（交通运输工程专业论文）西闰高速公路湿软性黄土路基整体稳定性应用研究.pdf

摘要 本文结合西闰高速公路湿软性黄土路基施工，对含水量高、强度低和压缩性 大的天然黄土性质及其地基处理等问题开展系统地研究。主要研究工作可概括为 如下几个方面： ( 1 ) 对湿软性黄土地基的地质结构及物理力学性质开展了调研和现场取样试 验工作。 ( 2 ) 结合实体工程试验路研究和室内试验，对湿软性黄土路基的稳定性特 点、变形机理及沉降规律进行了探索，提出了湿软性黄土路基沉降的计算分析方 法。 ( 3 ) 通过几种不同的整治措施效果看，其中以强夯处理在工后路基沉降及稳 定性方面效果较为明显。 ( 4 ) 结合西闰公路湿软性黄土路基施工，对地基处理措施及路基沉降规律进 行了研究，并分析了实测值与理论值的差异。 关键词：湿软性黄土沉降观测稳定计算 a bs t r a c t t h i sp a p e rr u nw e s th i g h w a ys h i r u a nl o e s sr o a d b e dc o n s t r u c t i o n ，t h eh i g h w a t e rc o n t e n t ，l o w i n t e n s i t ya n dt h ec o m p r e s s i o no ft h el o e s sn a t u r ea n di t sn a t u r a l f o u n d a t i o nf o rd e a l i n gw i t hs u c hi s s u e sa st h es y s t e m a t i cs t u d y m a jo rr e s e a r c hw o r k c a nb es u m m a r i z e da st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) b ea i m e da tw e ts o f tl o e s sf o u n d a t i o no ft h eg e o l o g i c a ls t r u c t u r ea n dt h e p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h er e s e a r c hc a r r i e do u ts a m p l et e s t s a n d o n s i t ew o r k ( 2 ) p i l o tp r o j e c tc o m b i n i n ge n t i t i e sr o a dr e s e a r c ha n dl a bt e s t ，t h er o a d b e do f t h el o e s sw e ts o f tl o e s st h es t a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c s ，d e f o r m a t i o nm e c h a n i s ma n d e x p l o r es e t t l e m e n to fap r o p o s e d ( 3 ) t h r o u g h s e v e r a ld i f f e r e n tm e a s u r e so fr e c t i f i c a t i o ne f f e c t s ，i n c l u d i n g d y n a m i ct od e a lw i t ht h er o a d b e da f t e rt h es e t t l e m e n ta n ds t a b i l i t yo ft h em o r e o b v i o u se f f e c t s ( 4 ) c o n c r e s c e n c et h ex i r u nr o a dw e ts o f tl o e s sr o a d b e dc o n s t r u c t i o n ，s t u d yt h