（地质工程专业论文）压实黄土流变特性及其工程应用研究.pdf

摘要 本文以现场试验和室内试验为基础，采用数学和力学的方法，研究了压实黄土的沉 降变形随应力和时间的变化规律，建立了一个能反映压实黄土流变特性的数学模型，并 探讨了含水量、压实度两个因素对压实黄土结构屈服强度的影响，最后将模型计算结果 与工程实际观测结果进行比对，验证模型的正确性。 通过对比原状黄土和压实黄土的物理力学参数和微结构电镜扫描照片，从微观的角 度讨论了黄土微结构变化对黄土流变特性产生的影响，以及夯击能的大小对黄土的基本 物理力学指标的改变规律。通过分析现场试验和室内试验结果，能直观的看出压实黄土 在不同应力水平下，变形随时间的变化规律以及含水量对黄土结构屈服强度变化的影 响。试验结果表明压实黄土的结构屈服强度与土体的压实度和含水量成指数函数关系， 变形量和时间的对数成线性关系。 因压实黄土的流变具有明显的粘、弹、塑性特征，在综合考虑影响压实黄土流变特 性主要因素的前提下，在大量现场试验和室内试验的基础上，得出了不同夯击能处理后 压实黄土沉降变形预测的数学模型，并结合工后沉降结果对模型的正确性进行验证，二 者结果基本吻合。 关键词：压实黄土、流变、本构模型、蠕变变形、结构屈服强度。 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h ea u t h o rh a ss t u d i e dt h es u b s i d e n c ed i s t o r t sr e g u l a t i o no ff o u n d a t i o n s o i l i nl o e s sa r e aw i t hs t r e s sa n dt i m ec h a n g e d ，f o u n dam a t h e m a t i c sm o d e lw h i c hc a nr e f l e c tt h e r h e o l o g i c a lc h a r a c t e ro fc o m p a c t e dl o e s s ，t h em o d e lb a s e so nl o t so fs c e n et e s t sa n dl a b o r a t o r y e x p e r i m e n t s ，u s i n gm a t h e m a t i c a la n dm e c h a n i c a la n a l y s i sm e t h o d i nt h ep a p e r , a u t h o r d i s c u s s e dt h a tw a t e rc o n t e n ta n dc o m p a c t n e s st o wf a c t o r sr e f l e c ts t r u c t u r ey i e l ds t r e n g t ho f c o m p a c t e dl o e s s ，t h a td e c i d e dt h er h e o l o g i c a lc h a r a c t e ro fc o m p a c t e dl o e s s f i n a l l y , c o m p u t e d r e s u l tu s i n gt h em o d e lc o n t r a s t st ot h ep r o j c o ta c t u a lo b s e r v a t i o nr e s u l ti no r d e rt oc o n f i r m a c c u r a t eo ft h em o d e l t h r o u g hc o n t r a s tt op h y s i c a lm e c h a n i c sp a r a m e t e ra n dt h ee l e c t r o n m i c r o s c o p es c a n n i n g p h o t o sb e t w e e nn a t u r a ll o e s sa n dc o m p a c t e dl o e s s ，f r o mt h em i c r o s c o p i cv i e w , t h et h e s i s d i s c u s s e st h ec h a n g eo fl o e s sm i c r o s t r u c t u r ei n f l u e n c ew h i c hp r o d u c e st ot h el o e s sr h e o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i ca n dh a n gs t r i k e se n e r g ys i z ei n f l u e n t st ot h er e g u l a t i