（地质工程专业论文）路基黄土压实前后的工程特性试验研究.pdf

摘要 黄土是我国西北地区广泛分布的一种特殊土，在西部地区大规模的公路建设中，黄 土常常被用于路基填料和地基土。长期以来，由于黄土特殊的工程性质，使黄土地区的 公路在修建和营运过程中，经常出现各种各样的地质灾害。因此，研究原状黄土及压实 黄土的物理特性、强度特性及其湿陷性，对预防和治理黄土路基的地质灾害有着重要的 实际意义。本文的研究工作和主要成果如下： 首先，对压实前后的土样做了颗粒分析和扫描电镜观察，对比分析了压实前后黄土 的粒度组成、孑l 隙特征和微结构的变化，得知压实后黄土中集粒、块粒表面的胶结物剥 落，颗粒变细，大孔隙明显减小，同时黄土的原始颗粒骨架发生破坏，微结构由絮凝状 微胶结结构和支架大孔微胶结结构变为镶嵌结构和叠置结构，土体结构变密。 其次，对原状黄土进行了结构强度试验，分析了原状黄土结构强度的变化规律：通 过压实前后黄土在天然含水量及饱和含水量下的无侧限抗压强度试验、抗剪强度试验和 现场载荷试验，对比分析了压实前后黄土的强度特性及其对水的敏感性，结果表明压实 后路基黄土的抗剪强度和承载力明显提高，但其水敏性却大大降低。 最后，通过压实前后黄土的湿陷性试验研究，分析了原状黄土湿陷性与压力、含水 量之间的关系，得到了压实度、干密度、7 l 隙比、压缩模量与湿陷系数之间的数学表达 式，并综合分析了黄土的湿陷机理。 关键词：黄土，物理特性，强度特性，承载力，无侧限抗压强度，湿陷性 a b s t r a c t l o e s s ，as p e c i a ls o i lw i d e l yd i s t r i b u t i n gi nn o r t h w e s ta r e ao fc h i n a ，i so f t e nu s e da sr o a d f o u n d a t i o nf i l l i n ge l e m e n ta n df o u n d a t i o ns o i ld u r i n gt h el a r g e - s c a l eh i g h w a yc o n s t r u c t i o no f t h i sa r e a f o ral o n gt i m e ，v a r i o u sg e o l o g i c a ld i s a s t e r sa l w a y so c c u ri nt h ep r o c e s so f c o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o no ft h eh i g h w a yi nl o e s sa r e ad u et ot h es p e c i a le n g i n e e r i n g p r o p e r t yo fl o e s s t h e r e f o r e ，i ti s o fg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et o s t u d yt h ep h y s i c a l p r o p e r t i e s ，t h es t r e n g t hp r o p e r t i e sa n dt h ec o l l a p s i b i l i t yo fl o e s sf o rp r e v e n t i n ga n dd e a l i n g w i t ht h eg e o l o g i c a ld i s a s t e r so fl o e s sf o u n d a t i o n t h es t u d i e sa n dm a i nf r u i t sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , c h a n g e so ft h ep a r t i c u l a t ec o m p o n e n t ，p o r ec h a r a c t e r i s t i ca n dm i c r o s t r u c t u r eo f t h ei n t a c tl o e s sa n dt h ec o m p a c t e dl o e s sa r ec o n t r a s t e db yt h ew a yo fg r a i n a n a l y s i sa n ds e m f r o mt h ea n a l y s i sa n do b s e r v a t i o n ，i tc o u l db es e e nt h a tt h es u r f a c ec e m e n t a t i o no f c o n g l o m e r a t i o np e e l s ，g r a i nb e c o m e st h i n n e r ；t h