黄土塬非饱和黄土增湿变形特性及结构性研究

为了研究黄土塬地区非饱和黄土增湿变形特性及其与结构性的关系,选取庆阳市西峰区某建筑场地土样,对其进行了不同含水率下的黄土固结试验研究,讨论了湿陷系数与压力、初始含水率及初始结构强度的关系。结果表明:不同浸水压力作用下,湿陷系数随初始含水率的增大基本呈现递减趋势;高压力处增湿湿陷性强,低压力处增湿湿陷性弱;黄土结构强度随初始含水率的增大呈降低趋势,且在含水率增大初期,黄土结构强度降低速率较大,后期速率减缓;黄土湿陷前后土体的微结构发生了明显变化,形成了较稳定的次生结构。     

冻融作用对黄土湿陷性的影响

为分析冻融作用对黄土湿陷性的影响,采用室内试验方法。首先,以Q₃黄土为研究对象,采用增(减)湿法配制不同含水量黄土试样,测试黄土在无水补给条件下受温度影响的冻融变形、压缩变形、湿陷变形;对原状黄土进行颗粒分析及基本物理力学参数试验。试验结果表明:黄土是否产生冻胀取决于其含水量是否超过“临界冻胀含水量”。冻融黄土与原状黄土相比压缩变形量较大,把部分浸水湿陷变形转化为压缩变形,冻融作用使黄土的湿陷性弱化。冷冻黄土在相同温度下,含水量越大,湿陷系数越小;在同一含水量下,冻结温度愈低湿陷系数愈小。     

冻融循环对黄土路基填料抗剪强度影响的实验研究

以山西某工程为例,对其所用黄土进行了冻融循环、直剪等试验,分析冻融作用对压实黄土抗剪强度等性质的影响。试验表明:在不同固结压力下的黄土经过冻融循环作用,抗剪强度都降低,其中黏聚力减小,内摩擦角略有减小,且含水率越大冻融循环作用的影响越明显。在湿陷性黄土和非湿陷性黄土含水率都为最佳含水率时,压实的湿陷性黄土对冻融循环的敏感性大于非湿陷性黄土,故在黄土地区应尽可能不用压实后的湿陷性黄土做路基填料。     

湿陷性黄土隧道的工程性质分析

黄土隧道往往具有特殊的湿陷性黄土围岩和干旱半干旱气候地区特殊的地形地貌及地质环境,对隧道结构构成了潜在的不利影响。在对湿陷性黄土隧道修建和运行中工程特性认识的基础上,首先,根据地形地貌、地层结构、侵蚀发育、地下水条件和黄土浸水水源,进行了隧道的岩土环境等级和浸水等级划分,以及湿陷性黄土隧道的环境等级划分。其次,给出了隧道黄土地基湿陷变形量的计算分析方法,依据黄土地基湿陷变形不均匀沉降对衬砌结构的作用影响,以及列车运行对路基沉降变形的控制标准和建筑地基湿陷变形对结构的作用影响,确定了隧道湿陷性黄土地基等级的划分标准。最后,考虑到现行《湿陷性黄土地区建筑规范》适用的局限性,结合湿陷性黄土隧道的工程特点,针对隧道施工过程中围岩稳定性和湿陷变形对衬砌结构影响的两个重要问题,相应的提出了隧道地基湿陷性变形的评价方法和围岩压力的确定方法;由竖向压缩应力系数确定湿陷压缩应力,结合试验得出的湿陷系数计算隧道下地基土在实际压缩应力条件下的湿陷变形量。在考虑黄土结构性的条件下,利用太沙基公式计算隧道围岩压力,得到了围岩压力随黄土构度的变化关系。     

湿陷性黄土中水泥浆液注浆加固机理

通过分析湿陷性黄土的组成结构、湿陷机理、力学性能,研究了外界荷载作用下湿陷性黄土的变形及破坏机理;在湿陷黄土中做原位水泥浆液注浆加固试验,分析了注浆过程中不同时间段两者之间的相互作用;对注浆后土体纹理结构以及变形进行分析,研究了水泥浆液在湿陷性黄土中的加固机理;采用弹性力学和断裂力学进行理论计算,研究了水泥浆液与土体之间在注浆过程中的相互作用。结果表明:水泥浆液注浆对湿陷性黄土能起到有效的加固作用;湿陷性黄土注浆过程中水泥浆液造成湿陷量极小,并在压力作用下能够迅速对湿陷进行补偿;水泥浆液在黄土中的加固机理包括填充注浆、劈裂注浆、压密注浆,控制注浆压力能有效实现在湿陷性黄土中的压密注浆、劈裂注浆。     