o n so ft h el o e s sb a s i c p h y r s i c a lm e c h a n i c sp a r a m e t e rc h a n g i n ga n de f f e c t i v ei n f l u e n t i a ld e p t h t h r o u g ha n a l y z e si n t h es c e n et e s t sa n dt h el a b o r a t o r ye x p e r i m e n t sr e s u l t ，w ec a nd i r e c t l yf i n do u tt h er e g u l a t i o n s o fc o m p a c t e dl o e s sd i s t o r t sc h a n g i n gw i t ht i m ec h a n g i n gu n d e rt h ed i f f e r e n ts t r e s sl e v e l s ，a n d t h ec h a n g i n go fw a t e rc o n t e n ti nt h es o i li n f l u e n tt ot h es t r u c t u r ey i e l ds t r e n g t ho fc o m p a c t e d l o e s s t h et e s tr e s u l t si n d i c a t e st h a tt h es t m c t u r ey i e l ds t r e n g t ho fc o m p a c t e dl o e s sa n dt h e w a t e rc o n t e n ta n dc o m p a c t n e s sh a v ea ne x p o n e n t i a lf u n c t i o nr e l a t i o n ，t h ea m o u n t so fd i s t o r t a n dt h el o g a r i t h mo ft i m eh a v eal i n e a r i t yr e l a t i o n b e c a u s eo fc o m p a c t e dl o e s st h e o l o g yh a st h eo b v i o u sc o h e r e n c y , e l a s t i c i t ya n dp l a s t i c c h a r a c t e r i s t i c ，b e f o r es y n t h e t i c a l l yc o n s i d e r st o a l lf a c t o r si n f l u e n c ec o m p a c t i o nl o e s s r h e o l o g i c a lc h a r a c t e r s ，a n db a s e so nl o t so fs c e n et e s t sa n dl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t s ，o b t a i n e d m a t h e m a t i c a lm o d e lw h i c hc a nf o r e c a s tt h ea m o u n t so fd i s t o r to fs o i lm a s sp r o c e s s e dw i t h d i f f e r e n th a n gs t r i k ee n e r g y t h e n ，w ec o n t r a s tt op r o j e c ta c t u a lo b s e r v a t i o nr e s u l ta n d c o m p u t a t i o nr e s u l tb yu s i n gm o d e li no r d e rt oc e r t i f yt h ea c c u r a c yo ft h em o d e l k e yw o r d s ：c o m p a c t e dl o e s s ；r h e o l o g y ；c o n s t r u c t i o nm o d e l ；c r e e pd i s t o r t ；c o m p r e s s i o ns t r e n g t h ， s t r u c t u r ey i e l ds t r e n g t h 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： 导师签名： 瘤重孝。