（地质工程专业论文）兰州地区黄土力学性质研究及应用.pdf

兰州地区黄土力学性质研究及应用 摘要 兰州地区位于甘肃省中部，属于中国黄土高原的西部，这里黄土发育 最好，地层全、厚度大、分布连续、沟壑纵横，塬、梁、峁、涧等典型的 黄土地貌非常发育，是全国乃至全世界地质自然灾害最严重的地区之一。 本文对兰州地区不同时代、不同区域的黄土样品进行了力学性质的专 项研究与测试。应用室内直接剪切试验、三轴试验、环剪试验及原位大剪 试验等方法，对不同黄土样品进行了不同应力一应变状态下的力学性质测 试；同时研究了黄土力学性质的各向异性、水敏感性及黄土的长期强度等 特性，获得了大量的黄土力学性质参数。对黄土水理性质的研究，系统总 结了黄土水理性质的基本规律，根据不同含水状态下黄土抗剪强度测试结 果，得出黄土蠕变界限含水量的特征指标参数，对研究黄土的剪切应变机 制和抗剪强度特征等具有重要意义。 黄土抗剪强度综合试验结果表明，不同成因时代黄土抗剪强度特征具 有明显的差异性，不同测试方法获取的黄土抗剪强度结果也各不相同，根 据黄土应力状态及所处地质环境条件合理选取试验方法具有重要的工程实 践和理论研究意义；黄土的含水状态决定黄土抗剪强度及其破坏类型，不 同含水状态条件下黄土力学性质及应力应变特征迥异；黄土水敏感性强， 其抗剪强度的大小与土体含水量高低密切相关。并结合部分地质灾害防治 的工程实例，对黄土力学性质在滑坡稳定性评价、滑坡变形分析以及滑坡 防治工程等工程实践中的应用进行了研究。 关键词：兰州地区；黄土；力学性质；抗剪强度；应力应变 兰州土学2 0 0 5 届硕士牛土论文 兰州地区黄土力学性质研究及应用 a b s t r a c t l a n z h o ua r e ai si o c a t e di nt h em i d d l eo fg a n s up r o v i n c ea n d b e l o n g st ot h ew e s t e r nl o e s sp l a t e a uo fc h i n aw h e r ed e v e l o p st h e b e s t l o e s s ，c o m p l e t es t r a t u m ，g r e a t t h i c k n e s s ，s u s t a i n a b l e d i s t r i b u t i o na n da l lk i n d so ft h e t y p i c a l l o e s s g e o m o r p h o l o g y d o v 6 1 0 p sb e t t e ri nt h i sa r e a , w h i c h i so n eo ft h er e g i o ni nc h i n ae v e n i nt h ew h o l ew o r l dw h e r es u f f e rt h em o s ts e r i o u s g e o l o g i c a l h a z a r d s i nt h i s p a p e r , m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o fl o e s s s a m p l e s i n d i f f e r e n tt i m e s a n d r e g i o n s o fl a n z h o ua r e ah a db e e nt e s t e d s p e c i a l l yb yd i f f e r e n tm e t h o d ss u c ha sd i r e c ts h e a r i n gt e s t ，t r i a x i a l t e s t ，r i n gs h e a r i n g t e s ta n d o r i g i n a lb i gs h e a r i n gt e s te t c m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o fl o e s sh a db e e nt e s t e db yd i f f e r e n tm e t h o d sb o t hi n t h ef i e l da n dl a b o r a t o r y a tt h es a _ r f i et i m e , t h ea n i s o t r o p i s mo fl o e s s m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，m o i s t e n i n gp r o p e r t i e sa n dl o n g - t e r ms t r e n g t h h a d b e e nt e s t e d l o t so fp a r a m e t e ro nt h el o e s s m e c h a n i c a l p