e f o u n d a t i o nt r e a t m e n tm e a s u r e sa n ds u b g r a d es e t t l e m e n tl a w ，a n da n a l y s et h e d i f f e r e n c eo fm e a s u r e da n dt h e o r e t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：w e ts o f tl o e s s s e t t l e m e n to b s e r v a t i o n s t a b i l i t yc a l c u l a t i o n 长沙理工大学 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：彳讪涛 日期：砌萝年r 月 叩日 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。本人授权长沙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 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者签名：净花涛 日期：以功8 年 j 月 z 7 日 导师签名：玉毛锯 日期：驴襞年j ，月矽 日 第一章绪论 1 1 研究课题的提出及意义 黄土在我国分布甚广，其中以西北地区黄土地层最厚、最完整、发育好、地 层全，其特征较典型。由于具有特殊的成分和性质，黄土在工程界占有特殊地位。 它的最大特点是结构性强，遇水发生湿陷并且强度迅速软化。因此，建筑在湿陷 性黄土地区的工程时常会发生与其相关的病害。黄土地区高等级公路路基建设是 需要关注的问题之一。我国其他省区己在此方面有许多经验教训，黄土地区路基 修筑技术是高等级公路建设中遇到的主要技术课题n 引。 今后，高等级公路网的建设中，还将有很多公路途径黄土地区，并将存在不 少黄土路基方面的技术问题。湿软性黄土路基的稳定性及其防治措施是需要深入 研究的课题。黄土湿软性表现在土体含水量高、饱和度大、压缩性高、以及土体 浸水后强度显著降低等特点，这是有别于黄土湿陷性的另一种特性。这种类型的 黄土在陕西、河南西部有着很大的分布范围，在已建成的数百公里高等级公路中 几乎均不等程度地存在。例如早年建成的西铜公路、西宝公路、西渭公路、三灵 公路等。在近年建成的渭渲公路、谣闰公路及西兰公路中，湿软性黄土路基的稳 定性问题表现得尤为突出。其中，西安至闰良约3 9 2 4 公里高速公路中，约有一 半以上路基为湿软性黄土，其地基土层厚度最大达十几米，许多路段土体饱和度 在7 0 以上，含水量大于2 2 ，地表下5 m 范围土体压缩模量仅为2 0 5 o m p a ：, 因此，湿软性黄土路基的沉降和稳定性是工程中应十分关注的技术问题。 湿软性黄土路基稳定性问题不仅表现在天然过湿地基的特性，也包括采用湿 软性黄土填筑路堤时的施工压实工艺和处理技术。例如三门峡至灵宝高速公路 沿线许多路段只能采用附近含水量高的土体填筑路基，施工压实难度很大。 湿软性黄土特性既与湿陷性黄土有着明显差异，也与沿海软土的性质不同， 对其物理力学性质尚有待深入探索。在高速公路建设中遇到类似路基，如何针对 不同的地基特性和工程的具体情况采取经济合理的处治技术，并正确地测定和评 价处治质量，这些均需结合工程建设开展深入系统地研究1 。 1 2 国内研究技术及其发展 1 2 1 黄土分布范围及形成环境 黄土在世界上分布较广，覆盖着全球大陆面积的2 5 以上。在北美洲，它 占据着密西西比河和密苏里河流域的大片面积；在新西兰的东部、南部和北非洲 也有所分布；在欧洲的法国北部和东部、中欧中部、阿尔卑斯山麓和多瑙河流域 各处的低地均分布有黄土；在东欧平原、从波兰到伏尔加河流域都有所分布。最 典型的黄土则分布在我国西北部的广大地区。 我国的黄土分布面积估计有6 3 万平方公里，约占全国面积的6 6 ，主要分 布在北纬3 0 。4 9 度，东经7 5 。1 2 7 度之间。尤其在黄河中游地区，厚层黄土连续 覆盖，形成了蔚然壮观的地貌景象，为世界罕见。