硼年占只6e i 1 年6 月6 日 长安大学硕士学位论文 1 1问题的提出及研究意义 第一章绪论 黄土是一种第四纪沉积物，典型黄土具有以下特征：颜色呈淡黄或灰黄色； 疏松多孔，具肉眼观察到的大孔隙，成岩程度低；无层理：粉粒( o 0 5 0 0 0 5 毫米) 含量大于5 0 ；结构均一；垂直节理发育；富含碳酸盐，含量大于1 0 ；具湿陷 性。凡缺少上述条件之一或更多时属黄土状土【l 】。黄土在我国西北地区分布面积广 泛，总面积可达6 4 万k m 2 , 地层发育完整连续，且厚度大，多年来，黄土的物理力 学特征一直是岩土工程界研究的课题。上个世纪8 0 年代以前，我国黄土的重点主 要集中在黄土的时代成因、基本性质、强度和变形特征在空间上的变化规律，在 黄土的湿陷变形特性、湿陷评价标准、黄土地基承载力及黄土地基处理方法等方 面取得了大量成果【2 , 3 , 4 , 5 】1 ；8 0 - 9 0 年代期间对黄土的特性研究又转向了微观结构方 面，我国的黄土研究者们在深入研究了黄土的结构强度和湿陷性的本质后，指出 了黄土的骨架颗粒成分、形态、排列方式、空隙特征、胶结的类型和程度是影响 黄土工程性质和的重要因素【6 , 7 , 8 】；9 0 年代以后研究的重点又转向了非饱和黄土力“ 学特性的理论和吸力测试技术以及含水量的变化对黄土湿陷性和结构强度的影响 方面【9 1 。 随着国家西部大开发经济战略实施，作为带动经济发展的基础设施，黄土地区 的公路建设大面积展开，对黄土地区的开放与发展起到了重要的桥梁作用。随着公 路营运时间的延续和交通量的增长，黄土路基出现沉陷变形的问题尤为突出。例如： 陕西省境内的咸阳机场公路总长不足1 9 k i n ，却发生不均匀沉陷近十处，造成路基 下沉数十厘米；西临高速公路k 3 4 + 3 0 0 - - - k 3 4 + 7 5 0 路段最大沉降量超过5 e r a ，该路 段虽已通过水泥灌浆进行局部加固，路基沉降仍在发展，已影响行车速度和安全； 西铜一级公路k 3 4 + 2 0 0 - - k 3 4 + 3 0 0 段，路基最大沉降量达1 8 c m ，已经多次采用加 铺沥青混凝土面层进行找平，但目前沉降也还在发展。 造成黄土地区路基病害的原因可能是多方面的，如施工控制不当、填土压实不 足、排水不畅、地基处理不合理等，但黄土及压实黄土本身的性质显然是问题的根 本。只有深入认识黄土及压实黄土的工程性质，才能采取合理的措施以改善黄土地 区的公路修筑水平，预防和减少公路路基沉陷病害的发生。 第一章绪论 事实上，从黄土地区基础设施建设的大规模展开后，越来越多的与时间有关的 黄土强度和稳定性问题开始出现，较为突出的是高等级公路黄土地基的工后沉降问 题和黄土边坡长期稳定问题，这些问题都是黄土的长期强度及变形与时间效应有关 的工程问题，急需解决和研究。 目前大量工程实践和研究成果主要针对原状黄土的强度、变形和稳定性进行研 究，在黄土地区修筑高等级公路时，必须对原状黄土路基进行处治以提高路基土稳 定性，大量工程实际表明，经处理后的路基黄土强度虽满足设计要求，仍存在较大 的剩余变形量，因此经处理后达到强度要求的黄土路基仍然有可能发生沉陷。本文 从实际出发，通过大量的室内和现场试验，对经压实处理后的路基黄土在上部高路 堤自重荷载长期作用下，蠕变变形随时间增长的变化规律进行研究，不仅为黄土地 区高等级公路建设提供了科学依据，而且也是当前实际工程中迫切需要的。 1 2 黄土流变理论的研究现状 黄土的流变研究可分为宏观力学研究和微观结构研究两方面1 0 】。微观结构研 究主要开始于上世纪7 0 年代末，高国瑞【l i 】等人运用电镜扫描等方法对黄土的微观 结构和工程地质性质进行了深入的研究，微观结构的研究成果认为黄土的流变性 质决定于黄土自身的结构特征。黄土的微观结构是以粉粒为骨架，各种粘土矿物 和无机盐类填充于骨架颗粒之间，微观结构疏松但具有一定的强度。由于黄土微 观结构的复杂性，缺少明确适当的结构性参数来描述微观结构的变化和宏观物理 力学参数变化的联系，因此目前黄土微观结构的研究成果只能对宏观现象做定性 的描述。 黄土宏观变形表现出的时间效应主要包括蠕变和松弛两种现象。黄土的流变 现象曾作为研究黄土力学性质时除水作用外的一个重要因素，1 9 6 1 年中科院哈尔 滨土建所就展开了对黄土流变性质进行研究，但由于试验过于复杂以及试验设备 的局限，其后并未对黄土流变进行深入研究【1 2 】。 刘颖【”】将黄土看成粘、弹、塑性介质来考虑时间因素对黄土变形的影响以及 黄土的长期强度极限随含水量的变化与标准强度之间的关系；门福录【1 4 】贝4 采用体 积流变模型来描述黄土的体积流变性质，并推导了黄土地基中的应力分布和沉陷 量的计算公式。上述两个流变模型都是采用基本的流变元件组合来描述黄土的线 性变形特征，较真实的反映了衰减蠕变和等速蠕变阶段黄土的变形特点，但不能 2 长安大学硕士学位论文 描述非线性蠕变变形。 罗汀，姚仰平【l5 】等利用单轴压缩仪对原状黄土在不同压力下的压缩变形特征 进行研究，发现考虑蠕变条件下的沉降量是不考虑蠕变沉降量的1 4 2 倍，但该成 果没有考虑其他条件对蠕变变形的影响。 