r o p e r t i e sh a dg a i n e d t o o d r a wt h eb a s i cr u l e so f t h el o e s sm o i s t u r e p r o p e r t i e sb ys y s t e m a t i c a l l ya n a l y z i n g a c c o r d i n g t ot h et e s tr e s u l t o fl o e s ss h e a r i n gs t r e n g t hi nd i f f e r e n tm o i s t u r es t a t e ，e d u c e dt h e c h a r a c t e ri n d e x p a r a m e t e r o fl o e s s w r i g g l e c h a n g i n g l i m i t n e s s m o i s t u r e ，i th a sv i t a li m p o r t a n tf o rs t u d y i n g t h el o e s ss h e a r i n gs t r a i n 兰州土学嬲届硕士丰业论文 i i 兰州地区黄土力学性质研究及应用 a n d s h e a r i n gs t r e n g t h t h el o e s ss h e a r i n gs t r e n g t hs y n t h e t i c a lt e s tr e s u l ts h o w e dt h a t t h ed i f f e r e n t p e r i o d l o e s sh a dh a dd i f f e r e n t s h e a r i n gs t r e n g t h ， d i f f e r e n tt e s tm o t h e d sh a dg a i n e dd i f f e r e n ts h e a r i n gs t r e n g t hr e s u l t t o o t h u si th a si m p o r t a n te n g i n e e r i n gp r a c t i c a l a n dt h e o r e t i c a l m e a n i n gt h r o u g ha p t l yc h o o s i n g t e s tm o t h e d sa c c o r d i n gt ot h el o e s s s t r e s ss t a t ea n dt h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n t h el o e s sm o i s t u r es t a t e d e c i d e st h eb r e a k a g et y p ea n di t ss h e a r i n gs t r e n g t h t h el o e s s m e c h a n i c a lp r o p e r t i e ss h o w sd i s s i m i l a ru n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o no f m o i s t u r es t a t e t h en a t u r eo f l o e s sm o i s t u r ek e e n n e s si ss t a n do u t s h e a r i n gs t r e n g t ha n di t s m o i s t u r eq u a n t i t yc o r r e l a t e sn e a r l y t h e p a p e rr e s e a r c h e s t h ea p p l i c a t i o no fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s f o rt h e e v a l u a t i o no fs l o p es t a b i l i t y , a n a l y s e so fs l o p ed i s t o r t i o na n ds l o p e c u r i n ge t c b yc o m b i n e sp a r t i a lg e o l o g i c a l d i s a s t e rc u r i n ge x a m p l e o f e n g i f i e e r i n g k e yw o r d s ：l a n z h o ua r e a ；l o e s s ；m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ； s h e a r i n gs t r e n g t h ：s t r a i n & s t r e s s 王州土学笏届硬士丰土论文 i l l 原创性声明 y 。