eo r i g i n a lg r a i nf r a m e w o r ko ft h el o e s si s d e s t r o y e d ，t h ef l o c c u l a t ec l i n e - c e m e n t a t i o ns t r u c t u r ea n dp l a n k m a c r o s p o r ec l i n e - c e m e n t a t i o n s t r u c t u r et u r n st ob ee m b e d d e ds t r u c t u r ea n dp i l e u ps t r u c t u r e ，a n dt h es t r u c t u r eo fl o e s s b e c o m e sc o m p a c t e d s e c o n d ly t h ec h a n g i n gr u l e so ft h ei n t a c tl o e s sa f ea n a l y z e dt h r o u g ht h es t r u c t u r e s t r e n g t ht e s t s t r e n g t hp r o p e r t i e sa n ds e n s i t i v i t yo fw a t e r o ft h ei n t a c tl o e s sa n dt h ec o m p a c t e d l o e s sa r ea n a l y z e dt h r o u g ht h eu n c o n f i n e dc o m p r e s s i o ns t r e n g t ht e s t ，s h e a rs t r e n g t ht e s ta n d t h es p o tl o a d i n gt e s to nt h ec o n d i t i o no fn a t u r a lw a t e rc o n t e n ta n ds a t u r a t i o nm o i s t u r ec o n t e n t t h er e s u l t ss h o wt h a ts h e a rs t r e n g t ha n db e a r i n gc a p a c i t ya r ei m p r o v e de v i d e n t l y , b u tt h e s e n s i t i v i t yo fw a t e ri sd e p r e s s e dg r e a t l y f i n a l l y , t h r o u g hc o l l a p s i b i l i t y s t u d i e so ni n t a c tl o e s sa n dc o m p a c t e dl o e s s ，t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n t a c tl o e s sc o l l a p s i b i l i t ya n dp r e s s u r ea n dw a t e r c o n t e n ta r ea n a l y z e d ，i n w h i c ht h em a t h e m a t i cf o r m u l a t i o na m o n gc o m p a c t n e s s ，d r yd e n s i t y ，v o i dr a t i o ，m o d u l u so f c o m p r e s s i o n ，a n dc o l l a p s i b i l i t yc o e f f i c i e n ta r ec o n c l u d e da n dt h ec o l l a p s i b i l i t ym e c h a n i s mo f l o e s si sa n a l y z e ds y n t h e t i c a l l y k e yw o r d s ：l o e s s ，p h y s i c a lp r o p e r t y ，s t r e n g t hp r o p e r t y ，b e a r i n gc a p a c i t y ， u n c o n f i n e d c o m p r e s s i o ns t r e n g t h ，c o l l a p s i b i l i t y 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，对沦文的研究做出重 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。 