郭增玉【17 1 ，张朝鹏【1 8 】等以高湿度的q 2 黄土为研究对象，进行了一系列的室内 试验，采用经验型幂函数来描述黄土的非线性蠕变规律，建立了黄土流变模型并 给出了模型的参数，并且依据试验结果认为高湿度q 2 黄土的应力状态对蠕变规律 的影响较小，所建立的黄土流变模型虽然可以描述黄土的非线性流变特性，但含 水量的变化对黄土的流变特性没有得到反映。 国外对土的流变性质起始于上世纪4 0 年代前苏联学者采用马克思威尔一什维 托夫的松弛理论对冻土的长期强度的研究，研究结果表明冻土具有典型的蠕变现 象，既有衰减蠕变变形，又有非衰减蠕变的变形，也包括全部的典型蠕变变形阶 段：不稳定蠕变，塑粘性流动和急剧蠕变。 c l l i e p e p 于1 9 4 6 年分析了粘性土在环剪、单轴和三轴压缩下的蠕变试验资料， 同时应用了粘滞流动的牛顿定律，并指出在一般情况下的土的流动速率和应力之 间的关系是非线性的。但是在随后的土的流变特性中发现土不是在任意的荷载下 发生流动的，而是当应力超过某一极限后才发生流动。因此，h h m a c , a o b 在分析 大量粘性土的剪切蠕变试验的基础上，建议用宾格姆的粘塑性流动定律的隐塑性 土代替牛顿粘滞流动定律的塑性土。 随着对土的流变研究的逐渐深入，许多学者如岗兹( g e u z e ) 和陈宗基、西佛 曼、村山朔郎和柴田彻、西原正夫等均分别提出不同的复合流变模型。这些模型 是采用基本的流变元件串联或并联，构成各种结构的复合流变模型，并采用数学 表达式反映土的应力、应变和时间特性。 目前国内外的黄土流变研究，基本集中在原状黄土的蠕变变形特征上，但是 黄土的工程地质性质和其微观结构息息相关。经压实处理后的黄土与原状黄土相 比，微观结构发生了较大的改变，势必对黄土的蠕变变形规律和长期强度带来不 可忽视的影响，因此对于微观结构发生较大改变的压实黄土的流变特性还需更迸 一步的深入研究。 3 第一章绪论 1 3 论文的研究工作和技术路线 在黄土地区大量试验结果和公路工程实际表明，原状黄土无论是强度上还是容 许变形量均不能满足高路堤的设计要求。黄土的结构强度和在荷载长期作用下的 长期强度均和其微观结构密切相关，黄土的变形特性受荷载、含水量、时间及其 组合的影响。当荷载小于黄土的结构强度时，黄土的变形比较小，并具有一定程 度的可恢复性；当荷载大于结构强度时则造成结构单元间的接触点发生剪切破坏 使结构单元更加趋于紧密，同时结触点的数目和接触面积均增大，土体的强度提 高。含水量是影响土体强度另一重要因素。充填土体孔隙中的水分在土体受力发 生滑移的过程中起到润滑作用是黄土含水量增大后强度降低的主要原因。时间效 应对黄土变形的影响主要表现在由于结构的粘滞所引起的滞后效应。因为土体受 力土颗粒间的应力重新调整是与时间有关的过程，这个过程也就是导致流变现象 产生的长期缓慢的变形过程。而原状黄土经压实处理后结构上发生较大的变化， 经过压实处理后的黄土路基在高路堤的荷载作用下变形如何发展是本文研究的主 要问题。 本文在充分分析利用前人研究成果的前提下，以室内和现场试验为基础，通过 对经过不同压实手段处理后的黄土在不同荷载、含水量的作用下，土体沉降变形 量与时间、荷载之间的对应关系，采用固体力学方法，通过力学和数学分析，试 图建立一个经不同压实方法处理后黄土的流变模型。具体展开以下研究工作如下： ( 1 ) 广泛收集资料，充分研究分析前人的对黄土流变特性的研究成果，遵循简 单实用的原则，确定本文的研究内容和建模思路； ( 2 ) 现场试验。本文选择西安至禹f - j1 5 1 高速公路k 1 6 4 + 5 0 0 - - k 1 6 5 + 4 0 0 段作为 现场试验场地，分别进行不同能级强夯、冲击碾压、振动碾压等压实处理，现场 载荷试验和浸水试验，用以分析压实黄土在不同荷载在天然含水量和饱水条件下 的变形与应力、时间的关系； ( 3 ) 室内试验。野外采取试验现场土样，进行室内常规实验、三轴实验，对于 制备土样进行逐级加载，得出压实黄土在不同等级荷载作用下的变形规律，为建 立数学模型提供必需的力学性质参数； ( 4 ) 试验资料分析。主要对比现场试验和室内试验结果，针对不同压实方法处 理后的黄土进行强度分析、力学性质参数分析和蠕变特征分析。 4 长安大学硕士学位论文 ( 5 ) 模型的建立。依据现场试验和室内试验结果，运用力学和数学方法，选用 合适的流变元件，建立压实黄土流变的物理模型，然后采取待定系数法和数理统 计回归分析法，建立沉降变形量与蠕变应力和时间数学模型，并参照工程实际观 测结果进行拟合。 5 第一章绪论 本文的技术路线图如图1 1 所示。 f “泛收集资料，确定研究内： 容和方向，编制试验办案 图1 1 研究技术路线图 6 长安大学硕士学位论文 第二章研究区黄土物理力学特征 本文选择西安至禹门口高速公路k 1 6 4 + 5 0 0 - - , k 1 6 5 + 4 0 0 段作为现场试验场地， 试验区地貌单元上属渭北黄土台地，地表o 5 0 8 m 为q 4 黑垆土，以下为厚层q 3 马兰黄土，厚度为8 1 2 m ，马兰黄土下伏为中更新统的老黄土，考虑到高速公路路 堤自重应力对路基的影响深度，绝大部分的沉降是发生在地表以下5 m 范围内，因 此，选取研究区上部q 3 新黄土作为主要研究对象。 