（交通运输工程专业论文）商周高速公路路基填土的工程性质研究.pdf

摘要 商周高速公路部分路段通过豫东粉土地区，由于粉土具有塑性指数低、粘结性小、 施工时不易成型、强度低、水稳定性差、易冲刷等特点，成为不适宜填筑路基的土质之 一。从微观领域深入研究粉土工程性质与微观结构、矿物成分之间的关系，解决粉土地 区公路路基的填土问题，是十分必要和迫切的。 本论文结合豫东粉土地区的地理环境特点，对商周高速公路路基填土进行了大量的 土工实验，收集了大量的勘察资料数据，并进行了较为详细的对比分析，得到了各区段 粉土和粘土的各项物理力学指标；以x 射线衍射( x d a ) 分析为主要手段，结合偏光显 微镜、扫描电镜( s e m ) 以及化学全分析等方法，对商周高速公路沿线粉土进行了矿物 组分的分析。并通过对各段路基填土所具有的工程性质进行分析，证实了粉土的工程性 质与其微观结构存在着十分密切的联系。 对商周高速公路北、中、南各段的路基填土的微观结构、矿物化学成分和工程性质 之间的关系进行了详细的对比分析和研究，并对其变化规律做出了初步探索，指出粉土 的矿物成分在一定程度上控制着土的工程性质，粉土的微观结构对土的压缩性能、抗剪 强度和渗透性都有着比较显著的影响。并针对粉土路基可能产生的病害进行了分析，提 出了较为行之有效的防治措施。 研究成果对于粉土地区公路路基施工及路基路面病害的防治，具有重要的现实意 义。 关键词：粉土，矿物成分，化学成分，微结构，工程性质 a b s t r a c t s o m es e c t i o n sa l o n gs h a n gz h o ue x p r e s sw a yp a s ss i l t ya r e ao fe a s th e n a np r o v i n c e s i l t ys o i lh a st h el o w e rp l a s t i c i t yi n d e x ，t h el e s sc o h e s i v e n e s s ，t h ee x t r e m e l yd i f f i c u l ts h a p i n g ， t h el o w e rc o m p a c t i o nt h a tc a n tm e e tt h ed e m a n d s ，b a dw a t e r s t a b i l i t y , e a s i l ys c o u r i n g ，l o w s t r e n g t ha n ds oo n s oi ti sr e g a r d e da so n eo ft h ew o r s eb u i l d i n gm a t e r i a l i ti sv e r ye s s e n t i a l a n du r g e n tt od e e p l yr e s e a r c ht h er e l a t i o na m o n gt h es i l t ye n g i n e e r i n gp r o p e r t ya n dt h e m i c r o s t r u c t u r e ，m i n e r a lc o m p o s i t i o nf r o mt h em i c r o s c o p i cf i e l d ，s o l v i n gt h o s ep r o b l e m s d u r i n gb u i l d i n gr o a d s i nt h es i l t ya r e a t h i sp a p e rc o m b i n e st h eg e o g r a p h i c a le n v i r o n m e n tc h a r a c t e r i s t i co fs i l t ya r e ao fe a s t h e n a np r o v i n c e ，d o i n gm a n yo r t h o g o n a lg e o t e c h n o l o g i c a le x p e r i m e n t so nt h ef i l l i n gs u b g r a d e o fs