（地质工程专业论文）甘肃黄土粒度特征及在公路自然区划中的应用.pdf

工程硕士学位论文甘肃黄土粒度特征及在公路自然区划中的应用 摘要 甘肃省地处黄土高原西部，黄土分布面积约1 2 万k m 2 。黄土是甘肃当地公 路建筑的建筑材料、建筑环境和建筑介质。由于黄土的工程地质性质特殊，由此 产生一系列公路工程地质问题，如路基不均匀沉降、湿陷变形、渗透变形、路面 开裂等。鉴于公路为跨越地域较长的条带状构筑物，而黄土地区的公路修筑大多 只能就地取材，所以要解决黄土地区公路路基的合理填筑问题，必须首先解决黄 土地区公路自然区划问题。 针对当前黄土地区公路自然区划宏观高度高、实际难应用等问题，研究新的 区划方案，寻找理想的区划指标意义重大。以分形理论为基础，分析了甘肃黄土 粒度分布的分形结构特征。结果显示，黄土具有良好的统计自相似性，其分维值 介于2 1 5 2 7 0 5 之间。而且，粒度分维值的大小与分选性密切相关，即分选系数 大则分维值大，反之则分维值小。表明黄土的粒度分维在一定程度上可以反映黄 土的形成演化特征。同时，试验结果表明黄土的粒度分维值可定量表征黄土的物 理、力学和水理性质及差异，即黄土的粒度分维值越大，其干密度、比表面积、 粘聚力、内摩擦角越大，微、小孔隙含量越高，但其平均孔径、孔隙比、湿陷系 数和渗透系数越小，其工程地质性质愈稳定。在空间上，黄土粒度分维值存在显 著的区域性变化规律，该区域性变化规律与甘肃黄土地区三级公路自然区划的5 个三级区一致。所以黄土粒度分维值与地形地貌、水文和气候等因素一样，也可 作为公路自然区划的一个重要指标。 关键词：黄土：粒度分布；工程地质；公路自然分区 a b s t r a c t g a n s up r o v i n c ei sl o c a t e di nt h ew e s to f t h el o e s sp l a t e a u ，w h e r et h el o e s sa r e a d i s t r i b u t e sa b o u t12 0 ，0 0 0k m 2 l o e s si s a ni m p o r t a n tm a t e r i a li nc o n s t r u c t i n ga n d b a s e u s e df o rh i g h w a yc o n s t r u c t i o n sl o c a l l y b e c a u s eo ft h eu n i q u eg e o l o g i c a ln a t u r e o fl o e s s 。as e r i e so fe n g i n e e r i n ga n dg e o l o g i c a lp r o b l e m sa b o u tc o n s t r u c t i o n se m e r g e d ， s u c ha su n e v e ns u b g r a d es e t t l e m e n t ，s e e p a g ed e f o r m a t i o n ，s u r f a c ec r a c k i n g ，e t c ，a s h i g h w a y sa r en a r r o wa n dl o n gs t r i p s ，a n dm o s th i g h w a y sb u i l t h e r et a k eh a n d y m a t e r i a l s 。s oi ti sam u s tt ol a y o u th i g h w a yn a t u r a lz o n i n gf i r s t l y ，s ot h a tt h es u b g r a d e l o g i c a lf i l l i n gc o n s t r u c t i o n sc a n b es o l v e de a s i l y i ti si m p o r t a n tt od oar e s e a r c ho nn e wp r o g r a m sa n da ni d e a ll a y o u to fh i g h w a y n a m r a lz o n i n g ，s i n c et h ec u r r e n tm a c r o s c o p i c a lh a sd i f f i c u l t yi nl a y o u t i n gh i g h w a y s a n dt h ec a r r y i n go u ta c t u a l l y d e p e n d i n go nt h es h a p ed i v i d i n gt h e o r y , id i d a n a n a l y s i so nt h ef r a c t a ld i m e n s i o n ( d ) o ft h eg r a i ns i z eo f l o e s si ng a n s up r o v i n c e ， w h i c hs h o w st h a