研究区原状黄土具有以下典型特征： ( 1 ) 颜色为黄色，灰黄色，颗粒以粉粒为主； ( 2 ) 具有肉眼可见的大空隙、垂直节理发育； ( 3 ) 具有明显的湿陷性。 由于原状黄土的上述特征，现场采用不同能级的强夯、冲击碾压和振动碾压等 路基压实手段对原状黄土路基进行处理，破坏了原状黄土的微观结构，从而形成 压实黄土新的微观结构，使压实黄土的物理力学性质较原状黄土有较大改善。 2 1 研究区原状黄土的物理力学特征 研究区原状黄土的物理特征主要包括：密度和含水量、颗粒组成与成分特征、 胶结物质与胶结类型、孔隙特征等方面。 2 1 1 原状黄土密度与含水量 研究区原状黄土的密度与含水量的特征见表2 1 。 表2 1 研究区原状黄土密度与含水量指标统计表 密度干密度含水率 深度( m ) p ( c m 3 )p a ( g c m 3 ) w ( ) o 3 0 0 4 51 5 01 3 31 2 8 0 5 0 0 6 51 4 91 3 31 1 8 o 8 0 0 9 51 4 61 3 11 1 5 1 2 0 1 3 51 5 31 - 3 61 2 3 1 5 0 1 6 51 5 41 3 61 3 5 2 0 0 2 1 51 4 41 2 61 4 2 3 0 0 3 1 51 4 01 2 1 1 5 3 4 0 0 4 1 51 4 31 2 3 1 5 9 5 0 0 5 1 51 3 61 1 81 4 9 6 0 0 6 1 51 4 11 2 21 6 0 由表2 1 可以看出，研究区场地原状黄土密度较均，变动幅度不大，含水量 7 第= 章研究黄十物理力学特征 随深度有逐渐增大的趋势。 2 l2 原状黄土颗粒组成 上的颗粒大小、形状及其级配对土的物理性质有重要影响，很多土的描述和 分类也是以土颗粒的大小作为依据的。土的颗粒大小及其组成情况常用粒度组成 来表示。一般来说，土颗粒大致可以分为三类：单粒的、集粒( 团粒) 的和团块 的 “i 。 从原状黄土的扫描电镜图片可以清楚的看到，原状黄土富含集粒。集粒大小 相差很大，太集粒的直径可以在o2 m m 以上，小的不到o0 0 7 m m ，般粒径为00 9 o0 2 m m 左右。由图2l 可以看出，集粒的形状大多数是圆球状或椭球状，其表面 有细小的粘粒颗粒或碎屑。 图2 1 原状黄土中的集粒、团块( 5 0 0 倍) 213 原状黄土胶结物质和类型 黄土是第四纪以来干旱、半干早气候条件下的特殊陆相沉积物，它的胶结物 质是碎屑岩中作为杂质的粒径小于o0 0 5 m m 的粘土物质，其中包括粘土矿物和碳 酸盐以及其他水溶盐和腐殖质等。粘土矿物如伊利石、蒙脱石、高岭石、蛭石等； 碳酸盐又分为易溶盐、中溶盐和难溶盐【”。从三维空间的立体图形上看，按胶结材 料的多寡及胶结程度，黄土的胶结类型可以分为三类“”：微胶结类型、半胶结类 型和胶结类( 包括絮凝状胶结和凝块状胶结) 。 ( 1 ) 微胶结类型：在骨架颗粒表面及其接触处仅有少量胶结物，颗粒空隙中儿 乎见不到细粒物质，颗粒表面较干净，胶结程度很差，土质疏松，很不牢固。 ( 2 ) 半胶结类型：胶结材料较多，主要分布在骨架颗粒及其接触处，在颗粒空 隙之间有少量细粒物质，有一定程度的胶结，但土体牢固性差。 ( 3 ) 胶结类型：按胶结程度又可分为絮凝状胶结类型和凝块状胶结类型两种亚 类。 长安大学硕士学位论文 絮凝状胶结类型：胶结物多，基本包埋了骨架颗粒，但胶结物较疏松，微孔 多，常呈蜂窝状，骨架颗粒轮廓一般模糊不清。 凝块状胶结类型：胶结物很多，相互连接成凝块，骨架颗粒被嵌埋，轮廓不 清。 2 1 4 原状黄土的力学强度特征 原状黄土的力学强度指标主要包括土的压缩性质指标和抗剪强度指标。原状 黄土因自身结构存在的缺陷，强度不高。根据野外探井取样的室内实验结果，试 验场地的原状黄土力学强度指标见下表。 表2 2 研究区原状黄土物理力学性质指标表 深度压缩系数 压缩模量内聚力内摩擦角 ( m )a ( m p a - 1 )b ( m p a )c ( k p a ) ( o ) o 3 0 0 4 50 9 42 1 72 5 o2 6 5 o 5 0 一0 6 5o 7 72 6 43 0 o 2 9 3 0 8 0 o 9 50 3 75 5 9 2 8 02 5 8 1 2 0 1 3 50 3 75 3 83 0 o2 5 8 1 5 0 1 6 50 7 02 8 52 5 o 2 5 1 2 o o 2 1 51 0 32 0 9 2 0 o2 5 8 t ： 3 0 0 3 1 51 0 1 2 2 13 2 o2 5 1 4 0 0 _ 4 。1 50 9 42 3 42 3 02 5 8 5 0 0 5 1 51 2 8 1 7 92 2 o2 5 8 6 0 0 6 1 50 8 82 5 32 9 o2 4 3 2 2 压实黄土的物理力学特征 压实黄土指对原状黄土进行强夯、碾压处理后的重塑土。