h a n gz h o ue x p r e s sw a y , c o l l e c t i n gal a r g en u m b e ro fr e c o n n a i s s a n c em a t e r i a l sd a t a s ， t h r o u g hc o m p a r i s o na n da n a l y s i so na l lt h ed a t ai nd e t a i l ，a n dp h y s i c sa n dm e c h a n i c si n d e xo f s i l t ya n dc l a yh a sb e e ng o t t e n t h e n ，b yt h em a i nw a yo ft h exr a yd i f f r a c t i o n ( x d a ) a n a l y s i s ，c o m b i n i n gw i t hp o l a r i z i n gl i g h tm i c r o s c o p y , s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) ， c h e m i c a lt o t a la n a l y s i sa n ds oo n ，m i n e r a lc o m p o n e n t so fs i l t ya l o n gs h a n gz h o ue x p r e s s w a yh a sb e e na n a l y z e d t h r o u g ha n a l y z i n gt h es i l t yp r o j e c tp r o p e r t i e s ，ak i n dc l o s l y c o n n e c t i o ni sv e r i f i e db e t w e e nt h ep r o j e c tp r o p e r t ya n dt h es i l t ym i c r o s t r u c t u r e c o m p a r i s o na n a l y s i sa n dr e s e a r c ho nt h er e l a t i o na m o n gt h em i c r o s t r u c t u r e ，m i n e r a l c o m p o s i t i o nf r o mt h em i c r o s c o p i cf i e l da n dt h ee n g i n e e r i n gp r o p e r t yo ft h es i l t yf i l l i n g s u b g r a d eo fs h a n gz h o ue x p r e s sw a y , h a sb e e nd e t a i l e d l yd o n e b e s i d e s ，t h ec h a n g el a wh a s a l s ob e e ne x p l o r e dt e n t a t i v e l y f i n a l l y , t h ep a p e rp o i n t so u tt h a tt h es i l t ym i n e r a lc o m p o s i t i o n s c o n t r o l st h ep r o j e c tp r o p e r t yi ns o m ee x t e n t ，a n dt h a tt h es i l t ym i c r o s t r u c t u r eh a sm o r e p r o m i n e n ti n f l u e n c eo nc o m p r e s s i b i l i t y , a n t i - s p l i ts t r e n g t ha n dp e r m e a b i l i t y a tl a s t ，t h ep a p e r a n a l y z e st h ed i s e a s et h a tm a