7 3 1 6 5 9 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：j 抖日 期：迦2 兰! 三： 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：辑导师签名： 鹈汤 e t 期：坦竺 兰州地区黄土力学性质研究及应用 第1 章绪论 第一节黄土概述 1地球上黄土的成因及其分布 黄土是干旱半干旱气候条件下形成的第四纪沉积物。黄土整体上呈桔 黄、灰黄、褐黄色，以粉土为主，粗粉粒含量较高，含粉细砂与粘粒，颗 粒级配均匀，可溶盐含量较高，富含碳酸钙成分。自西向东，黄土的粒度 成分逐渐变细。黄土一系列内部物质成分和外部形态特征，在地理分布上 具有一定的规律。研究黄土最早是以研究黄土的成因问题开始的。基于 黄土的上述特征，国内、外众多学者提出了黄土成因的风成学说。在黄土 成因风成学说的基础上，以张宗祜、刘东生等为代表的中国学者，先后提 出了黄土多成因学说，建立了原生黄土和次生黄土的基本理论，进一步完 善了黄土的成因学说，在此基础上对次生黄土的成因及其地质环境进行了 系统研究。经过百余年的探索，目前，黄土的成因主要集中到风成和水成 上，一般认为，黄土的沉积以风为第一搬运营力，形成原生黄土，部分原 生黄土又以水为第二搬运营力，形成次生黄土。 黄土和黄土状土覆盖着全球大陆面积的9 3 以上，总面积约1 3 0 0 万 k m 2 ，它广泛地分布于南美洲和北美洲；特别是在北美洲的密西西比河和密 苏里河流域有广泛分布；在新西兰、澳大利亚、法国的北部和东部、中欧 中部以及阿尔卑斯山麓和多瑙河流域的低地均分布有黄土和黄土状亚粘 土；在东欧平原，从波兰到伏尔加河流域都有黄土分布；最典型的黄土则 分布在中i n , p , 部的广大地区以及蒙古和印度北部等地，中国分布面积之广、 厚度之大，堪称世界之最。1 。 2中国黄土的分布 中国黄土的分布面积约为6 4 万k 砰，占国土面积的6 6 。在黄河上中 游地区，西起贺兰山，东到太行山，北起长城，南到秦岭几乎全部都被黄 土覆盖，这里黄土发育最好，地层全、厚度大、分布连续，是我国黄土主 要分布地区“。中国黄土连续分布面积达“万k m 2 ，主要分布在甘肃省中 兰州土学嬲届嘎士丰皇论文 兰州地区黄土力学性质研究及应用 部和东部、宁夏南部、陕西省中部和西北部、山西与河南省及山东省西部 等地区，是世界上黄土沉积最广阔的地区。中国西北部黄土沉积厚度大， 沟壑纵横，塬、梁、峁、涧等特殊类型的地貌发育，是全国乃至全世界地 质自然灾害和水土流失最严重的地区之一。 第二节研究区( 兰州地区) 的概况 1 、研究区的选定 兰州地区位于甘肃省中部，按行政区划包括三县两区，总面积为 1 3 0 8 5 k m 2 ，总人口为3 1 0 万，属于黄土高原的西缘。区内大部分被黄土所 覆盖，而且沉积巨厚、沉积层序完整，各种黄土地貌特征在该地区发育完 全，具有黄土高原的典型代表性，因此研究价值较高。兰州地区为甘肃省 的政治经济和文化中心，随着经济发展和各种基础设施的建设，同时伴随 着人口的增加，区内人类活动的程度空前加剧，与山坡、河流、沟谷争地 等现象日趋严重，挖山填沟、毁林造田、提水漫灌、拓荒垦地以及各种工 程设施建设等人为活动引起了自然环境的逐步恶化，致使区内各种滑坡、 坍塌、泥石流等地质灾害发生的频度和危害程度不断加剧。因此研究兰州 地区黄土的力学性质，了解黄土的固有特性，掌握黄土灾害发生的机理， 为黄土灾害的防治提供关键参数。同时兰州地区黄土的典型性也为进一步 研究中国黄土的力学性质以及灾害治理提供借鉴和参考。 2 、兰州地区黄土的特点及研究状况 兰州地区黄土最大沉积厚度逾2 0 0 m ，部分地方厚度甚至达3 0 0 米以 上，黄土沉积巨厚，地层层序完整，沟壑纵横，塬、梁、峁、涧等特殊类 型的地貌发育，具较高的科学研究价值；兰州地区又是甘肃省经济发展的 中心，黄土和人们的生活密切相关；经济的发展对黄土生态环境的破坏使 得黄土灾害频繁发生，水土流失严重，极大地影响了本地区的社会经济发 展。二十世纪初期以来，世界各国学者对中国黄土，尤其是中国西北地区 的黄土进行了多次较全面、系统的研究。二十世纪五十年代至二十世纪末 期近的五十年中，中国与欧美学者对中国西北部地区的黄土进行了多次综 合研究，在黄土成因、基本性质、地貌特征、地层层序、沉积环境、古生 王州土学嬲届埙士丰土论文 兰州地区黄土力学性质研究及应用 物学及黄土工程地质性质等方面的研究取得了较大迸展，揭示了黄土的基 本性质。长期以来我国黄土学研究水平较高，处于本研究领域的世界领先 地位。黄土学的综合研究同时也带动了我国第四纪地质与地貌学的研究工 作，为黄土力学性质的研究奠定了基础【5 1 。 3 、兰州地区的气候条件 兰州地区位于甘肃省中部，黄河从其中穿越而过，该区海拔1 5 0 0 20 0 0 m ，大部分为黄土丘陵沟壑地貌，属温带半干旱气候，年均气温1 0 1 ， 年均降水量3 2 4 9i n l n ，最高达6 0 0 m m ，多集中在7 9 月，占全年降水5 4 ， 年蒸发量1 4 6 8 m m 。