（地质工程专业论文）关中地区某场地自重湿陷性黄土的试验研究.pdf

摘要 随着近年来我国国民经济的发展和西部大开发战略的实施，关中地区逐渐成为陕西 省的发展中心，乃至整个西北地区的经济中心，在这一地区进行的工程建设数量越来越 多，规模也越来越大。该区位于我国湿陷性黄土工程地质分区中的i i i 区，黄土的湿陷程 度从轻微到强烈都有，性质复杂，进行各种工程建设时不可避免要遇到黄土地基的湿陷 变形问题。为了确保工程建设的安全和经济合理，为地基处理提供更多依据和实用的针 对性措施，需要进行针对自重湿陷性黄土工程性质的室内试验研究和现场湿陷性试验研 究。 本文从工程实际需要出发，结合室内试验和现场试坑浸水试验，研究关中地区自重 湿陷性黄土的湿陷性。室内试验包括粒度成分试验和增湿减湿试验。粒度成分试验确定 各粒级含量随深度的变化规律，以及粘粒含量中r ( o 0 0 5 m m 粒级重量百分比含量) 和 s ( 0 0 0 2 m m 粒级重量百分比含量) 与湿陷系数的关系；增湿减湿试验得到不同深度、 不同含水量土样在2 5 k p a 至5 0 0 k p a 压力范围内的p 6 。曲线和8 。曲线，分析研究 这两种曲线可以得到结论：随着含水量的增大，峰值湿陷系数和峰值湿陷压力都降低， 湿陷起始压力增大；随着深度的增加，峰值湿陷压力和湿陷起始压力增大，峰值湿陷系 数减小；湿陷起始压力并不随自重压力的变化而变化。针对得到的p 6 。曲线，本文进 行了全曲线和分阶段曲线的数值拟合。现场试坑浸水试验测定的项目包括注水量，每天 土体的沉降量，试坑周围的裂缝等。通过对现场试验数据的分析文中得到注水量随时间 的变化特征，裂缝的发生发展规律，累计沉降量和湿陷速率随时间的变化特征等。试验 确定的场地黄土的自重湿陷敏感性为很强，最后将现场试验的结果与室内试验的结果进 行对比得到结论：实测和计算得到的自重湿陷下限都为2 2 o m ，实测自重湿陷量都大于 计算自重湿陷量，前者约为后者的1 0 - 1 9 7 ；实测o 为0 9 8 - - - 1 7 7 ，平均值1 7 0 。 文中提出的增湿减湿p 8s 曲线的数值拟合公式，在理论研究方面有新的进展； 现场试验得到的各个规律在实际工程经验方面是很大丰富，具有较好的工程实际应用价 值；室内试验与现场试验的结果相结合，对比研究两者测得的结果的不同，提出针对本 次试验研究场地的o ，为相关设计提供了参数。 关键词：自重湿陷性黄土，增湿湿陷，减湿湿陷，试坑浸水试验 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m ya n dt h ea c c o m p l i s h m e n to ft h es t r a t e g yo f w e s te x p l o i t i n gi nr e c e n ty e a r s ，t h eg u a n z h o n ga r e ai sg r a d u a l l yb e c o m i n gt ob et h e d e v e l o p i n g c e n t e ro fs h a a n x ip r o v i n c ea n dt h ee c o n o m i cc e n t e ro ft h ew h o l en o r t h w e s ta r e a o fc h i n a s oc i v i le n g i n e e r i n gw o r kh o l di nt h i sa r e aa r em o r ea n dm o r e ，a n dt h es c a l eo fc i v i l e n g i n e e r i n gi sb e c o m i n gl a r g e ra n dl a r g e r m e a n w h i l et h i sa r e ai si nt h ei i ia r e ao fn a t i o n a l c o l l a p s i b l el o e s se n g i n e e r i n gg e o l o g i c a ls u ba r e a ，a n dt h ec o l l a p s ee x t e n to fl o e s si nt h i sa r e a c a nb el i t t l e ，n o r m a l ，o rt e r r i b l e s ot h ec o l l a p s i b i l i t yd i s t o r t i o no fl o e s si sa ni n e v i t a b l e q u e s t i o nw h e ni n f r a s t r u c t u r e sa r eb u i l ti nt h i sa r e a i no r d e rt oi n s u r et h es a f e t ya n de c o n o m y w h e ni n f r a