tl o e s sh a sc l o s es t a t i s t i c a ls e l f - s i m i l a r i t y , w i t h f r a c t a ld i m e n s i o n v a l u e sf r o m2 1 5t o2 7 0 5 t h ef r a c t a ld i m e n s i o n ( d ) o fl o e s sg r a i ns i z ec a r tn o to n l y r e f l e c tt l l es e d i m e n te n v i r o n m e n tb u ta l s od e c i d et h es o i lp h y s i c a l ，m e c h a n i c a la n d h y d r a u l i cp r o p e r t i e s a n do n ec o m p a r a t i v es t u d yo n d i f f e r e n tf r a c t a ld i m e n s i o nl o e s s s a m p l e sh a so b t a i n e dt h ef o l l o w i n gr e s u l t s t h a ti s ，t h eh i g h e rf r a c t a ld i m e n s i o n , t h e h i g h e rd r yd e n s i t yi s ，a l s ot h eh i g h e rs p e c i f i cs u r f a c ea r e a , t h eh i g h e rs o i l c o h e s i o n a n dt h eh i g h e ri n t e m a lf r i c t i o na n g l ei s ，s i m u l t a n e o u s l y , t h em o r em i c r o p o r e sa r e w h e r e a s ，h eh i g h e rf r a c t a ld i m e n s i o ni n d i c a t e st h es m a l l e ra v e r a g ea p e r t u r e ，v o i d r a t i o s m a l l e rc o l l a p s i b i l i t yc o e f f i c i e n ta n ds m a l l e rp e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n t ，t h u st h e s t a b l ee n g i n e e r i n gg e o l o g yn a t u r eo fs o i l a n a l y z i n gr e s u r sa l s os h o w t h a tt h ef r a c t a l d i m e n s i o n ( d ) o fl o e s sg r a i ns i z eh a so b v i o u ss p a t i a lv a r i a t i o nl a w , w e l lr e f l e c t i n gt h e d i f f e r e n c ea m o n gt h ef i v es u b r e g i o n so fg a n s ut h i r d - g r a d eh i g h w a yn a t u r a lz o n i n g a l lt h e s es u g g e s tt h a tt h ep a r a m e t e ro ff r a c t a ld i m e n s i o n ( d ) o f l o e s sg r a i ns i z ec o u l d s e r v ea sa 1 1i n d e xf o rh i g h w a yn a t u r a lz o n i n g ，a sw e l la st h ei n d e x e sf o rt o p o g r a p h y , 1 a n d f o r m ，h y d r o l o g y , c l i m a t ea n d e t c k e yw o r d s ：l o e s s ；g r a i ns i z ed i s t r i b u t i o n ；e n g i n e e r i n gg e o l o g y ；h i g h w a y n a t u r a l z o n m g 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下 独立进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表 的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内 容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：五秃壅丝 日期：生! 