宁夏南部黄土的特殊工程性质及防治综述

黄土高原北部的宁南黄土以其强的Ⅱ-Ⅲ级自重湿陷性在我国黄土中占独特地位。究其原因:黄土内部的孔隙结构,粒度组成和胶结类型间的紧密联系,是引起黄土湿陷性强弱或湿陷敏感性高低的内因。影响场地土湿陷敏感性的外因如土层厚度、埋藏深度、水平垂直向渗透系数等又与土的孔隙度和结构类型有关,结构差异将导制湿陷敏感性的差异。黄土湿陷性及湿陷敏感性随深度的增加而递减,通过对该区黄土产生湿陷性机理进行的分析,提出相应的工程防治措施。     

原状黄土显微结构特征与湿陷性状分析

基于原状黄土的显微结构扫描电镜及室内湿陷性试验,分析了黄土的微结构特性和不同压力不同含水量下黄土的湿陷性状及其之间的内在联系,结果表明:随着埋藏深度的增加,由支架大孔微胶结结构逐渐变为镶嵌微孔半胶结结构,支架大孔孔隙发育逐渐变为粒间孔隙发育,再为微孔孔隙发育;黄土在增湿情况下其湿陷系数-压力关系曲线由三部分组成,初始压缩变形阶段,是结构强度发挥阶段,变形较小,黄土微结构没有遭到破坏;曲线第一转折点s=0.015后,原有结构破坏,微结构发生变化,颗粒重新排列,湿陷速率增大,是湿陷变形主要阶段;达到峰值后,颗粒间形成了新的结构,湿陷变形幅度减小;随着骨架颗粒连接逐渐变为非架空的镶嵌排列,湿陷起始压力及峰值湿陷压力值随着埋藏深度的增加而增加,而峰值湿陷系数和湿陷变形量的压力范围随着埋藏深度的增加而变小;骨架颗粒特征和孔隙特征是黄土湿陷性的内在影响因素,而胶结物的多寡及胶结状态是黄土湿陷性强弱的主要影响因素之一。     

黄土湿陷机理研究现状及发展趋势

在回顾早期黄土湿陷机理研究成果的基础上,概述了黄土湿陷机理的发展历程,从微观结构、数理分析方法、土力学角度和建立本构模型4个方面总结了黄土湿陷机理的研究现状。通过工程实例研究提出了当前黄土湿陷机理发展中存在的问题;并对其发展趋势进行了分析。认为应以黄土微观结构研究为基础,结合先进测试仪器和分析软件,从非饱和土力学的角度出发,采用离散元分析手段,考虑溶盐因素,系统建立各种应力路径下黄土湿陷本构关系,从而完善黄土湿陷机理的研究。这对正确理解和研究黄土湿陷机理具有重大的理论意义和指导意义。     

湿陷性黄土的术语和基本概念

从黄土的湿陷性、黄土的湿陷特性曲线、湿陷特性曲线、湿陷类型和湿陷等级、增湿变形机理和力与水的作用次诒等５个方面列出了有关湿隐性黄白的３０条术语,并阐明了它们的基本概念。     

结构性黄土一维湿陷特性的离散元数值模拟

针对结构性湿陷性黄土大孔隙和胶结特性,应用离散元生成了不同含水率结构性黄土试样,研究试样的一维湿陷特性。首先,根据已有的结构性黄土试验资料和胶结颗粒材料离散元数值试验成果,建立胶结强度和初始饱和度之间的关系。其次,采用蒋明镜等提出的分层欠压法[1]和胶结模型[2]制得不同含水率结构性黄土离散元试样,然后进行不同含水率双线法和同一含水率4个压力下单线法湿陷试验的离散元数值模拟。数值模拟结果表明,提出的离散元分析方法能模拟天然结构性湿陷性黄土的主要力学性质,随着含水率的减少,结构屈服应力和最大湿陷压力增加,湿陷系数随着压力先增加后减小,湿陷起始压力为饱和试样的结构屈服应力,单线法湿陷后压缩曲线与饱和试样的压缩曲线接近。此外,模拟结果还表明,不同含水率结构性黄土离散元试样的最大湿陷系数与天然结构性湿陷性黄土相差较远,但在最大湿陷系数与孔隙比的比值上相接近;结构屈服对应着胶结的逐步破坏,湿陷伴随着大量的胶结破坏。提出了基于胶结点数目的损伤变量,研究了其在加载和湿陷过程中的变化规律。研究成果为认识黄土复杂力学特性和建立其本构理论提供了基础。     