yb ep r o d u c e d ，p u t t i n gf o r w a r dt h ec o r r e s p o n d i n gp r e v e n t i o n m e a s u r e s t h er e s e a r c hr e s u l t sh a v ei m p o r t a n tr e a l i s t i cm e a n i n g si nt h es u b g r a d ec o n s t r u c t i o na n d p r e v e n t i o na n d c u r eo ft h ed i s e a s ef o rs u b g r a d ea n dp a v e m e n ti nt h es i l t ya r e a k e y w o r d s ：s i l t ys o i l ，m i n e r a lc o m p o s i t i o n s ，c h e m i c a lc o n s t i t u e n t s ，m i c r o s t r u c t u r e ， e n g i n e e r i n gp r o p e r t y 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： c 口0 7 年朋山日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：胁力 埘年朗函日 别雅轹协叩彳。弘硼扣日 长安大学工程硕士学位论文 1 1 研究的目的及意义 第一章绪论 商丘市位于河南省东部，属粉土地区。商丘至周口高速公路起自商丘市境内的连霍 高速主干线，在周口境内自东北向西南连接了毫许、阿深、洛界等高速公路，向南延伸 后与京珠高速相连，是河南省的重点建设项目。 由于商丘至周口高速公路沿线多为粉土地区，在路基填土施工过程中，大量使用粉 土填筑。而粉土具有水稳性差、强度低、易冲刷、难压实等诸多不适宜筑路的特性，所 以深入研究粉土工程性质与微观结构、矿物成分的关系，对于粉土地区路基施工是十分 必要和迫切的，具有重要的现实意义。 本研究首先通过大量的土工试验，得到区内粉土及粘土的各项指标；并以x 射线衍 射、偏光显微镜、扫描电镜( s e m ) 及化学全分析等手段，进行了矿物组分分析鉴定； 再通过对各段路基填土的工程性质进行分析对比，证实了粉土的微观结构与其工程性质 存在着十分密切的联系，对粉土的压缩性能、抗剪强度及渗透性都有显著影响；在此基 础上，提出了粉土路基病害产生的微观结构内因及相应的防治措施。 本研究成果在工程中的应用，将对提高河南乃至全国粉土路基修筑水平，减少和预 防路基病害，提高公路的使用性能，延长公路的使用寿命，实现公路的可持续发展，具 有重要的参考价值。 该课题立足现有技术，具有很强的针对性、实用性和显著的经济效益和社会效益， 对于粉土地区公路建设，具有现实的指导意义和广阔的应用前景。 1 2国内外研究现状 工程岩土学是研究与工程建设有关的地质问题的科学，研究对象是地质环境与工程 相互制约、相互作用的关系，以及由此产生的地质问题。 国外对工程岩土学的研究始于上个世纪2 0 年代末，大体经历了三个阶段：( 1 ) 1 9 4 5 年以前，主要研究对象是土，重点服务于道路工程。研究中，沿袭了b b 道库恰耶夫成 因土壤学观点，认为土的粒度成分是其工程性质的决定因素：( 2 ) 1 9 4 6 1 9 7 8 年，研究 重点仍是土，认为土、水相互作用时，土的化学矿物成分是控制其工程性质的主要因素； ( 3 ) 1 9 7 9 年以来，进入现代工程岩土学阶段，随着研究范围的不断扩大，工程岩土学 第一章绪论 已成为研究人类的工程建设、经济活动与所处环境的岩土体相互作用的科学，不仅要研 究解决工程地质问题的方法，还必须预测由于工程的实施可能给地质环境带来的不利影 响。此时，对岩体、土体微观结构、构造的研究已占重要位置。在研究方法上，国外强 调微观与宏观研究的密切结合。 我国现代工程岩土学是在借鉴和学习前苏联的理论与方法的基础上发展起来的，经 历了建国初期的初建阶段、二十世纪6 0 年代后的初期发展阶段以及8 0 年代后的快速发 展阶段。