s t r u c t u r e sa r eb u i l t ，a n di no r d e rt o s u p p l ym o r ei n f o r m a t i o na n dm e a s u r ef o r g r o u d t r e a t m e n t ，w en e e dt od om o r ei n - d o o ra n df i e l ds c i e n t i f i cr e s e a r c ha b o u tl o e s s c o l l a p s i b l eu n d e ro v e r b u r d e np r e s s u r e t h i sp a p e r c o m b i n i n gw i t ht h ed a t ao b t a i n e df r o mi n - d o o rt e s t sa n df i e l di m m e r s i o nt e s t ， a i m st og e tt h ec o l l a p s i b i l i t yo fl o e s su n d e ro v e r b u r d e np r e s s u r ei ng u a n - z h o n ga r e a i n - d o o r t e s t si n c l u d eg r a n u l o m e t r i cc o m p o s i t i o nt e s t so fl o e s sa n dm o i s t e n i n gc o m p r e s s i o nt e s t s a c c o r d i n gt ot h er e s u l t sf r o mg r a n u l o m e t r i cc o m p o s i t i o nt e s t s ，w eg e tt h eg r a n u l o m e t r i c c o m p o s i t i o no fl o e s si nv a r i o u sd e p t h ；t h er e l a t i o nb e t w e e nr ( o 0 0 5 m mg r a n u l ep e r c e n t ) o rs ( 0 0 0 2 m mg r a n u l ep e r c e n t ) a n dc o e f f i c i e n to fc o l l a p s i b i l i t y a c c o r d i n gt ot h er e s u l t sf r o m c o l l a p s i b l ec h a r a c t e r i s t i c so fl o s e su n d e rb u r d e nf r o m2 5 k p at o5 0 0 k p ao fd i f f e r e n tm o i s t u r e ， w eg e tp 6sc u r v ea n dt h e 6sc u r v eo fs o i ls p e c i m e n f r o mt h e s ec u r v e s ，t w or u l e sa r e f o u n d f i r s t ，w h e nm o i s t e n i n gt h es o i ls p e c i m e n ，t h ep e a kv a l u ec o e f f i c i e n to fc o l l a p s i b i l i t y a n dt h ep e a kv a l u ep r e s s u r e so ft h el o e s sd e c r e a s e ，t h ei n i t i a lc o l l a p s ep r e s s u r e si n c r e a s e s e c o n d ，w h e nt h ed e p t ho fs o i ls p e c i m e ni n c r e a s e s ，t h ep e a kv a l u ec o e f f i c i e n to fc o l l a p s i b i l i t y d e c r e a s e ，t h ep e a kv a l u ep r e s s u r e sa n dt h ei n i t i a lc o l l a p s ep r e s s u r e si n c r e a s e ，t h ei n i t i a l c o l l a p s ep r e s s u r ed o e sn o tg ow i t hs e l fw e i g h to fs o i ls p e c i m e n t h ee x p r e s s i o no ft h ep 6s c u r v ei ss e tu