扦，z 论文作者签名：弛酶_ ) 彳年6 月f l - h 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：范敛 如年月f t 日 导师签名：埘年6 月i d - 日 第1 章绪论 1 1 研究目的及意义 黄土是一种第四纪沉积物，典型黄土具有以下特征：色呈淡黄或淡灰：疏松多孑l ，具 肉眼观察到的大孔隙，成岩程度低；无层理：粉粒( o 0 5 一o 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 1 0 ；具湿陷性。凡缺少上述条件之一或更 多时属黄土状土【1 l o 中国黄土分布面积约为6 4 万k m 2 ，约占国土面积6 3 ，主要分布在 北纬3 3 。4 7 。，东经7 5 。1 2 7 。之间。其中黄河中游地区的黄土高原，黄土分布最 广、厚度最大，一般在百米以上，最大厚度可达2 5 0 3 0 0 m ，个别地方甚至大于3 0 0 m ， 是我国乃至世界黄土分布的典型地区【2 1 。 改革开放以来，尤其是二十世纪九十年代后期国家西部大开发经济战略实施后，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，黄土路基相继出 现了许多病害，如路堤或基底沉陷、边坡表面滑溜、路堤局部的滑坍、高边坡滑坡、路 基整体的滑动等，其中以路基沉陷变形最为突出。例如：陕西省境内的成阳机场公路总 长不足十九公里，却发生不均匀沉陷近十处，造成路基下沉数十厘米；风陵渡黄河公路 大桥引道由于涵洞通水渗漏，在1 9 9 2 年两次引发湿陷性黄土路堤沉陷；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 c m ，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，己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性质，刁能究其根本，对症下药，采取合理的措施改善黄土地区 的公路修筑水平，预防和减少病害的发生。 目前在黄土路基特别是高填方路基的压实方面尚缺乏比较系统的研究。本文通过大 量的室内和现场试验对路基黄土压实前后的工程特性开展研究，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 国内外研究现状综述 关于黄土的研究一般可以分为三个方面，即黄土宏观特征和成因研究、黄土地层年 代学和环境研究、黄土物质成分和物理力学性质研究。工程建设中主要关心的是第三个 方面。 黄土的物理力学性质与其物质成分、结构状态、形成时代和形成环境等有着密切的 关系。为了查明黄土的物理力学性质及其变化规律，研究黄土地层、黄土的矿物成分、 粒度组成和化学成分是很必要的。 自新中国成立n - 十世纪6 0 年代初，最有代表性的成果是刘东生等提出的黄土地 层划分方案。1 9 6 2 年，他根据黄土与红褐色古土壤在垂向上的变化和组合形式，将山西 午城剖面划分为下部的午城黄土，中部的离石黄土和上部的马兰黄土，这就是现今广为 应用的黄土地层划分方案。这一阶段黄土结构研究的重点是粒度组成，其中熊毅、文启 忠( 1 9 5 3 ) 、张宗祜( 1 9 5 9 ) 、苏联义( 1 9 5 9 ) 等先后开展了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的显微结构在偏光显微镜下作了初步的观察分析， 并注意到了黄土显微结构特征与工程地质性质的密切关系。6 0 年代到7 0 年代初期，借 助于显微镜开始了黄土显微结构特征的深入研究。朱海之( 1 9 6 3 ) 将马兰黄土的胶结分 为接触胶结、接触一基底胶结和基底胶结三种类型。张宗祜( 1 9 6 4 ) 在偏光显微镜下研 究黄土的显微结构进行了7 级分类。7 0 年代末到8 0 年代初，扫描电镜在黄土微形态研 究上的应用使黄土结构研究进入了超微观阶段。刘东生等( 1 9 7 8 ) 在国内首先利用扫描 电镜对我国黄土中的石英颗粒形态、表面结构及表面附着物进行了观察。高国瑞( 1 9 8 0 ) 通过扫描电镜观察分析黄土的显微结构并探讨了8 黄土湿陷机理，将黄土的骨架颗粒形 态分为粒状、粒状一凝块和凝块三类，颗粒的排列方式分为架空、架空一镶嵌及镶嵌三 种，颗粒的连接形式分为接触、接触一胶结及胶结三种，并提出了黄土微结构与湿陷性 关系的1 2 级分类。王永炎( 1 9 8 2 ) 、雷祥义( 1 9 8 9 ) 根据骨架颗粒接触关系、孑l 隙、胶 结程度将黄土的显微结构划分为3 个结构组合、6 个结构类型。目前，扫描电镜仍被广 泛地应用于黄土显微结构研究中。 9 0 ：年代以来，孙建中( 1 9 9 1 ) 、张苏民( 1 9 9 5 ) 等对湿陷性黄土增湿与减湿特性进 行了研究，发现初始含水量对黄土湿陷性影响显著，提出增湿软化非线性本构关系及湿 陷系数与一l 覆压力( p ) 、初始含水量( u ) 的回归模型。