采用TDR水分计研究非饱和黄土入渗及自重湿陷变形规律

通过在大厚度自重湿陷性黄土场地上进行大规模原位浸水试验,在浸水坑的不同位置和深度埋设TDR水分计,对水在竖向和水平向的入渗运移规律进行实测,研究黄土在地面浸水后的入渗规律与自重湿陷变形规律及其相互关系。研究表明:(1)水在土体中的入渗规律是水沿大孔隙先向下入渗,然后再渗透扩大饱和区的运移过程;(2)在水分的入渗过程中,深度22.5～25.0 m以上土体发生自重湿陷变形,以下土体含水量增加缓慢,达不到湿陷起始含水量,没有发生自重湿陷变形,因此,可考虑22.5～25.0 m作为现场湿陷性评价的临界深度,另外该深度可作为大厚度湿陷性黄土地区进行地基处理时的参考地基处理下限深度;(3)由TDR水分计得出的体积含水率变化曲线不仅可以用来测量体积含水率的时空变化,而且可以用来判定黄土是否发生湿陷变形以及湿陷敏感性和湿陷系数随深度的变化规律,也可粗略计算水在非饱和黄土中的扩散速度。     

大厚度湿陷性黄土地层的现场砂井浸水试验研究

针对大厚度黄土湿陷变形室内试验评价不准确,现场原位浸水试坑试验评价方法周期长、费用高且难以适应线性工程技术要求等不足,提出了一种新的现场试验评价方法:砂井浸水试验方法。其核心是利用湿陷变形土体与未湿陷变形土体之间产生相对沉降差及地裂缝,通过湿陷性黄土场地设置砂井,将水直接导入某一深层湿陷性黄土地层及砂井圆周边土体,以此来测定砂井井底下地层和砂井孔深范围内黄土的湿陷变形量。该方法具有操作简便、花费小、周期短和灵活性高等特点。依托宝兰客专建设项目,在具有代表性的大埋深自重湿陷性黄土场地开展了4个不同深度的砂井浸水试验,测试了砂井场地的沉降变形及井底湿陷性土层的沉降变形,同时配合井底土层含水量的量测,分析了井底黄土的湿陷性变形特征。参考现有规范中建议的该地区自重湿陷量修正系数,对比砂井浸水试验结果与室内试验结果,初步论证了砂井浸水试验的合理性,及其在大厚度湿陷性黄土线性工程上运用的优势。     

压实黄土增湿变形性质及其影响因素试验研究

作为建筑材料的黄土在工程建设中大多经过压实处理,其增湿变形特性与工程安全密切相关。已有的对黄土增湿变形性质的研究,基本上是针对原状黄土开展的,对压实黄土较少涉及。通过双线法增湿湿陷试验,对压实黄土在增湿条件下的压缩及增湿变形性质进行了较系统的研究,并进行了压缩和湿陷变形影响因素的方差分析。结果表明:①随增湿含水率的增加,压实黄土的压缩性增大,湿陷性减小,压实度越小,这种效应越明显;不同压力下,湿陷变形对增湿的敏感性不同;②随增湿含水率的增加,增湿变形起始压力减小,增湿变形终止压力增大,增湿变形压力区间增大,可用增湿变形系数反映已有增湿水平下土体湿陷性的退化程度;③方差分析表明,相同增湿含水率下,压实黄土最终变形仅受最终压力的影响,加荷路径、浸水路径及两者的耦合对其影响很小;④未浸水饱和压缩时,密实度、初始含水率和压力,以及它们的交互作用均对压缩变形有显著影响,压力的影响最大,其次是密实度和初始含水率;与未浸水情况不同的是,浸水饱和压缩时初始含水率的影响很小;⑤增湿含水率、压力和密实度,以及它们的交互作用均显著影响压实黄土的湿陷性,其中增湿起始含水率的影响最大,密实度次之,压力最小。     