按区域划分，我国的黄土主要 分布在以下4 个区域： ( 1 ) 东北区：主要分布在松辽平原的西南部，本区中部、北部和南部各地均有 黄土状土分布，但很少见有湿陷性。 ( 2 ) 华北区：主要分布在燕山南麓、太行山东麓、泰山与鲁山北部山麓。这一 区域里，湿陷性黄土多在河谷之中或者山前、山间的低缓丘陵上。本区的湿陷性 黄土分布不算广泛。 ( 3 ) 黄河中游地区( a p 龙羊峡一三门峡之间黄河及其支流流域范围内的地区) ： 黄土几乎呈连续成片的分布。湿陷性黄土亦然，发育最为广泛。这一区域泛指山 西太行山西麓往西直至甘肃的乌鞘岭，北起长城往南抵秦岭北坡，黄土分布面积 约占全国黄土面积的7 2 3 ，主要分布在黄河及其支流捏水、大通河、渭河、径 河、延河、洛河及汾河等河谷地区。另外在某些山前斜坡地带、丘陵地带、黄土 源顶也有所分布。本区湿陷性黄土厚度，以六盘山为界，以西较大，最大可达 3 0 余米：以东较小，汾渭流域在1 2 m 左右，再往东更小。 ( 4 ) 西北其他内陆盆地地区：湿陷性黄土分布比较零散，主要在柴达木盆地东 南部、河西走廓、天山南北麓以及准噶尔盆地、塔里木盆地的边缘地区有所分布。 1 2 2 国内对黄土路基处理的研究历史及现状 二十世纪八十年代以来，随着公路建设的快速发展，全国各地结合软土路基 工程的设计与旌工技术进行了广泛的试验研究与理论分析，已取得较丰富的实践 2 经验。软土地基处理的目的是利用夯实、置换、排水固结、加筋等方法对地基土 进行加固，以改善地基土的剪切性、压缩性、振动性和特殊地基的特征，使之满 足道路工程的要求。实践证明，由于高速公路对路基沉降的要求很高，若对软土 地基不加处治或处理不当，往往会导致路基失稳或过量沉降。显然，对于交通量 大、养护时间难的高速公路，地基处理的恰当与否直接关系到工程质量、投资和 进度。因此，地基处理对节约基本建设投资，保证公路正常运营具有重要意义。 在人类历史发展过程中，随着土木工程的发展，地基处理技术也在不断发展。工 程建设的需要促进了地基处理技术的发展，现代地基处理技术是伴随现代化建设 而发展的。我国土木工程建设得到飞速发展，地基处理技术也相应得到飞速发展。 我国目前应用的大部分地基处理技术是改革开放后发展或引进的。为了适应工程 建设发展的需要，高压喷射注浆法、振冲法、强夯法、深层搅拌法、土工合成材 料、强夯置换法、e p s 超轻质填料法等许多地基处理技术从国外引进，在实践中 发展；许多已经在我国得到应用的地基处理技术，如排水固结法、土桩和灰土桩 法等也得到了不断发展、提高；近二十几年在工程实践中还发展了许多新的地基 处理技术，如真空预压法，锚杆静压桩法、孔内夯扩碎石桩法、低强度桩复合地 基法、刚性桩复合地基法等拍1 。 一 地基处理最新处理机械、材料、地基处理设计计算理论、施工工艺、现场监 测技术，以及地基处理新方法的不断发展和多种地基处理方法综合应用等各个方 面1 。为了满足日益发展的地基处理工程的需要，近几年来地基处理机械发展很 快。 例如，我国强夯机械向系列化、标准化发展，深层搅拌机型号增加，近年来 研制成功四轴深层搅拌机，搅拌深度和成桩直径也在扩大，海上深层搅拌机也己 投入使用。高压喷射注浆机械发展也很快，出现不少新的高压喷射设备，如井口 传动由液压代替机械，改进了气、水、浆液的输送装置，提高了喷射压力，增加 了对地层的冲切搅拌能力。水平旋喷机械的成功，使高压喷射注浆法进一步扩大 了应用范围。还发展了将深层搅拌和喷射注浆混合溶于一机，形成桩内圈为机械 搅拌、外圈为喷射注浆形成的水泥土桩。注浆机械也在发展。应用于排水固结法 的塑料排水带插带机的出现大大提高了工作效率。塑料排水带插带深度已超过 3 0 m 。排水带施工长度自动记录仪的配置使插带质量得到控制。振冲器的生产也 已走向系列化，标准化。振冲器最大功率已达1 3 5 k w 振密砂层达2 6 m 。干法振 3 动成孔器研制成功，克服了振冲过程中排放泥浆污染现场，使干法振动碎石桩技 术得到应用。地基处理机械的发展使地基处理能力得到较大的提高n 1 。 本文研究黄土的湿软性既反映其湿度大、压缩性高、强度低，也包含了土体 受水的浸湿而软化的特性。因此，为了探索湿软性黄土的性质及其处理技术，许 多学者曾从不同角度开展了试验研究工作。