黄土微结构区域变化规律及与湿陷性相关性研究

黄土中的微结构是影响黄土湿陷的重要因素。本文运用扫描电子显微镜对黄土微结构进行观察并对统计数据进行了分析，结果表明黄土微结构在区域上存在一定的变化规律。即，由西北的粒状、支架接触式结构，逐渐过渡到东南的凝块、镶嵌胶结式结构。通过对黄土矿物颗粒接触关系和孔隙与湿陷性的关系的分析，并根据非饱和土粒间吸力理论分析，认为支架结构孔隙为黄土湿陷变形提供了空间条件，而黄土微结构吸力空间分布的不均匀性是引起黄土湿陷的根本原因。     

黄土湿陷机理研究现状及有关问题探讨

黄土湿陷性问题由来已久。20世纪60-80年代, 采用扫描电镜(SEM)和物化分析技术, 黄土湿陷机理的结构理论获得了发展和完善, 当时, 由于不能提供定量的力学参数而很少应用于工程建设。随着土工试验技术的进步以及土力学理论的发展, 克服传统的黄土湿陷机理研究方法的不足成为可能。本文首先论述了黄土湿陷性研究的力学属性; 其次, 提出了黄土的广义湿陷概念; 最后, 从非饱和土力学角度对黄土湿陷机理研究的有关问题进行了讨论和分析。      

季节冻土区压实黄土湿陷特性研究进展与展望

随着国家西部大开发的深入发展,国家重点基础工程向西部季节冻土区和湿陷性黄土地区推进,工程面临的黄土湿陷性问题和冻融灾害问题已成为研究和设计人员关注的焦点. 基于前期的研究基础,分析和总结了压实黄土湿陷机理、本构模型和强度理论、工程特性、干湿和冻融循环以及盐分对压实黄土工程特性的影响等方面的研究现状,提出季节冻土区黄土工程面临的问题和研究展望,为完善黄土地基湿陷机理解释和深化黄土力学与工程等研究提供新思路和新方法.     

从非饱和土力学角度探讨黄土湿陷机制

本文回顾了黄土湿陷概念的由来及其基于其微结构湿陷机制研究现状。对从非饱和土力学角度开展黄土湿陷机理研究的有关问题进行了讨论和分析,提出了广义湿陷性概念。黄土湿陷机制研究应根据具体湿陷路径针对性开展非饱和土应力路径试验研究,从而进一步建立黄土广义湿陷本构模型,为工程问题的定量分析和数值计算提供科学依据。非饱和黄土常剪应力增湿试验表明,黄土湿陷破坏之前发生了一定的微小变形,随后应变速率突然增加,偏应力也不再维持为常数。同时,观察到孔压突然上升1~2kPa,表明黄土湿陷过程发生了不完全排水剪缩破坏。     

辽西黄土的物质组成与微观结构特征

黄土的物质组成和结构特征对深入研究黄土的工程地质特性和湿陷机理具有重要的意义。利用颗分试验、X射线衍射技术、化学分析技术及扫描电镜测试技术,对阜新一朝阳高速公路沿线黄土的颗粒组成、化学成分、矿物成分、易溶盐,以及原状黄土的微观结构进行了测试、分析。结果表明：①黄土的颗粒成分以粉粒为主,粉粒中又以粗粉粒为主;粘粒含量变化较大;②黄土中的碎屑矿物以石英和长石为主,粘土矿物以伊利石、伊蒙混层为主;③黄土中的易溶盐和难溶盐较其他地区偏低;④浅层黄土结构较松散,为支架大孔微胶结结构和支架大孔-镶嵌微孔半胶结结构;深层黄土结构较为密实,多为絮凝状胶结结构和凝块状胶结结构。     