经过压实处理后，黄 土的结构发生了一系列的变化，使压实黄土的工程地质性质较原状黄土有较大改 变。其主要表现在微观结构的改变和物理力学指标均发生较大的改变。 2 2 1 经压实处理后黄土微观结构发生的变化 1 压实黄土中的孔隙变化 原状黄土经强夯、碾压等压实处理后，土体内的大孔隙明显减小，处理所耗 的压实功越大，土体大孔隙减小的越显著。以夯击能为1 0 0 0 k j 强夯处理后的压实 黄土为例，对处理后土样的孔隙进行分析描述。原状黄土和压实黄土结构孔隙统 计数据见表2 3 。 9 第= 章研究区黄土物理力学特征 表2 3 原状黄土和压实黄土微结构孔晾统计表 最大孔隙的 孔隙最大孔隙的孔隙 深度( m 1深度( m ) 面积( m m 2 ) 个数面积( m 个数 o30 1 2 5 2 6 4 03 0 0 9 22 4 8 080 1 6 42 4 8 0 8 0 0 5 62 5 2 1 2 0 4 5 9 2 2 8 6 0 0 k jl2 0 0 0 82 6 4 原状土 15o2 7 42 0 4 夯间 150 0 3 32 2 3 2 00 1 7 62 5 92 00 0 2 32 6 8 4 0o3 7 32 3 24 00 1 7 12 6 5 030 300 3 32 6 4 一 n 80 0 3 92 舶o 800 2 32 5 6 1 0 0 0 k ll2 0 0 2 2 2 5 61 0 0 0 k jl20 1 4 62 3 6 夯心l50 1 2 72 6 4夯同1 50 0 1 8 2 6 4 2 00 5 3 82 2 42 00 2 0 72 1 2 4 00 2 4 22 2 14 0o “22 0 8 0 0 4 82 2 4o30 0 4 62 7 6 0 0 1 52 2 8080 0 0 52 3 2 1 6 0 0 l d00 0 32 1 61 6 0 0 k j1 20 0 2 32 6 4 夯心0 0 1 22 3 6夯间l5 _ 0 0 0 8 2 8 420 0 0 3 6 2 3 6 0 1 0 82 4 4 4003 1 7 2 3 2 ( 1 ) 1 0 0 0 k j 夯心土 与原状黄土相比，用1 0 0 0 1 0 夯击能处理路基土后，原状黄土的自身的集粒结 构、团块结构在强夯冲击、剪切波的作用下遭到破坏，土颗粒被挤压，碾碎，细 颗粒物质填充了原来的大孔隙，使浅层夯心土的粒问孔隙大幅减小，其孔隙以小 孔隙、微孔隙为主。图22 、23 可以清楚的看出夯心土中的孔隙变化情况。随着 深度的增大，强夯的影响作用逐渐减弱，因此较深处土样的孔隙变化较小。 圈2 2 l o o o k j 夯心土中最大孔晾( 1 0 0 倍) 圈2 31 0 0 0 1 0 夯同土中最大孔障( 5 0 倍) ( 2 ) 1 0 0 0 k j 夯间土 经夯击能1 0 0 0 k j 强夯处理后的地基夯间土与原状黄土相比，夯间土样的粒间 鬻藕 长安大学硬学位论文 孔隙也有大幅减小，但与夯心土相比，孔隙减小的程度要稍小一些，孔隙减小程 度随土体的深度增加而减弱。在强夯的有效影响深度范围内，夯间土中的孔隙以 小孔隙、微孔隙为主。 从表2 2 也可以看出，原状黄土经由强夯处理后，无论是鸯间土或夯心土， 颗粒间的大孔隙均随着夯击能的增大而急剧减少，中孔隙也显著减少，小孔隙、 微孔隙的含量尤其是微孔隙含量明显增加。显然，黄土孔隙组成的这种变化趋势 与压实作用的强度增大和胶结物在振动作用下剥落充填孔隙有关。 2 压实黄土中的微结构变化 通过对压实后路基土样进行电镜扫描，来观察研究强夯处理后路基土的微结 构，比较直观有效。在此以夯击能为1 0 0 0 k j 强夯处理后场地中所取的士样微结构 特征进行分析。 夯间：土体由原来的絮凝状胶结结构变为镶嵌结构，原来简单的颗粒骨架发生 很大变化，胶结情况已经看不清楚，而且充填物质明显增多孔隙很小，土体也由 原来的絮凝状微胶结结构改变为镶嵌结构，碎屑接触之间的孔隙明显减少，颗粒 表面的胶结物剥落，土体结构变为镶嵌结构，原状黄土的骨架被破坏，重新形成 新的紧密结构，大孔隙变为微小的孔隙，胶结物质大幅减小，土体结构变密实， 土粒叠置在一起( 图24 ) 。 倍l 倍 图24 经l 咖k 1 强夯处理后夯闻土微结构变化情况 夯心：土体由原来的絮凝状微胶结结构改变为镶嵌结构，胶结物质原来的骨架 已经完全被破坏，颗粒表面的胶结物脱落并填充到孔隙中；土体结构变为镶嵌结 构，原来颗粒相互镶嵌的形式破坏，颗粒重新排列；土体由原来的支架大孔微胶 鲒结构变为叠置结构( 圈2 5 ) 。 第二章研究区黄土物4 力学特征 圈黧 1 0 0 0 倍2 0 0 0 倍 图2 5 经1 0 0 0 1 0 强夯处理后夯心土微结构变化情况 经由强夯、碾压处理后的压实黄土，微观结构与原状黄土相比发生了较大的 改变。压实黄土微观结构一般为镶嵌结构或叠置结构这是较原状黄土更紧密、 更密实的结构，土体中的孔隙数量上和体积上均有较大幅度的减小。 2 22 压实黄土物理力学指标变化规律 压实黄土微观结构改变的结果在宏观上表现为压实黄土物理力学指标发生的 一系列变化。