刘祖典( 1 9 9 4 ) 等认为黄土试 样在偏压( a 一仉) 作用下的应力一应变关系是研究黄土变形一强度关系的基础，并模 拟实际应力状态对黄土湿陷机理进行研究，分析了湿陷系数与干密度( 岛) ，含水量( u ) 的关系。胡瑞林等( 1 9 9 5 ) 利用计算机图象分析技术和分形理论，通过定量分析粘性土 微结构特征，发现粘性土结构分维值的区域变化规律，建立了湿陷性黄土微结构分维值 与湿陷系数的回归模型。关文章( 1 9 9 2 ) 等从研究湿陷性黄土可溶盐角度分析黄土湿陷 机理。 建国5 0 多年以来，广大工程技术人员结合国家基础建设对黄土的基本性质及工程 性质进行了深入的研究，取得了举世瞩目的成果。研究成果体现在6 6 ，7 8 ，9 0 版以及新颁 布的2 0 0 4 版湿陷性黄土地区建筑规范上，对黄土地区的工程建设起到了重要的指导 作用。 除了上述这些关于黄土性质基础性的探索和研究以外，水利工程、交通运输等领域 的科学工作者对压实黄土等在工程中的应用进行了探索【3 12 1 ，如对黄土的压实标准和参 数的研究，压实黄土的湿陷性质、微观结构、渗水特性，农田灌溉对黄土路基稳定性的 影响研究等。西安公路研究所的伍石生、武建民【5 】等对压实黄土的湿陷性及渗水特性等 进行了研究，认为压实黄土仍具有湿陷性，且在一定的压力范围内，随着压力的增大湿 陷性也增大。贾茂林1 6 】也指出湿陷性黄土经过压实后，如填筑含水量较低，填筑干度较 小时，仍具有明显的湿陷性，即使压实黄土的填筑干密度较大，而含水量较低时，仍具 有定的湿陷性，并在较大的压力范围内随着压力的增加而增大。沈波等【8 】研究了压实 路面在人工降雨时的侵蚀情况；景宏君，张斌凹1 研究了路基黄土强度的规律；周勤等n 0 1 对压实度和含水量对压实黄土力学特性的影响进行了分析；伍石生等n 对压实黄土的微 结构及其渗水特性进行了研究；杨重存n 2 1 对黄土高路堤及高路堑的稳定与变形特性进行 了分析与研究。 另外，公路工程领域的研究人员还分别对黄土路基及边坡的稳定性、黄土高路堤的 沉降、黄土路基的冲蚀与防治技术等与黄土性质关系密切的问题进行了深入具体的研究。 综上所述，我国对黄土的研究虽由来已久，但对于压实黄土的工程性质以及压实黄 土湿陷变形性状的研究还不系统，在公路路基设计与施工中，针对黄土湿陷性和压实特 性还没有成熟的标准。 1 3 本文的主要研究工作 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 段的q 3 湿陷性黄土为研究对 象，通过大量的室内、室外试验，对压实前后路基黄土的物理特性、强度特性及其湿陷 性进行了综合分析研究。主要研究工作包括： ( 1 ) 进行了黄土的室内常规试验、直接剪切试验、击实试验以及现场强夯试验、 载荷试验、浸水试验等； ( 2 ) 对原状、压实黄土分别进行了颗粒分析，对比分析了压实前后黄土的颗粒组 成和颗粒类型； 对原状、压实黄土分别进行了室内湿陷性试验，测定了其湿陷系数；讨论了 压实后湿陷系数与压实度、干密度、孔隙比和压缩模量的关系： 对原状、压实黄土分别进行了电镜扫描，分析了强夯前后黄土微结构的变化； 对原状、压实黄土分别在天然含水量和饱和状态下进行了无侧限抗压强度试 验，研究了压实前后路基土在天然含水量和饱和状态时的无侧限抗压强度， 提出了软化系数的概念，在此基础上对压实前后黄土对水的敏感性进行了研 究； 对原状、压实黄土进行了直剪试验，讨论了抗剪强度指标与含水量的之间的 关系； 对原状黄土进行了三轴固结试验，分析了黄土在三轴状态下的体变特征和湿 陷系数与压力的关系； 进行了不同含水率原状黄土的结构强度试验，研究了含水量对结构强度的影响 在以上研究的基础上，对压实前后黄土的湿陷性进行了分析。 1 4 研究技术线路 针对研究内容，本文采取图1 1 所示的研究技术路线。 4 ； ) ) ) ) “ 图1 1 研究技术路线框图 第2 章压实前后黄土的物理特性 土的物理性质反映土的松密、软硬等物理状态，也反映土的工程性质。在土的物理 性质指标中，比重一般可以近似的作为一个常量，而粒度组成、干密度、含水率、孔隙 比、可塑性、密度等随土的沉积环境和应力历史变化很大。 2 1 颗粒组成与孑l 隙特征 2 1 1 粒度组成与颗粒类型 土的颗粒大小、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。 实际上，土的颗粒并不完全是以单粒存在的。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。当土粒彼此完全不相连，这样的结构称为单粒结构。 当土粒连成大而结实的土块，这种结构可称为团块结构。与上述两种极端情况相反，土 粒团聚成小的团粒，成为集粒( 团粒) 结构 1 3 3 o 天然土体中绝大部分或全部粘粒都是 相互团聚成粒径不同的集粒和团块。土壤中富含粘粒矿物，粘粒矿物具有极大的比表 面积，表面有负电荷，具有胶体的性质。一组粘粒在其结晶面之间，由阳离子或氢键作 用，定向排列紧密而形成粘团。粘团间进一步相互团聚，就可以形成粒径不一的和稳定 程度不同的各式各样的集粒，集粒更进一步的团聚形成团块。 