影响黄土湿陷性因素的微观试验研究

借助扫描电子显微镜和光学数码显微镜, 分析了不同含水率黄土试样表面微区结构变化与黄土湿陷性的关系和不同埋深土样在水与外力共同作用下湿陷前后微观结构的变化特征。利用图像处理软件对所获取的微结构图像进行研究, 分析了黄土湿陷前后土样中大、中、小孔隙和微孔隙数量的变化。结果表明:湿陷后比湿陷前土样微孔隙增多31.18%, 小孔隙增多54.07%, 中孔隙减少30.49%, 大孔隙减少90.14%。这说明随着压力的不断增大, 黄土中的孔隙被逐渐压缩, 大孔隙和中孔隙的数量逐渐减少, 小孔隙和微孔隙的数量逐渐增加, 为黄土的湿陷变形提供了充分的空间。讨论了土样中4类孔隙对黄土湿陷的贡献量, 从微观角度综合分析了黄土湿陷的成因机理。     

马兰黄土孔隙结构特征——以赵家岸地区黄土为例

颗粒间的孔隙分布特征从本质上控制着马兰黄土的宏观结构,影响马兰黄土的强度特性。马兰黄土的微观结果分析已逐渐成为研究黄土基本特性的一个新方向。本文通过固结实验、扫描电镜和ImageJ图像分析软件对赵家岸滑坡地区马兰黄土的孔隙分布和变形特性进行分析。首先确定了适合ImageJ图像分析的扫描电镜二维照片的阈值和图像拍摄最佳倍数;获取了原状马兰黄土在不同含水量固结试验前后的孔隙数量和孔隙面积的分布特征;揭示了大、中架空孔隙为黄土固结过程中的主要变形区;建立了马兰黄土孔隙中大架空孔隙、中架空孔隙和小架空孔隙的逐步破坏模式;明确了水对孔隙破坏的促进作用,当含水量增加到液限范围时,大、中型架空孔隙会出现加速的破坏现象。     

Geotechnical engineering practice for collapsible soils

Conditions in arid and semi-arid climates favor the formation of the most problematic collapsible soils. The mechanisms that account for almost all naturally occurring collapsible soil deposits are debris flows, rapid alluvial depositions, and wind-blown deposits (loess). Collapsible soils are moisture sensitive in that increase in moisture content is the primary triggering mechanism for the volume reduction of these soils. One result of urbanization in arid regions is an increase in soil moisture content. Therefore, the impact of development-induced changes in surface and groundwater regimes on the engineering performance of moisture sensitive arid soils, including collapsible soils, becomes a critical issue for continued sustainable population expansion into arid regions.In practicing collapsible soils engineering, geotechnical engineers are faced with (1) identification and characterization of collapsible soil sites, (2) estimation of the extent and degree of wetting, (3) estimation of collapse strains and collapse settlements, and (4) selection of design/mitigation alternatives. Estimation of the extent and degree of wetting is the most difficult of these tasks, followed by selection of the best mitigation alternative.     

黄土湿陷典型案例及相关问题

黄土湿陷除引发路基变形、房屋开裂等工程建设问题外,还会造成地表塌陷、地下潜蚀,以及由此诱发的黄土斜坡失稳等灾害.通过对甘肃永靖县黑方台灌区典型黄土湿陷案例的分析发现,应用现行规范推荐方法对黄土湿陷量进行评价,其计算值与实际观测值间具有较大差距,计算值不足实际值的50％.由此,对现行黄土湿陷性评价中的湿陷性黄土定义、湿陷量计算等有关问题进行讨论,认为湿陷性黄土为典型的非饱和土,含水量和结构组成是影响黄土湿陷的重要因素.从非饱和土力学角度出发,应用综合反映黄土含水量和结构的参数,即吸应力,开展黄土湿陷性研究,才能真正地实现由“为什么湿陷”到“怎么湿陷”的转变,进而建立黄土湿陷的本构关系,更好地服务于工程实践.     

关于黄土湿陷性评价和剩余湿陷量的新认识

在总结诸多大型浸水现场试验成果的基础上,提出了一些关于湿陷性评价方法和剩余湿陷量合理控制等问题的新认识,目的是为了修正自重湿陷性黄土场地的自重湿陷量计算值与其实测值之间的差异,并减小地基处理深度。在获取自重湿陷量的计算值时,引进了一个深度修正系数?,使自重湿陷量和湿陷量的计算值接近实测值,这在一定程度上降低了较深部位黄土的剩余湿陷量。在获取湿陷量计算值时,提出了扩大湿陷系数阈值(0.015)的方案,并与深度修正系数?联合使用,达到了扩大湿陷量的计算值和降低较深土层的剩余湿陷量的目的。提出了大厚度自重湿陷性黄土场地的湿陷临界深度的概念,通过若干资料将其初步确定为20²5 m之间,结合深度修正系数和扩大湿陷系数阈值方法,使用湿陷临界深度概念,可以更为有效地降低较深土层的剩余湿陷量。新的研究思路可为自重湿陷性黄土场地的类似工程和黄土规范的修订提供一定的参考。     