坐2 ：_ 口 关于学位论文使用授权的声明 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 属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定， 同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版， 允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州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，可以采用任何复制手段保存和 汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相 关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：2 客盎殖导师签名：翌堕i 眵日期：坐型肛夕 工程硕士学位论文甘肃黄土粒度特征及在公路自然区划中的应用 1 绪论 1 1 选题依据与研究意义 1 1 1 选题依据 我国黄土分布面积很广，黄土和黄土状土分布面积约6 3 万k m 2 。甘肃省地 处黄土高原西部，黄土分布面积约1 2 万k m 2 。该区地形、气候复杂，地质条件、 地貌单元、土质类型各异。 黄土是甘肃当地公路建筑的重要建筑材料、建筑环境和建筑介质。由于黄土 的成因特殊( 刘东生，1 9 8 5 ；张宗祜，1 9 8 9 ；安芷生，1 9 9 8 ；孙建中，2 0 0 5 ) ，使 黄土在变形、强度、水理与稳定性方面具有特殊性f 冯连昌等，1 9 8 2 ；郑晏武， 1 9 8 2 ；雷祥义，1 9 8 7 ；高国瑞，1 9 9 0 ；张贵义，2 0 0 1 ) ，由此产生一系列公路工 程地质问题，如路基不均匀沉降、渗透变形、路面开裂、公路边坡失稳、黄土隧 道开裂等。随着西部大开发的推进，许多道路工程( 如公路、铁路) 、水土保持工 程和小城镇与新农村建设都将涉及以上问题。因此，为了有效解决上述工程地质 问题，防治地质灾害，促进区域经济社会发展，进行该区黄土的工程地质特性研 究已迫在眉睫。 由于公路是穿越不同自然地理区域( 地貌单元和土质类型) 的线状土工构筑 物，所以公路建设与自然条件密切相关。近年来，随着国民经济持续、快速发展， 公路建设也进入高速发展时期，特别是高等级公路大量进入自然环境相对脆弱、 区域环境特殊的甘肃等西部黄土地区。公路规划、设计、施工、运营与养护等具 体应用层面遇到了大量以前未曾遇到且值得关注和思考的新问题以及公路病害 大量出现。公路质量普遍出现的问题为路基沉陷、路面开裂以及过大的工后沉降， 严重影响行车安全和公路正常使用。造成黄土地区公路病害的原因主要是防排水 系统不完善，路基土本身密实度不够。欠密实的黄土因有较大孔隙及湿陷性，遇 水产生变形，造成路基沉降，进而影响到路面的质量。造成这些问题的深层次原 因则是黄土地区原有的公路自然区划主要服务于低等级为主的公路建设，实际应 用性差，指导性不明显，能够反映黄土地区公路设计、施工、养护等相关工程参 数甚少，致使现有分区难以准确反映区域内不同土体单元的筑路特点。 工程硕士学位论文 甘肃黄土粒度特征及在公路自然区划中的应用 鉴于公路为跨越地域较长的条带状构筑物，而黄土地区的公路修筑大多只能 就地取材，所以要解决黄土地区公路路基的合理填筑问题，必须首先解决黄土地 区公路自然区划问题。针对目前我国西部黄土地区公路建设发展实际情况和存在 的具体问题，有必要对黄土地区公路自然区划方案和指标进行研究，为公路选线 和设计参数提供科学依据。因此，开展科学的黄土地区公路自然区划研究，查明 不同区域的自然相似性和筑路差异性，建立合理的区划体系，为各黄土分区的公 路建设提供相应的勘测、规划、设计、施工、养护及公路病害的防治提供指导和 宏观控制就显得尤为迫切和必要。 1 1 2 研究意义 黄土颗粒的形成过程是一个极其复杂的地质过程。在黄土研究中，黄土的粒 度大小有非常重要的意义。颗粒组成不仅是松散堆积体分类、命名的基础，也是 查明这些沉积物的来源、搬运它的介质的动力大小、特征、沉积环境及其变化的 主要依据。研究表明黄土的粒度组成与古气候变化密切相关。在工程地质性质方 面，随着土颗粒组成的变化，土的结构也发生相应的改变，从而影响了土的物理 力学性质( 孔隙比、干密度、变形、强度等) 和水理性质( 指土粒在水作用下表现出 来的某些性质，湿陷性、渗透性、持水性等) ，因此黄土的粒度组成特征是评价 其工程地质性质和水文地质性质的一个重要指标( 刘东生，1 9 8 5 ) 。 基于此，本文依托西部交通建设科技项目“黄土路基压实技术研究”，尝试以 甘肃黄土为研究对象，在研究甘肃黄土工程地质性质的基础上，采用主导标志法 即能够反映环境和工程性质分异的主导因素一黄土的粒度分维值作为一个主要 指标，与地形、地貌、水文、气候等指标相结合，进行甘肃黄土地区公路自然区 划的研究。