pb a s i n go nt h i st e s t ，i n c l u d i n gw h o l ec u r v ea n ds u b s e c t i o nc u r v e f i e l di m m e r s i o nt e s ti t e m si n c l u d ea l l u s i o nq u a n t i t y , c o l l a p s ed e f o r m a t i o ns o i le v e r y d a y a n dt h ec r a n n ya r o u n dt h ep i t t h er e s u l t sf r o mf i e l di m m e r s i o nt e s tw e r ea n a l y z e dw i t ht h e r e s u l t sa st h et i m e v a r y i n gr u l e so fa f f u s i o nq u a n t i t y ；t h et i m e - v a r y i n g , s p e e d v a r y i n g , d e p t h v a r y i n gr u l e so ft h ec o l l a p s ed e f o r m a t i o n ；t h ea p p e a r a n c ea n dd e v e l o p m e n tr u l e so f c r a n n y t h es e n s i t i v i t yo fs e l fw e i g h tc o l l a p s i b i l i t yi nt h et e s tf i e l di st e r r i b l e i nt h ee n do f t h i sp a p e r , t h er e s u l t so fi n d o o rt e s t sa n df i e l di m m e r s i o nt e s t sa r ec o m p a r e d ，w i t ht h er e s u l t t h a tm e a s u r e da n dc o m p u t e dc o l l a p s el i m i ta r ea l l2 2 0 mb e l o wg r o u n d ，m e a s u r e dc o l l a p s e u n d e ro v e r b u r d e np r e s s u r ei s1 2 - 2 0m o r et h a nc o m p u t e dc o l l a p s eu n d e ro v e r b u r d e np r e s s u r e ， a n dm e a s u r e d 夕oi sb e t w e e n0 9 8a n d1 7 7 ，w i t ha na v e r a g eo f1 7 0 t h i sp a p e ra d v a n c e dt h ea c a d e m i cr e s e a r c hb ye x p r e s s i n gt h ep 6sc u r v eb a s i n go n t h i st e s t ，t h er u l er e s u l t sb a s i n go nt h ef i e l di m m e r s i o nt e s tc a nb ea p p l i e di np r o j e c t e n g i n e e r i n g ，f lo g o tf r o mt h ec o m p a r i s o no fi n d o o rt e s t sa n df i e l di m m e r s i o nt e s t sc a nb ea u s e f u lp a r a m e t e ri nr e l a t e dd e s i g n k e yw o r d s ：l o e s sc o l l a p s i b l eu n d e ro v e r b u r d e np r e s s u r e ，m o i s t e n i n gc o l l a p s i b i l i t y ， d r y i n gc o l l a p s i b i l i t y ，f i e l di m m e r s i o nt e s to fc o l l a p s i b l el o e s su n d e r o v e r b u r d e n p r e s s u r e 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：别字沙哆年月罗e l 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： 驯寺 钠一咖p 一7 年月夕e 1 妒7 年月岁e l k 安大学硕f ：学位论文 第一章绪论 1 1 课题的研究背景、目的和意义 “在中国的西部，有一个美丽的地方，那就是黄土高原。