延安新区马兰黄土湿陷特性的PFC2D模拟

为了深入了解延安新区马兰黄土的粒间作用,揭示其湿陷机理。首先利用扫描电子显微镜观察了黄土的微观结构特征,并且利用IPP图像处理软件对黄土颗粒定量分析,论证了PFC2D软件模拟黄土粒间作用的可行性。然后,基于离散元理论,利用颗粒流PFC2D程序模拟了延安新区不同埋深原状黄土颗粒的分布情况及颗粒间相互作用,以一种直观的方法再现了天然黄土的微观结构特征。对比分析了不同深度黄土颗粒分布及接触力分布与湿陷性的关系。结果表明:骨架颗粒间的作用决定了土体的结构强度,尤其以团粒结构的接触力为主。随着深度的增加,黄土骨架颗粒由点接触方式逐渐过渡到团粒重叠接触,粒间接触力明显增强。PFC2D模拟方法为黄土湿陷性成因机理研究提供了新的思路。      

分形分维理论在地质灾害发育及空间分布规律中的应用——以长安区滑坡、崩塌地质灾害为例

长安区区内地层岩性、地质构造多样,加之人类经济工程活动、降雨、地震等诱发影响,秦岭北坡及黄土台塬边缘滑坡崩塌地质灾害发育,是陕西省地质灾害较严重的县(区)之一。本文以长安区为研究区域,在对长安区自然地理及区域地质环境条件等资料充分收集的基础上,结合长安区滑坡崩塌灾害点的实际调查资料,详细分析了长安区的滑坡崩塌灾害发育特征及空间分布规律,并采用网络覆盖法,对长安区滑坡崩塌地质灾害的空间分布进行了分形分维计算。求得地质灾害的空间分布分维值为0.876 6,反应出长安区滑坡崩塌地质灾害空间分布特性的复杂性。研究结果表明,分形分维理论能合理评价地质灾害空间分布特征,对类似地区的地质灾害空间分布特征分析具有借鉴意义。     

西峰塬黄土的湿陷性研究

采用双线法对西峰塬原状Q3黄土进行增湿、减湿情况下的压缩试验。分析了黄土的湿陷变形随湿度及压力的变化规律。利用SEM技术测试了黄土湿陷前后的微结构变化,采用微结构定量化分析方法和分形分维集合方法分析了黄土试样微观孔隙的变化规律。结果表明:(1)黄土湿陷性的产生是构成黄土架空孔隙的刚性结点变异导致。(2)同级压力下超越湿陷率随初始含水量的增加而变大; 初始含水量在同一水平下,随压力的增加超越湿陷率逐渐变大。(3)黄土湿陷过程伴随孔隙数量大幅增加,平均孔径减小,孔隙面积缩小,大中孔隙数量骤降; 孔隙结构变得更加复杂。本文提出了黄土超越湿陷率的概念及受外界因素的影响规律,分析了非饱和黄土的湿陷机理,即水分和外力不同组合情况的湿陷性。     

辽西黄土湿陷变形特性及湿陷后微观结构变化

初始含水率对黄土湿陷性具有重要的影响。利用人工制备不同含水率的试样对辽西黄土的湿陷变形特性进行了试验研究,并采用SEM技术测试了黄土湿陷前后的微观结构变化,采用微结构定量化分析方法和分形几何方法分析了黄土试样微观孔隙的变化特征。结果表明：1)初始含水率对辽西黄土的湿陷变形具有显著的影响,随着试样初始含水率的增大,同一压力下的湿陷变形量越来越小;2)不同初始含水率试样的压力-变形关系曲线可以统一用双曲线形式表达;3)湿陷后黄土试样的结构变得较为致密,孔隙总数显著增加,而孔隙面积减小。湿陷过程主要是小孔隙数量增加、孔隙形状分维数减小、孔隙复杂程度显著增加的过程。