以期为深刻认识甘肃黄土的基本情况和地域分异规律，剖析和揭示黄 土筑路材料与公路工程建设之间的内在规律和相互关系，寻找适合公路工程建设 的工程区划方法的指标提供借鉴。 1 2 研究进展 1 2 1 黄土的研究现状 黄土作为一个地质单元为早期来华工作的西方地质学家注意，始自1 9 世纪。 庞培利、李希霍芬、奥勃鲁契夫、安特生等认为中国黄土系风力搬运并沉积于草 原的产物。中国地质学家于1 9 2 0 年起开展黄土研究。从那时至全国解放的几十 工程硕士学位论文甘肃黄土粒度特征及在公路自然区划中的应用 年间，根据岩性把黄土与三趾马红土分开，并把黄土按地质时代作了粗略的统一 划分，并对黄土的物理力学指标开展了初步的试验研究。新中国成立后，随着黄 土高原的工程建设和水土保持工作等的深入开展，开始了黄土研究的新纪元。 2 0 世纪5 0 年代至6 0 年代中期，在黄土的基本性质以及湿陷性的评价和处 理方法方面取得了丰硕的成果。主要有以下几个方面：( 1 ) 根据地层的结构、岩 性特性、古土壤等进行黄土地层的划分( 石元春，1 9 5 8 ；朱显谟，1 9 5 8 ) ；( 2 ) 查清 了黄土在我国的分布，掌握了我国黄土的基本性质与区域性变化( 朱海之，1 9 6 4 ； 王挺梅等，1 9 6 4 ；马乃喜，1 9 8 7 ) ；( 3 ) 对湿陷性黄土进行了大量的室内与现场的 试验研究，获得了我国黄土湿陷性在地域分布上的总体变化规律。与此同时，还 研究了地貌与黄土湿陷性的关系，提出了按现场试坑浸水试验实测自重湿陷量， 或按室内试验所得的指标计算自重湿陷量，来判定场地的湿陷类型，并根据分级 湿陷量划分湿陷等级。 6 0 年代中期至7 0 年代末，黄土研究在以下几个方面取得了显著的成果：( 1 ) 发现山前、山沟坡谷地带的新近堆积黄土很特殊，虽然沉积年代很近，其物理性 质指标和q 3 黄土相近，但变形敏感，压缩性高，承载力低，均匀性差，湿陷性 变化大；( 2 ) 通过对一些工程事故的分析研究，对湿陷性判别标准、浸水压力值 及自重湿陷场地的湿陷评价深度等界限值，都作了一些修正，使之更接近实际( 翟 礼生，1 9 8 3 ) ；( 3 ) 根据对陕西、山西、甘肃、河南与青海等地区的大量载荷试验 资料的统计分析，得出了湿陷性黄土与新近堆积黄土的地基容许承载力计算的经 验公式f 冯连昌等，1 9 8 2 ) 。 改革开放后，黄土的研究重新焕发出新的生机。其主要特点是研究人员多， 使用新方法，与国际交流合作密切，成果十分丰富( 孙建中，2 0 0 5 ) 。例如，使用 了所有可能使用的方法，在测年方面的方法有：1 4 c 、热释光( t l ) 、电子自旋共 振( e s r ) 、铀系法( 2 3 0 t h ) 、裂变径迹法( f t ) 和古地磁法( p m ) 等。在物理和化学方 面有：磁化率、1 0 b e 、氨基酸、碳同位素( 6 1 3 c ) 、氧同位素( 6 1 3 0 ) 。在生物化学方 法方面有孢粉分析、硅酸体分析等。在黄土结构研究方面除应用光学显微镜进行 黄土的微结构研究以外，还引进扫描电子显微镜对黄土的微结构进行了更加深入 的研究。 同一时期，我国在黄土力学与工程地质性质方面的研究进入了一个新的发展 工程硕士学位论文甘肃黄土粒度特征及在公路自然区划中的应用 时期，并取得了多方面的显著成果。 1 2 2 黄土工程地质特性研究 黄土是分布最广的一种特殊土，因它与工程设施或工程环境相互作用时，常 产生特殊的地质灾害或工程问题，工程地质中按专门规范对之进行勘察、实验、 评价和处理( 岩土工程勘察规范，2 0 0 2 ；湿陷性黄土地区建筑规范，2 0 0 4 ) 。其分 布范围和工程地质特性一直是工程地质学界研究的重要问题。 ( 1 ) 黄土分布 许多学者( 李希霍芬，1 8 7 7 ；王永焱，1 9 8 2 ；刘东生，1 9 8 5 ；马乃喜，1 9 8 7 ； 张宗祜，1 9 8 9 ；郑祥民等，1 9 9 3 ；于洪军等，1 9 9 7 ；雷祥义，2 0 0 1 ) 对中国黄土 的分布范围和分布规律作了系统的研究。一方面它是特殊土分布区工程地质分区 和区划的重要基础( 公路自然区划标准，1 9 9 9 ；湿陷性黄土地区建筑规范，2 0 0 4 ) ， 另一方面，它对特殊土地区工程的合理规划、施工，避免或减轻地质灾害有重要 意义。在上述研究成果的基础上，孙建中认为中国黄土分布面积约为6 3 万k m 2 。 ( 2 ) 黄土工程地质特性 处于不同堆积环境中，不同物质成分( 粒度、矿物成分和化学成分) 和不同结 构黄土的工程地质特性差异很大。这种差异性最直观的表征指标就是黄土的物理 力学参数。工程地质学界一直将黄土物理力学参数的定量化研究作为黄土研究的 重要内容，并积累了大量的“约束性”数据( 冯连昌等，1 9 8 2 ；郑晏武，1 9 8 2 ；陈 宗基，1 9 8 9 ；张贵义，2 0 0 1 ：湿陷性黄土地区建筑规范，2 0 0 4 ) 。这些“约束性” 数据是进行黄土区工程设计、施工的基本依据。 黄土结构( 指土中颗粒或土颗粒集合体以及颗粒间的孔隙大小、形状、排列 组合与联结等综合特征，包含土的骨架特征和孔隙特征) 与黄土工程地质特性有 着直接的关系，所以一直是工程地质学界研究的热点问题( 顾安全，2 0 0 1 ) 。