地区新近沉积粉土静探图4 0 图4 5 太和地区新近沉积粉土静探图4 0 图4 6 利辛地区新近沉积粉土静探图4 1 图4 7 怀远地区新近沉积粉土静探图4 2 图4 8 怀远地区新近沉积粉土静探图4 2 图4 9 宿州地区新近沉积粉土静探图4 3 图4 1 0 潍溪地区新近沉积粉土静探图4 3 图4 1 l 五河地区新近沉积粉土静探图l 0 0 0 1 o io go 4 4 图4 。1 2 五河地区新近沉积粉土静探图2 4 4 图5 1 大刘郢互通立交d 匝道地质剖面图5 2 表格清单 表3 1 阜南地区新近沉积粉土的颗粒成分表1 2 表3 2 阜南地区新近沉积粉土的主要物理力学性质指标表1 2 表3 3 阜阳地区新近沉积粉土的颗粒成分表1 3 表3 ，4 阜阳地区阜阳新近沉积粉土的主要物理力学性质指标表1 3 表3 5 毫州地区新近沉积粉土的颗粒成分表1 4 表3 6 毫州地区新近沉积粉土的主要物理力学性质指标表1 4 表3 7 界首地区新近沉积粉土的颗粒成分表1 5 表3 8 界首地区新近沉积粉土的主要物理力学性质指标表1 5 表3 9 太和地区新近沉积粉土的颗粒成分表1 6 表3 1 0 太和地区新近沉积粉土的主要物理力学性质指标表1 6 表3 儿利辛地区新近沉积粉土的颗粒成分表1 7 表3 ，1 2 利辛地区新近沉积粉土的主要物理力学性质指标表1 7 表3 ，1 3 蒙城地区新近沉积粉土的颗粒成分表1 8 表3 1 4 蒙城地区新近沉积粉土的主要物理力学性质指标表1 8 表3 ，1 5 怀远地区新近沉积粉土的颗粒成分表1 9 表3 1 6 怀远地区颏近沉积粉土的主要物理力学性质指标表1 9 表3 1 7 固镇地区新近沉积粉土的颗粒成分表2 0 表3 1 8 固镇地区新近沉积粉土的主要物理力学性质指标表2 0 表3 ，1 9 灵鐾地区新近沉积粉土的颗粒成分表2 1 表3 ，2 0 灵璧地区新近沉积粉土的主要物理力学性质指标表2 l 表3 2 l 宿州地区新近沉积粉土的颗粒成分表2 2 表3 2 2 宿州地区新近沉积粉土的主要物理力学性质指标表2 2 表3 2 3 潍溪地区新近沉积粉土的颗粒成分表2 3 表3 ，2 4 潍溪地区新近沉积粉土的主要物理力学性质指标表2 4 表3 2 5 五河地区新近沉积粉土的颗粒成分表2 5 表3 2 6 五河地区新近沉积粉土的主要物理力学性质指标表2 5 表4 1 静力触探确定粉土承载力表( 河南建筑设计院) 3 4 表4 2 毫州地区新近沉积粉土载荷试验数据表3 8 表4 3 界首地区新近沉积粉土载荷试验数据表4 0 表4 4 太和地区新近沉积粉土载荷试验数据表4 0 表4 5 利辛地区新近沉积粉土载荷试验数据表4 l 表4 6 怀远地区新近沉积粉土载荷试验数据表4 2 表4 7 宿州地区新近沉积粉土载荷试验数据表4 3 表4 8 潍溪地区新近沉积粉土载荷试验数据表4 4 表4 9 安徽淮北平原各地区新近沉积粉土的承载力( 载荷试验) 4 5 表4 1 0 安徽淮北平原各地区新近沉积粉土的承载力( 静力触探) 4 5 表5 1 液化土特征深度4 9 表5 2 标准贯入锤击数基准值4 9 表5 3 液化等级b oo ing 5 0 表5 4 碍，。值5 l 表5 5 土性综合影响系数5 l 表5 6 安徽淮北平原各地区地震设防烈度、设计基本加速度值5 2 表5 7 钻孔标贯击数统计表5 3 表5 ，8 钻孔3 各标贯点液化判别标贯临界值5 3 表5 9 场地各钻孔的液化判别及液化指数5 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 盒日巴王些厶堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意 学位论文作者签名；殳。