黄土地层浸水湿陷对地铁隧道影响试验研究

黄土地层浸水湿陷对地铁隧道结构的影响是较为突出的岩土工程问题之一,为深入研究黄土层湿陷变形对隧道衬砌结构的影响机制,通过改进长安大学离心机浸水装置和监测设备,系统开展了浸水条件下湿陷性黄土层对地铁隧道结构影响的离心模型试验,试验结果表明:地铁隧道周边黄土浸水湿陷会导致土层重度增加,隧道拱顶土层内部拱效应因湿陷而消散,土层自重压力增加且完全由隧道结构承担,从而会导致隧道结构受力和变形不利,传统的深埋隧道结构设计理论需考虑湿陷条件下拱顶土压力的不利增长因素;地铁隧道基底下黄土地基的浸水湿陷会明显诱发隧道结构的附加作用应力,但一定厚度的非湿陷性黄土或有效处理过湿陷性黄土层抵御下伏土体湿陷变形的能力不容忽略,非湿陷土层厚度越大,对于抵御湿陷变形的能力越强;隧道基底土层不均匀浸水湿陷会导致隧道拱顶部呈现受拉状态,底部呈现受压状态,隧道拱顶所承受的附加应力更大,约为拱底附加压应力的3倍,隧道基底的自重湿陷变形对隧道顶部衬砌结构所造成的破坏更严重。     

研究黄土湿陷性的新方法

为了研究吸力对黄土湿陷变形的影响,研制了一套可以控制吸力的非饱和土湿陷三轴仪。该三轴仪底座为二元结构,既能控制吸力又能浸水。将该三轴仪和GDS压力/体积控制器相结合,实现了浸水过程中量测浸水体积的功能,并可施加浸水压力。该设备能精确量测试样体变;控制偏应力;精确量测浸水量。利用该仪器探讨了原状湿陷性黄土控制吸力三轴湿陷试验的方法,并进行了净围压相同吸力不同和吸力相同净围压不同的双线法三轴湿陷试验。结果表明:吸力越大湿陷变形越大,净围压对湿陷变形有显著影响。非饱和土湿陷三轴仪为研究黄土的湿陷特性提供了有力的工具。     

粗粒盐渍土区既有高铁路基变形特性试验研究

为了探究某既有高速铁路路基变形特性,对路基填料进行了基础物理化学试验,得到了颗粒级配、最大干密度、最佳含水率和易溶盐含量等基本工程性质,然后选取典型标段路基填料,分别开展室内单次降温盐胀试验、溶陷试验、冻融循环试验和现场大型溶陷试验。结果表明:该段路基土体在单次降温试验中的最大盐胀率为0.96%,最大盐胀变形量与土样不均匀系数之间存在线性关系,土样最终盐胀量在很大程度上取决于土样级配和硫酸根离子含量; 在最不利工况下土样的最大溶陷系数为0.012,K87+950标段土样最终溶陷量最大,为5.67 mm,最大变形率为4.7%; K87+950标段路基变形量随温度变化呈现V形下降趋势,在第5次冻融循环周期相对融沉量达到最大,7次冻融循环后硫酸根离子沿土样高度呈现M形分布; 土样顶部接近制冷头部位的含水率明显增加,底部含水率减少,20～40 cm高度范围内土样含水率无明显变化,距土样顶部15～30 cm层位范围盐胀变形量最大; 由现场溶陷试验可知,注水量达到30 mm时,K31+000试验点路基溶陷量可达到最终溶陷量的80%,极端降雨不会引起该既有路基发生较大溶陷变形。     

冻融循环对高含水量黄土压缩变形特性的影响

为了研究不同冻融循环次数下含水量变化对季节性冻土地区高含水量黄土压缩变形特性的影响,以山西阳曲地区高含水量黄土为研究对象,分别进行不同含水率、冻融循环次数的侧限压缩试验,并引入压缩变形系数来表达黄土的压缩变形特性。研究表明,当含水率达到22%时,未经冻融土样表现出明显的湿软特性,随着冻融循环次数的增加,土样的湿软特性逐渐加剧,且冻融循环次数5次之前土样的压缩变形较大;随着含水率的逐级增加,存在一个含水率阈值,使得冻融循环作用对土样的压缩变形特性将产生显著的影响;并通过割线模量法对该黄土压缩变形过程中的应力应变关系进行分析,得出拟合结果。     