例如，刘祖典所著的“黄土力学与工 程 ( 1 9 9 7 ) 和关文章所著的“湿陷性黄土工程性能新篇 ( 1 9 9 0 ) 曾涉及有关内容， 西安市市政设计研究院的陈薇等人( 1 9 9 5 ) 曾结合高新路和南二环路的建设，对 “城市道路湿软土基稳定性及压实度控制”课题开展了试验研究，陕西省交通厅 的盛安连和西安公路研究所的伍石生等人( 1 9 9 7 ) 通过大量的室内模拟试验，对压 实黄土路基的渗水性及其强度变化规律开展了研究，戴经梁、王晓谋等人( 1 9 9 6 ) 曾结合西宝公路、临渭公路的路基沉降观测结果，研究了天然地基上黄土路堤的 沉降变形规律，并对压实黄土的变形特性开展了探索阳1 。这些研究虽侧重点不同， 但均对深入认识湿软性黄土路基性状具有重要的参考价值。此外，我国水利、建 筑及铁路部门的许多人也曾开展过相关的研究。综上所述，目前国内虽已有了不 少研究，但系统性、完整性尚不够，许多问题还需作深入探索。例如，目前对浅 薄有局部性湿软性黄土路基的处理技术研究的多，针对公路建设中遇到的深厚且 分布范围较大的湿软性黄土路基性状及其处理技术研究的少。对湿软性黄土性状 的室内模拟试验资料不少，对公路路基现场原位测试及原状土体性质的试验资料 甚少。对湿软性黄土路基的理论分析方法以及不同处理效果的检测评价方法，还 很不完善。公路工程中有时参考建筑、铁道等部门在黄土地区的设计标准及经验， 其合理性也有待探讨。由于存在上述诸多方面的缺点，使得工程人员对湿软性黄 土路基问题的认识不深入，设计、施工时难以合理地把握尺度，做到心中有数。 随着高等级公路建设的进一步发展，遇到的湿软性黄土路基问题也将增多，按照 常用的换填土、石灰土处理以及换填砂砾等方法处理是否经济合理，其设计、施 工方法、处理效果以及新技术新工艺的开发利用等都需要作深入探索。 1 3 研究方法与主要内容 本文在国内外资料调研分析基础上，以实体工程试验为主要依托，根据黄土 的变形过程主要包括剪切变形、压缩变形和湿陷变形三部分，在已有沉降计算理 论评价分析的基础上，提出了湿软性黄土路基沉降的理论分析方法，模型采用分 4 层总和法，并根据理论的计算值和施工现场对有关资料和数据进行对比、分析、 归纳和比较分析，本文结合西闰高速公路的试验段，对试验的结果进行分析、总 结，提出了湿软性黄土路基稳定性规律及其防治技术。主要的研究内容有： 1 湿软性黄土的工程地质结构及特性； 2 湿软性黄土的物理力学性质； 3 湿软性黄土路基的沉降理论分析方法； 4 西闰高速公路湿软性黄土路基沉降观测分析。 5 第二章湿软性黄土的工程地质特性及物理力学性质 2 1 湿软性黄土的定义、成因及分布范围 2 1 1 湿软性黄土的定义及与湿陷性黄土的区别 湿软性黄土按沉积地质年代划分，属于新黄土。根据公路路基设计手册分类， 可划分为全新世q 4 ( 近代) 黄土，根据国家“湿陷性黄土地区建筑规范 ( g b j 2 5 9 0 ) 分类，可划分为新近堆积黄土q 4 2 。这种新黄土既可能具有湿陷性，也可能具有 过湿软化性，或者两种性质均具有，其主要影响因素是土体的含水量和饱和度( 见 表2 - 1 ) 。许多试验资料表明，当新黄土的含水量小于2 2 ，一般具有明显的浸 水湿陷性：而当含水量大于2 2 ，湿陷性轻微或基本消失，但压缩性高，强度低， 具有明显的过湿特性。因此，湿软性黄土既具有一般黄土的性质，又有其自身的 特性n 引。 表2 - 1 湿陷性黄土与湿软性黄土主要性质上的差别 湿陷性黄土湿软性黄土 主要颗粒成份粗粉粒粉质粘土 含水量 7 。2 3 多为2 0 一3 3 2 饱和度小于6 0 大于6 0 天然容重( k n m 3 )1 3 0 。1 7 71 4 3 。1 9 3 液限区间 2 1 7 。3 2 5 2 5 2 3 。3 7 2 黄土湿软性的概念不是一个传统沿用的名词，而是近年人们根据公路建设中 遇到的高含水量黄土路基性状给予的称谓。其与完全饱和黄土的性质接近，但又 不完全相同。公路部门有时称之为过湿黄土，建筑部门则常称之为高湿度黄土。 湿软性黄土地基是目前公路建设中需要认真研究的问题。其中不仅要解决湿软性 黄土地基的处理技术，也需研究黄土路基填料过湿性质、填料的选用、施工压实 工艺以及路基防水排水技术等。