： 签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒理王些左堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒 巴工些盘堂可以将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、 缩印或扫描等复青择段保存，汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者躲久知：穆导师繇莎豆习际 一。 签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向 工作单位i 通讯地址： 签字日期t年月曰 电话： 邮编： 致谢 首先感谢我的导师王国强教授! 没有他的悉心指导，本论文不可能顺利完成。 王老师i 【博的学术知识、严谨求实的治学态度、宽厚的为人和积极乐观的人生信 念将使我终生受益! 他不仅教给我们专业方面的知识，而且教给我们许多做人、 处事的道理，使我受益匪浅。同时也要感谢王老师和吴道祥老师多年来对于我的 成长所倾注的关怀与帮助。值此论文完成之际，向两位老师致以我最衷心的感谢 和最诚挚的敬意! 在研究生学习和论文完成期间，得到了资源与环境工程学院各位老师，尤其是 岩土工程教研室各位老师在学习和生活中给与的诸多关怀和帮助。在此一并向他 们表示衷心的感谢! 此外安徽省公路勘测设计院的赵华宏高级工程师在我论文的写作及完成期间 给予了我不少帮助，在此向他表示衷心的感谢! 感谢各位同学，在我学习和论文写作期间他们给我很多的帮助1 感谢我的家人，为了支持我的学业，他们付出了很多。他们的牵挂和鼓励， 催我奁进! 最后向所有关心、支持和帮助我的老师、同学和朋友表示衷心的感谢! 作者：吴志海 2 0 0 6 年1 1 月 第一章绪论 i 1 概述 土是岩石风化的产物或再经各种地质作用搬运、沉积而成的，土粒之间的 孔隙由水和气体所填充，因此，土是一种由固态、液态和气态物质组成的三相 体系。与各种连续体( 弹性体、塑性体、流体等) 比较，天然土体具有一系列复 杂的物理力学性质，而且容易受到环境条件变动的影响。现有的土力学理论虽 是指导我们从事岩土工程实践重要的理论基础，但还难于模拟、概括天然土体 在外荷载作用下所表现出的各种力学性状的全貌，因而还须通过实验、实测并 紧密结合实践经验进行合理分析，才能求得实际问题的妥善解决。 我国地域辽阔，由于自然地理环境的不同，分布着多种多样的土类。即便 同一种土类，在不同的地理历史环境中也会表现出某些特殊的工程性质。因此， 本文拟以现有的土力学理论为基础，通过实验、实测等手段，并紧密结合实践 经验，对淮北平原新近沉积粉土的工程性质方面进行系统地研究，对粉土的地 基承载力、工程环境特性进行了评价，并提出了一些提高此地区土体工程性质 的地基处理措施。研究结果对于了解该区粉土的土质学特征，特别是在人类工 程活动作用下的工程特性和产生的环境工程地质问题的认识有所帮助。 1 2 粉土的分类以及在我国的分布情况 建筑地基基础设计规范( g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 对粉土是这样定义的：粉土是 介于砂土和粘土之间，塑性指数五小于等于1 0 ，且粒径大于0 0 7 5 哪的颗粒 含量不超过总重的5 0 。