张宗 祜( 1 9 6 4 ) 、朱海之( 1 9 6 5 ) 在二维空间平面上对黄土的微结构进行了分类；高国瑞 ( 1 9 8 0 、1 9 9 0 ) 、王永焱等( 1 9 9 0 ) 分别从三维空间的立体图像上对黄土的微结构进 行了研究；谢定义( 1 9 9 9 ) 、齐吉琳( 1 9 9 9 ) 结合兰州、永登黄土显微结构分析，建 立了土的结构性参数，是对土的结构性定量化研究的一个新突破；雷祥义( 1 9 8 9 ) 探讨了黄土结构类型与物理指标之间的关系。通过这些研究工作，认为骨架颗粒 形态、连接形式、排列方式是决定黄土工程性质的主要结构特征，并得出了微观 4 工程硕士学位论文甘肃黄土粒度特征及在公路自然区划中的应用 结构类型、孔隙特征与黄土湿陷性等工程性质的内在关系，为研究黄土工程性质 的本质特征开辟了新的途径。 黄土骨架颗粒的排列方式( 架空排列、镶嵌排列) 决定着湿陷性。由于颗粒形 态、排列方式和联接形式的不同，导致黄土的湿陷性有明显差异( 孔德坊等， 2 0 0 0 ) ，而黄土湿陷性又直接关系着工程的造价与安危。因此，岩土工程界一直 将它作为一个专题进行研究( 高国瑞，1 9 8 0 、1 9 9 0 ；杨运来，1 9 8 8 ；关文章，1 9 9 2 ； 赵景波等，1 9 9 4 ；胡瑞林等，1 9 9 9 ；汪国烈等，2 0 0 1 ；翟礼生，2 0 0 1 ；刘祖典， 1 9 9 7 ；孙建中，1 9 9 1 ) 。但是，过去仅限于把浸水饱和时的湿陷性作为湿陷性黄 土的核心问题来研究。近年来，张苏民等( 1 9 9 2 ) 对湿陷性黄土在增湿和减湿时的 强度与变形特征进行了系统的实验研究，完善了黄土湿陷性研究理论。另外一些 学者针对不同区域自重湿陷性黄土在浸水湿陷工程中产生自重湿陷的敏感程度 方面差异较大的现象，提出湿陷敏感性这一概念。对晚更新世和全新世的饱和黄 土进行了分类，得出了相应的强度和变形的规律性，评价了饱和黄土地基承载力 的各种确定方法。根据这些研究，1 9 9 0 年颁布了国家标准湿陷性黄土地区建 筑规范( g b j 2 5 - - 9 0 ) ) ) 。 1 9 2 5 年t e r z a g h i 提出了著名的有效应力原理，并以此建立了饱和土的一维 固结理论，成为土力学发展史上的一个重要里程碑。继t e r z a g h i 后，许多学者对 土的固结做了大量研究。1 9 3 6 年r e n d u l i c 将t e r z a g h i 一维固结理论发展n - - 维、 三维固结理论，得出t e r z a g l l i - r e n d u l i c 扩散方程。1 9 4 1 年b i o t 根据有效应力原 理、土的连续条件和平衡方程，提出了完善的土三维固结理论。虽然该方程相对 于前述扩散方程更符合实际情况，但不便于求解，到目前为止，只采用级数、设 定位移函数和积分变换等方法获得少数几种情况下的精确解。 我国学者也对饱和土固结理论进行了大量的研究。陈宗基( 1 9 5 8 ) 、门福录 ( 1 9 6 3 ) 对饱和粘土的一维固结进行过研究，并得到了近似解。沈珠江( 1 9 7 7 ) 应用 变分原理得到b i o t 固结理论的有限元方程，并应用于固结变形分析。殷宗泽等 ( 1 9 7 8 ) 根据流量平衡概念，结合虚位移原理分析了饱和土的平面固结问题。考虑 到工程中荷载常为随时间变化的荷载，王盛源( 1 9 8 1 ) 研究了变荷载作用下的粘弹 性体的一维固结问题，得到了荷载随时间线性增长情况下的一维固结问题的解析 解。龚晓南( 1 9 8 4 ) 采用等价结点流量等于等价结点压缩量的饱和条件，推导出b i o t 工程硕士学位论文甘肃黄土粒度特征及在公路自然区划中的应用 固结连续方程。1 9 8 7 年谢康和利用b i o t 固结理论对砂井地基的平面变形空间渗 流进行了有限元分析，揭示了砂井地基的沉降和孔压规律。1 9 8 9 年赵维炳解决 了广义v o i g t 模型模拟的饱和土体一维固结问题。1 9 9 0 年宰金眠利用等积变换方 法，给出了竖向均布荷载作用于半空间表面矩形域时，表面以外任意点在任意时 刻固结与蠕变耦合沉降。1 9 9 2 年杨丹等假设土骨架为粘弹塑性骨架，用数值方 法进一步研究了循环荷载作用下饱和粘土的一维固结。1 9 9 6 年黄传志在b i o t 固 结方程的求解方面作出了许多有价值的工作，给出了一个普遍有效的一般解法， 使这一问题的研究有了较大进展。 自1 9 31 年r i c h a r d s 研究非饱和土中的渗流算起，非饱和土的研究历史已逾 7 0 年。但直到5 0 年代后期，非饱和土土力学才有了长足的发展。1 9 5 7 年b l a c k 、 c r o n e y 和w i l l i a m s ，1 9 6 0 年b i s h o p 和1 9 6 5 年a i t c h i s o n 均研究了非饱和土的体 变和抗剪强度，并提出了用有效应力表示的非饱和土强度公式；1 9 6 2 年c o l e m a n ， 1 9 6 8 年m a t y a s 和r a d h a k r i s h n a 提出了用双应力参量，以及1 9 7 7 年f r e d l u n d 和 m o r g e n s t e m 提出了用净应力和基质吸力双应力参量表示的非饱和土强度公式； 而1 9 6 7 年l y t t o n 则用混合物理论与连续介质力学研究了非饱和土多相系的性 质：1 9 9 3 年f r e d l u n d 等在其专著中对非饱和土进行了系统的研究和叙述。 