由于特殊的自然地理环境，该地区黄土沉积速率较快， 其周围有巨厚层的第四纪黄土堆积，是中国季风气候和全球变化的敏感区 之一。本区位于青藏高原气候、内蒙温带半千旱气候和华北暖温带半湿润 气候三者交界地带，光、热资源丰富，降水少，干旱严重。气温日交差1 3 1 5 v 绝对最低气温一2 3 1 0 ，绝对最高气温3 9 1 。 4 、兰州地区黄土自然灾害现状 兰州地区位于黄土高原的西缘，广泛被覆着厚度巨大的黄土，颗粒 粗、结构疏松、抗冲刷能力差，在地表径流的作用下，极易产生水土流失。 区内山高坡陡，沟壑纵横，地质条件复杂，黄土最大沉积厚度达3 3 0m ， 是中国乃至世界上滑坡、泥石流最严重的地区之一，也是国内少有的受地 质自然灾害困扰的省会城市。在世界大城市中仅次于秘鲁的凡斯卡兰、危 地马拉和哈萨克斯坦的阿拉木图，名列第4 位。仅兰州市环城就分布着不 同规模的泥石流沟道9 0 余条，大、中型滑坡2 1 0 余个，以及规模不等的塌 滑灾害每年都造成严重的人身伤亡和财产损失。随着城市现代化进程的加 快，城市范围不断扩大，各种黄土灾害的潜在威胁和造成的损失将越来越 大，严重制约了城市的经济发展和社会进步，成为兰州市可持续发展中， 必须重点解决的环境地质灾害问题。 5兰州地区的社会经济状况 兰州是一座具有1 4 0 0 年悠久历史的城市，是甘肃省的政治、经济、文 化中心和中国西部重要的工业和交通枢纽。兰州市解放初期仅有人口1 7 王州太学j 耢届硕士牛宴论文 兰州地区黄土力学性质研究及应用 万，城区面积1 6 k m 2 ，主要居住于黄河i 、级阶地上。目前兰州已发展到 三县五区，总人口达3 0 0 余万、总面积达1 3 d 8 5 k m 2 ；市区人口达2 0 0 万， 面积2 2 0k m 2 。由于兰州展布于串珠状黄河谷地中，受南北两山地形的限制， 开阔平坦的河谷地带已成为人口密集区，建筑密度远大于国内同类城市； 同时由于兰州外围土地贫瘠、经济落后、中心城市的辐射功能较难发挥、 外扩动力不足、沿环山坡脚地带的地缘优势等因素，因而，各类建筑进沟 上山已成为目前乃至今后一段时间内很难改变的局面。 第三节国内外对黄土工程力学性质的研究进展 国际上对于黄土的研究先后经历了地理学研究、工程地质学研究和多 学科专项研究等发展阶段。国内以杨钟健、张伯声、张宗祜、刘东生、王 永炎、孙广忠等学者，国外以俄罗斯i o m 阿别列夫、美国庞培利 ( r p u r a p c h y ) 、英国e d 德比希尔( e d v c a r dd e r b y s h i r e ) 等为代表的学者对 黄土的成因、沉积年代、沉积环境、工程地质性质等进行了系统研究，揭 示了黄土这一特殊地质体的基本性质。 由于黄土是在特定环境条件下的产物，除了具有土的一般性状外，也 具有自身独特的性质。过去人类对其缺乏足够的认识，盲目开发利用，使 黄土地区的生态环境遭受严重破坏，以致自然环境恶化，各种灾害如滑坡、 崩塌、泥石流、水土流失等频繁发生，且愈演愈烈。在种种深刻的经验教 训面前，人们开始认识黄土。岩土工程专家、地学专家等结合具体工程 建设，选择代表性剖面对黄土的物理力学性质从宏观到微观展开了深入系 统的研究。在此基础上，对滑坡的分布、滑坡的成因及边坡稳定分析方法 和预防措施等进行研究，均取得了一定成果。中国从建国初期即对黄土展 开了全面系统的研究。为了适应大规模经济建设的需要，5 0 年代到6 0 年 代的十余年，中国学者对兰州、西安、太原、洛阳等地的湿陷性黄土的工 程性质开展从室内到现场的大量试验研究，取得了初步的研究成果，认识 并掌握了黄土的基本特性及其空间分布规律。六十年代以后，在进行塬边、 河谷地区工程勘测及崩塌、滑坡等工程事故处理中，发现了新近堆积黄土， 并系统研究其工程性质，探寻出其性质与q 。黄土的异同。随着经济的发展， 王州土学嬲届硕士牛业论文 兰州地区黄土力学性质研究及应用 工程规模的不断扩大，黄土研究不断往深层发展，从q ，到q 2 甚至到q 。， 铘不同程度地进行了试验研究。如西北电力设计院等单位结合蒲城电厂的 地基评价，对渭北黄土台塬的厚层q ，黄土( 厚为6 0 m ) 进行了大规模的室内 到现场的实验研究；兰州西北水电设计院对九洲台剖面老黄土q 。的工程力 学性质作了较全面的研究，对兰州地区从q 广_ q 。不同层位的黄土开展了从 室内到现场的大规模试验研究，为深层黄土的系统全面研究奠定了基础。 在广泛开展黄土宏观研究( 即黄土地貌、地层划分及工程性质等) 的 同时，黄土的结构特征也得到了重视和研究。孙广忠、文启孝( 1 9 6 3 ) 、张 宗祜( 1 9 5 9 ) 、苏联义( 1 9 5 9 ) 等都先后开展了黄土类沉积物的颗粒粒度成分 的分析研究。张宗祜等( 1 9 5 9 ) 对甘肃陇东地区黄土类土的显微结构在偏光 显微镜下作了初步观察分析，并注意到了黄土显微结构与工程性质的密切 关系。朱海之( 1 9 6 3 ) 、张宗祜( 1 9 6 4 ) 等为我国黄土的显微结构分类奠定了 初步基础。