根据粗粒组的含量和液限点的高低，又把粉土分为高 ( 低) 液限粉土和含砂( 砾) 高( 低) 液限粉土。即粉土中粗粒组的含量少于总质量 的2 5 时，粗粒零星散布，对土的性质影响不大，故称粉土；土内粗粒组的含 量为总质量的2 5 5 0 时，粗粒已能起到部分骨架作用，对土的性状也有相 当的影响，因此称为含砂( 砾) 粉土。 由于成因类型不同，粉土所表现的工程性质相差很大。按成因类型粉土分 为风成粉土、水成粉土和残积粉土。风成粉土是由于风力的携带、沉积作用， 形成的含有较大孔隙的土，习惯上称为黄土。残积粉土是岩石经过风化作用一 部分被风和降水搬运带走，一部分由于重力堆积作用未被搬运而保留在原地的 粉土，其物理性质、工程性质与黄土相似，称为次生黄土。黄土、次生黄土中 粉粒占优，砂粒和粘粒含量较少，多表现为粉土、粉质粘土、含砂粉质粘土。 水成粉土土粒是在水力作用下，经搬运、沉积而形成的，广泛分布于冲洪积平 原、河流三角洲、沿海平原、湖积平原，土中水多为自由水，极易振动液化、 地基承载力低，是工程建设经常遇到的土类之一。此类粉土经长途搬运磨圆， 粒度成份单一，粉粒占绝对优势，大于0 0 7 5m i l l 的粗粒组很少，小于0 0 0 5m m 的粘粒较少，颗粒级配曲线较陡。因此粉土在我国分布非常广泛，在大多数省、 市、自治区、直辖市均有分布。 1 3 粉土的研究现状及存在的问题网 由于粉土干时无胶结，干土块用手轻压即碎；潮湿时呈流动的溶解状态， 且潮湿时将土搓捻、摇动时易使土球成为饼状，不能搓成细土条，因此，粉土 填筑路基为最差的筑路材料。其原因主要由于粉土含有较多的粉粒，干时虽稍 具粘结性，但易被压碎、扬尘大、浸水时很快被湿透，易成流体状态( 稀泥) 。 并且粉土的毛细水上升高度大，在季节性冰冻地区更容易使路基产生水分集聚， 造成严重的冬季冻胀，春季翻浆。因此，采用粉土大规模填筑路堤的公路并不 多，相关报道则更少。近年来，我国沿江、沿海一带高速公路建设迅速发展， 由于高速公路的填方工程量很大，带动了粉土研究的进展。我国的江苏、河北、 上海、黑龙江等地开展了一些采用粉土作为公路路基和铁路路基的研究，并取 得了一定成果。粉土在国外也有广泛分布，很多国家也进行过一定程度的研究。 国内外具有代表性的成果有： 粉土的结构性强：粉土和含砂粉土在相等的孔隙比和初始应力状态下，原状 土样和重塑土样在不排水应力一应变一强度关系中存在很大反差。原状土样具 有膨胀性和良好的延展性，然而除了少部分土样外重塑土样在相同密度和应力 状态情况下常出现体积收缩现象，不排水强度降低，脆性增强。在取土过程中 粉土的结构容易受到破坏，难以得到原状土样，运输过程中常震动致密，使孔 隙比减小；流塑或软塑状态的粉土，更难测定孔隙比。因此，粉土具有很强的 结构性，从而决定很多试验必须在现场进行，而现场试验又常常受到很多条件 的限制，以及环境的影响。 粉土的力学性能：粉土的力学性能除取决于粒度成分、颗粒级配、含水量大 小外，也与其成因类型、矿物成分组成、沉积年代、所处地理历史环境和空间 分布等密切相关。但总的来说，粉土的粘聚力低，成型质量较差，渗透性好， 保水性差，路基压实施工工艺和过程控制困难。在室内剪切试验时，在竖向压 力作用下比粘性土易排水固结，快剪的内部应力接近慢剪的有效应力，因此得 到的内摩擦角偏大，内聚力偏小。与此同时，粉粒的含量对粉土的强度和弹性 模量也有很大影响。尽管粉土与砂土有着相似的破坏应力水平和整体应力发展 趋势，但粉土的体积收缩性显著高于砂土的体积收缩性，而且粉粒的含量对粉 土的体积变化情况产生显著影响。 