在过去的几十年里，我国在土的微观结构方面开展了广泛研究，取得了一系列 成就。海洋土的研究进展显著，得出其与陆相土的区别在于其氯化物含量较高，并具有 絮凝蜂窝状结构；膨胀土研究也成绩突出；其它土类，如：盐渍土、黄土、红土、淤泥 软土等方面的研究，均取得了大量的研究成果。这些研究成果对于提高我国工程建设具 有显著的积极作用。 但是，在土的微观结构与土的物理力学性质的关系研究方面，我国有许多工作还有 待进一步研究。 粉土作为岩土工程的重要组成类型，具有复杂的非线性特征：宏观上，表现为土体 物理力学形状的不均匀性和各向异性；而在微观上，则表现为介质结构的非连续性和不 确定性。二十世纪9 0 年代以后，随着科学技术的迅速发展，x 射线衍射( x d a ) 、偏光 显微镜及扫描电镜等技术有了很大的发展，对深入研究所面对的非线性岩土复杂工程问 题，提供了有力的技术支持。 1 3 本研究的必要性 粉土性质的复杂性，给粉土地区公路建设带来了较大的不利影响。如何更好的利用 粉土，成为粉土地区公路建设中的关键问题之一。 粉土在静荷载作用下，压密较小，但在动荷载作用下，易于液化，常使建筑物发生 灾难性破坏。粉土地基在地下水的作用下，易发生流动现象，强度降低并失去稳定性。 所以在粉土地区修筑公路，特别是填土路基较高时，对于地基的处理，从勘察、设计、 施- v n 运营养护阶段，对于影响路基稳定的各项因素，必须全面慎重的考虑。 在粉土地区高等级公路建设中，粉土路基的处理问题已经成为影响工程造价和道路 使用质量的突出问题之一。所以，有必要在充分认识粉土路基工程性质的基础上，借鉴 己有的成果和资料，结合工程实际，合理选择一种或几种组合处理方法，使处理后的路 基满足建设工程各项要求。 长安大学工程硕士学位论文 过去，科研人员对粉土的认识大多数是通过宏观的工程性质和常规的土工试验方法 分析粉土的主要物理性质指标，以此探索粉土的特性，极少从微观角度对粉土进行较为 深入的研究。随着科学技术的发展，各种精密仪器的出现与发展，使得从微观角度研究 粉土的性质成为可能。 本研究利用先进的分析技术，通过大量的试验，对粉土地区路基填土进行分析对比， 求得路基填土的矿物化学成分、微结构与粉土工程性质之间的关系，从微观角度分析粉 土路基产生病害的原因。并在此基础上，结合工程实际，提出相应的防治措施。 本研究成果对于粉土地区路基施工及路基路面病害的防治，具有重要的现实意义。 1 4 主要研究内容及技术路线 1 ) 主要研究内容 为了从根本上了解和分析粉土地区路基填土，本研究依托商周高速公路，利用先进 的分析技术，对商周高速公路研究区内的路基进行分析，深入研究了粉土及粘土的矿物 化学成分、微观结构与其工程性质问的联系，在此基础上，提出了粉土地区路基病害产 生的微观结构内因及相应的防治措施，为该地区路基施工和病害防治提供技术支撑。 具体研究内容如下： ( 1 ) 研究区的自然环境条件； ( 2 ) 粉土的物理化学性质与工程性质； ( 3 ) 研究区内粉土的矿物化学成分； ( 4 ) 研究区内粉土的微结构特征； ( 5 ) 研究区内粉士的矿物化学成分、微结构与粉土工程性质之间的关系； ( 6 ) 研究区内粉土路基常见病害及防治对策研究。 2 ) 研究技术路线 本研究遵循调察分析一理论研究一土工试验一数据对比一微观结构分析一矿物组 分鉴定一工程性质对比一成果总结整理的技术路线。 研究内容与技术路线见下述框图所示： 第一章绪论 国内外相关资料的收集与分析 上 粉土的物理化学性质与工程性质研究 上 粉土的微观结构特征研究 上 粉土的矿物化学成分分析研究 上 粉土的微观结构、矿物化学分析与工程性质 之间的关系分析研究 上 成果的总结及整理 图1 1 研究内容与技术路线框架图 4 长安大学t 程硕士学位论文 第二章商周高速公路沿线自然环境条件 2 1 商周高速公路概况 商周高速公路是河南省规划的商丘至驻马店高速公路的重要组成部分，其建设对于 完善全国高速公路网，提高河南省高速公路建设的规模效益，具有积极的意义。 它起自商丘市境内连霍高速主干线，在周口境内自东北向西南连接了毫州一许昌、 阿荣旗一深圳、洛阳一界首等高速公路，在驻马店附近与京珠高速相连，并与区域内多 条国道、省道相连。对于完善区域公路网主骨架，发挥高速公路网整体效益具有重大的 现实意义，并对区域经济的发展产生积极和深远的影响。 