主要表现在：密度、干密度增大，孔隙比减小，压缩系数减小，强 度指标增太等。现分述如下。 从表2 4 可以看出，强夯法处理地基的影响深度和夯击能的大小足密切相关 的。比较处理后不同深度土样干密度、孔隙比等指标，可以得出以下结论：6 0 0 1 c 夯击能处理地基的有效影响深度为1 5 - 2 o m ；1 0 0 0 k j 夯击能处理地基的有效影响 深度为20 25 m ；1 6 0 0 k j 夯击能处理地基的有效影响深度为3 0 35 m 。 长安大学硕士学位论文 表2 4 试验场地压实黄土主要物理学指标览表 能级深度含水率干密度孔隙比 压缩系数内聚力内摩擦角 ( 心)( m )缈( 蚴po ( g c m 3 ) p 口( m p a 1 )c ( k p a ) 矿( 。) o 5 0 1 3 71 6 00 6 9 3 0 1 23 6 03 5 1 1 2 01 5 91 4 90 8 1 60 1 24 2 02 7 3 1 5 01 7 41 5 00 8 0 8o 1 7 1 8 03 1 3 6 0 02 0 01 8 21 4 20 9 0 70 2 4 2 9 o2 4 4 3 0 01 8 2 1 2 71 1 3 5 0 4 22 5 02 1 3 4 0 01 8 01 2 21 2 2 10 7 02 0 02 1 3 5 0 0 1 6 71 2 21 2 2 71 0 6 2 3 02 2 1 0 5 0 1 2 31 8 00 5 0 70 1 l 8 8 o3 1 3 1 2 01 2 41 7 00 5 9 5o 1 05 5 0 3 4 5 1 5 01 3 71 6 8o 6 1 30 1 13 0 0 3 4 5 1 0 0 02 0 01 3 81 5 30 7 7 20 1 7 3 1 03 2 6 3 0 01 5 o1 3 41 0 2 4 0 2 91 5 o2 7 9 4 0 01 6 21 2 71 1 3 60 4 52 4 02 4 3 5 o o1 5 71 2 11 2 4 00 9 22 3 01 9 8 0 5 0 1 2 8 1 7 2 0 5 7 60 1 05 0 o3 1 3 1 2 01 6 11 6 30 6 5 9o 1 24 6 03 2 6 1 5 01 7 91 5 40 7 7 2 o 1 53 9 03 2 o 1 6 0 02 o o1 7 3 1 5 30 7 7 30 1 43 7 03 0 7 3 0 01 5 81 3 80 9 6 1o 2 43 7 0 。2 1 3 4 0 01 6 71 2 71 1 4 50 5 22 2 02 2 8 5 o o1 7 3 1 3 01 0 7 8o 2 83 5 01 9 0 魏 对比表2 1 、表2 2 、表2 4 可以看出，原状黄土经由不同夯击能处理后，干密 度有了不同程度的提高，在有效影响深度内，6 0 0 k j 处理后的地基土干密度较原状 黄土平均提高了1 0 6 9 ，1 0 0 0 k j 处理后的地基土干密度较原状黄土平均提高2 3 0 4 ，1 6 0 0 k j 处理后的地基土干密度较原状黄土平均提高了1 9 2 2 ；6 0 0 1 0 处理后 的地基土孔隙比较原状黄土平均减小了2 4 8 6 ，1 0 0 0 k j 处理后的地基土孔隙比较 原状黄土平均减小了3 0 2 4 ，1 6 0 0 k j 处理后的地基土孔隙比较原状黄土平均减小 了3 7 5 3 ；6 0 0 k j 处理后的地基土内聚力较原状黄土平均增加了1 4 5 8 ，1 0 0 0 k j 处理后的地基土内聚力较原状黄土平均增加了1 8 6 8 ，1 6 0 0 k j 处理后的地基土 内聚力较原状黄土平均增加2 7 1 1 ，压实效果显著，但压实黄土的内摩擦角与原 状黄土相比则变化不大。 第二章研究区黄土物理力学特征 2 3小结 本章通过对压实前后黄土的物理力学性质指标分析，得出了以下认识： 1 经强夯处理后，黄土中大颗粒的含量减小，小颗粒的含量明显增大，集粒变小甚 至消失，压实黄土的粒度组成与原状黄土相比发生了很大的变化：粒径小于o 0 0 5 m m 的 粘粒含量有很大的增加，粒径在o o l 0 0 0 5 m m 的颗粒含量有微弱的增加。 2 压实前后，土样的微结构有很大变化。原状黄土有较多的胶结物，强夯后，胶结 物部分充填到大孔隙之中，使得大孔隙减小，小孔隙增多。 3 试验结果表明，随着夯击能的增大，在强夯的有效影响深度内，土体密度、干密 度增大，压缩系数减小，压缩模量增大。 1 4 长安大学硕士学位论文 第三章压实黄土流变特征研究 经典土力学中，计算土的应力状态和稳定时，是以弹性理论和极限平衡理论 为基础的。这些理论是假定土体在静力作用下，其应力、变形和时间无关。计算 参数是取某一时间内的试验数据为依据，但是土体的应力应变受时间的影响确实 很明显的，无论是粘性土还是砂性土，在荷载的作用下，其变形都不是瞬时产生 的，而是以某种速度增长的【2 0 1 。根据应力状态的不同，粘性土的变形速度有的是 极其缓慢的，最后趋于停止；有的则随时间逐渐增长，最后导致破坏。