我国从2 0 世纪6 0 年代开始研究非饱和土的性质。1 9 6 5 年俞培基和陈愈炯 就研究了非饱和土物理参量和孔隙气的形态特征及其相互关系，并给出了确定封 闭气泡气体压力的方法；包承纲分别在1 9 7 9 年和1 9 9 8 年研究了压实土的孔隙水 和孔隙气的存在形态；1 9 8 9 年杨代泉和1 9 9 1 年陈正汉所作的研究工作使得非饱 和土力学原理发展到可以解决工程问题的阶段，杨代泉把饱和土的b i o t 固结理 论外推，建立了非饱和土的广义固结理论，而陈正汉在有效应力理论的基础上建 立了非饱和土固结理论；1 9 9 0 年苗天德以突变理论为基础，对黄土湿陷进行了 别具特色的工作；1 9 9 2 年杨代泉对非饱和土一维、二维固结作了研究，并解决 了一些实际问题；1 9 9 5 年 - 1 9 9 6 年间沈珠江提出了许多有关非饱和土的变形模 型；1 9 9 2 年刘祖典和董思远针对湿陷性黄土进行了非饱和黄土的研究；1 9 9 6 年 卢廷浩对非饱和土三维固结作了探讨，1 9 9 9 年缪林昌对膨胀土分别以含水量和 饱和度代替吸力也做了很好的工作。国内学者对非饱和土力学性质的研究使得用 非饱和土固结理论解决路堤沉降问题成为可能。 近年来，随着测试技术的不断进步( 吴肖茗等，1 9 9 2 ；谢定义等，1 9 9 3 ；李 6 工程硕士学位论文甘肃黄土粒度特征及在公路自然区划中的应用 未显等，1 9 9 4 ；刘奉银等，1 9 9 6 ) ，黄土力学特性的理论研究也不断深化。陈正 汉、谢定义( 1 9 9 8 ) 融理论力学、不可逆过程热力学和土力学于一体，提出了研究 非饱和土的公理化理论体系( 包括5 个基本定律、8 个本构原理) ，使非饱和土力 学研究趋于完善。这为黄土力学的理论研究奠定了基础；刘祖典等先后提出了六 种不同情况下黄土的应力一应变关系曲线，分析了原状黄土随沉积年代及侧压力 不同而表现出的不同类型和形式，分别得出了黄土的非线性弹性模型及弹塑性的 本构方程，并应用在黄土边坡稳定性分析、饱和地基变形一强度分析中。黄土 力学与工程( 刘祖典，1 9 9 7 ) 的出现标志着黄土力学己发展成为独立的理论体系。 由于要对黄土地区各类工程建筑进行抗震稳定分析，黄土动力学研究便逐渐 提到日程。谢定义( 1 9 8 8 、1 9 9 9 ) 、巫志辉等( 1 9 9 4 ) 借鉴以往对砂土动力特性的研 究，针对洛川、兰州、西安等地的典型黄土，从结构性、欠压密性和非饱和性以 及由此表现出的各向异性与对水作用的特殊敏感性出发，分别就干型黄土、湿型 黄土和饱和黄土进行了研究，取得了重要成果。王兰民( 2 0 0 3 ) 对地震荷载作用下 黄土的动力特性、黄土场地的土层波速和地面脉动、黄土地区的强震地面运动特 征、黄土地震滑坡、震陷、液化等灾害机理和防御与防治等方面进行了系统研究， 并取得了重要的研究成果。 1 2 3 黄土堆积环境研究 黄土为风尘堆积物( 孙建中，2 0 0 5 ) 。黄土高原黄土分布面积广、厚度大、分 辨率高、时代延续长、连续不问断，是良好的堆积环境记录载体( 刘东生，1 9 8 5 ； 郭正堂，1 9 9 6 ) 。黄土堆积环境研究已经成为国际上的一大热点( 刘东生，1 9 8 5 ； 张宗祜，1 9 9 1 ；方小敏，1 9 9 9 ) 。黄土分布范围和分布规律是黄土形成时堆积环 境研究的重要依据，可为堆积环境的变化提供佐证( 刘东生，1 9 9 0 ；朱照宇，1 9 9 6 ； 鹿化煜，1 9 9 8 ；雷祥义，2 0 0 0 ；方小敏，1 9 9 9 ) 。利用不同地区黄土分布、粒度 分布特征、磁化率、微结构、化学组成研究古气候变化已经取得了重大进展( 陈 发虎，1 9 8 9 ；鹿化煜，1 9 9 8 ；丁仲礼等，1 9 9 9 ；方小敏等，1 9 9 9 ；雷祥义，1 9 9 8 、 2 0 0 0 ；陈骏，1 9 9 8 、2 0 0 1 ；孙东怀，2 0 0 0 ) 。朱照宇等( 1 9 9 4 ) 研究了中国黄土、古 地貌、古气候与新构造演化特征，获得了许多新的观点和认识。吴锡浩等( 1 9 9 6 ) 对黄土与青藏高原隆升之间的关系作了探讨；方小敏等( 1 9 9 9 ) 对武都黄土的分布 进行分析，认为它的出现代表了黄土形成时的大气环流曾经发生急剧变化。推测 7 工程硕士学位论文甘肃黄土粒度特征及在公路自然区划中的应用 青藏高原当时平均环流形式是从过去以爬越高原的气流为主转变为以绕流为主。 近年来，随着黄土堆积环境研究的深入，不少学者( 高国瑞，1 9 8 4 ；雷祥义， 1 9 8 9 ) 利用黄土的微结构研究堆积环境变化取得了一系列成果。雷祥义( 1 9 8 9 ) 根据 黄土高原黄土微结构自西北向东南规律性的区域变化，得出了黄土高原黄土形成 时总的古气候特征。 