在科学家的眼里，它是大 自然赠予中国的一个无与伦比的宝库，百万年来的风霜雨雪，暑去寒来，都尽数装在这 由黄土构成的宝库之中。今天，我们只是掀开了它的一角，但其中的发现已经令我们激 动不已。有一天我们将全部读懂它，我们会知道地球气候会如何发展，黄土高原会如何 变化，到那时我们也许会更加明白如何才能与自然和谐地相处。 这是中国科学院院士， 国际第四纪联合会主席刘东生先生曾经说过的一段话，这番话道出了我们研究黄土的目 的和意义。从古至今，多少不知疲倦的学者，在黄土性质的研究上，付出了毕生精力。 他们的付出，使得我们对于黄土的认识一步一步向前发展；他们的付出，使得我们在黄 土地区进行工程建设越来越安全，越来越经济。 我国黄土分布面积大约有6 3 2 0 0 0k m 2 ，约占全国陆地总面积的6 6 。主要分布在 北纬3 0 。4 9 。，东经7 5 。 - - 1 2 7 。之间。在大范围分布区中，黄河中游地区，也就是 西起乌鞘岭，东到太行山西麓，北起长城附近，南抵秦岭北麓这部分，地表几乎全部被 黄土所覆盖，形成了地层连续、厚度大、面积广的典型黄土地区【n 。 在如此广大的区域内，黄土的各方面性质表现出较大的特殊性。黄土性质之所以特 殊，是因为它形成于特殊的自然环境之中，对水具有特殊敏感性一湿陷性，许多工程问 题都是直接或间接由此而引起的。为了区分湿陷性不同的黄土，便于分析研究，我国制 定了国家标准湿陷性黄土地区建筑规范，将我国湿陷性黄土分成7 个区1 2 】i 陇西地 区、i i 陇东陕北晋西地区、i i i 关中地区、山西一冀北地区、v 河南地区、冀鲁 地区、北部边缘地区，根据不同区域内黄土的工程性质分别制定有关建筑条款。其中 的第1 i i 区一关中地区，是陕西省乃至整个西北地区的中心，无论是在经济方面还是政治 方面，都对西北地区起着带头作用。关中地区西界宝鸡、东临三门峡和中条山的北支附 近，北抵北山一黄龙山，南界秦岭北麓，主要包括陕西关中、山西西南部和河南西部。 这一地区属于我国湿陷性黄土广泛分布区，黄土的湿陷性程度从i 轻微至 j i i i 强烈都有， 所以在这个区域进行各种工程建筑时，容易发生由于黄土湿陷性而造成的地基失稳等事 故。 为了保证工程的安全经济，对黄土的湿陷性的研究就显得尤为突出和重要。想要对 第一章绪论 黄土的工程地质性质进行全面、透彻的认识，就需要对黄土的各个指标进行测定，对黄 土在各种情况下，尤其是在现场浸水情况下的湿陷性进行研究。所以研究关中地区自重 湿陷性黄土的湿陷性特征，掌握其变形的规律，定量化地描述在湿陷过程中的各个指标 的变化，是工程界迫切需要解决的问题。 本文是结合在关中地区进行的某工程实践活动开展的，该工程对于作为地基的黄土 有很高的要求，为了合理选择地基处理方案，为基础设计提供参数，保证工程投资与施 工进度，保证上部结构的安全，必须对场地自重湿陷性黄土有一个全方位了解，因此本 次试验研究针对该工程所在场地的自重湿陷性黄土，进行室内试验研究和现场浸水试验 研究。 1 2 课题的研究现状 孙建中【3 】第一次提出：“黄土学”可以说已经十分成熟了，它成为- - f - j 独立的学科 当之无愧。这是因为我国对黄土的研究已经深入到一定程度了。我国有关黄土的记载由 来已久，早在西周时代就有关于黄土的文字记载，从地质角度研究中国黄土，在1 1 0 年 前就开始了。但是比较系统的、科学的进展，还是在建国之后。对于黄土的研究进展可 以分为以下几个阶段1 4 j ： 1 9 4 9 年以前，属于第一阶段一初步阶段。这一阶段对我国黄土的分布、成因、地层 划分、矿物成分、黄土层中的哺乳动物化石及文化遗物等作了初步探讨。 1 9 4 9 1 9 7 5 年为第二阶段一发展阶段。建国以后，随着黄土区工农业的发展，从地 质、工程地质、地理、土壤、古生物、考古、水土保持等方面，全面开展了我国黄土研 究。在黄土的分布面积、地层划分、岩石学特征、工程地质性质、地球化学特征、黄土 地貌、古土壤类型，不同层位的古生物组合，孢粉所反应的植被与古气候、黄土区的古 人类、古文化及水土保持措施等方面，我国学者做了大量工作，取得了丰富的资料，发 表和出版了不少论著，为黄土区的工农业建设提供了许多有价值的参考资料。 1 9 7 5 1 9 8 0 年为第三阶段一深入阶段。这一阶段最大的特点是应用了一些先进的科 技手段进行研究，如古地磁测定、热释光法和1 4 c 法测年、黄土微结构在扫描电镜下的 观察等：其次是研究内容大大增加，例如，对黄土中粘土矿物的研究；古生物方面对蜗 牛化石及小化石的系统研究；地球化学方面应用黄土中的氧化物及碳酸钙的淋移、微量 元素的含量变化及元素演化等来探讨黄土区的古气候变化，还应用了黄土与古土壤的风 化指数及磁化强度的差异讨论黄土区的古气候演变历史；工程地质方面结合工程建设， 2 长安大学硕上学位论文 进行了大量的研究和探索，总结了建国以来在黄土地区建筑方面的经验，修订出版了湿 陷性黄土地区建筑规范，并在对黄土工程地质性质及其在整个分布区内的变化规律的 研究基础上，从浅层黄土进入到了深层黄土。