粉土的稳定性：低液限粉土是公路建设中常见的一种土，其粘粒含量少，塑 性指数低，稳定性差，因而成为工程界非常关心的问题。然而，粉土往往不存 在一定的稳定界限，不同的初始孔隙比将会有不同的稳定界限。有关研究表明 松散状态的粉土在高应力约束的情况下能够保持稳定，而高密实度粉土却在低 围压下产生液化，在不排水条件下随围压的减小而呈现膨胀现象。因此，粉土 的稳定性也非常复杂。许多工程实践表明：在以粉土作为基础持力层时，由于施 工方法不当，结构受扰动，常使建筑物失稳；在水下深基础开挖中，易产生侧 向滑动或流砂失稳现象。在以粉土作为路堤填筑材料时，由于低塑性粉土中蒙 脱石、伊里石等粘土矿物含量低，与水胶结作用能力差，颗粒问联结强度低， 土体渗透系数较高，粘聚力低，抗冲刷性差。当汛期雨强达到某一定值时，首 先雨滴连续冲击破坏粉土颗粒问脆弱的联结；当降雨在坡面形成水流时，又因 水流冲击并带走粉砂土颗粒，在路面、坡面形成道道冲沟；在强降雨、暴雨作 用下，产生水位差，在水力渗透作用下易产生流砂，直接使原有薄弱的路基破 坏加剧，形成潜蚀破坏，基床陷穴常因此而引起。为了增强粉土路基的稳定性， 各地根据粉土的成因及物理性质的不同往往采用不同的方法进行路基改良，主 要掺入二灰土、水泥、生石灰等常用材料进行路基改良。 粉土的承载性能：由于粉士取样困难。且易扰动失水，造成试验数据分散， 可靠性差，因此粉土地基承载力的确定一直存在诸多问题。粉土地基承载力的 评价也就成为工程勘察的重要课题，港口工程地质勘察规范( j t j 2 4 0 - 9 7 ) 提 供了两种方法，一种是利用天然含水率和孔隙比两个指标进行查表获得地基承 载力：另一种是对标贯击数n 小于等于3 0 击的粉土用标贯击数直接查表获得地 基承载力。但是，前者的查取值比后者往往要大许多。另外，岩土工程勘察规 范( g b 5 0 0 2 1 2 0 0 1 ) 给出了按孔隙比评价粉土密实度的方法，然而实际上要采 取到质量很好的土样，测定出其真正的天然孔隙比，却是很困难的事情，对饱 和的含砂粉土来说就更困难了。由此看来，我国有关的新老规范都没有很好的 解决粉土承载力标准问题。近年来许多学者及工程人员在粉土承载力评价方面 不断地探索，取得了一定的成绩，在不断确认原位测试是评价粉土承载力的重 要而有效的手段外，还从相关的物理力学指标上进行了一定的探讨。具有代表 性的有：曹右生强调粉土地基的容许承载力 r 、地基承载力标准值与塑性指数 五的相关性；孟毅探讨了低塑性粉土标贯击数与承载力标准值之间的回归关系； 袁灿勤等根据静力载荷、标准贯入、静力触探、剪切波速及室内土工试验等测 试成果，分析统计了南京城区河漫滩相浅层粉土的有关试验指标和承载力之间 的相关关系；杨鸿钧则用孔隙比修正的方法查取粉土的容许承载力，将查承载 力表法和公式计算法这两种计算结果进行对比修正粉土的孔隙比，然后将修正 后的孔隙比按岩土工程勘察规范( g b 5 0 0 2 1 2 0 0 1 ) 对粉土的密实度进行了评 价。 粉土路基压实方面：曹婧通过多年的工程实践，从粉土的特征、机具选择、 压实标准，到现场施工方法系统地阐述了如何保证粉土路基施工质量。中爱琴 等对邯郸一临清公路工程中含砂低液限粉土的物理、力学性能及振动压实规律 进行了较为全面的试验研究和理论分析，探索了粉性土填筑路基的压实机理及 影响因素，提出了一套行之有效的粉性土路基压实施工工艺。王维桥等通过可 塑性试验、级配试验、击实试验和压缩试验，指出液、塑限和塑性指数不宜作 为评价黄泛区粉砂土工程性质的标准，以空气体积率作为该类土的压实控制标 准比压实度更为合理，建议取消9 0 区压实度标准，把下路堤压实度提高到9 3 ，上路堤压实度提高到9 8 。 