辽宁西部湿陷性黄土特性与处治技术研究

论文摘要

论文以辽宁西部黄土为研究对象,以高速公路建设工程为依托,采用现场调查、测试和室内试验相结合的研究方法,通过对铁阜高速公路阜新一朝阳段湿陷性黄土的大量现场调查和勘察,利用三轴试验、14C测年法、X衍射法、扫描电子显微镜微观结构测试技术及计算机图像处理技术、人工神经网络技术、分形几何理论及基于扰动状态概念的建模方法,对辽西黄土的分布特征和工程特性进行了全面系统的研究和深入的探讨,开展了湿陷性黄土地基处理的试验研究,分析对比了试验前后黄土湿陷性的变化和黄土物理力学性质的改变,获得了各种湿陷性黄土地基处理方法的技术参数,为该地区工程项目的开展提供了科学的依据。论文的主要工作和成果如下：（1）阜朝高速公路沿线黄土分布于山前河流冲洪积平原、丘陵及低山地貌单元,主要分布于山前坡洪积扇及河谷阶地上。黄土为马兰黄土。黄土地貌形态特征并没有西北地区的黄土地貌特征明显,即没有典型的塬、梁、峁。不同地段的黄土均具有湿陷性,但不同地貌特征的黄土湿陷性具有一定的差异。在成因上可以认为是以风成为主后经重力和流水作用的综合成因,为冲洪积和坡洪积次生黄土。该地区黄土在颗粒成分上以粉粒为主,且其中以粗粉粒为主,粘粒含量变化较大,在粒度成分上有别于西北地区的黄土。黄土中的碎屑矿物以石英和长石为主,重矿物含量很小。粘土矿物以伊利石、伊蒙混层为主,绿泥石次之,高岭石含量很少。黄土中易溶盐平均含量为0.047%,中等溶盐平均含量为0.029%,难溶盐碳酸钙平均含量为2.46%,与我国其他地区的黄土中的可溶盐含量相比,易溶盐和难溶盐偏低。黄土的PH值在6.91-8.06之间变化,平均为7.47,呈弱碱性。（2）黄土的骨架颗粒的单粒状、集粒状和凝块状三种形式共存,粒状颗粒中单个的粉粒和由粘胶微细碎屑胶结成的集粒居多。黄土中粘粒含量较低时,骨架颗粒呈支架—镶嵌接触,随着粗颗粒含量的降低及粘粒含量的增高,骨架颗粒将由支架—镶嵌接触转变为分散分布,土体的强度和稳定性也随之增高。浅层黄土中大孔隙和中孔隙数量较多,说明存在较多的支架孔隙和其它大孔隙,而深层黄土的小孔隙和微孔隙则较多。黄土中孔隙具有自相似性,黄土中的孔隙分布具有分形特性,孔隙分布分维数在1.22-1.41变化。浅层黄土中的孔隙分布分维数较深部黄土略大。在深度20m内黄土的结构类型以支架大孔微胶结结构、支架大孔-镶嵌微孔半胶结结构、絮凝状胶结结构和凝块状胶结结构四种类型为主。浅部黄土的结构较松散,存在支架大孔微胶结结构,深度黄土的结构较为密实,为絮凝状胶结结构和凝块状胶结结构。由此,随着深度的增加,土体从松散逐渐趋于密实,土中孔隙逐渐减少,土颗粒从粒状逐渐聚集成凝块状,土粒间排列从微胶结结构逐渐变为胶结结构,稳定性逐渐提高,湿陷性逐渐降低。（3）黄土物理性质指标的变异性小于力学性质指标的变异性,力学指标离散性大。黄土的物理指标之间以及物理指标与力学指标之间相关性不好,相对而言,物理性质指标之间相关性要好于力学性质指标与物理性质指标之间的相关性。原状黄土饱和后的渗透系数大致为：竖向渗透系数的变化范围为4.13×10-5cm/s～9.13×10-5cm/s；水平向的渗透系数变化范围为1.67×10-5m/s-5.33×10-5cm/s；kz/kx值的变化范围1.54～4.65,渗透系数与渗透压力之间具有很好的幂函数关系,竖向渗透系数随深度具有较明显减小的规律。（4）辽西地区黄土具有有利于产生湿陷的基本原因,即特殊物质成分和特殊结构特征。深度1-5m的黄土的湿陷系数与物理指标之间的相关性并不明显。将人工神经网络方法用于黄土湿陷性判别,可以较好地利用物理指标进行湿陷性的预测。采用割线模量法建立了黄土湿陷变形的计算公式,可以用于湿陷性黄土地基的湿陷变形的计算。（5）在不同的试验条件试验获得强度指标是明显不同的,主要表现为不排水剪的抗剪强度指标c和（?）都明显较固结不排水剪获得的强度指标高。建议实际工程中采用有效应力强度指标。不排水剪的应力—应变关系主要表现为明显的应变软化型,但当固结压力较高时,应力—应变关系曲线变成应变硬化型；固结不排水剪获得的应力—应变关系主要呈弱应变软化型和应变弱硬化型；固结排水剪的应力—应变关系曲线为应变硬化型。这种强度和应力—应变特征主要受到黄土结构性、饱和程度、排水条件的影响。建立了描述黄土应变硬化和应变软化的扰动状态本构模型,可用于黄土路基的变形和稳定性分析。（6）冲击碾压法是处理浅层湿陷性黄土地基的一种有效方法,它可以增加地基土的干密度（密实度）,增加地基土的承载能力,消除湿陷性黄土的湿陷性。冲击碾压的处治效果与湿陷性黄土的性质及设备冲击能有关,具体地段施工的效果应采用与施工地段地质条件相仿的路段试验确定。