商周高速公路起点接连霍高速主干线，起点桩号k 9 7 + 5 0 0 ，终点桩号k 1 6 8 + 1 8 2 7 4 4 ，全长7 0 6 8 3 公里。商周高速公路采用平原微丘区高速公路标准，全封闭，全 立交。计算行车速度1 2 0 k m h ，路基宽度2 8 m ，行车道宽2 2 3 7 5 m ，中央分隔带宽3 o m ， 左侧路缘带宽2 0 7 5 m ，硬路肩宽2 3 5 m ，土路肩宽2 0 7 5 m ；设计荷载：汽车超2 0 级，挂车1 2 0 级；平曲线最小半径为3 0 0 0 m ，最大半径8 5 0 0 m ，平曲线占路线总长度的 7 1 2 7 3 ，竖曲线最小半径为2 1 5 9 8 2 1 m ，最大半径为2 0 0 0 0 0 m 。 全线共占地1 7 9 9 6 3 2 亩，其中永久占地8 5 8 5 3 亩，临时占地9 4 11 0 2 亩，共拆迁 建筑物1 4 2 6 6 3 7 亩；全线路基土方量为7 0 0 万m 3 ，平均每公里土方1 0 万m 3 ；全线平均 填土高度为1 9 7 m ，防护工程2 6 2 万；全线共设桥梁7 7 座，共3 0 8 8 0 4 m ，其中特大桥 3 4 8 5 m 座，大中桥1 5 8 4 2 m 2 5 座，小桥6 4 4 7 2 m 2 1 座，通道桥1 2 0 7 4 m 5 0 座，涵洞 4 3 7 9 2 8 1 1 3 道。 2 2 地质特征 2 2 1 地形地貌 商周高速公路位于河南省东部，地跨商丘、周口两个市。为豫、鲁、苏、皖四省交 界处之通衢，属黄河冲击扇平原，地形平坦，为典型的平原地貌。该地区按成因可分为 剥蚀残丘和沉积堆积两种类型。公路选线范围所在区域地貌属黄河冲积平原、淮河冲积 平原、剥蚀残丘三大类型区，主要为冲积平原区。地势由西北向东南微倾，地面标高3 0 7 0 m ，坡降为1 5 0 0 0 - 1 7 0 0 0 ，物质组成为第四系全新统灰黄色亚粘土和棕红色粘土、 上更新统青灰及青黄色亚粘土。 与 第二章商周高速公路沿线自然环境条件 表2 1 商丘地貌分区表 面积占总面积 类别位置备注 ( k m z )( j 6 ) 黄 高滩地 黄河故道南堤北 8 6 6 48 6高出堤南6 8 m 河 冲 背河洼地陇海铁路北至黄河故道南堤 5 5 3 25 4 地势洼，易碱涝 积 缓坡平原背河洼地以南 7 8 3 0 07 7 4 地势平坦 平 原 合计 9 2 4 9 69 1 4 淮河冲积平原永城东北与东南 7 8 9 47 8 地势低洼易涝 芒砀山最高海拔 剥蚀残丘永城东北与东南 8 1 oo 8 1 5 6 8 m 2 2 2 地质构造 豫东平原为华北凹陷的一部分，为秦岭一昆仑纬向构造体系与新化夏第二沉降带的 复合交接部位。是古老的小秦岭一嵩山东西向构造带没入地下的通许一太康镇隆起之东 端以及新化夏体系、予中北西向构造带的复合部位。发育的主要断裂包括：东西向体系， 有中牟南断裂、鄢陵一太康断裂、商丘南断裂、周口一鹿邑断裂等；予中北西向构造带， 新乡一兰考一商丘断裂；新化夏体系，有长垣断裂、东明一兰考断裂、睢县断裂、袁楼 一济阳断裂等。基地被上述断裂切割成大大小小的地块。线路所跨越的大部分断层比较 稳定，活动性较弱。 2 2 3 地层岩性 区域基底组成岩层主要为古生代寒武一奥陶系浅海相碳酸盐岩类。中上石炭一二迭 系内陆湖相含煤碎屑岩系，以及局部太古界变质岩系。工作区内，基地一般在5 0 0 1 0 0 0 m ，其中局部地点达2 0 0 0 - - - 6 0 0 0 m 。自古生代至侏罗纪初，本区一直处于上述南北诸 凹陷区的分界地带，并未接受沉积；侏罗纪时起，首先在商丘以北开始下沉；至白垩纪 黄冢以北也急剧下降，造成两处分别沉积了数百米至数千米的侏罗、白垩系红色岩层； 新第三纪开始，全区共同下沉，形成了普遍沉积了1 0 0 7 0 0 m 的第三系和3 0 0 5 0 0 m 第 四系岩层。 2 2 4 构造体系及主要断裂的活动性 区域地质构造上所处的太康隆起、徐淮隆起和周口凹陷也同属于秦岭纬向构造体 系，新构造活动与新生代以来活动十分强烈的新华夏相比也很显著。新生代以来，秦岭 6 长安大学工程硕士学位论文 纬向构造以及东延至海的部分，太康隆起、徐淮隆起、周口凹陷和合肥凹陷。自第四纪 以来，除中更新世有较小下降外，其它时问均处于上升阶段。