基于上述原因，本文采用湿软性黄土概念1 。 2 1 2 湿软性黄土的成因及分布范围 湿软性黄土地层形成在水流冲积、浸漫、入渗的地貌环境下，以及地下水位 6 高和地下水、地表水变化较大的地带，主要分布在冲沟两侧及其出口处、宽深的 大型冲沟底部、洪积扇、坡积裙、河曲内侧、河漫滩低阶地、山间洼地、平原河 流古河道，以及主要的农业灌溉区和水渠、坝体淤积等地带。该种黄土一般覆盖 于地表层，层厚多在2 0 。5 o m 左右，一些地带也有厚度达十几米。其形成年代 较晚，一般为数千年，有些仅数十年。它的发育受地形、地貌条件所约束，一般 分布不连续，层位不稳定。 因此，当高等级公路穿越黄土地区时，常常会遇到湿软性黄土路基问题，以 及选用该种土体填筑路堤的施工技术问题。此外，当采用新近沉积黄土填筑路堤 时，由于该种土体的水稳定性差，也会由于施工期间或工后受到外界水的渗入， 产生过湿问题。 2 2 湿软性黄土的地质结构及其特性 由于湿软性黄土的地质结构变化较大，层位不稳定，受其形成原因及环境条 件的影响，分布范围呈间断性或局部性，土体的物理力学性质差异大。在关中断 陷盆地的河流阶地及农灌区，分布范围较大，层厚也大；在铜川及陕北地区，分 布范围小，呈局部性，土性变化不显著。按沉积年代划分，形成年代较早的湿软 性黄土，层厚大，在地基中所处深度也大，其上有时也覆盖较坚硬土层；形成年 代晚的湿软性黄土，一般位于地基表层，层厚小，约1 o 3 o m ，属于浅层过湿黄 土地基。按成因划分，河漫滩、平原古河道、河流阶地及地下水位较高地带，过 湿黄土地层较厚，往往呈软硬互层特征，其地表耕植土以下1 0 。3 0 m 土层通常 强度较大，压缩性较低。在该地带，若处于农灌区，并且大气降水及地表水补给 充足，地形低凹，则易形成深厚的湿软性黄土地基。在地下水位较低地带，过湿 黄土主要存在于地势低洼、易积水、受大气降水、农田灌溉以及人工水渠渗漏影 响的局部区域。山间洼地和冲沟底部、两侧及其出口处，过湿黄土的分布一般是 局部性的。湿软性黄土地基的压缩性高，强度低，在地层中分布的连续性差，层 位及层厚均不稳定。因此，湿软性黄土地基是一种显著的不良地基，其对公路路 基变形和稳定性的影响有时更甚于沿海软粘土地基。 以上是湿软性黄土作为地基的大概特征。若从路堤填料选用方面评价，则新 近沉积黄土均可视为湿软性黄土，其水稳定性差，强度变异性大。 虽然湿软性黄土地基的分布连续性差，一般不成片，但综合分布面积很大， 7 是不容忽视的不良地基。在关中黄土平原地区，公路建设中遇到的湿软性黄土地 基更多，分布面积更大。 以下结合西安至闰良高速公路地质勘探试验资料，对湿软性黄土地基的地质 结构及其特性作简要评价： ( 1 ) k 1 9 + 8 0 0 路段的地质柱状图及其取样试验结果表明，该地基表面以下约 3 5 m 厚黄土层软弱，压缩性高，其压缩模量为2 3 3 0 m p a ，天然含水量为 2 1 2 。2 5 2 ，饱和度为6 3 。7 4 。同时，该黄土地层还具有一定的湿陷性，在起 始压力3 0 。8 0 k p a 下的湿陷系数为0 0 2 5 。0 0 3 8 。 ( 2 ) k 2 0 + 7 2 0 路段的地质柱状图及其取样试验结果表明，该地基表面下约 4 2 m 厚黄土层处于流塑一软塑状态，压缩模量e 。i i 为2 1 。3 2 m p a ，天然含水量 为2 4 2 。3 1 7 ，饱和度为7 0 。9 1 ，表层1 0 m 范围土层尚具有轻微湿陷性， 湿陷系数为0 0 2 3 。 ( 3 ) k 2 1 + 7 5 0 路段的地质柱状图及其取样试验结果表明，该地基表面下约 4 0 m 厚黄土层，压缩性很高，其压缩模量为1 6 。5 1m p a ，天然含水量为2 3 4 一2 6 9 ，饱和度为5 9 。7 8 。以上为坑探试验结果，后经钻机勘探试验表明， 该路段地基表层下至少9 0 m 范围土层具有显著的压缩性，且同一范围不同位置 处钻孔取样试验结果差异较大，表明该黄土地层分布不均匀。 ( 4 ) k 2 8 + 0 6 0 路段的地质柱状图及其取样试验结果表明，该地基表面下约 8 0 m 厚土体呈软硬间夹层性状，若按每延米取一组试样进行试验，则1 7 m ，3 7 m 及5 7 m 处土体压缩模量e s i 一2 分别为2 o ，3 i 及2 5 m p a ，为极软弱土层；2 6 m ，4 7 m ， 6 7 m 及7 7 m 处土体压缩模量分别为1 3 1 ，1 2 8 ，9 3 及7 7 m p a ，属中等压缩性土 体。该地基的天然含水量为1 7 3 。2 7 8 ，饱和度为5 6 。8 4 。其软夹层的天 然含水量明显高于硬夹层，而饱和度则相反：表层2 0 m 范围土体具有一定湿陷 性，湿陷系数为0 0 2 6 。 ( 5 ) k 2 9 + 1 2 0 路段的地质柱状图及其取样试验结果表明，该地基表面下6 0 m 范围土体具有很高的压缩性，压缩模量e s i 2 为2 0 6 0 m p a ，其中4 0 m 范围土 层的压缩模量e si 2 均小于3 4 m p a 。该地基的天然含水量也很高，约为 2 2 6 。2 7 8 饱和度为6 9 。7 9 ；表层5 0 m 范围土体尚具有湿陷性，湿陷系数 o 0 1 1 。0 0 4 8 ，其中表层1 5 m 范围土体湿陷明显，湿陷系数达0 0 4 8 。 由该地质勘探结果可见，当黄土含水量高，饱和度大，且压缩性显著情况下， 3 仍可能具有一定的湿陷性。这是湿软性黄土的一个特点。 2 3 湿软性黄土的物理力学性质 针对西闰公路湿软性黄土地基，设计院曾进行了多次勘探取样试验，本课题 组也曾进行了补充勘探试验，取得了大量的试验数据。为此，以下根据这些试验 数据，对其有关的物理力学性质指标进行统计分析。 2 3 1 湿软性黄土物理力学性质指标的变化范围 从表2 2 中可以看出，西闰高速公路湿软性黄土受成积年代、埋藏分布、物 质构成及外在影响因素等控制，其物理力学性质有其自身的特点，以下分别讨论 湿软性黄土各项物理、力学性质n 2 儿川。 ( 1 ) 湿软性黄土天然含水量多数超过2 0 ，有些土样的含水量甚至达到 3 3 2 ，这与中国黄土的湿陷性一书中湿陷性黄土的天然含水量一般为 7 。2 3 统计结果有明显差异。 ( 2 ) 干容重和天然容重。西闰高速公路湿软性黄土干容重变化范围在 1 2 3 k n m 3 。1 5 4 k n m 3 之间。由于天然含水量偏大，天然容重( 1 4 3 。1 9 3 k n m 3 ) 相对于一般湿陷性黄土( 1 3 0 。1 7 7 k n m 3 ) 略有偏高。 ( 3 ) 孔隙比和饱和度。西闰高速公路湿软性黄土孔隙比一般为1 1 7 4 。o 7 2 9 ， 与一般黄土比较接近。饱和度变化范围为3 8 3 。9 9 6 ，有些土样甚至接近饱和 状态，与一般湿陷性黄土有较大差异。 ( 4 ) 液限、塑限及液性指数。表中湿软性黄土的液限区间为2 5 2 。3 7 2 ， 略高于一般黄土( 2 1 7 。3 2 5 ) ，塑限区间为1 5 8 。2 6 6 ，液性指数在0 。1 4 2 范围内变化。 ( 5 ) 压缩模量和湿陷系数。西闰高速公路湿软性黄土压缩模量普遍较低，且 各个试验土样的差异性较大，变化范围一般为1 7 。1 9 4 m p a 。这主要因为新近黄 土在水的作用下，发生物理化学反应，土体性质发生相应变化。按照常规黄土的 天然含水量大于2 4 一2 5 ，湿陷性基本消失。然而西闰高速公路湿软性黄土天 然含水量多数超过2 0 ，仍然具有一定的湿陷性，湿陷系数变化范围为 0 o o l 。o 1 2 3 。 ( 6 ) 粘聚力和内摩擦角。通过固结快剪和三轴不固结不排水剪两种方法分别 9 得到过湿黄土强度指标。固结快剪试验粘聚力值1 3 9 7 k p a ，摩擦角值2 7 。2 2 8 ； 三轴不固结不排水剪试验粘聚力值1 6 。9 4m p a ，摩擦角值2 r1 8 8 。由以上数据 可知，西闰高速公路黄土由于其过湿特性造成了土体粘聚力略有偏大，摩擦角较 小，整体抗剪强度降低。 ( 7 ) 固结系数及土性分类。湿软性黄土由于其大孔隙、高含水量等特点，固 结系数一般为1 5 0 1 0 & 7 5 0x1 0 3 c m 2 s ，与液限为3 0 的原状软粘土或塑软粘 土基本接近，所以，湿软性黄土具有软粘土的一些特性。通过对湿软性黄土颗粒 成份进行分析，湿软性黄土属于粉质粘土。 