七十年代，许多学者又从研究黄土孔隙的形态大小和性质入手， 从不同角度提出了黄土孔隙的分类，并探讨了各类孔隙与黄土物理力学性 质的关系。八十年代以来，黄土研究工作不断深入，黄土显微结构、孔隙 结构及其对工程性质的影响的研究均取得了突破性进展。胡瑞林、王永炎、 雷样义、高国瑞等先后采用电子显微技术、压汞法测试技术研究了我国各 地区黄土的微结构特征、孔隙结构特征，认为骨架颗粒形态( 矿物颗粒接 触) 、连接形式( 胶结程度) 、排列方式( 孔隙特征) 是决定黄土工程性质的主 要结构特征，而又以后者最为重要。根据上述三方面特征的相互结合，将 黄土的微观结构进一步分类，并研究得出了微观结构类型、孔隙特征与黄 土湿陷性等工程性质的内在关系。这些研究成果把黄土的宏观工程性质与 微观结构特征有机地结合起来，为研究黄土工程性质的本质开辟了新的途 径 7 】口 同时，黄土的应力一应变关系及本构模型研究也取得新的成果。刘祖 典等先后提出了六种不同黄土的应力应变关系曲线，分别得到了黄土的 非线性弹性模型及弹塑性模型的本构方程”。并应用在黄土边坡稳定性分 析之中。李靖自八十年代以来，深入研究关中非饱和黄土的基质吸力与有 王州土学i 河届硕士羊_ 土论文 兰卅l 地区黄土力学性质研究及应用 效应力、基质吸力与其物理性质之间的关系、非饱和黄土的强度特性等， 获得了基质吸力与含水量、基质吸力与抗剪强度之间的定量关系。使含水 量与抗剪强度之间的关系由定性描述向定量分析迈进了一步。 第四节研究内容和目的 我国黄土沉积地区，特别是黄土高原地区是中华民族重要的发源地， 是我国西北部地区经济建设和生产、生活的重要载体。兰州地区的黄土沉 积广泛，黄土同人们生产和生活关系密切，其基本性质直接影响生态地质 环境，因此对该区黄土的力学性质进行研究在国民经济建设中具有重要意 义。区内环境地质条件与本地区的政治、经济、文化等活动息息相关。黄 土是黄土滑坡的主体，随着黄土滑坡成因、滑动机理、预测预报理论及防 灾减灾对策等基础和工程应用研究的不断发展，对黄土基本性质，特别是 力学性质的研究显得尤为重要。黄土滑坡的孕育、发展与滑动致灾是抗滑 力与下滑力两大力系相互消长、应力平衡不断演变的最终结果【9 】。对黄土 力学性质的研究是揭示黄土滑坡成因、滑动机理和运移特征的基础，是准 确预测预报黄土滑坡，特别是黄土滑坡临滑预报的关键，是黄土滑坡防灾、 减灾对策成功的基本保障。黄土力学性质的研究成果应用于基础工程、水 利工程、道路建设等领域将产生巨大的社会与经济效益，在我国的现代化 建设中发挥重要作用【l 。 因此本论文研究目的是： 1 采用直剪、环剪、三轴和原位剪切试验，对不同时代、不同状态的 黄土的抗剪强度进行测试，获取黄土力学性质的指标参数并加以系统地分 析，揭示黄土不同时代、不同状态下的力学性质。 2 黄土属于水敏感性地质体，对黄土的水理性质进行研究，揭示黄土 水理性质的基本规律，得出黄土蠕变的极限含水量等特征指标。 3 通过试验确定不同时代、不同试验条件下黄土的强度公式。 4 将黄土力学性质的研究结果用于黄土滑坡防治工程，在工程实践的 基础上探讨黄土力学性质在滑坡稳定性分析、滑坡变形分析以及滑坡防治 等工程中的应用。 王州文学嬲届嘎士丰生论文 兰州地区黄土力学性质研究及应用 第二章黄土的基本特征 第一节黄土的分类 经对山西、陕西、甘肃等地不同黄土剖面进行古生物学、古地磁学、 c 1 4 年代测定等综合研究，国内、外学者对中国黄土的地层年代进行了统一 划分。根据黄土形成的年代新老，将第四系黄土划分为全新世( q 。) 黄土、 晚更新世( q 3 ) 马兰黄土、中更新世( q 2 ) 离石黄土及早更新世( q 1 ) 午城黄土f 1 1 。 1 、全新世( q 4 ) 黄土 又称现代次生黄土，成因类型为冲洪积、坡残积及重力堆积的黄土状 土，厚度一般小于2 o o m ，局部地区次生黄土沉积厚度大于1 0 o o m 。在我 国西北部分地区全新世黄土底部分布有一层黑垆土层，黑垆土层一般厚 o 1 0 0 5 0 m ，呈黑灰、褐灰色。经土体沉积年代测试，全新世黄土形成于距 今约7 5 0 0 年以后。 2 、晚更新l ! i ( q 3 ”。) 马兰黄土 为风成黄土，厚度一般介于5 o o _ _ 3 0 o o m ，以甘肃中部沉积厚度最大， 该地层介于黑垆土与第一层古土壤之间，土体呈桔黄、浅灰黄色，疏松多 孔，垂直节理发育，质地均匀、含钙质结核，钙质及碳酸盐含量高，遇盐 酸时起泡。经对该地层中古生物遗迹对比研究及地层年代测试，晚更新世 黄土形成年代介于7 5 0 0 年一1 0 万年之间。 3 、d o 更新l ! i ( q 2 q 离石黄土 离石黄土风积特征明显，土体粒组成分类亚砂土一亚粘土，沉积厚度 巨大，一般介于5 0 - - 2 0 0 m ，含多层古土壤，质地较密实。根据对兰州皋兰 山、九洲台及西固大湾等地黄土剖面的研究，离石黄土中分布有1 8 2 1 层 古土壤和2 3 层粉砂质黄土，以离石黄土中部的“红三层”为界，将离石 黄土分为上离石黄土与下离石黄土两部分。经对离石黄土中古生物遗迹对 比研究及地层年代测试，确定离石黄土的形成年代介于1 0 一1 1 5 万年之间。 