动力特性：吴德纯对低塑性粉土，在动循环荷载作用下，易使土体内孔隙水 压力累积上升，导致液化破坏，特别是粘粒含量小于1 0 ，塑性指数小于8 的 松散饱和粉土，在地震作用下，大部分地段均有可能产生中等甚至严重程度液 化。牛琪瑛等对不同干重度、不同粘粒含量的重塑粉土样进行了振动三轴试验， 得出了粉土的动剪应力比随粘粒含量呈抛物线形变化，最低点在粘粒含量为9 左右，而且其抗液化强度随于重度增大而增强。郭天强等通过粉土和粉质粘 土的液化性能试验研究，发现粉土和粉质粘土的液化势不但受到粘粒含量、塑 性指数和孔隙比的影响，还受到土质结构、历史年限和其它因素的影响，因而 这类士的液化势没有一个明确的标准。 粉土单元土体的强度在列车动荷载作用下衰减，动应力随着车速的不断提 高而增大；当抗剪强度小于剪应力时，导致基床中某单元土体发生剪切破坏， 从而产生裂隙，汛期因暴雨沿裂隙下渗，使裂隙周围土体含水量增加并趋于饱 和，而饱和粉土易发生震动液化，当粉土震动液化时，孔隙水压力上升，有效 应力下降；当有效应力为零时，土骨架被破坏，粉砂土颗粒处于悬浮状态。发 生震动液化的自由水具有较高水压力，对周围粉土有渗透破坏和劈裂破坏作用， 从而破坏了粉土颗粒间的联结。同时承压水在寻找水路径以消散孔隙水压力。 当出水路径形成后，自由水流出路堤边界，并带出粉土颗粒：当自由水在陆地 中渗流通路逐渐形成，路基开始遭受侵蚀破坏，道床中雨水开始定向汇集成集 中水流，集中水流的冲蚀作用得以不断增强，粉土颗粒大量流失，最后导致基 床陷穴。 也有文献认为一般粉土的密实度与天然孔隙比有关，孔隙e i 0 。9 时，为稍 密，强度较低，属软弱地基；0 7 5 e o 9 ，为中密；e o 7 5 ，为密实，其强 度高，属良好的天然地基。粉土的湿度状态可天然含水量划分，当w 2 0 ， 为稍湿；2 0 w 3 0 ，为很湿。粉土在饱水状态下易教化与结构软化，以 至强度降低，压缩性增大。 由此可见，尽管国内外对粉土工程性质的研究已经取得了一定的进展，但 目前对于粉土工程性质方面的研究还远远不够，急需解决的基本问题包括以下 四类： 首先，粉土的基本力学特性。从前缺乏大规模的工程实践，只存在一些零 碎的单一方面的研究，目前的工程实践需要在粉土地区进行大规模的高速公路 及高等级公路建设，因此，为指导不断发展的工程需要非常有必要对粉土的基 本力学特性进行系统的研究。 其次，基本的工程性质和路用性能。在目前己经施工的工程中，普遍认粉 的水稳定性差，工程性质差，在压实过程中，常出现“橡皮土”、“弹簧土” 现象，但机理认识不清，研究成果甚少，因此对基本的工程性质和路用性能的 研究有待迸一步加强。 第三，对于这种筑路材料，由于工程实践少，施工工艺和工艺参数难于控 制。因此，非常需要研究其合适的施工工艺，指导工程施工。 第四，粉土路基的稳定性和沉降规律。关系到投资效益，公路运营和使用。 由于基本的力学性质和路用性能研究不够，所以对这类条件的路基沉降和稳定 性研究很少。 1 4 淮北平原粉土工程性质研究的必要性 淮北平原常见的新近黄泛沉积粉土，是区域内各类工程建设中常见的土体。 其粉粒含量占绝对优势，粗粒和粘粒含量较少，饱和粉土中的水多为自由水， 具有独特的工程性质。此地区粉土欠固结，增湿时结构软化，在振动作用下产 生液化、流动，潜蚀和地面塌陷等不良工程地质现象，并产生严重的环境工程 地质问题。尤其在进行大型的工程项目时，如进行高速公路建设，由于粉土不 易形成板块，受剪力弱，路基难以压实，施工组织难度大，颗粒间联结强度低， 土体渗透系数高，水力渗透作用下易产生流砂。