这一阶段随着改革开放政策的推行，中国 黄土研究方面开展了中外合作及学术交流，使外国人了解到了中国黄土研究的进展，承 认了中国黄土研究的水平。 1 9 8 0 年以后，我国的黄土湿陷性研究取得了更大的进步，从原来的定性研究逐渐 过渡到半定性半定量、定量研究，也不断的涌现出各种先进的研究手段。而近三代黄土 规范( 7 8 规范、9 0 规范、2 0 0 4 规范) 的重大而广泛的修订与调整，使得我国的湿陷 性黄土地区建筑规范逐渐成熟了起来，成为指导黄土地区工程建设的重要标准。主要 的科研成果可以归结为以下几条。 ( 1 ) 丁仲礼等通过黄土高原各区域土壤地层的调查与对比，证明了中国黄土在记 录古气候旋迥上的连续性。并将其与深海沉积物、南极和格陵兰的冰芯并列为第四纪古 气候的三大记录标志。 ( 2 ) 关于黄土动力特性方面的研究取得了一批成果。谢定义【5 】【6 】一直从事土动力 学方面的研究，并且在该领域取得了瞩目的成果。他针对陕北洛川、兰州、西安等地的 典型黄土，从其根本特性一结构型、欠密实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( 。 1 ) 进行了研究，得出的主要结论有以下几点：当原状黄土的起始含水量小于 缩限( 即干型黄土) 时，动本构特性是直线关系，在破坏应变范围内的动模量可取为常数， 动强度由抗拉强度控制，属于脆性拉断破坏，其大小主要随固结应力的增大而增大，与 振次关系不大，且振密变形很小，可不考虑振陷。当原状黄土的起始含水量大于缩限而 小于液限( 即湿型黄土) 时，动本构特性是双曲线关系，动强度由抗剪强度控制，属塑性 剪切破坏，发生在应变累积到屈服应变之时。当原状黄土的起始含水量大于液限( 即饱 和型) 时，动本构特性乃为双曲线，动强度乃受抗拉强度控制，故乃属压剪破坏，但动 应变明显增大，动强度明显降低，且动孔压可能有较大的增长，与湿型黄土有明显区别。 对黄土的起始动模量乃可用h a r d i n 和b l a c k 对粘性土建立的经验公式，只是其经验常 数因黄土的欠压密性而有所降低，并考虑到含水量对黄土的特殊作用，及浸水与应力的 交叉影响而予以修正。由于黄土的湿陷系数6 。随初始含水量的增大而减小，因此如 将它与黄土的动应力一动应变双曲线相联系，即可得到由湿陷系数预估一定动应力下振 陷系数的关系式。黄土的动强度与静强度之间有着密切的关系。动静强度的比值随着 3 第一章绪论 含水量和破坏振次的增大而减少，随静应力和应力比的增大而增大。 ( 3 ) 黄土湿陷性的内因的研究取得了很大进步。我国学者高国瑞对此作了系统的 研究，并提出了黄土湿陷的“结构学说”【7 l f 引。雷祥义f 9 j 研究发现，“中孔隙( 支架孔隙) 是产生湿陷的主要因素”，其所指的中孔隙是指孔隙半径在0 0 1 6 - 0 0 0 4 m m 范围内的 孔隙。f c d a l l o l 认为湿陷的临界孑l 隙度为4 0 。杨运来1 1 1 】的研究指出黄土颗粒间的松散 结构才是黄土湿陷的特殊条件，水和外力是引起湿陷的外因。r z h a n i t s y n 1 2 j 特别强调了 颗粒连接的水化学效应。 ( 4 ) 定量化和黄土湿陷的模型又建立了更符合实际的本构关系。刘祖典、陈正汉 等1 1 3 】f 1 4 】1 1 5 】首先研究黄土湿陷的本构关系，据其试验结果分析了侧压力( 对应不同应力 比k ) 对湿陷量的影响及湿陷变形的力学机制，同时给出了结合理论分析与试验数据拟 合的半经验本构关系式，研究了黄土的浸水强度与湿陷初始条件。后来陈正汉1 1 6 j 和谢定 义【1 7 】又将现代非饱和土理论的吸力概念引入到黄土的研究之中。苗天德等【1 8 】【1 9 】【2 0 l 从微 结构失稳的观点出发，运用数学突变理论，构造了微结构的破坏模型，给出了湿陷性黄 土的一个本构关系，并阐述了湿陷变形的许多非线性效应。 ( 5 ) 对于黄土土体和土颗粒的微观结构的研究，采用了新的、先进的手法，取得 了以往无法得到的信息，加深了对黄土的认识。胡瑞林等【2 1 】应用分形几何学方法给出了 黄土粒度、颗粒分布、孔径、孔隙分布、接触带分布、颗粒定向等结构参数的分维数， 并且给出了这些分维数同湿陷系数的关系的实验结果，据此分析了有关结构参数同湿陷 性的相关性。蒲毅彬【2 2 】运用c t 断面扫描技术，通过对原状黄土在湿陷试验过程中得 到的数据和图像进行分析，直观地看出了土样的湿陷变化过程。 ( 6 ) 数学和其它领域的科学理论与地质学结合，推动了黄土各方面性质的研究。 蒋明镜等【2 3 】【2 4 】从人工制备结构性黄土的试验成果出发，认为非饱和结构性黄土存在着湿 陷线，且该线与饱和结构性黄土的压密曲线重合。他探讨了常规标准压密试验方法的不 足，并提出采用等应变压密双线法来测定结构性黄土的湿陷性，从而有利于实际工程应 用，只是试验方法很复杂。