4 、早更新世( q 1 ”。) 午城黄土 为风积黄土，沉积厚度介于3 卜8 0 m ，质地致密，发育l o 一1 8 层古 王州土学 f 届硕士牛业论文 兰州地区黄土力学性质研究及应用 土壤，含有钙质结核层，局部里板条状、厚块状分布，钙板质地密实、坚 硬。根据地层古生物学研究及地层年代测试结果，早更新世午城黄土的形 成年代介于1 1 5 万2 4 0 万年之间。 根据黄土的成因、沉积年代、结构特征、沉积相交、古地理环境、古 土壤特征及黄土的物理、力学与水理性质等将黄土划分为新黄土与老黄土 两部分，般将全新统黄土( q 4 ) 与马兰黄土( q 3 酬) 及上部离石黄土( q 22 耐) 合 称为新黄土，将中更新统离石黄土下部( q 2 蛔1 ) 与下更新统午城黄土( q 1 酬) 合称为老黄土。 第二节黄土物理性质 黄土是一种特殊性土体，黄土的成因、沉积环境、土体结构等诸多因 素决定了黄土物理性质的基本特征。黄土结构相对均匀、颗粒级配良好， 地层层序完整，其物理性质地域特征和垂直差异性大，黄土物理性质与土 体的空间分布密切相关，呈明显的规律性【2 】。 黄土的物理力学性质常随其形成时代、地区表现出一定的差异。般 新近堆积黄土( q 4 ) 的干密度较小，孔隙比较大，压缩变形大，渗透性强， 干燥状态具有一定的结构强度，浸水饱和后结构破坏，凝聚力迅速减小， 且变化幅度大，里较强的湿陷性：晚更新世黄土( q 3 ) 的物理力学性质相似 于新近堆积黄土，它们的结构强度均偏低易变，有较强的湿陷性；中更新 世黄土( q 2 ) 是黄土地层的主体，由黄土、古土壤层和钙质结核层相间组成， 质地比较密实，密度大、压缩性和渗透性均较小，无湿陷性或在高应力下 具有较微湿陷性，是良好的地基持力层；早更新世黄土( q 1 ) 地层较薄，较 之中更新世黄土更密实，强度大，压缩性小，无湿陷性，透水性小等1 。 1 、黄土粒度成分 黄土的粒度成分主要由粉土粒组、砂土粒组与粘土粒组三种基本粒组 组成。砂土粒组主要为粉、细砂土，含量一般介于1 0 一2 5 ；粉土含量相 对较高，含量一般介于4 0 一_ 6 5 ，以粗粒粉土为主；黄土中粘土粒组含量 区域性变化相对较大，一般含量介于5 3 0 。古土壤中粘粒组含量较高， 老黄土中的古土壤层粘粒组含量可达5 5 。黄土( 古土壤层除外) 属粉土质 王州j 之学8 瞪届碛士牛皇论文 兰州地区黄土力学性质研究及应用 土，颗粒级配良好【”。 不同成因时代的黄土粒度成分具有明显区别，新黄土中砂土含量明显 偏高，老黄土中砂土含量明显偏低；新黄土粘粒含量远低于老黄土中粘粒 的含量；新黄土( 上离石黄土、马兰黄土、全新统黄土) 与老黄土( 午城黄土、 下离石黄土) 粉土含量比较接近。表2 1 为我国西北部黄土粒组含量统计结 果。 表2 1中国西北地区黄土粒组成分 粒径大小( m m ) 黄土类型 o 0 5 ( m m )0 0 5 - 0 0 1 ( r a m )0 0 1 - 0 0 0 5 ( m m 、 0 0 0 5 ( m m ) 含量 ) 马兰黄土 1 3 - 36 l 。57 。61 7 6 上离石黄土 1 1 95 9 _ 38 62 0 2 下离石黄土 1 0 55 6 86 92 5 8 + 午城黄土 7 95 6 19 82 6 2 2 、黄土天然含水状态 黄土的天然含水状态受地理位置、区域年平均降水量、沉积年代及沉 积环境等多种因素的影响。黄土天然含水量与区内的环境地质条件等因素 密切相关，一般条件下，由西北至东南方向中国黄土的天然含水量逐渐增 大。黄土天然含水量和区域年平均降水量及地区潮湿度的关系如式( 2 1 ) 、 ( 2 2 ) 所示【2 a w = 5 o o + 1 2 5 l g p ( 2 - 1 ) w = 2 1 8 m + 3 0 ( 2 2 ) ( 2 - 1 ) 、( 2 - 2 ) 式中：k 黄土的天然含水量，单位：； p 一区域多年平均降水量，单位：m m ； m 一区域潮湿度。 不同时代黄土的埋藏条件、粒组成分各不相同，其含水状态存在着明 显差异。根据不同地区、不同成因和时代的黄土含水量统计分析结果，黄 土天然含水量与沉积年代的关系如( 2 3 ) 式所示。 王州土学a 自箔届_ 埙士导业论文 兰州地区黄土力学性质研究及应用 w = 2 3 5 l n y + 6 6 2 5 【2 3 ) ( 2 3 1 式中：y 一黄土的沉积年代，单位：万年。 3 、黄土重度 黄土的重度在不同层位、区域、地貌单元存在着较大的差异。新黄土 的重度值一般为1 3 7 8 士0 9 6 k n m 3 ；离石黄土的重度值一般为 1 5 6 5 士2 0 5 k n m 3 ；午城黄土的重度值一般为1 7 1 8 士1 6 3 k n m 3 ；古土壤的重 度值明显偏高，其变化范围在1 7 6 2 士2 5 2 k n m 3 之间。黄土的重度值随着土 体埋藏深度的增加而增大，老黄土的重度明显大于新黄土的重度，随着土 体埋藏深度的增大新黄土的重度值增加幅度明显大于老黄土的重度值增加 幅度。