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，据有关文献，大集粒的直径可以在0 2 m m 以上，小的不到o 0 0 7 m m ，一般粒径为 o 0 9 o 0 2 m m 左右。由图2 - 1 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) 强夯压实后，黄土中的团块、集粒由于受强夯过程中振动、摩擦的影响，从连接较 弱的地方断开，表面的细粒碎屑和粘粒物质剥落，填充到孔隙中，团块集粒变小甚至 6 消失，孔隙比减小，土体被压实。压实后，土颗粒成为片状，叠置在一起( 图2 2 ) 。 图2 - 2压实后土样中的颗粒( 5 0 0 倍) 集粒不是黄土中固定的成分，而是黄土原始物质沉淀之后在特定的地质环境条件下 的次生产物。在进行粒度分析时，集粒被分散剂分离，是不会影响颗粒分析的结果。为 了对比分析强夯前后土样的颗粒组成的变化，特对压实前后的土样进行了粒度分析，结 果如表2 1 和图2 - - 3 ( 土样深度0 5 m ) ： 西禹高速公路强夯处理后颗粒分析试验结果统计表表2 - 1 颗粒组成( ) 处理方法 粉粒粘粒 o 0 7 4 o 0 5o 0 5 0 0 lo o l 0 0 0 5 o o l m m ) 的含量减小了， 小颗粒( 粒径 o o l m m ) 的含量增加了；强夯处理后，就同一夯击能来说，夯心土和夯 间土的变化略有不同：夯间土的细颗粒比夯心土多( 1 6 0 0 k j 夯间 0 o l m m 颗粒含量为4 6 1 ，夯心为4 1 6 ；1 0 0 0 k j 夯间 o 0 1 m 颗粒含量为4 8 6 ，夯心为4 3 5 ) ，说明各 夯点之间土体受四周夯击的冲击次数较多而且强夯冲击波动影响程度较大。粒径在 0 0 7 4 0 0 5 m m 范围内的粉土颗粒含量降低，土体结构单元中的骨架支撑作用破坏，而 粒径 0 0 1 6 m m ；( 2 ) 中孔隙，孔隙半径为0 0 1 6 0 0 0 4m m ；( 3 ) 小 孑l 隙，孔隙半径为0 0 0 4 0 0 0 1m m ( 4 ) 微孔隙，孔隙半径 o 0 0 1m m 。纵观黄土高原黄 土的孔隙，按成因大致可以分为粒间孔隙( 包括粘粒间孔隙、团块问孔隙、支架孔隙和 镶嵌孔隙) ，晶粒内孔隙，根洞、虫7 l 、鼠穴、节理和裂隙及溶蚀孔洞等【1 4 1 。 上述黄土孔隙的成因分类和大小分类基本上是一致的。大孔隙主要包括根洞、虫孔， 团块问间隙、裂隙及少量支架孔隙：中孔隙主要包括支架孔隙、晶粒内孑l 隙及少量镶嵌 孔隙；小孔隙主要是镶嵌孑l 隙，并含少量的粒间i l 隙及晶粒内孔隙；微孔隙主要是粘粒 间孔隙及少量的镶嵌孔隙【1 4 l 。 在剖面中自上而下，黄土中的大、中孔隙含量显著减少，小、微孔隙含量，尤其是 微孔隙含量，大幅增加。显然，黄土j l 隙组成在剖面中的这种变化趋势与粘粒含量增加、 压实作用程度增强以及风化成土作用增强密切相关。 张玉蕴通过对黄土微结构的分析，认为黄土的微结构随深度按一定的规律变化：其 一，构成黄土的骨架颗粒随着深度的增加，其变化情况为：粒状颗粒为主一粒状颗粒与 凝块共存一主要为凝块状颗粒。其二，骨架颗粒连接形式的变化情况为：点接触为主一 点接触与面胶结共存一主要为面胶结。其三，孔隙的变化情况为：架空孔隙为主一架 空、镶嵌孔隙并存一主要为镶嵌孔隙。随着取土深度的增加，黄土的微观结构中孔径大 于2 0 u m 的含量减少，小于2 0 u r n 的孔隙含量增加，土体结构的致密度也随之提高“”。 土中的孔隙按照骨架颗粒的排列方式可分为架空孔隙、镶嵌孔隙和粒内孔隙。其中 架空孔隙是造成黄土湿陷的基本原因。土中不同孔径的孑l 隙对于黄土湿陷性的影响是不 同的。孔径大于2 0 u m 的孔隙含量的增加，可以引起黄土湿陷性的增大，而孔径小于2 0 u m 的7 l 隙含量的增加，则可以降低黄土的湿陷性u “。 为了更进一步的了解黄土的孔隙大小与类型的变化规律，笔者对西禹高速公路 k 1 6 4 + 5 0 0 处不同深度，不同压实度的路基土样作了电镜扫描。土样是用双线法进行湿陷 试验后的土样，试验时最大压强为o 3 m p a 。然后再把试验后的土样在自然条件下晾干， 制成符合电镜扫描试验要求的试样。对压实前后土样的孔隙大小及类型进行了分析，并 统计了孔隙的个数与最大孔隙的面积，统计结果见表2 2 。 ( 1 ) 原状黄土中的孔隙 原状土样加压后，土样的微观结构变化不大， 土样中保持有少量的大孔隙。 经过对原始资料的分析总结，可知对原状黄土来 说，其中最大的孔隙面积o 4 5 9 m m 2 ，孔径为 - o 6 7 7 m m ，但其中大孔隙很少，而且个别大孔隙是虫 铜或植物根系造成的。在原状黄土中占绝大多数的孔 隙是i l 径为0 0 0 4 0 0 0 1 m m 的4 , t l 隙和孔径小于 图2 - 4 原状土样中大孔隙与小孔隙( 5 0 倍) 0 0 0 1 m m 的微7 l 隙。 