杜纪引2 5 l 运用概率论的方法考虑同一地貌单元黄土湿陷量的 随机分布，通过建立湿陷量的随机分布形态，按照湿陷性黄土场地湿陷等级和类型的分 界值，计算分布概率，根据各等级范围分布概率的大小，评定场地的类型与湿陷等级， 为湿陷性评价提供了一个比较简单的方法。沈珠江【2 6 】把一切增加黄土颗粒间抗滑阻力的 因素统称为广义吸力，在此基础上把饱和土的有效应力原理推广为广义有效应力原理。 接着把饱和扰动土的孔隙状态定义为稳定状态，并提出了广义吸力的丧失将促使欠压缩 4 长安大学硕士学位论文 土和超压缩土均向稳定状态发展的理论，最后建议了一个能同时描述湿陷和湿胀特性的 本构模型。 ， ( 7 ) 黄土的增湿变形理论与实践研究工作经历了从无到有，从浅到深的过程。张 苏民、张炜、郑建国等1 2 q | 2 8 j 首先研究了黄土的增湿变形特性，定义了应力增湿路径和应 力增湿变形曲面以及湿陷性黄土变形势和湿陷势的概念。对增湿变形的时间效应、速率 和实质进行了分析。之后又讨论了湿陷起始压力和起始含水量，并且用强度曲线描述了 湿陷性黄土增湿时的强度特性。曾国红等【2 9 】讨论了变形分界压力和变形分界含水量的概 念，为湿陷起始压力和起始含水量的研究提供了一个新思路。随着对增湿变形特性研究 的深入，未饱和湿陷、剩余湿陷、多次湿陷、先期湿陷含水量、增湿含水量、湿陷极限 含水量、间歇性增湿路径等概念也逐渐建立起来，有些写入了相关规范，黄土湿陷性理 论越来越完善，为以后的研究奠定了坚实的基础。 ( 8 ) 湿陷性黄土地区建筑规范强调了全深度的湿陷性评价，以1 3 。，b 两个系 数解决了地区间和室内外湿陷性评价、工程处置的不等价问题，实现了以自重湿陷、外 荷湿陷共同对工程的综合评价，强调了以地基处理为主的综合措施，丰富了地基处理手 段，逐步完善各种方法的设计计算方法、施工工艺、工程控制评价标准掣2 1 。 - 虽然各方面研究都取得了很大的进展，但是还是有大量问题未得到有效的解决。比 如，湿陷机理是黄土湿陷性研究的重要课题之一，湿陷机理的理论或假说也很多，主要 有毛细管假说、易溶盐溶解假说、胶体不足说、水膜楔入说、欠压密理论等等。这些假 说或理论，因对骨架颗粒间胶结物成分及其与水的作用认识不同，实验手段各异，从某 一方面出发，注意到一个或两个影响因素，由此得出了不同的结论。 但是总体说来，大家都认同一点，那就是湿陷作用是一个复杂的物理化学与化学作 用，包含了众多的影响因素，内部因素有大孔隙、化学成分、矿物成分、天然含水量等， 外部因素有水的浸入、上覆压力、外动力等。黄土只有具备这些因素才能湿陷。究竟哪 一种因素或几种因素影响黄土的湿陷性，哪一种又是影响黄土湿陷性的主要因素，是黄 土湿陷性研究的关键。 纵观国内国外研究资料，可以发现对黄土在增加含水量情况下的变形( 湿化) 特性的 研究方法主要有两种：一是室内单轴或三轴压缩试验，这种方法的特点是试验相对简单， 条件易于控制，主要研究黄土的湿陷机理和定量描述的数学模型，这个方法的缺点是不 可能考虑到很多影响湿陷的因素的综合作用；二是现场浸水试验，通过原位试验直接得 出地基的湿陷变形量( 特别是自重湿陷量) 和湿陷变形的时空分布，据此判定场地的湿陷 5 第一章绪论 类型，其特点也是缺点就是规模大，时间长，用水量大，人力物力消耗大，对水源不充 足的黄土地区有一定局限性，但是结果真实而且可靠。 对于室内单轴或三轴压缩试验，有很多人进行了相当细致的工作，取得了大量成果。 但是由于黄土本身的区域性、特殊性、复杂性等，采用室内试验结果确定场地黄土在现 场浸水时的湿陷特征往往与实际存在差异。而对于现场浸水试验，从五、六时年代就开 始，我国就在不同地区进行了多次试坑浸水试验。 表1 1国内几个大型黄土试坑浸水试验情况简表 场地试验湿陷性土层试坑尺寸注水历时注水总量停水结束总湿陷量 地点时间 厚度( m ) ( m )( d )( m 3 )( d )( c m ) 1 07 51 1 8 82 89 5 9 1 29 61 9 6 01 59 1 5 2 06 32 6 7 02 5 9 3 6 兰州东岗1 9 7 51 0 1 l 1 0 1 07 91 4 2 61 78 7 0 2 0 59 91 6 9 0 2 09 9 5 2 0 1 06 7 2 2 1 12 18 4 4 渭北张桥 1 9 7 79 9 51 0 1 06 43 0 9 03 02 0 7 7 5 2 53 7 漏水 |8 1 9 5 5 3 43 79 7 0 7| 1 3 5 2 连城铝厂 1 9 7 31 0 1 5 1 7 3 43 54 3 4 1|1 1 8 。4 蒲城电厂1 9 9 33 5 4 04 07 9 8 6 03 56 5 2 0 0 1 ， 1 1 泵站3 5 3 71 1 0 7 01 6 21 2 4 0 4 36 22 1 5 1 2 0 0 2 注1 ：数据来源于参考文献 3 0 上面的表1 1 列举了我国近年来进行的几次试坑浸水试验的概况。从表中可以看出， 这些试坑浸水试验都取得了大量有价值的成果，对于所在地的黄土地基的工程活动有指 导意义，也为湿陷性黄土湿陷性黄土地区建筑规范提供了制定相关内容的依据。