如式( 2 4 ) 、( 2 5 ) 所示，马兰黄土的重度与干重度值随土体埋藏深度 的增加呈规律性变化。 t2 1 2 6 6 + 0 1 2 8 h ( 2 4 ) r d = 1 2 1 8 + 0 0 6 2 h( 2 5 ) ( 2 一j ) 、( 2 5 ) 式中：r 、r d 分别为马兰黄土的重度与干重度：单位：k n m 3 ； h 为马兰黄土土体埋藏深度，单位：m 。 4 、黄土比重 黄土的比重与黄土的年代密切相关，黄土中粘粒含量直接决定了黄土 比重值的大小。黄土的比重值一般介于2 6 4 2 8 1 t m 3 ，新黄土的比重平 均值为2 6 7 3 t m 3 ；离石黄土的比重平均值一般介于2 6 9 5 2 7 1 9 t m 3 ；午城 黄土的比重值一般介于2 7 3 8 2 8 0 0 t m 3 ；古土壤的比重值一般介于2 7 8 0 - - 2 8 1 5 铀3 。 黄土比重与黄土中粘粒含量的关系如式( 2 6 ) 所示： g s = 0 0 0 2 5 q c + 2 6 3 5( 2 7 - 6 ) f 2 - 6 1 式中：g s _ 黄土的比重，单位：t m 3 ： q c _ 一黄土中粘粒的百分含量，单位：。 5 、黄土孔隙率与孔隙比 黄土的孔隙率与孔隙比是黄土密实程度的标志，不同时代黄土孔隙率 的差异较大，最大绝对差值约l 6 。总体上讲，新黄土质地松疏，孔隙率较 王州土学c o o s 月t 嘎士丰 论文 兰州地区黄土力学性质研究及应用 大，一般介于5 6 - - 4 7 ，孔隙率平均值约为5 1 ；老黄土质地相对密实， 孔隙率相对较小，一般介于4 8 - - 3 8 ：孔隙率平均值约为4 4 ；不同时 代与沉积环境黄土层中古土壤的孔隙率变化范围最大，一般介于4 6 一3 2 ，平均值约4 0 。古土壤质地密实，孔隙率一般小于4 0 。 第三节黄土水理性质 黄土地区气候干燥，黄土沉积区降水量相对较小，蒸发强烈，土体沉 积年代较晚，成岩程度差，土质疏松多孔，因而风成黄土矿物成份中碳酸 盐等易溶盐含量较高，黄土具有独特水理性质，水敏感性强。 1 、黄土塑性 黄土的粒组成分、粘粒含量、土体天然含水量等因索影响黄土的塑性， 黄土中的秸粒含量是决定土体液、塑限值大小的主要因素，黄土中秸粒含 量越高，土体的液、塑限值越高。由于老黄土中粘粒组含量远大于新黄土 中粘粒组的含量，因而老黄土液、塑限值明显高于新黄土的液、塑限值( 见 表2 - 2 ) 。统计结果表明，黄土的液限w l 、塑限w p 与土体中粘粒含量q 。 呈类线性相关关系【1 2 】： w l 一0 3 1 5 q c + 2 3 0( 2 7 ) w p = 0 0 1 5 q c + 1 6 9 ( 2 8 ) ( 2 7 ) 、( 2 8 ) 式中：w l 、w p 及q 。为百分含量。 表2 - 2不同黄土的塑性值 塑性参数( )马兰黄土 上离石黄土下离石黄土离石黄土午城黄土 古土壤 液限w l 2 4 5 = k 262 67 4 - 3o2 8 5 1 3 2 76 ：t ：2 o2 8 8 ：1 ：4 43 3 6 i6 塑限w p 1 8 1 4 161 8 9 2 ，01 9 9 4 - 1 6 1 8 9 192 03 士2 62 1 8 - + - 2 9 塑性指数i p 7 6 l2 78 a ：2 ，48 0 2 47 9 4 258 9 4 4 51 2 ，5 3 6 2 、黄土的渗透性 不同成因、不同时代黄土的透水性存在着明显差异，黄土结构相对均 匀，以细粉粒组组分为主，土体透水性相对较差，新黄土的透水性是老黄 土透水性的数倍至数十倍。 王州大学嬲届硕士牛主论文 兰州地区黄土力学性质研究及应用 黄土透水性室内试验采用南5 5 型渗透仪，对不同成因、时代的黄土透 水性进行了测试；黄土透水性原位试验分别在兰州市皋兰山顶部、西固区 大湾与九洲台等地进行，主要对马兰黄土的透水性进行了原位测试，表2 3 为黄土样品透水性室内测试结果。试验结果同时表明采用不同的试验方法， 黄土的透水性试验结果迥异，马兰黄土渗透系数原位试验值是室内试验值 的数倍至十数倍。黄土的透水性存在着明显的各向异性，沉积时代越短， 其各向异性越明显。新黄土垂直渗透系数远大于水平渗透系数，老黄土的 垂直渗透系数远小于水平渗透系数。 表2 - 3黄土的渗透性 水平渗透系数k h垂直渗透系数凰有效渗透系数 时代 k v ，i ( b ( c m s )( e n g s )( c m ，s ) 马兰黄土 3 3 9 x l 矿4 4 1 9 x 1 0 45 5 7 5 1 0 _ 41 3 0 0 离石黄土 6 8 0 2 1 0 4 6 9 7 8 x 1 0 49 7 4 5 x1 0 51 0 2 6 午城黄土 6 8 9 3 x 1 0 45 3 9 3 x1 0 48 7 5 2 1 0 40 7 8 2 3 、黄土湿陷性 黄土的湿陷性与其成因、沉积年代密切相关，一般条件下新黄土湿陷 性较强，老黄土湿陷性微弱或不具湿陷性。马兰黄土属湿陷性与自重湿陷 性黄土；离石黄土除顶部土体稍具湿陷性外，一般属非湿陷性黄土：午城 黄土不具有湿陷性。