区内分布断裂为新生界覆 盖的一条隐伏断裂带：封丘一商丘断裂，由两条大致平行的断裂组成。省内长达2 5 0 k m ， 断口8 0 0 2 0 0 0 m ，走向n w w ，倾向s w 。该断裂活动性具多期活动特点，新生代仍然活动。 该断裂不仅构成豫中北西向构造的北部边界，并且对其两侧构造和水系的发育也具明显 的控制作用。断裂以北属黄河、海河水系，流向自南西而北东，与构造方向一致；以南 属淮河水系，流向自北西而东南，与构造方向一致。因此，商周高速公路的选线沿地质 构造线，基本稳定，适宜高速公路建设。 2 2 5 工程地质条件及评价 研究区内的大部分被厚度1 5 0 - - - 1 0 0 0 米的第四纪及新第三系松散堆积物覆盖，土体 类型可分为粘性土、砂性土、粉土三类。工程地质分区属于冲积平原工程地质区和冲积 平原较不稳定工程地质区。 区内粘性土以粘土和粉土分布最广，容许承载力为1 0 0 2 8 0 k p a ，深部主要是亚粘 土及一层或数层粉土。区内砂性土以粉砂、细砂为主，隐伏于粘性土层的底部或夹于其 中，中等密实，容许承载力为9 0 2 0 0 k p a 。除表层存在松散的亚砂土外，沿线未发现不 良地质现象。 2 3 气候特征 该区域位于中纬度内陆，属暖温带半湿润大陆性季风气候，季风明显、四季分明、 雨量适中、光照充足、无霜期长。 由于该区受季风影响较大，冷暖气团交替频繁，天气多变，常有早、涝、低温、霜 冻、干热风、冰雹等自然灾害发生。多年平均气温在1 3 7 1 4 6 c 间，极端最高气温( 七 月) 达4 2 1 ，极端最低气温( 一月) 为一2 0 6 c 。年日照时数2 1 7 4 - - 2 4 2 5 小时，年无霜 期2 1 0 2 3 0 天。 降水具有降水量大、降水持续时间长、短历时降水强度大等特征。降水量年际变化 较大，多年平均降水量6 8 6 8 7 3 m m ，丰水年降雨量( 最多7 月) 达1 5 1 8 7 m m ，早年降水 量( 最少1 月) 为4 4 0 8 m m ；且降水量年内分布不均，7 - - 9 月降水量较大，“ - - - , 2 月最小； 主汛期一般在7 9 月份，洪峰多出现在7 8 月。年平均蒸发量1 6 9 5 3 - - , 2 1 0 9 1 m m ，相 对湿度为7 0 7 4 。 7 第- 二章商周高速公路沿线自然环境条件 2 4 区域内粉土的分布特征 本研究将商周高速公路分为三段，本文中的路北段所指区间为k 9 7 + 5 0 0 k 1 2 0 + 5 0 0 ；路中段为k 1 2 0 + 5 0 0 k 1 4 8 + 5 0 0 ：路南段为k 1 4 8 + 5 0 0 k 1 6 8 + 1 8 2 7 4 4 。 由于商周高速公路沿线附近地区粉土分布较多，而适合用作路基填土的粘性土分布 较少。因此，从经济角度出发，多段路基选择用粉土填筑。该高速公路南段全部用粘土 填筑路基；而路北段的9 0 区、9 3 区、9 5 区以及路中段的9 0 区、9 3 区均用粉土填筑； 其它路段以及上述路段的其它路基层皆用粘土填实。 长安人学工程硕士学位论文 第三章粉土及粘土的工程性质 3 1 粉土和土的定义及其基本工程特性 3 1 1 粉土的定义与基本工程特性f l l 凡粒径大于o 0 7 5 m m 的颗粒含量小于或等于全重的5 0 ，且塑性指数l p 小于或等 于1 0 的土，称为粉土。 路基勘察设计中对土的定名，原则上以公路土工试验规程( j t j 0 5 1 9 3 ) 中的分 类方法为准。本文把商丘地区特有的粉性土( 包括亚粘土和亚砂土) ，直接用粉土这个 名称来表示。 粉土属第四系全新统地层( q 4 ) ，冲洪积成因，在我国广泛分布，长江以北黄淮冲 积平原分布较为普遍。粉土多呈棕黄色，散粒结构，是一种具有特殊工程性质的土类。 粉土一般呈稍密中密状态，压缩性高，力学强度低，密实的粉土为良好地基，饱和稍 密的粉土，地震时易产生液化，为不良地基。该类填料用于路堤下部时，要加强边坡防 护力度。 粉土的工程性质处于粘性土及砂土之间。粉土的工程特性如下： ( 1 ) 粉土中8 0 以上的粒组是粉粒及粉砂粒，比表面积不大，毛细现象发达。在 塑限试验搓条时，毛细压力使土粒聚合，呈现出假塑性，故塑限试验对这类土不适用； 液限试验时，圆锥尖沉入土中在限定时间内不能稳定，故液限试验对这类土也不适用。 