通过黄土研究，恢复黄土形成时的堆积环境，阐释青藏高原隆升与黄土高原 形成过程的耦合关系和第四纪环境变化有着重要的理论意义。 1 2 4 黄土粒度分布特征研究 由于黄土颗粒既可反映其来源、搬运它的介质的动力大小、特征、沉积环境 及其变化，又显著影响着黄土的物理力学性质( 孔隙比、干密度、变形、强度等) 和水理性质( 指土粒在水作用下表现出来的某些性质，湿陷性、渗透性、持水性 等) ，因此黄土的粒度研究一直是黄土研究的重点之一。 2 0 世纪5 0 年代至6 0 年代末期，王挺梅、朱海之等发现黄土颗粒在空间分 布上具有自西北而东南逐渐变细的特点，把黄土高原的黄土划分为砂黄土、黄土、 粘黄土带，这一划分对黄土高原的水土保持工作和黄河泥沙中粗砂的来源区以及 黄河泥沙的治理提供了依据。 黄土粒度是组成黄土的基本单元，其变化对黄土工程地质性质有着显著的影 响f 冯连昌等，1 9 8 2 ；郑晏武，1 9 8 2 ；唐大雄等，1 9 9 9 ) 。张贵义等( 2 0 0 1 ) 提出黄 土湿陷性的“峰值粘粒含量”概念，指出粒度对黄土湿陷性及工程地质性质的影 响。 粒度是组成黄土的基本单元，其时空变化指示了搬运粉尘的风动力变化以及 沉积环境，它被认为是过去东亚季风变化最敏感的替代性指标( a nzs 等，1 9 9 1 ； d i n gzl 等，1 9 9 4 ；p o t e rsc 等，1 9 9 5 ) 。黄土堆积的粒度测量已经成为第四纪 东亚季风变化研究的一项重要内容。分析研究古气候变化是当前黄土研究的一大 热点，近年来大量研究工作( x i a ojl 等，1 9 9 5 ；鹿化煜等，1 9 9 8 ) 表明，黄土粒 度是黄土高原古季风强度的直接指标。孙东。怀( 1 9 9 7 ) 证明，黄土中 3 0 9 m 的颗 粒才是东亚季风的最好指标，它对恢复古气候变化及其形成机制有重要作用。 近年来随着粒度测试技术的不断发展，黄土粒度测试的精度越来越高，粒度 分级越来越细( 0 1 0 0 0 1 上m ) 。这一进步使得黄土粒度细粒部分的分布特征能够更清 8 工程硕士学位论文甘肃黄土粒度特征及在公路自然区划中的应用 晰的展示出来。 以前，黄土的粒度分布研究多采用传统的粒度曲线分布法进行研究。自 m a n d e l b r o t 于2 0 世纪7 0 年代中期创立分形理论以来，分形理论得到了广泛的应 用。艾南山等( 1 9 9 8 ) 将分形理论应用于地貌学的研究中；申维等( 1 9 9 8 ) 将分形理 论同地质学结合起来进行研究；徐永福等( 2 0 0 1 ) 以分形理论为基础研究了粒状土 的结构模型；易顺l 毛( 1 9 9 4 ) 研究了冻土粒度分布的分形结构特征及意义；刘松玉 等( 1 9 9 3 ) 研究了我国特殊土粒度分布的分形结构；这些研究工作使分形理论在地 学研究中取得了很大的进展。尤其是分形理论为黄土粒度的研究提供了一条崭新 的途径。 本次研究中，即采用分形方法分析了黄土粒度的分形特征，在此基础上，研 究了黄土粒度分形与黄土的工程地质性质( 孔隙、湿陷性、结构、渗透、变形、 强度等) 之间的相关关系。进而与地形、地貌、水文等要素相结合，探讨了黄土 粒度分维在黄土地区公路自然区划中的应用。 1 2 5 黄土地区公路自然区划现状 我国公路自然区划研究相对滞后和薄弱，国内外的研究资料、成果和报导很 少。交通部在道路气候分区研究的基础上，参考和借鉴综合自然区划与其他部门 自然区划经验和成果，于1 9 8 6 年颁布了公路自然区划标准( 以下简称标准) 。 ( 1 ) 公路自然分区 现行公路自然区划标准将全国的公路自然区划分为三个等级，一级区划分为 多年冻土、季节冻土和全年不冻土三大地带，再根据水热平衡和地理位置，划分 为冻土、湿润、干湿过渡、湿热、潮暖、干旱和高寒七个大区。二级区划是在 一级区划的基础上以潮湿系数为主进一步划分为3 3 个二级区和1 9 个副区( 亚区) ， 共有5 2 个二级自然区。三级区划是在二级区划内划分更低一级的区域或类型单 元。现行国家标准仅规定了一、二级区划，三级区划由各地按有关规定自行划分。 甘肃省地处我国中部，与其它各省相比，省内各区域地理、气候、地貌等特 征较为复杂，全国七个一级区划，甘肃境内包含四个： ：黄土高原干湿过渡带 v ：西南潮湿带 ：西北干旱区 9 工程碗学位论文 甘肃黄土粒度特征爰在2 路自然医划中的应用 ：青藏高寒区 全国3 3 个二级区和1 9 个副区( 亚区) ，甘肃境内包含6 个二级区和1 个副区： z ：陕北典型黄土高原中冻区 2 。：榆林副区 3 ：甘东黄土山地区 v l ：秦巴山地湿润区 2 ：绿洲荒漠区 ，：祁连昆仑山地区 ，：河源山原苹旬区 在全国公路自然区划中将六盘山以东、环县以南的平凉、庆阳两地区的各县 划为i 2 区；将环县北部地区划为2 。区；将中部干旱地区定西、临夏两地区，兰 州、白银两市所属各县，天水市渭河以北的各县划为3 区( 图1 _ 1 ) 。 圈1 - 1 中目七个一缓区划图 ( 2 ) 甘肃省黄土地区公路三级自然区划研究 由于二级区划所涵盖的区域较大，不能充分反映筑路条件明显不同的各个地 方公路工程筑路特点。