但 是相比起我国大面积范围内分布的、性质千差万别的自重湿陷性黄土来说，这些试验的 规模和数量还不够，尤其是在关中地区这个西部经济重点地区，试坑浸水试验的研究工 作相对于工程实践来说，还处于不足的程度。 6 长安大学硕上学位论文 1 3 本文的研究内容 回顾已有的研究成果和资料，发现不同区域的黄土有着不同的性质。无论是黄土的 分布还是湿陷性的变化特点，在时间和空间上都有着一定的规律性，在不同的地点也都 有很多特性。本文从工程实际需要出发，结合室内试验和现场试坑浸水试验，研究关中 地区黄土的自重湿陷性，以及与湿陷性有关的多方面因素。本文主要包括以下三个方面 主要内容： ( 1 ) 场地概况和试验简介。 介绍试验研究场地的地理位置和第四纪地质条件，试验场地黄土的各项基本物理指 标，室内试验用土的取土方法，各项室内试验所采用的仪器方法，现场试验的试坑设计、 深浅标点的布置、埋设方法、沉降观测仪器、沉降观测方法、注水量测定方法、试验流 程等。 ( 2 ) 室内试验结果研究。 为了研究与场地黄土的自重湿陷性有关的因素，将从试验场地取回的土样进行物理 性质指标的测定，粒度成分试验和增湿减湿试验。研究物理性质指标中与湿陷性有关的 含水量、干密度、孔隙比等；分析各粒组的重量百分含量，总结粒度成分沿纵剖面的变 化规律，研究各个粒组的含量与湿陷性之间的关系；根据增湿减湿试验的结果研究不同 初始含水量下的p 6 。曲线，峰值湿陷系数6 。m 瓢，峰值湿陷压力陋，湿陷起始压力 p s h 沿纵剖面的变化规律，增湿减湿情况下土样的峰值湿陷系数6 锄缸，峰值湿陷压力 肚，湿陷起始压力p s h 的大小和变化规律，峰值湿陷压力肚、自重压力p o 与湿陷湿陷起 始压力p s h 的关系；研究不同初始含水量下6 。曲线图，湿陷系数与含水量之间的关 系，确定本次试验黄土的湿陷敏感压力区间，湿陷敏感含水区间，并从湿陷机理上讨论 所得到的规律的实质；对增湿减湿曲线p 6 。进行数值拟合，并对室内试验的局限性进 行了分析。 ( 3 ) 现场试坑浸水试验结果研究。 阐述现场试坑浸水试验得到的主要成果，对现场试验观测到的各个现象进行描述， 分析现象产生的规律；对现场试验测得的有关土体的湿陷性的数据一注水量、沉降量、 裂缝的发生发展规律进行分析；确定湿陷的影响范围，浸润半径；研究浸水结束时地面 下非浸湿区、非饱和浸湿区和饱和区的范围，确定场地黄土的自重湿陷敏感性；最后将 室内试验的得到的结果与现场试验的得到的结果进行对比，从计算与实测自重湿陷下限 7 第一章绪论 值、计算与实测自重湿陷量的大小关系和反算的夕。三个方面讨论了室内试验与现场试 验结果的不同。 8 长安大学硕士学位论文 第二章场地概况和试验简介 2 1 试验场地的地理位置和第四纪地质条件 试验场地位于关中平原东部、秦晋豫三省交接腹地，东邻河南及山西两省，南依秦 岭，北傍渭水，距古都西安1 2 0 k m 。地势南高北低，海拔3 3 0 m 左右。南半部为山区， 其中的“西岳 华山海拔2 1 6 0 5 m ，山势险峻，群峰挺秀，山前发育有一东西长2 8 k m ， 南北宽2 , - 一3 k m 的洪积扇裙黄土台塬，北部为渭河平原。从地理位置上讲属所于关中地 区。 试验场地属温带大陆性半干旱季风气候，四季分明，光照充足，年平均日照2 1 3 0 6 小时，无霜期2 0 8 天，年降雨量5 9 9 m m 。年平均气温1 3 5 ，极端最高气温4 0 2 ， 极端最低气温1 3 1 。所辖区域较大的河流( 自东向西) 有白龙涧河、长涧河、柳叶河、 罗敷河和方山河，均向北注入渭河，属渭河水系。试验场地距上述河流均有一定距离， 附近没有常年地表水。 试验场地位于华山山前黄土台塬北的渭河阶地上。根据在试验场地内开挖探井揭示 的地层条件，试验场地附近的地貌单元属渭河i i 级阶地( 低阶地) 。场地地形平坦，地 面高程约在3 6 7 m ，场地土层为第四系上更新统黄土及砂层，厚度大于3 0 m ，下伏第四 系砂层、粉质黏土，厚度较大，地下水位埋藏约为3 5 m 。 根据试验的勘察资料，场地土可根据形成地质年代和探井描述的特征将其划分为6 层：黏质黄土( 黄土状土) 、黏质黄土( 黑垆土) 、砂质黄土( 黄土) 、砂质黄 土( 黄土) 、砂质黄土( 黄土) 、黏质黄土( 古土壤) 。 2 2 试验场地黄土的基本物理指标 表2 1 是试验场地各层土的主要物理力学指标的平均值。经统计，在研究深度内， 本次试验场地黄土的物理指标平均值为：含水量1 5 5 ，湿密度1 5 5 9 c m 3 ，干密度 1 3 4 9 c m 3 ，饱和度4 1 3 ，孔隙比1 0 2 ，液限2 6 o ，塑限1 7 0 ，塑性指数9 8 8 ，液 性指数0 1 1 ，压缩系数( a 1 2 ) 0 4 4 m p a 。 9 第- 二章场地概况和试验简介 表2 1 土层物理力学指标表 含水量湿密度干密度饱和度孔隙比液限塑限 塑性液性 压缩 层号 指数指数 系数 ( )g c m 3g c m ( )e ( )( ) a 1 2 l pl l m p a 。