以上分析了湿软性黄土的土性指标，湿软性黄土既具有一般黄土的性质，又 有其自身的特性。 1 0 l l 刊叫州刊刊州刊刊卅制州 称摆据撂据耀据撂据据据攥 求唱龌越惶呕餐遐憾螟 恒 遐 稻窭弈弈宴察 舆 察杂禽鑫 赧 弋 n_ 薹善薹垂 嶙 过 n 耋 葶 6勺 c ； 勺 螺 嚣 暄 i n小 * _ nn _ _ 撼 小 幡 n 姆 一 n 匣 茸 赣 苣 浑 寸 - _ 罱 n 暴j 瓮高 川氰 n 卜 西 昌 白 r 一 二 _ _ n 氰 o h 备 毯 n h h n n 船 匠 h直n 葛 u a 叩 未 口 & n - _ 船 一 西l n _ 爱 n 昌 喜 誊 = c ! 穹 o 萋 n 守 。oo 菪 q 美蜷 f ! | 罨8逞 =8 鏊 66 q 辱 。 星 o暑 qo o。 萋 葛 q 蜊 心 n 。o 8 。 辎 ! 重 吨 qn h q 吨 卜 n 西h寸 击 婶 一 n q 蛔 n卜 hn “ 一 n h 寸 _ h 卜n 婚删 心 n嗨 n 幽 pn nn 蜷昏 蕞 8 n 岛 一 a口 一 吨 n nn 矗 毒矗 _ o q q n _ 葛 h 6 杂 叼岛n 弩 。 q oo ooo 掣 、产 导 暑 勺 o 饔 vv 寸aa 一 寸 峥 办 t吨 o hhn n n nn n hh hh 置- _- _ q q n 、o 醛 寸 瀑 一 _ 捌 卜nh - 一_- _ 嚏卜姆q嗨qqo !q哩q 盛 守 瀑 星 食 小 瓮 n篙 套 瓮 肆 h n呻 沾 吨qq h 矗 叩 沾 目器胬式胬 龟邻 攥 篙 高 器罱 胬 罱 h 魁 卜卜呻龟卜峋，q峥 “ onn寸 n卜 _ 霹 t 爆 葛 o岬 sq暑 嗨 醴n 呻1u 喜 摹鹾 卜 的 擘 h nn 罐 n 高高夏 _ 銎 n 萋 墨 兽 = 口! 早 a _ 卜 丑 罱 卜吨卜遣琴 oo 遴 昌 辱 导量 穹 q 守 8 n 鬲 昌 三 ： 一：呈：呈 - 一 一 _ nnn心 哩qq 叶 h h魄 寸 寸v 、 寸 寸寸n- “寸甘 _ 臻趟 文tn沾n6内 t n h - 栅 飞 nn“ 一一 n 2 n“ _ 一_h _hh_h_ 恻 盲 吨 i ni n夺n 一 卜卜囊ah _ 一 h p 。i 时： 瓯= 喜矗蜮警飕+ 喜击蛾芋，只4 ， 式中：0 一第i 层土z 深度处的自重应力( k p a ) ： 0 。一第i 层土z 深度处的附加应力( k p a ) ： p 。一第i 层土的先期固结应力( k p a ) ： e 。：一第i 层土的初始孔隙比： 1 6 c 。第i 层土的初始压缩指数： c 。一第i 层土的再压缩指数： h 。一第i 层土的厚度。 对于饱和黄土地基，其最终沉降量由机理不同的三部分组成，即：s = 瞬时 沉降s i + 压缩沉降s 。十次固结沉降s 。 s = 车等h i + 壹l 堡e a 即车击刚g 詈 5 ) 式中：si 一各分层土的平均附加应力； h i 一各分层土的厚度： e u i 一各分层土的不固结不排水变形模量； e s i 一各分层土的压缩变形模量； c 广各分层土的次固结系数，其值与土性、湿度和次固结强度相关； t l 和t 2 一经过的时间，t l 值从主固结与次固结相交点算起。 上式中，瞬时沉降是指加载后地基瞬时发生的沉降，即在加载瞬间土中水来 不及排出，在不排水和土体积不变情况下，由剪切变形引起侧向变形而产生的瞬 时弹性变形沉降；压缩沉降是指饱和土中由荷载引起超静孔隙水压力消散、土骨 架固结变形产生的沉降，沉降的快慢取决于土的排水速率；次固结沉降是指土体 主固结完成后，在有效应力不变情况下，土骨架仍然随时间继续发生的变形，其 变形速度取决于土骨架本身的蠕变性质，与孔压消散无关乜5 1 乜6 1 。上述三种沉降， 并不是截然分开发生，而是相伴发生，互有消长。 压缩层的厚度z 可以根据附加应力与自重应力的比值，或按应变比法确定。 因为附加应力随深度递减，自重应力随深度递增，达某一深度，二者的比值就很 小，由附加应力引起的变形可以忽略不计，这一深度常定为压缩层深度。一般认 为附加应力与自重应力比值为0 2 ( 一般土) 或0 1 ( 软土层) 时为受压层深度。 计算地基沉降时，选择e u 和e 。