在试验曲线l p w - w l 和i p w - w p 上，曲线在i p = l o 附近出现转折，w p 曲线向下凹，表 现出假塑性。 ( 2 ) 土的力学指标，如内摩擦角、内聚力、压缩系数、压缩模量、比贯入阻力等， 在与塑性指数i p 的关系曲线上i p = l o 附近，出现明显转折。 ( 3 ) 从地震液化特征看，i p l o 时，容易液化。 ( 4 ) 从工程实践中反映出，i p l o 的土难以压实，也不宜用石灰加固，当采用桩基 时，不宜用压入法沉桩，且沉桩比较困难。 ( 5 ) 粉土的工程性质与中等塑性的粘性土比较，其渗透性和抗剪强度明显增大， 压缩性则显著降低，标准贯入击数和静探比贯入阻力一般提高2 倍以上。在粉土中钻探， 取原状土样或打桩较困难；施工开挖时，容易产生“流砂涌土”现象，其中，砂质粉土 ( 旧称亚砂土) 的一系列工程性质更接近粉砂。 9 第三章粉土及粘土的工程性质 ( 6 ) 砂质粉土的主要矿物成分是石英，其次为长石、云母及少量其他矿物，并含 有极少量的粘土矿物。 ( 7 ) 由于其粘粒含量极少，故与水的结合能力小，但因其主要成分为粉粒，毛细 作用显著。当含水量不大时，由于毛细水的存在，使砂质粉土表现出一定的毛细粘聚力； 在饱水时，毛细粘聚力消失，则呈现很小或无粘聚力的散粒体，不具有塑性或微有塑性， 故可称之为无粘聚性土。 ( 8 ) 砂质粉土的透水性一般良好。颗粒愈粗，愈均匀，愈浑圆时，透水性愈强。 ( 9 ) 一般砂质粉土在静载荷作用下，压缩性较小，其压密过程也较快。工程实践 表明，砂土地基的变形在施工期间即可完成7 0 - - 8 0 以上，甚至可以认为已全部完成。 颗粒愈粗，压缩性愈低，压密愈快。 ( 1 0 ) 砂质粉土的抗剪强度由内摩擦角来决定。由石英组成的内摩擦角最大，云母 则最小。矿物成分对于较粗粒组的内摩擦角影响较显著，这种影响随着粒度的变小而递 减；砂质粉土的紧密程度增大时，内摩擦角也增加，这与在剪切带，不仅发生颗粒间的 位移，而且还由于颗粒间的咬合作用，部分颗粒被破碎有关；颗粒的形状及级配对其内 摩擦角也有影响，通常是浑圆、均匀的，其内摩擦角较小。在剪切过程中，土的体积会 发生变化，一般松砂变密，密砂则变松。 ( 1 1 ) 除疏松的粉土外，一般均可作为各种房屋建筑物和构筑物的良好地基。这类 土地基的承载力与土的紧密状态、基础大小、埋深和地下水位有关。但对于饱和的粉土 地基，由于地下水的渗流，易于发生“流砂现象 。 3 1 2 粘土的定义与基本工程特性 粘性土是指塑性指数i p 大于1 0 的土。由于土中的颗粒组成以粉粒和粘粒为主，因 此具有许多显著特征。粘性土的主要工程特性如下： ( 1 ) 粘性和可塑性 粘粒与水相互作用产生粘结力，表现为土具有粘性和可塑性。粘性的大小取决于两 个因素：一是土粒的矿物成分、土粒周围水的成分及其所含离子的种类和特征；二是土 颗粒的总比表面积的大小。 显然，土的粒度组成中粘粒含量越多，粘性越大。 ( 2 ) 胀缩性 土的体积由于含水量变化而引起变化的性质称为胀缩性。粘性土所具有的胀缩性容 l o 长安大学 ：程硕士学位论文 易使地基土产生不均匀变形，并使结构物产生附加应力，造成不利影响。 ( 3 ) 压缩性和抗剪强度 压缩性和抗剪强度与土的含水量有着密切的关系。 ( 4 ) 结构性 3 2 粉土的成因及分类 由于粉土成因类型不一，所表现的工程性质相差很大，粉土按其成因不同可分为水 成粉土、风成粉土、残积粉土。 1 ) 水成粉土 土粒在水力作用下，经搬运、沉积而形成的满足规范要求的土。根据其搬运距离、 沉积环境、沉积位置不同，可以分为山区粉土、平原粉土。 ( 1 ) 山区粉土：在水力作用下，土粒搬运距离短，一般分布于丘岗、坡麓、冲洪 积扇缘、阶地上。这类土一般含僵石结核和一定数量的粗粒组，埋藏较浅，一般位于地 下水位以上，属欠固结状态。工程性质与风成黄土相近。 ( 2 ) 平原粉土：在水力作用下，土体经长途携带、沉积的粉土。广泛分布于冲洪 积平原、河流三角洲、沿海平原，是工程建设经常遇到的土层，豫东地区粉土大都属于 此类水成粉土。此类粉土经长途搬运磨圆，粒度成分单一，粉粒占绝对优势，大于0 0 7 5 r a m 的粗粒组几乎没有；小于0 0 0 5 m m 的粘粒组较少，颗粒级配曲线较陡，c u 值很小。