1 11 8 01 5 61 3 24 71 0 5 02 7 21 6 9 1 0 30 11 2 9 21 5 31 4 81 2 83 71 1 1 12 7 61 7 11 0 5 0 21 1 9 31 3 01 4 71 3 03 31 0 8 32 6 11 6 4 9 7加30 5 4 41 1 01 4 81 3 32 91 0 3 32 6 11 6 49 7 旬10 2 4 51 2 61 5 51 3 83 50 9 6 92 6 5 1 6 69 90 0o 2 4 62 1 81 8 11 4 97 20 8 2 4 2 7 9 1 7 3 1 0 60 40 0 7 湿陷性黄土地区建筑规范中，有着已有工程经验值的总结，对于分区中的i i i 关 中地区的低阶地的各物理力学指标如下表2 2 。 表2 2。关中地区”( i i i 区) 湿陷性黄土物理力学性质指标 含水量湿密度液限 塑性 压缩 自重湿陷 地貌指数 孔隙比系数 系数 ( )( e d c r n 3( ) ea l p6 。 ( m p a d ) 1 41 - 52 290 9 40 2 40 0 0 3 低阶地 2 81 83 21 21 1 30 6 40 0 3 9 注2 ：数据来源于参考文献 2 通过与上述资料的对比可以看出，本次试验场地土各物理力学指标基本在上述资料 范围内，只是第三，四，五层的含水量比上述资料中的小，湿密度也相应的稍小。 对于关中地区湿陷性黄土的一般认识为【2 】：湿陷性黄土层厚度在低阶地一般为4 l o m ，高阶地为6 - - 2 3 m ，渭河流域两岸多为4 - - , l o m 。湿陷性和湿陷敏感性中等，低阶 地多属非自重湿陷性黄土，高阶地多属自重湿陷性黄土。自重湿陷性黄土层一般埋藏较 深，自重湿陷发展较缓慢，湿陷量小，地基湿陷等级一般为i i - i i i 级。本次试验场地位 于渭河i i 级阶地，湿陷性黄土层厚度为2 2 4 m ，场地土层为自重湿陷性黄土。 从表2 1 和图2 1 还可以看出，场地土层第一，二，六层土为粉质粘土，第三，四， 五层土为粉土。本次试验研究的重点是自重湿陷性黄土，所以室内试验部分着重讨论第 1 0 长安大学硕上学位论文 三层、第四层和第五层土的湿陷性。浸水试验部分主要讨论2 2 o m 深度以内土层的湿陷 性。 2 3 室内试验用土的采取方法 试验用土的采取和运输直接关系着土样的质量，决定着湿陷性试验结果数据的真实 性，所以土样的采取对于整个试验很关键。这次试验中采用的土样主要是原状黄土土样， 而且土样用量很大。为了取得高质量的土样，试验前在场地开挖了一个探井，取样采用 的是人工方法在探井中的天然剖面上刻取。在沿探井垂直方向上我们每1 米取1 组原状 样。由于黄土和古土壤内钙质结核较多且块状结构容易散裂，为保证平行试验时土的密 度达到要求，我们在某些重点研究的土层上同一深度取了2 4 筒土，并尽量使取出的土 从直观上看都均一、一致。 取出之后的土体立即保存在铁皮筒中，外面用蜡封好，以保持原有的结构和含水量。 在运输过程中避免碰撞，轻拿轻放。试验都尽量在取土后两周内进行。 2 4 室内试验的仪器和方法 本次进行的室内试验包括基本物理力学试验、粒度成分试验和增湿减湿试验。各项 基本物理力学试验采用的仪器和方法参考文献 3 1 的规定，按时、按步骤进行，保证 试验所需的湿度、温度等客观条件，保证试验的精度和准确度，从而保证对于数据的分 析是准确的。 粒度成分试验采用的是筛分法和乙种密度计法，测定出每个土样的0 5 , - - , 0 2 5 m m ， 0 2 5 - - , 0 0 7 5 m m ，0 0 7 5 o 0 5 m m ，0 0 5 o o l m m ，0 0 1 o 0 0 5 m m ，0 0 0 5 - - 0 0 0 2 m m 和 0 0 0 2 m m 共七个级别的重量百分比含量。 增湿减湿试验采用的是双线法。室内试验来评价黄土的湿陷性方法有单线法和双线 法两种，两种方法的试验结果规范中未做严格区分。但是在实际操作过程中，单线法和 双线法的结果会有一定的差异。根据有关研究，对双线法试验进行修正后，得到的试验 结果可以和单线法得到的结果非常接近。由于双线法具有方便简单、工作量小、对比性 强等优点，所以本次增湿减湿试验采用双线法。 双线法的操作按如下的步骤。首先将一个铁皮筒中的原状土，制成五个环刀，确保 五个环刀的密度不超过0 0 3g c m 3 ，这五个环刀构成一组土试样。一组试样中选取一个环 刀作为浸水饱和样，试验步骤为先浸水饱和，附加下沉稳定后，在浸水饱和状态下分级 第一二章场地概况和试验简介 加荷，直至最后一级稳定；其它四个环刀分别保持其天然含水量，制成小于天然含水量 ( 减湿) 、制成大于天然含水量( 增湿) 的不同含水量试样，这四个试样试验步骤为分 级加荷，至最后一级压力，下沉稳定后，试样浸水。所有环刀均测定不同压力下的高度 h ，根据公式用h 算出不同含水量下的6 。这样一组试样就可以构成天然含水量不同的 土样，模拟了水和荷载的共同作用下黄土湿陷得到的6 。 其中增湿的方法是：根据天然含水量、天然密度和增湿预计达到的含水量，计算出 增湿后的土样重量，向