对于朝阳地区湿陷性黄土,25KJ三边形冲击碾压两试验段以12km/h冲碾速度碾压最优冲击遍数为40遍,冲击碾压的有效影响深度为0.90m。冲击碾压处治效果可采用动力触探的击数变化加以检验。强夯法作为一种处治黄土湿陷性的有效方法,适合于辽宁西部地区的湿陷性黄土的处治。在同一场地条件、试验设备情况下,单点夯击次数的不同,处治的有效影响深度不同,单点夯击次数大,影响深度越大,但变化不大。经强夯处理后的湿陷性黄土,消除湿陷性后土的干密度值大于1.50 g/cm3,可以采用土的干密度值作为检测的参考指标。湿陷性黄土强夯前后的动力触探击数变化与土的密实度变化有较好的关联性,可以用作判定处治有效深度的技术指标。通过采用灰土挤密桩可以有效消除黄土湿陷性,但消除的效果与采用的设备和设计的桩间距有关；可以用试验前后的动力触探对比判定场地土的处治效果；灰土桩处治施工后黄土的干密度值一般大于1.5g/cm3,可将干密度值作为黄土湿陷性检测判定的参考指标。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 问题提出及研究意义
• 1.2 湿陷性黄土研究的现状
• 1.3 本文研究内容及技术路线
• 1.3.1 本文主要研究内容
• 1.3.2 本研究采取的技术路线
• 第二章 辽宁西部湿陷性黄土的成因与分布
• 2.1 辽宁西部地区自然概况
• 2.2 区域地形地貌
• 2.3 黄土的分布及黄土地貌特征
• 2.3.1 黄土地貌特征
• 2.3.2 黄土分布特征
• 2.4 黄土的成因
• 2.5 本章小结
• 第三章 辽宁西部黄土的物质组成与结构特征
• 3.1 物质组成
• 3.1.1 黄土的粒度成分
• 3.1.2 黄土的矿物成分
• 3.1.3 黄土的化学特征
• 3.2 黄土的微观结构特征
• 3.2.1 骨架颗粒形态及其接触关系
• 3.2.2 黄土中胶结物特征及胶结类型
• 3.2.3 黄土中的孔隙特征
• 3.2.4 黄土微结构类型
• 3.2.5 黄土中孔隙的定量特征分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 辽宁西部黄土的物理力学性质
• 4.1 黄土的基本物理力学性质
• 4.1.1 黄土的物理性质
• 4.1.2 黄土的基本力学性质
• 4.2 物理力学性质指标的分布特征
• 4.2.1 黄土的物理力学指标的分布特征
• 4.2.2 黄土物理力学性质指标随深度的变化
• 4.2.3 不同地貌单元上黄土物性指标的分布特征
• 4.3 物理力学性质指标之间的关系
• 4.3.1 物理性质指标之间的关系
• 4.3.2 物理与力学指标之间的关系
• 4.4 基于三轴试验的抗剪强度特性
• 4.5 黄土的透水性
• 4.6 黄土的应力-应变关系
• 4.6.1 黄土的应力—应变关系
• 4.6.2 黄土的本构模型
• 4.7 本章小结
• 第五章 辽宁西部黄土的湿陷性及湿陷变形
• 5.1 黄土的湿陷性试验
• 5.1.1 湿陷变形及湿陷系数
• 5.1.2 黄土湿陷性试验
• 5.2 湿陷性与其它物理性质指标的关系
• 5.3 黄土湿陷机理分析
• 5.4 基于人工神经网络的湿陷性评价
• 5.5 黄土地基的湿陷变形特性及描述
• 5.5.1 黄土的湿陷变形特性
• 5.5.2 割线模量与压力关系曲线
• 5.5.3 增湿变形本构关系的建立
• 5.6 本章小结
• 第六章 辽宁西部湿陷性黄土路基处理方法的试验研究
• 6.1 冲击碾压法处理湿陷性黄土路基的试验研究
• 6.1.1 试验段冲击碾压法施工方案设计
• 6.1.2 试验段黄土的工程地质条件
• 6.1.3 试验效果分析
• 6.1.4 冲击碾压法处理效果分析
• 6.2 强夯法处理湿陷性黄土路基的试验研究
• 6.2.1 强夯试验方案设计
• 6.2.2 不同夯击能的强夯试验及结果分析
• 6.2.3 不同夯击能下路基处治效果的比较分析
• 6.3 灰土挤密桩法处理湿陷性黄土路基的试验研究
• 6.3.1 灰土挤密桩法原理与施工技术参数
• 6.3.2 灰土挤密桩的施工方案
• 6.3.3 K301+602～K301+622段灰土挤密桩法试验
• 6.3.4 K398+460～K398+480场地灰土挤密桩的现场施工试验
• 6.3.5 灰土挤密桩的现场施工的效果分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 进一步研究展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 个人简历
• 攻读学位期间发表的论著、获奖、发明专利和科研情况