谌文武等在二级公路自然区划基础上，参考地貌因素、土 工程硕士学位论文甘肃黄土粒度特征及在公路自然区划中的应用 质因素、水文因素及黄土的湿陷性和其它物理力学性质因素，将甘肃黄土地区两 个二级自然区划及一个二级副区细分为1 3 个三级区( 图1 2 ) 。 1 3 研究内容及工作量 1 3 1 主要研究内容 ( 1 ) 原状黄土和击实黄土的物理力学性质研究 在甘肃省公路一、二级自然区划的基础上，沿已建、在建和拟建的国道、省 道等主要公路干线，采取典型黄土试样，进行原状土的基本物性指标测试、水理 性质、湿陷试验、渗透试验、压缩试验。同时，与原状样平行进行扰动土的压实 试验，测试压实黄土的基本物理性质以及压缩系数、压缩模量、承载力、抗剪强 度等力学指标，并进行微观结构、比表面积、微结构测试研究。 ( 2 ) 黄土粒度分析 通过筛分析法和静水沉淀法对所采的黄土样品进行粒度分析，然后对其中部 分黄土样品采用美国m i c r o m e r i t i c s 公司生产的s e d i g r a p h 一5 1 0 0 型粒度分析仪，其 测量范围为0 1 0 0 0 1 m a ，进行高精度的黄土粒度分析，研究黄土的粒度分布特征， 探讨黄土粒度单峰和多峰分布对黄土工程地质性质的影响。 ( 3 ) 黄土粒度分维及在公路自然区划中的应用研究 以分形理论为指导，对黄土粒度分析结果进行分维值计算。在此基础上，分 析不同区域黄土的粒度分维特征，进而研究黄土粒度分维与黄土沉积环境、工程 地质性质之间的关系。依据黄土粒度分维特征和沉积环境、工程地质性质之间的 相关关系，探讨粒度分维在黄土地区公路自然区划中的应用。 1 3 2 完成的工作量 研究中完成的实物工作量如表1 - 1 ： 工程硕士学位论文 甘肃黄土粒度特征及在公路自然区划中的应用 表1 - 1 黄土工程地质特性与粒度分析研究实物工作量 序号工作项目单位工作量 甘肃黄土地区黄土样品采集 1原状样组1 2 4 2 扰动样 组1 2 4 原状黄土样品实验 干密度、含水率、孔隙比 组1 2 4 湿陷试验组 1 2 4 渗透系数组 1 2 压缩试验组 1 2 4 剪切试验组 1 2 4 黄土压实实验 最优含水率试验组4 9 6 压实土基本物理性质组 4 9 6 压实土力学性质组4 9 6 微观结构研究组4 四 粒度分析实验 黄土颗粒分析实验( 筛分法、静水沉降法)组 8 3 s e d i g r a p h 一5 1 0 0 型粒度分析仪测试 组1 2 1 4 技术路线 本研究紧密结合黄土地区公路工程的特点，应用目前已经成熟的黄土基础理 论研究成果、土工实验方法、先进的粒度分析设备和微结构测试技术，通过理论 分析、室内试验( 黄土物理力学性质、粒度测试、黄土压实、压实黄土的物理力 学性质测试、微结构测试等) ，研究原状黄土和压实黄土的物理力学和水理性质。 以分形理论为指导，研究甘肃不同区域黄土的粒度分维特征，结合原状黄土和压 实黄土的物理力学性质，分析黄土粒度分维与物理力学指标之间的相互关系。在 此基础上，探讨黄土粒度分维作为黄土地区公路自然区划指标的可行性，以及粒 度分维在黄土地区公路自然区划中的应用。 技术路线如图1 3 所示。 工程硕士学位论文甘肃黄土粒度特征及在公路自然区划中的应用 1 5 主要成果与创新点 ( 1 ) 通过筛分析与密度计法联合分析法以及筛分析法与s e d i g r a p h 5 1 0 0 型粒 度分析仪联合分析法，对所采的黄土样品进行系统的粒度测试，测试结果显示黄 土粒度分布频率曲线具有单峰和多峰两种分布曲线形式。探讨了黄土粒度单峰和 多峰分布对黄土工程地质性质的影响。 ( 2 ) 以分形理论为指导，对黄土粒度测试结果进行分维值计算。分析了黄土 的粒度分维的区域性规律，结合黄土工程地质性质、比表面积与孔隙测试，研究 了黄土粒度分维与黄土沉积环境、工程地质性质之间的关系。探讨了黄土粒度分 维作为公路自然区划指标的可行性。认为黄土粒度分维值可作为黄土地区公路自 然区划的指标，并具有直观、简便、定量化程度较高的特点。 1 4 工程硕士学位论文甘肃黄土粒度特征及在公路自然区划中的应用 2 黄土的物理力学性质 黄土在中国广泛分布，黄土土质疏松均匀，孔隙发育，具有垂直节理，渗透 性强，易崩塌、沉陷等特征。但由于分布、成因、气候等因素的差异，导致不同 地区黄土的物理力学性质差异较大。甘肃省黄土主要分布在黄河中游地带，其特 殊的地理、气候、地貌条件决定了它的物理力学性质同山西、陕西、青海、宁夏、 河南等省的黄土性质差异较大( 表2 1 ) 。 表2 - 1 不同地区黄土粒度成分( 冯连昌等) 颗粒含量( )盐分 地区 0 0 5 m mo 0 5 - 0 0 0 5 m m 0 0 7 5 r a m 者，一般在o 1 8 0 2 ，平均值为o 1 9 ：0 0 7 5 0 0 0 5 m m 者，一般在 8 0 3 9 8 8 9 8 ，平均值为8 4 6 8 5 ；粒径 0 0 7 5 r a m 者，一般在 0 0 9 2 5 ，平均值为0 8 2 ；o 0 7 5 0 0 0 5 m m 者，一般在7 7 6 9 8 4 4 7 ，平 均值为8 1 9 1 3 ；粒径 o 0 7 5 t u r n 者，一般在 0 1 3 0 5 5 ，平均值为0 3 0 6 ；0 0 7 5 0 0 0 5 m m 者，一般在7 8 4 1 9 0 2 8