黄土湿陷性试验结果同时表明采用不同的试验方法， 黄土的湿陷性试验结果迥异，马兰黄土湿陷性系数原位试验值是室内试验 值的数倍。马兰黄土湿陷性系数室内试验值一般介于o 0 5 o 2 5 之间，湿 陷性系数原位试验值一般介于0 | 2 0 _ 0 5 5 之间。马兰黄土的湿陷性受土体 天然含水状态及埋藏深度等因素的控制和影响。黄土湿陷性试验结果表明， 土体湿陷性具明显的地域性特征，中国西北部地区黄土的湿陷性明显大于 东南部地区黄土的湿陷性 1 3 【1 4 1 。 第四节黄土的力学性质 随着国民经济建设的发展，在工业与民用建筑及基础工程中，黄土地 层中的工程地质问题越来越多，造成了严重的经济损失。随着人类活动的 王州太学l 嘶届珏士丰业论文 兰州地区黄土力学性质研究及应用 加强，在人口繁居区诱发的黄土滑坡灾害，常造成巨大的人员、财产损失。 对黄土力学性质的研究已经成为黄土研究领域重要自彻究方向之一。黄土 抗剪强度与抗压强度是黄土力学性质的两个方面，黄土的抗剪强度是研究 黄土沉积区地质灾害形成机制与防治对策的关键，本文将对黄土的抗剪强 度进行重点研究。黄土的抗压强度主要研究黄土的承载力及压缩性指标等。 不同时代黄土的承载力明显不同，新黄土基本承载力值f kz - 般介于8 0 k p a 一1 3 0 k p a ；老黄土基本承载力值f k 一般介于1 2 0 k p a - - 2 0 0 k p a 。马兰黄土的 压缩系数一般介于o 3 5 0 6 0 ，属中压缩性一高压缩性土；离石黄土的压 缩系数一般介于o 2 0 o 4 5 ，属中压缩性土；午城黄土的压缩系数一般小 于o 2 0 ，属低压缩性土。由于新黄土位于地表，地基承载力低、压缩性强， 并具湿陷性，因此，新黄土的抗压强度是黄土抗压强度研究的重点。新黄 土固结特征，变形模量等具有其显著的特殊性1 1 5 1 。 黄土的抗剪强度是黄土力学强度的重要指标，是基础工程与灾害防治 工程的关键性指标参数值。1 7 7 6 年法国学者库伦( c o u l o m bc a ) 首次 提出了土的抗剪强度理论，1 9 3 6 年太沙基( t e r z a g h i ) 在总结了前人研究经验 的基础上，系统地提出了土体强度理论研究的内容和方法，奠定了土力学 研究的基础。自2 0 世纪6 0 年代以来，随着自动化测试水平的提高，对土 体抗剪强度的研究达到了一个新的水平，对土体应力一应变及其力学机制 的研究进一步深入。黄土的抗剪强度具有明显的特殊性，受应力、含水状 态、土体结构、边界条件等诸多因素的影响。对黄土应力一应变特征、抗 剪强度的各向异性及抗剪强度的时间效应的研究是揭示黄土抗剪强度基本 规律的重要途径【l “。 黄土抗剪强度测试方法可分为室内试验和原位测试两种。目前室内试 验中广泛使用的方法有直接剪切试验、环剪试验及三轴试验等。环剪试验 测力准确，试验条件严格，结果相对可靠，因而也得到越来越多的研究与 工程应用。由于环剪试验应变量较大，! j i 试结果更接近于实际，在灾害防 治工程中日益受到重视。黄土原位大面积剪切试验由于破坏面积大，应力 条件合理，试验过程中土体结构保持了原始状态，因而较好地模拟了土体 王州土学嬲届嘎士牛宴论文 兰卅i 地区黄土力学性质研究及应用 的破坏机理，。试验结果客观合理，在重要工程实践中经常采用。黄土力学 性质研壳结果表明，测试方法不同，获得的黄土抗剪强度指标参数存在着 一定的差异，在合理确定试验条件的基础上，根据不同的工程目的选用正 确的试验方法测试黄土的抗剪强度，对确保灾害防治工程的稳定，节约工 程投资，降低工程造价，获得技术和经济合理的工程效果具重要意义【1 7 】。 兰州土学嬲届碛士丰生论文 兰州地区黄土力学性质研究及应用 第三章黄土抗剪强度试验室测试 第一节黄土抗剪强度直接剪切试验 直接剪切试验根据测试仪器和试验条件，可分为应力盒式剪切试验和 应变盒式剪切试验两种基本类型。应变盒式剪切试验通过控制试验过程中 一定时间内试样产生的变形量，测定不同变形状态下的应力，可获得相当 精确的土体峰值与终值抗剪强度值，获取土体破坏过程中的应力一应变相 关关系。应变盒式剪切仪根据其驱动系统、测力系统的特征分为手动、半 自动与自动式三种基本类型。手动式应变盒剪切仪水平推动及应变不均匀， 测力系统误差较大，目前已经很少使用。半自动与自动式应变盒式剪切仪 由于操作使用方便，剪切速率可控性强，测力系统自动化程度较高，试验 过程曲线完整，测试结果相对准确，因而得到了广泛的应用。 根据兰州地区黄土的特点，先后在兰州市皋兰山、九州台，兰州市西 固区大湾、漫坡头、梁家湾、牟家台等十余处进行了勘测、取样。其中皋 兰山、九州台、大湾属黄河v 级阶地，漫坡头、梁家湾属黄河级阶地， 牟家台属黄河m 级阶地。大湾黄土总厚度2 9 5 米，取样2 6 组，皋兰山黄土 总厚度2 9 8 米，取样2 8 组，漫坡头黄土总厚度2 0 5 米，取样1 8 组，在梁 家湾、牟家台等地共取样8 3 组，在以上各剖面处共取不同时代的黄土原状 样品1 5 5 组，对不同时代的黄土样品进行了室内直接剪切试验。 1 、马兰黄土抗剪强度 由于马兰黄土位于地表，上覆土体自重压力相对较小，土体处于欠固 结状态，试验中重