黄土隧道地基湿陷变形评价方法探讨

 隧道穿越自重湿陷性黄土地层时,可能遭受浸水作用下地基湿陷变形的附加作用而产生结构破坏。针对隧道衬砌结构的湿陷性黄土地基,结合隧道围岩及地基的自重湿陷变形特征,首先,提出浅埋隧道围岩压力、衬砌结构自重荷载构成基底压力和隧道两侧基底面分布土层自重共同作用下地基土的附加应力计算方法,以及考虑地基土自重应力的湿陷压缩应力计算方法。其次,在基本物性与构度、构度与结构压缩屈服应力、孔隙比和初始孔隙比比值与压缩应力和结构压缩屈服应力比值关系的基础上,建立自重湿陷系数和湿陷系数的计算方法。依据大厚度自重湿陷黄土场地不同埋深范围黄土具有不同自重湿陷系数门槛值的特征,得到了场地的自重湿陷变形和隧道地基的湿陷变形的计算方法。最后,通过数值计算分析,模拟隧道地基湿陷变形不同沉降差作用下衬砌结构应力场和塑性域发展,随着不均匀湿陷变形的增加,隧道衬砌结构塑性区范围不断增大,并结合铁路路基沉降控制标准,建议隧道地基湿陷变形0～5 cm为一级、5～10 cm为二级、大于10 cm为三级。     

自重湿陷性黄土与单桩负摩阻力离心模型试验

 为研究和分析黄土的湿陷变形性质与桩基的负摩阻力,采用离心模型试验的方法分别对原状自重湿陷性黄土与重塑湿陷性黄土进行模拟浸水试验。试验研究结果表明：原状和重塑湿陷性黄土浸水湿陷过程主要分为3个阶段,即显著湿陷变形阶段、湿陷稳定变形阶段以及水位下降后土体的固结变形阶段。根据试验结果,对于以沉降观测为目的的试验研究中,用重塑黄土代替原状黄土进行离心模型试验模拟其湿陷变形的方法是可行的。进而分析基桩负摩阻力分布规律及中性点位置的变化规律。单桩的负摩阻力分布及中性点位置是一动态变化过程,中性点位置与桩长的比例为0.68～0.82。     

含水量及冻融循环对阳曲黄土压缩特性的影响分析

压缩特性是黄土的重要力学特性,是季节性冻土区黄土工程设计的重要依据。为研究冻融循环和含水量变化对黄土压缩特性的影响,以山西阳曲1号隧道为背景,对不同含水量的黄土进行冻融循环后的系列试验。结果表明:冻融循环通过强风化作用于土中自由水,使得土中自由水发生了原位的冻胀融沉和迁移,破坏了土颗粒的胶结物质,改变了土样固体颗粒的粒径分布,粗颗粒减小,细颗粒增加。使得土体的孔隙比、干密度、体积均增加,压缩系数的变化与含水量和冻融循环次数正相关,压缩模量的变化与含水量和冻融循环次数反相关,压缩性增强。本文的研究结果可对阳曲甚至山西的黄土工程提供帮助。     

不同起始饱和度条件下黄土湿陷性的试验研究

通过常规室内试验和变含水量固结试验,从起始饱和度的角度对黄土的湿陷性进行研究,分析土体在不同起始饱和度条件下压缩变形和湿陷系数与压力的关系,目的在于探寻荷载和水的变化对黄土湿陷性的影响。     

兰州地铁大厚度湿陷性黄土地层的现场浸水试验研究

为了研究大厚度湿陷性黄土地层的湿陷性对城市轨道交通地下结构的影响,针对传统室内试验评价结果不准确的缺点,依托兰州地铁3号线一期工程—陡道沟站,选取典型大厚度湿陷性黄土施工场地,通过开展场地地面浸水试验,测试了地面入渗过程中不同深度地层的湿陷沉降变形及地表的沉降变形,研究了既有黄土地层的湿陷变形特性,并结合室内试验的结果进行验证。结果表明：①场地内黄土的湿陷性具有突发性的特点,地表土层及深部土层的湿陷变形大体呈现陡增、骤降和平稳三个阶段;②场地内黄土的湿陷系数随着黄土深度的增加而降低,自重湿陷系数与深度的关系曲线符合幂函数关系,相关性为0.983;③兰州地区湿陷性黄土地层自重湿陷变形计算值的修正系数建议取值为1.675。研究结果可为兰州地区大厚度湿陷性黄土地层地铁设计及施工提供借鉴。