由于 平原地区地下水位埋藏较浅，多为饱和粉土，具有以下性质： 极易振动液化失水。土样在现场勘探、包装、运输、室内试验过程中，多次振动 液化失水，室内所测定的含水量偏低、孔隙比偏小，由土的物理力学指标确定的地基承 载力偏大，不能完全代表原状土的指标，偏于不安全； 土层压缩沉降量大，压缩固结稳定较快。土样经多次振动液化，己部分排水固结， 压缩取样多为扰动样，室内测定的压缩系数较小，判断为中低压缩性，与实际情况不符， 偏于不安全； 现场标准贯入击数较低，地基承载力低，为平原地区不良地基。 2 ) 风成粉土 由于风力的携带、沉积作用，形成的含有较大孔隙的土。由于残坡积作用和重力堆 积作用，广泛分布于丘岗、坡麓、河流阶地上，其物理性质、工程性质与黄土相似，也 具大孔结构和湿陷性，称为次生黄土。次生黄土中粉粒占优，砂粒和粘粒含量较少，多 1 1 第三章粉土及粘土的工程性质 表现为粉土、粉质粘土、含砂粉质粘土。 3 ) 残积粉土 在由第四纪松散河流堆积物而形成的粉土地区，由于风或水的作用，将表层粉土搬 运移走后，剩余的原底部粉土，就称为残积粉土。 3 3 渗透性质 土孔隙中的自由水在重力作用下发生运动的现象，称为水的渗透。土的渗透性表征 土体被水透过的性能，是土体基本力学性质之一。 在道路工程中，常需要了解土的渗透性。由于土的孔隙细小，在大多数情况下，水 在孔隙中的流速较小，可以认为属于层流状态，因此土中水的渗流规律符合层流渗透定 律，即满足达西定律，水在土中的渗透速度与水头梯度成正比，如式( 3 1 ) 所示。 v = k l( 3 1 ) 式中：v 一渗透速度，m s ； i 一水头梯度，即沿着水流方向单位长度上的水头差； k 一达西系数。 影响粉土渗透性的主要因素有颗粒大小、级配、密度、以及土中封闭气泡等。土的 颗粒愈小，土体孔隙愈小，渗透性愈小；级配良好，细颗粒填充粗颗粒孔隙，土体孔隙 减小，渗透性较小；密度的影响也是明显的，渗透性随相对密度增加而减小；土中封闭 气体对土体渗透性也有较大影响，封闭气泡不仅减小土体断面上的过水通道面积，而且 会堵塞某些通道，使土体渗透性减小。 影响粘土渗透性的因素，较粉土复杂。粘土中土颗粒尺寸小，呈扁平状，比表面积 大，颗粒表面处形成扩大的双电层，双电层内的水分子受到吸附作用，其性质与自由水 不同，直接影响着粘土的渗透性；粘土的矿物成分以及土的结构与组构对土体渗透性也 有较大影响，粘土矿物成分不仅影响粘土颗粒的大小，而且影响与颗粒周围液相的相互 作用。对同一含水量的粘土矿物作比较，渗透性大小的顺序为：蒙脱石 伊利石 高岭 石。 粘土颗粒的形状是扁平的，有定向排列作用。在沉积过程中，粘土是在竖向应力和 水平向应力不相等的条件下固结的，土体固有的各向异性和应力各向异性造成了土体渗 透性的各向异性。特别对层状粘土来说，由于水平粉细砂层的存在，水平渗透系数远远 大于竖直向渗透系数。 1 2 长安大学工程硕士学位论文 3 4 结构特征 土的结构指土的粒径组成、空间排列形式和土粒间的联结特点。天然土的结构是在 土的形成过程中和后来所经历的条件下形成的。它不仅与土粒大小、形状和矿物成分等 因素有关，而且还与周围介质有关。土的结构是其物理力学性质的主要决定因素之一， 可根据以土的结构特征预测在建筑物作用下土的变形，来评价土作为建筑材料的质量好 坏。 由粉粒( o 0 5 - 0 0 0 5 m m ) 组成的土在水中沉积时，基本上是以单个土粒的形式下 沉。当碰上己沉积的土粒时，由于它们之间的相互引力大于其重力，因此土粒就停留在 最初的接触点上不再下沉，常形成具有很大孔隙的蜂窝状结构。 粘土颗粒( 北 段，南段粉土的抗液化能力最强。 长安大学工程硕士学位论文 4 2 2 天然含水量 含水量的大小对粉土有重要的影响，饱和粉土容易发生液化，使土的强度散失，上 部建筑失去稳定，造成重大不利影响。因此，土的含水量也是土工建筑施工质量控制的 依据。 粉土在取样、运送及拆封过程中均易扰动失水，因孔隙比的减小，结构遭到破坏。 目前，室内试验无法解决，仅根据经验修正。因此，在取样、运送及拆封过程中，均要 注意保护样品质量。同时，含水量反映了土的状态，含水量的变化将引起土的物理力学 性质的改变。测定含水量的方法有多种，如烘干法、酒精燃烧法、炒干法、比重法、实 容积法、微波法和核子射线法等等。本文主要是采取烘干法。从图4 1 可以看