汛期的强降雨、暴雨，直接可 能导致路基破坏加剧，形成潜蚀破坏，基床陷穴等病害。因此，路基失稳和路 面沉陷是粉土及含砂粉土路基的主要病害。由于粉土的空间分布变化比较明显， 沉积多以过渡形式存在，即由粉砂一含砂粉土一粉土一粉质粘土一粘土呈渐变 接触关系出现，由于黄河多次决口、淤积和泛滥，因此这种过渡形式反复出现， 导致地质土的成层性和不均匀性显著增强，地质条件复杂，地基变形量大，变 形期长。加上工期往往较短，因此工后沉降常常较大，工后沉降不能满足规范 的要求。工后沉降控制问题是影响高速公路建成后路面质量、行车速度、使用 寿命等的关键性问题。沉降预测不准，沉降不均，导致公路横向、纵向产生裂 缝塌陷不严重时，会造成车辆行驶困难，达不到车速设计要求；严重时可能造 成连环撞车事故，最终导致封闭公路维修，造成重大经济损失。 由于粉土是一种很差的路基材料，在公路工程中，对这种材料一般都是弃之 不用，因此对其基本的力学性质、路用性能、稳定性、施工工艺、沉降及其发 展规律研究非常不足。然而，在目前这种大规模的建设中若仍然采用弃土换土 方案，将提高工程造价，造成环境污染并带来许多社会问题。 因此，本文拟以淮北平原地区某些实际工程为依托，开展此地区新近沉积 粉士的基本物理力学性质以及粉土的地基承载力、工程环境特性等方面的研究， 为此地区降低工程建设造价，指导工程实践具有重要的理论意义和现实意义。 1 5 本文主要的研究内容与工作 本文拟以现有的土力学理论为基础，通过实验、实测等手段，并紧密结合 实践经验，对淮北地区新近沉积粉土的成因、工程性质等方面进行系统地研究， 对粉土的地基承载力、工程环境特性进行了评价，并提出了一些提高此地区土 体工程性质的地基处理措施。研究内容如下： ( 1 ) 对安徽淮北平原地区新近沉积粉土成因及其分布进行调查研究。 ( 2 ) 对淮北平原各地区新近沉积粉土的室内物理力学性质试验、直接剪切、 单向压缩试验等一系列试验研究，全面系统地认识其物理力学特性。 ( 3 ) 结合实际工程探讨本地区新近沉积粉土地基承载力的确定方法。 “) 对研究区颓近沉积粉土的液化性进行探讨。 ( 5 ) 提出某些能够有效提高粉土地基工程性质的方法。 第二章研究区的自然地理与地质概况 2 1 区域地貌特征 安徽淮北平原位于安徽省的北部，地处东经1 1 4 。5 5 1 1 8 。l o7 和北纬 3 2 72 5 3 4 。3 5 之间，为黄淮海大平原的一部分( 位于黄淮海平原南部) 。 东邻苏北平原，南以淮河为界，与本省的江淮丘陵地相接，西接豫东平原，北 与山东接壤，为一海拔5 0 m 以下的广阔平原( 海拔高度多在1 5 4 6 m 之间) ，区 内地势坦荡辽阔，自西北向东南缓倾斜，只东北部有少数低山残丘地理位置十 分重要( 图2 1 ) 。 乏翟翟笞誓噜二茎；掌2 等：坠裔主鬈，：，= = 盖翟鼍警主；要，毳苎2 譬；冀墓鼍詈兰南；纛产“焉 图2 1 安徽淮北平原地貌图( 据金权) 2 2 气候、气象m 1 3 9 f 5 n 研究区属暖温带半湿润季风气候，具有过渡地带气候型的特征：一是气候 温和，雨量适中，光照充足，热量条件好，无霜期长：二是季风气候显著，降 水量分配不均匀，冬寒夏热，四季分明；三是气象灾害较为频繁，经常出现水 旱灾害。季节变化明显，多年平均气温为1 5 1 7 c ，冬夏较长，春秋较短；冬 季平均气温为一2 ，以1 2 月和1 月最冷，极端最低温度为一1 5 一2 0 ，夏季 平均气温为3 4 。c 左右，以5 月和6 月最热，极端最高温度为3 9 8 4 1 。