l o 黄土微结构孔隙统计表袁2 - 2 最大孔隙的孔隙 晟大孔隙的 孔隙 深度( m ) 深度( m ) i 面积( m m 2 ) 个数 面积( m 2 ) 个数 o 30 1 2 52 6 40 30 0 9 22 4 8 o 80 1 6 42 4 80 80 0 5 62 5 2 1 20 4 5 92 2 86 0 0 k l1 20 0 0 82 6 4 原状土 1 50 2 7 42 0 4夯间l _ 50 0 3 32 2 3 2 00 1 7 6 2 5 9 2 00 0 2 32 6 8 4 00 3 7 32 3 24 00 1 7 l2 6 5 0 3 0 30 0 3 32 6 4 0 80 0 3 92 4 80 80 0 2 32 5 6 1 0 0 0 l ( j1 20 0 2 22 5 61 0 0 1 2 0 1 4 6 2 3 6 夯心 1 50 1 2 72 6 4 夯间 1 5 0 0 1 8 2 “ 2 00 5 3 82 2 42 00 2 0 72 1 2 4 00 2 4 22 2 14 00 2 4 22 0 8 0 30 0 4 82 2 4o 30 0 4 62 7 6 0 80 0 1 52 2 80 80 0 0 52 3 2 1 6 0 0 l u1 2o 0 0 32 1 61 6 0 0 l ( j1 20 0 2 32 6 4 夯心1 50 0 1 22 3 6夯间 1 5 2 00 0 0 82 8 42 00 0 3 62 3 6 4 00 1 0 8 2 4 4 4 0 0 3 1 7 2 3 2 ( 2 ) 压实黄土中的孔隙 原状土压实后，大孔隙明显减小，夯击能越大，大孔隙减小的越显著，而且夯间和 夯心稍有不同。统计结果见表2 2 。现仅对1 0 0 0 k j 夯击能处理后土样的孔隙进行描述。 a 、1 0 0 0 k j 夯心土 与原状黄土相比，用1 0 0 0 k j 夯击能处理路基后，浅层夯心土样的粒间孔隙大幅减 小，较深处土样的孔隙变化较小。其孑l 隙以小孔隙、微孔隙为主。 图2 - 81 0 0 0 k j 夯心土中最大孔隙( 1 0 0 倍)图2 - 61 0 0 0 k j 夯间土中最大孔隙( 5 0 倍) b 、1 0 0 0 k j 夯间土 与原状黄土相比，用1 0 0 0 k j 夯击能处理路基后，夯间土样的粒间孔隙大幅减小 较深处土样的孔隙变化较小。其孔隙以小孔隙、微孔隙为主。 从表2 2 可以看出，原状黄土经过强夯处理后，无论是夯间土或夯心土，颗粒问的 大孔隙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程度增强 和胶结物在振动作用下剥落充填孔隙相关。粒度分析也证明了这一点。 2 2 微观结构及其特征 黄土显微结构是指在显微镜下观察到的构成土体的骨架颗粒特征、孑l 隙特征、胶结 物的赋存状态和类型以及它们在空间上的总体排列形式。黄土的微结构是在黄土矿物颗 粒沉积后的成土过程中形成的，对它的研究有助于解决黄土的湿陷性及与其它物理力学 性质有关的理论问题和生产实践问题。黄土的微结构是一种空问概念。它的构成决定了 粗矿物颗粒的接触关系、孑l 隙及其分布与大小、胶结物种类和赋存状态以及胶结程度等 特征。 黄土的结构特征是黄土地质环境演化的重要依据，同时还是决定黄土工程地质性质 及水文地质性质非常重要的因素。黄土的现存结构状态是它在整个历史形成过程中的综 合产物，可以分为宏观结构和微结构两种。微结构由结构单元、胶结物和空隙三部分组 成。黄土以粉粒为主体，砂粒含量很少。粗粉粒构成黄土的骨架，而细粉粒、粘土和腐 殖质等胶结物质附在砂粒的表面，特别集中地聚集在大颗粒的接触点，它们与易溶盐形 成的溶液与沉积在该处的碳酸钙和硫酸钙一起形成了胶结性的联接，构成黄土的微结构 特征。 2 2 i 黄土的微结构分类 土的微结构是指土颗粒的大小、形状及其 i i ! y u 方式。一般来讲，土的结构，按其颗 粒的排列及联接，主要有单粒结构、蜂窝状结构和絮状结构。各类土由于颗粒直径和形 状的不同，排列方式也不同，通常粒径较大的砂粒为单粒结构，以粉土颗粒为主体的黄 土多为蜂窝状结构，而以粘土颗粒为主体组成的粘性土则多为絮状结构。湿陷性黄土的 粉土粒含量一般在6 0 以上，粘土颗粒一般在3 0 以下，所以湿陷性黄土的微结构是以 蜂窝状为主而兼含有一定量的絮状结构“。 关于黄土的微结构分类，国内外学者提出多种分类。高国瑞n 帅通过对各地黄土显 微结构的分析，将我国黄土微结构划分为1 2 种类型。王永炎n 8 3 等认为黄土中的矿物颗 粒接触、孔隙和胶结程度是微结构的明显特征，将黄土的微结构划分为三种结构组合和 6 种结构类型。这两种分类都比较复杂。 雷祥义教授通过对我国各地黄土显微结构的分析，将黄土微结构划分为6 种类型( 表 2 3 ) 。按照其反映湿陷性强弱程度和风化成土作用程度，由强到弱、自上而下排列，比 较简单明确。 