值时比较困难、因为e n 和e 。值受许多因素 的影响，如土性、土层的均匀程度、土层深度和应力状态等。一般情况下e u 和 e s 值随固结应力增大而增大，即 e = 配( 詈) 4 ( 3 6 ) e s 值相当于上列各式中的“( 1 + e o ) l ，e u 为饱和黄土在不排水固结压力下的 1 7 压缩模量，e u 随天然土层的固结程度而变化。同时还应注意上述黄土地基沉降 计算公式( 3 1 ) 至( 3 6 ) 均是根据侧限单向压缩分层总和法推导的计算公式，没有 考虑地基土的侧向变形影响，常会出现计算结果与实测值有一定的差异。 以上讨论了结构性较强、含水量较低( w w p ) 的黄土及饱和黄土地基的沉降 变形，而没有考虑含水量大、强度低、压缩性高，具有一定湿陷性的湿软性黄土 的变形情况，并且上述理论都没有考虑土体变形与加载历程及时间的关系。 3 2 湿软性黄土路基沉降的理论分析方法 路基沉降由路堤本身压缩变形和地基沉降两部分组成，路基顶面中心处沉降 s ( t ) 可用下式表示： s ( t ) = s o ( t ) + s t ( t )( 3 - 7 ) 式中：s o ( t ) 一路堤本身压缩变形； 其中路基本身的变形s o ( t ) 指路面铺筑完成后，由于填土自重，路面结构 层重量及车辆荷载等引起的路堤竖向变形量。这部分变形与地基沉降量比较一般 很小，但对于路堤填土较高，路基施工中压实质量较差的情况以及填料水稳定性 差的情况，则不能忽略不计。当采用水稳定性差的湿软性黄土填筑路堤时必须考 虑路堤本身的压缩变形。s ( t ) 指在上部荷载作用下地基的沉降总量。地基的类型 不同，求其沉降的计算方法也不相同。在本章第一节己经叙述了湿软性黄土变形 特性。湿软性黄土即非饱和黄土，又非含水量较小、结构性很强的黄土，而是一 种高含水量、低强度、高压缩性，甚至有时具有一定湿陷性的黄土。因此，湿陷 沉降、瞬时沉降、压缩沉降以及次固结沉降四部分，或根据实际情况其中几部分 构成了湿软性黄土地基的沉降变形。这几种变形同样不是截然分开的，而是相伴 发生，互有消长。对于具有湿陷情形的湿软性黄土，其湿陷变形不仅与上部荷载 有关，而且与土体浸水程度有关，湿陷变形量的大小伴随着地基沉降随机变化。 3 2 1 地基土应力计算 地基土中应力通常分为自重应力和附加应力。其中，土体自重应力被定义为 土体在自重作用下变形稳定后，土中某点的总应力与孔隙水压力之差。对于正常 固结地基土，土体自重应力不直接引起地基土变形，但对土体的变形特性具有显 著影响。土体附加应力可被定义为土体总应力与自重应力之差。土体附加应力主 要是由于路堤填土在土中产生的应力增量，同是也是引起非自重湿陷性黄土路基 沉降变形的直接因素。 ( 1 ) 土体自重应力计算 土体自重应力的计算公式为： 2 儿z = 吾( 1 + 2 k 。) ( 3 8 ) 式中：s 。：、s 。n i 一土中一点的竖向自重应力及平均自重应力； sc n i2 ( s c x + sc y + sc z ) 3 k o - 土体的侧压力系数； z 一地表下计算点深度； y 。一土体的等效容重。 土体的等效容重丫。，需根据具体情况取值。对于过湿黄土，可参考软土地基 土体的等效容重丫。取值，对于地下水位以上土体，丫。等于土体天然容重。对于 地下水位以下土体，当液性指数1 1 1 时，丫。取土体的浮容重；当液性指数o i i p 。i 时，根据假定条件，湿软性黄土发生湿陷变形，由于土体初 始含水量较高，湿陷性相对较弱。对于非自重湿陷性黄土地基，湿陷量s 可按 下式计算： a s = 触。魄 ( 3 - 1 7 ) 式中：d s i 一第i 层土的湿陷系数； h i 一第i 层土的厚度( c m ) ； 1 3 一考虑地基上的侧向挤出和饱和度等因素的修正系数。基底下5 m ( 或 压缩层) 深度内可取1 5 ，5 m 以下在非自重湿陷性黄土场地，可不计算。 3 2 3 湿软性黄土地基固结沉降计算 对于地基一维变形情况，导致土体产生排水固结的实际附加应力为 s 。f - - ( sc z - p 。) + s ：t ，相应的在土中引起的超静水压力为u l ( z ，t ) = u 。( z ，t ) 十u p ( z ，t ) 其中，u