淮北平 原降水的一般特征：一是降水量地区分布不均匀，多年平均降水量在7 5 0 9 5 0 m 之间，由南向北递减；二是年降水量的分配极不均匀，春季降水量只占全年降 水量的2 0 2 5 ，而6 月至9 月的降水量却占全年降水量的6 0 7 0 ，且多 暴雨，其中7 月份降水量占全年的2 0 3 0 ；三是降水的年际变化大，由于夏 季风的迟早和强弱不同，致使淮北平原历年降水量的变幅较大。丰水年可达 1 1 0 0 1 9 0 0 m m 之间，枯水年4 0 0 6 0 0 m m 之间，年降水量最大值与最小值相比一 般为3 至4 倍，这种降水量时空分配悬殊的情况正是研究区易遭旱涝灾害的主要 原因之一研究区多年平均蒸发量在l o o o 1 3 5 7 哪之间。由南向北递增。淮北 属黄淮海地区，为全国东西向分布蒸发极大的高值地带之一。水面蒸发的年内 分配，随各月气温、湿度、风速而变化。冬季气温低，蒸发量小，全年最小月 蒸发量一般出现在1 月或1 2 月份。最大月蒸发量出现在5 月或6 月份。 2 ，3 水文地质概况盯l 淮河自西向东横贯本区南部。该河段长约3 4 0 k m ，北岸主要支流自西向东有 谷河、润河、颖河、西淝河、茨河、涡河、北淝河、浍河、沱河、潍河等。此 外尚有人工河、茨淮新河、阜蒙新河、新汴河等。受地势影响，淮河北岸支流 较长，南岸支流较短，为不对称的羽状水系。淮河年平均流量为8 2 5m 3 s ，最大 流量为2 2 8 0 m 3 s ，最小1 l m 3 s ( 蚌埠站) 。支流水位。流量变化与干流一致。由 于河床坡度缓、降雨集中，而易发洪水( 图2 2 ) 。 、出 蟪 安t 茬北平原地曩位置及水景分市墨 采矿一 。 1 、 0h _ _ _ _ _ _ - - - _ _ _ - - _ _ _ - _ - - 一 ，廿4 、芒i if 蓐肖 爆 一i 。、 ) 蕊 、。1 引 m i l l 一一 ) 腻 瓣 然一 、 物1 渊。 离 l i 图2 2 安徽淮北平原地理位置及水系分布图( 据金权) 2 4 区域地质概况r 7 l 安徽淮北地区地表的地层主要为第四系冲积物，在研究区外的南部和东北 部山区有基岩出露，它们为： 上太古界五河群一深变质岩系，以黑云斜长片麻岩、斜长角闪岩、黑云角 闪变粒岩为主。分布于本区南部、西南部，大部分为第四系覆盖； 下元古界风阳群一主要是石英岩、自云石大理岩、大理岩及千枚岩，分布 于本区南部； 上元古界白垩系、震旦系一石英砂岩、砾岩、泥灰岩、白云岩及结晶灰岩， 分布在本区东部及东北部宿县、灵璧县一带： 古生界一寒武系奥陶系灰岩，石炭一二叠系含煤岩系及石千峰红色碎屑岩。 缺失上奥陶统、志留系、泥盆系和下石炭系。出露于本区东北部； 中生界一主要为侏罗纪、白垩纪中性火山岩、火山碎屑岩等隐伏于平原地 区新生地层之下，仅有零星出露； 新生界一第三系陆相碎屑岩仅在本区东北部灵璧县等地有零星出露。 淮北地区区域地质构造复杂，主要隶属于东西向构造带、新华夏构造带及徐宿 弧形构造带( 图2 3 ) 。 1 较大的东西向断裂带的主干断裂 ( 1 ) 丰沛一台儿庄东西向断裂带 ( 2 ) 宿北东西向断裂带 3 ) 太和一五河断裂带 ( 4 ) 阜阳一明龙山断裂带 2 新华夏构造带 新华夏构造带，在本区反映为“第二隆起带”和“第二沉降带”。隆起带 位于本区东部，元古界一古生界地层出露，松散沉积厚度较小；沉降带位于隆 起带西侧，为第四系、第三系所掩盖。构造线呈北北东向展布，构造轴面常向 南东倾斜。新华夏构造带影响范围涉及全区，新华夏系的主干断裂有：( 1 ) 郯庐 断裂带；( 2 ) 固镇一怀远断裂、丰县一涡阳断裂、夏邑一阜阳断裂。 