黄土的显微结构类型表2 - 3 微结构类型 扫描镜下结构组台偏光镜下 湿风 1 、架犬孔微胶结结构微胶结 地区 1 、细砂质接触胶结结构质 兰蓑 化 2 、嵌微孔微胶结结构结构组合 时 由由萎代 喜 曩 作 3 、支架大孔半胶结结构半胶结2 、细砂粗粉砂质接触孔隙胶结结构 宴 弱量 4 、嵌微半胶结结构结构组合3 、粗粉砂细砂质孔隙接触胶结结构 到 巢 度 老 消 由 j 4 、辑i 粉砂质孔隙胶结结构 失耄 5 、絮凝状胶结结构5 、粗l 粉砂质基底孔隙胶结结构 j 强胶结结构组合 6 、凝块状胶结结构6 、粗细粉砂质基底孔隙胶结结构 7 、细粉砂质基底孔隙胶结结构 2 2 2 黄土骨架颗粒的连接形式 黄土骨架颗粒之间的相互接触是黄土结构体系中的重要环节，有点接触和面接触两 种形式。点接触一般发生在刚性集粒或碎屑颗粒之间，颗粒直接接触，接触面小，颗粒 之间有包裹的粘土膜、盐晶膜。这种连接多出现于气候干燥的西北。连接强度主要由原 始凝聚力和盐晶胶膜造成的加固凝聚力所形成。因而在极小的压力作用下，通过接触点 的断裂或错动，结构连接遭到破坏，容易发生湿陷和自重湿陷，湿陷的速度也较快。面 接触的接触面积较大，接触处有较厚的粘土膜或粘土片和盐晶膜，这种接触一般在中部 和东南地区的黄土中多见。浸水时残余强度比点接触高，不会发生自重湿陷，湿陷的速 度很慢。 2 2 3 黄土的胶结物质和胶结类型 黄土是第四纪以来干旱、半干旱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 o 0 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。黄河中游地区粘土矿物成分中：伊利石占6 2 、高岭石占1 0 、蒙 脱石占1 6 ；易溶盐 2 、中溶盐极少、难溶盐高达2 1 7 8 ；有机质 2 比如。 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，黄土高原黄土的胶结类型 可以分为三类 2 2 1 ：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，颗粒空隙中几乎 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：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。 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 2 4 路基原状黄土的微结构特征 对西禹高速公路k 1 6 4 + 5 0 0 k 1 6 5 + 4 0 0 处不同深度的原状土样进行了电镜扫描，清楚 的反映了原状黄土的微结构特征( 图2 7 图2 1 2 ) 。 5 0 0 倍1 0 0 0 倍 图2 7 原状黄土o 3 m 深度处絮凝状胶结结构 5 0 0 倍1 0 0 0 倍1 0 0 0 倍 图2 - 8 原状黄土0 8 m 深度处絮凝状微胶结结构 5 0 0 倍5 0 0 倍1 0 0 0 倍 图2 - 9 原状黄土1 2 m 深度处镶嵌微孔半胶接结构 5 0 0 倍1 0 0 0 倍1 0 0 0 倍 图2 一1 0 原状黄土1 5 m 深度处支架大孔微胶结结构 5 0 0 倍1 0 0 0 倍2 0 0 0 倍 图2 - 11 原状黄土2 o m 深度处支架大孔半胶结结构 5 0 0 倍1 0 0 0 倍2 0 0 0 倍 图2 1 2 原状黄土4 0 l 深度处镶嵌微孔半胶结结构 从上图可以看出，原状黄土微结构中的胶结物较多。特别是浅层以絮凝、凝块胶结 结构为主。0 3 m 和o 8 m 两个深度的电镜扫描图片显示：土体骨架单元的性质比较简单， 由许多粉土级颗粒组成，它们的主要成分是石英、长石和方解石。这些矿物碎屑颗粒彼 此接触，以点接触处为主，多数情况是架空的。胶体单元在数量和结构体系中占较小比 例，但依然是通过粘土矿物或盐类的胶结作用实现骨架单元的连接。孔隙单元以圆形或 近圆形为主，i l 内充填物很少。这个深度范围内的黄土一般具有较低的强度，结构体系 的稳定性差，即使在较小荷载下，也表现出较高的可压缩性，在浸水情况下，呈现较强 的湿陷性：2 0 m 以下黄土的骨架单元由矿物单颗粒和集合体组成，胶结单元以粘土为主 混合有碳酸盐与铁氧化物，它们像“涂层”一样包裹着骨架颗粒，构成连续的基质。孔 隙单元数量较少，而且多半被充填。这些决定了此深度范围内的黄土比较致密，具有较 好的物理力学性质，在荷载和浸水条件下较稳定，压塑性与湿陷性均很微弱。而1 2 m 到2 0 m 深度范围内黄土特征介于前两者之间，具有中等良好的工程地质性质。 2 2 5 路基压实黄土微结构的变化 为了研究强夯处理后路基土的微结构，笔者也对压实后路基土样做了电镜扫描，根 据夯击能的选择，在此只对1 0 0 0 k j 夯击后土样的微结构进行了分析。 