土体在外 荷的作用下，其强度有时随时间逐渐增长，有时随时间逐渐降低。这说明土体的 变形和破坏均是时间的函数。 目前关于土的流变特性研究主要可分为两个方面：一是把土作为均一体，采 用直观的流变模型，以表达其相应的应力、应变和时间的关系，并与实际的试验 资料相比较，研究土体内某一时间段内应力应变关系，通常称为宏观流变学；二 是从观测的试验曲线得出物质结构模型，或从土的结构及其物质组成的流变特性 来说明土体的流变特性，可称之为微观流变学【2 1 1 。但后者只能做定性的说明，定 量描述上还有一定的难度。本文主要是从宏观的角度来研究压实黄土流变特性， 也就是压实黄土土体内部应力、应变与时间的关系。 3 1 岩土工程中流变理论的研究方法 岩土工程中常常在试验的基础上，应用流变模型来建立岩土体流变物理方程 ( 流变方程式) 的方法来描述岩土体内部应力与应变规律的各种形式。但采用简 单的流变模型不能较真实的描述岩土体的性质，而采用复杂的多元件组合模型却 存在着计算繁琐，流变参数难以确定的问题。在流变力学中，常在试验的基础上， 通过假设一试验一理论的方法来建立流变方程式。主要的研究理论方法有：模型 理论、老化理论、流动理论、硬化理论、继效理论等【2 1 - 2 2 2 3 2 4 1 。 3 1 1 模型理论 模型理论认为岩土体材料是具有弹性、塑性和粘性的综合流变体。其流变特 性是由弹性、塑性和粘滞性联合作用的结果。材料模型分别采用h o o k e 弹簧、 s t v e n a n t 摩擦滑片和n e w t o n 粘壶三种不同流变元件的基本组合来描述岩土体中 弹、塑、粘性的各种表现。 1 s 第三章压实黄土流变特征研究 模型理论的概念简单、直观，同时又能全面的反应材料的蠕变、松弛、弹性 后效等各种流变特性。出发点是根据元件的基本性质和组合关系不同，运用数学 力学的方法推导出各种模型的微分形式的本构方程，然后通过对试验资料的分析， 确定模型中的各个参数，现有的微分流变模型主要分为两大类：一类是在建立流 变本构方程的过程中同时考虑孔隙水的运动规律和骨架变形规律，这类模型的代 表是k t e r z a g h i 的一维固结模型；另一类是从固体力学理论出发，直接按固体变 形的粘弹塑性理论来分析材料受力后的变形特性，主要代表有：m a x w e l l 模型、 k e l v i n 模型、b i n g h a m 模型等。 传统的模型理论只限于讨论线性流变的问题，比较适合描述等速蠕变和衰减 蠕变，对于加速蠕变的现象，只能用非线性的流变模型进行描述。由于模型理论 的简单、直观、物理意义明确等特点，目前工程上对岩土体的流变研究主要是采 用模型理论。 3 1 2 老化理论 老化理论又称陈化理论，以假设应力、应变和时间之间具有某种函数关系来 表示的流变方程。即蠕变应变为： t = 厂p ，f ) ( 3 1 ) 总应变为弹性应变和蠕变应变的总和： s ：乞+ 乞：要+ 厂( 盯) 矽，( f ) ( 3 2 一)s 2 乞+ 乞2i + 【盯) 妒( f ) 【3 ) l 若取占：氏= o 。0 = 恒量，则可得出应力松弛方程： d 仃= o - o e l ( o - ) # 7 ( f ) ( 3 3 ) 函数矽( f ) 表征应变增长随时间的发展而减缓。 应用老化理论方程式描述的应力、应变和时间之间仅具有某种简单的函数关 系，数学计算简单，求解简便。但老化理论的关系式是在应力为恒量的作用下获 得的，如果应力是变量，将会导致明显的误差。老化理论仅可用于应力是恒量或 应力变化很缓慢的情况，在此条件下，应用老化理论能得到较为满意的效果，与 实际试验结果较相符。 1 6 长安大学硕士学位论文 3 1 3 流动理论 流动理论认为蠕变的应变速率与应力、时间之间存在着某种简单的的函数关 系，即： = z p ，f ) ( 3 4 ) 总变形速率是弹性变形速率和蠕变变形速率的总和，即： o = s ：+ s ： ( 3 5 ) 当应力未超过弹性极限时，弹性应变速率巳和蠕变应变速率分别为 乞= 壶警似川嘶( f ) 乞2 i i 利乞2 ，【盯膨 则式( 3 5 ) 变为： 占：与冬+ 厂( o r ) z ( t ) 占= 一+ ，i l z ll ed t 。 ( 3 6 ) ( 3 7 ) 上式中，对x ( o o ) = 0 为衰减蠕变，x ( o o ) = 航= 恒量为稳定蠕变；当z ( o o ) = o o 为 加速蠕变。 应力是恒量或变化极缓慢时，蠕变应变速率常取幂函数形式表示： 鲁圳刚叫咖辨 ( 3 8 ) 当时间极长时，函数b ( t ) = b = 恒量，且等于稳定蠕变的应变速率，若作用应 力为恒量，且可以略去弹性应变速率，则可得更简明的流动理论方程： 堕：b 盯一 d t ( 3 9 ) 式( 3 9 ) 描述了岩土体材料的非线性粘滞流动的性质，一般岩土体常具有此 性质。 若对式( 3 7 ) 进行积分，则可得蠕变方程：通过o c - = 岛= 恒量时，用式( 3 7 ) 可得松弛方程。 对于岩土类的固体介