3 徐宿旋卷构造带 该体系分布在东西向构造带与北东向华夏断裂交接形成的断坳之内，始发 时间相当于燕山晚期，展布范围近3 万k m 2 。 图2 3 安徽淮北平原区域构造概况( 据金权) 第三章安徽淮北平原新近沉积粉土的工程性质 3 1 研究区新近沉积粉的成因及分布 研究区除沿淮河北岸一带的粉土沉积层属于淮河泛滥外，区内大部分粉土 主要是近代黄河的多次改道泛滥沉积的，是堆积在黄泛平原上，由于黄河上游 严重的水土流失，从黄河上游携带大量的泥沙在中下游堆积起来。黄河下游水 流中含沙最大量可以达到1 0 0 0 k g m 3 ，在流经地域广阔的华北凹陷构造区后，其 水流流速变慢，流水携砂能力大大降低，大部分泥沙在原地堆积起来，从而形 成面积广大的冲积扇平原和冲洪积平原，与此同时，人类为了抵御洪水而修建 堤坝，导致下游河流更强烈的堆积，形成举世闻名的“地上悬河”，悬河也常引 起下游洪水泛滥和改道。仅从公元前6 0 2 年河流迁徙起，至公元1 9 4 6 年2 5 0 0 年中决口1 5 0 0 余次，黄河大改道7 次。其中在公元1 1 9 4 年从河南延津改道， 经徐州汇入京杭运河；而又在公元1 4 9 4 年黄河从河南兰考，经商丘、亳州、砀 山、徐州汇入京杭运河( 图3 1 ) i s i 。每次改道也都会在沿途形成大量淤积砂、 粉土，而其中冲淤积砂中还夹有粉质粘土、粘土等沉积土层1 8 i 。 茎匿 鬟i 岭净舅凛 图3 1 黄河下游河道历史变迁图( 据叶青超) 新近沉积粉土主要分布在平原西北部的界首市，毫州市和宿州市至泗县一 线以北地区的黄泛斜地及河谷洼地坳沟中，阜阳、太和、利辛、蒙城地区的坳 沟、洼地的表层也普遍分布薄层的新近沉积粉土，而沿淮的阜南、怀远、五河 等地沉积了较厚的新近沉积粉土，如五河县中国银行、新华书店场地的钻孔揭 露粉土厚度达2 4 6 米。界首、太和、利辛地区新近沉积黄绿色粉土中多含钙质 结核、淡水贝壳，偶见淹埋的青色花砖、瓦片和铁剑等1 4 ll 删。笔者在参考实际 勘察资料和相关资料1 4 ii s l1 6 1 用，简要绘出研究区新近沉积粉土分布示意图( 图 3 2 ) 。 图3 2 安徽淮北平原新近沉积粉土分布图 3 2 淮北平原各地区新近沉积粉土的工程性质 由于淮北平原各地区粉土沉积和气候环境的差异性，同时也为更好地了解 淮北平原新近沉积粉土的工程性质，笔者对安徽淮北平原的粉土按区域进行了 探讨，同时以经安徽淮北平原的多条高速公路的地质资料、士工资料为依据， 统计了各地区粉土粒度含量以及主要物理力学指标，绘制了各地区较典型的粉 土埋藏地质剖面图，分述如下： 3 2 1 阜南地区 阜南地区地貌单元为淮北冲积平原；该地区粉土多数为沿淮泛滥沉积，部 分为黄泛沉积，该地区新近粉土分布广泛，且多见于地表，属第四系全新统冲 积层( q 。“) 。粉土多呈淡黄、灰褐、灰黄等色，稍密一中密或中密状态，湿，摇 震反应一般一迅速，韧性低，干强度低，含少量铁锰结核，钙质结核，有时可见 小贝壳。土层中常夹有粉质粘土层，呈层状构造。不同孔之间，土层厚度变化 不大。下图为该地区粉土埋藏典型地质剖面图( 图3 3 ) 如南如 ：，：，：，：，：，辩，：，： r ,勿钐移彩黝 霪缓一一 图3 3 阜南县阜新高速某特大桥地质削面图 该地区粉土的粒度成份以及主要的物理力学指标统计后如下两表所示： 表3 1 阜南地区新近沉积粉土的颗粒成分表 i 粒径( m m ) 2 0 5 0 5 - 0 ，2 50 2 5 - 0 10 1 一o 0 7 50 ，0 7 5 - o 0 0 5 。此间粉多呈灰、灰黄等色。松散或松散