夯问：0 3 m 深度处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，胶结情况己经看不清楚，而且充填物质明显增多( 图2 1 3 ) ，7 l 隙很 小：o 8 m 深度处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( 图2 1 4 ) ，颗粒表面的胶结物剥落；1 2 m 深度处土体结构变为镶嵌结构( 图 2 1 5 ) ；1 5 m 深度处土体由原来的支架大孔微胶结结构变为镶嵌结构，原来的骨架消失 了，大孔隙变为微小的孑l 隙，胶结物质减小( 图2 1 6 ) ；1 5 m 深度以下土体结构压实， 土粒叠置在一起( 图2 1 7 ) 。 5 0 0 倍2 0 0 0 倍 图2 1 31 0 0 0 k j 强夯后0 3 m 深度处镶嵌结构 2 0 0 0 倍2 0 0 0 倍 图2 1 41 0 0 0 k j 强夯后0 8 m 深度处镶嵌结构 5 0 0 倍1 0 0 0 倍 图2 1 51 0 0 0 k j 强夯后1 2 m 深度处镶嵌结构 1 0 0 0 倍2 0 0 0 倍 图2 1 61 0 0 0 k j 强夯后1 5 m 深度处叠置结构 5 0 0 倍1 0 0 0 倍 图2 1 71 0 0 0 k j 强夯后2 0 m 深度处叠置结构 夯心：0 8 m 深度处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( 图2 1 8 ) ，颗粒表面的胶结物脱落并填充到孔隙中；1 2 m 深度 处土体结构变为镶嵌结构( 图2 1 9 ) ，原来颗粒相互镶嵌的形式破坏，颗粒重新排列； 1 5 m 深度处土体由原来的支架大孔微胶结结构变为叠置结构( 图2 2 0 ) ；1 8 m n 度处土 体结构变化后成为镶嵌结构( 图2 2 1 ) 。 5 0 0 倍1 0 0 0 倍 图2 - 1 81 0 0 0 i 【j 强夯后0 8 m 深度处镶嵌结构 5 0 0 倍2 0 0 0 倍 图2 1 91 0 0 0 k j 强夯后1 2 m 深度处镶嵌结构 1 0 0 0 倍2 0 0 0 倍 图2 2 01 0 0 0 k j 强夯后1 5 m 深度处叠置结构 5 0 0 倍1 0 0 0 倍 图2 2 11 0 0 0 k j 强夯后2 o m 深度处镶嵌结构 2 3 密度与压缩特性 密度与压缩性是黄土的重要物理力学性质指标。黄土的密度与压缩性有着紧密的关 系，一般情况下，密度越大，压缩性越小。 2 3 1 不同夯击能下黄土密度的变化 ( 1 ) 室内击实试验 试验用土取自阎禹高速公路k 1 6 4 + 5 0 0 k 1 6 5 + 4 0 0 处，取土深度为0 5 1 o m ，为 q 3 黄土，色淡黄。试样的制备严格按照规程要求。将现场取回的散土样在室内分别采用 1 0 、1 5 、2 5 、4 0 的击数制成不同含水量的土样。试验结果如下图所示： 2 3 2 1 i 沪? 霞 勺 粤1 9 鲻 誉l7 lc 91 21 51 82 12 42 7 含水量( ) 图2 2 2 密度、含水量和夯击数的关系曲线 图2 2 3 干密度、含水量和夯击数的关系曲线 从图2 2 2 、图2 2 3 可以看出，在相同含水量的条件下，随着夯击数( 夯击能) 的 增大，土样的密度、干密度逐渐增大；在相同夯击数( 夯击能) 的条件下，随着含水量 的增大，密度、干密度先逐渐增大，再减小。 ( 2 ) 现场强夯试验 施工现场采用不同的夯击能处理黄土路基，在较大的夯击能作用下，土体被加密， 其密度、干密度增大( 表2 4 ) 。 压实前后土样密度的变化表2 4 深度( m ) 原状6 0 0 夯心6 0 0 夯问1 0 0 0 夯心l o o o 夯问1 6 0 0 夯心1 6 0 0 夯问 o 31 5 01 8 4 1 7 82 0 71 8 5l _ 9 01 7 3 0 51 4 91 8 21 9 l 20 2l8 31 9 41 8 1 o 8 1 4 61 7 8l _ 8 81 9 81 8 31 9 21 7 9 1 2 l _ 5 31 _ 7 31 8 919 l1 8 11 8 71 6 8 1 51 5 41 7 61 8 7 19 11 8 01 8 ll7 1 2 01 4 41 6 81 8 l1 7 41 7 81 8 01 6 7 3 o 1 4 0t 5 01 7 61 5 41 6 31 6 01 5 9 4 o 1 4 31 4 41 4 61 4 81 4 81 4 81 5 7 5 013 61 4 21 4 81 4 01 4 9 1 5 31 5 4 6 o1 4 l1 4 51 4 6 l5 41 5 2 7 o1 4 61 5 91 5 0 从上表可以看出，无论是原状土还是击实土，随着深度的增加，土样的密度逐渐减 小，但减小的幅度不同。原状土样的密度较均一，随着深度的增大，稍有减小；压实的 土样，较浅处的密度很大，但由于夯击的影响深度有限，到了较深处，土样密度增大的 比较小。就同一深度的土样来说，随着夯击能的增大，土样密度的变化不是很有规律。 一般来说，夯间土小于夯心土； 对于夯间土来说，较浅处( o 3 m 0 5 m ) ，1 0 0 0 k j