渗流作用下黄土含水率变化特征及对隧道工程的影响

富水黄土隧道施工开挖后含水率增加对隧道工程施工影响较大,前人建立了多种以黄土含水率为指标的工程措施判别标准,但对于黄土含水率的变化原因及时空变化特征缺乏系统研究。银西高铁驿马一号隧道不同工况下含水率的变化特征表明,自然渗流状态下隧道洞身黄土含水率平均为25.9%,局部为软塑;施工排水阶段受渗涌水影响,黄土含水率平均上升到31.3%,下拱腰上升到32.2%,引起了隧底软化、掌子面滑塌失稳、围岩稳定性变差等问题;采取地表降水后,黄土含水率下降为25.4%,改善了黄土的物理性质,确保了隧道施工安全与进度;水位恢复后,黄土含水率平均上升到29.4%,拱顶与上拱腰变化较小,下拱腰达到了37.2%。研究认为地下水渗流变化将使得隧道洞身黄土含水率变幅达15%～33%,通过控制地下水渗流作用可以达到隧道安全施工的目的。     

增湿时黄土的抗剪强度特性分析

采用固结不排水剪切方法,对非饱和原状Q3黄土进行了增湿情况下的三轴剪切试验,得到了湿陷性黄土的极限强度与初始含水量及围压的关系曲线,分析了增湿过程中黄土抗剪强度的变化规律。结果表明,原始含水量下非饱和原状黄土的强度包线是由两条直线组成的折线,高含水量时的强度包线仍符合莫尔-库仑理论准则。非饱和黄土的黏聚力随初始含水量的增大而迅速降低,而内摩擦角受初始含水量变化的影响较小。随初始含水量的增大,总应力指标始终小于相应的有效应力指标;并发现非饱和黄土的有效黏聚力 与初始含水量w之间的关系能较好地拟合为指数函数。最后简要分析了初始含水量和围压对抗剪强度指标的影响。     

非饱和黄土基质吸力的变化

天然状态下存在大量的非饱和黄土。因此,非饱和黄土中存在的基质吸力在很大程度上可以控制抗剪强度。本次研究的非饱和黄土土样采自中国兰州市,用以展开室内试验,探讨黄土中基质吸力的变化规律以及其脱离含水量的影响因素。结果显示:结构性、矿物成分以及可溶盐含量是控制非饱和黄土基质吸力变化的最重要的三个影响因素。其中,残余含水量和土样密度有相反的相互关系。土样中存在大量的蒙脱石和伊利石的互层(I/S),以及土样中存在的可溶盐也在某种程度上影响着基质吸力的变化。     

黄土中水分迁移规律现场试验研究

黄土地区降雨诱发滑坡是不争的事实,但黄土地区地下水位很深,降雨入渗地面后如何运移,与地下水有无直接联系,目前还不是很清楚。为此设计了人工滴水试验模拟天然降雨条件,通过在一深度为10 m的探井井壁上埋设土壤水分计,观测人工滴水入渗过程中不同深度土体含水率随时间的变化情况,以确定其入渗影响深度。监测结果显示：降雨量为3.82 mm/d (小雨)时,0.5 m内土体含水率变化明显,0.5 m以下土层含水率几乎没有变化;降雨量为10.31 mm/d(中雨)时,1 m内土体含水率有所增加;降雨量达25.21 mm/d(大雨)时,1 m内土体含水率增长明显,1.0～1.6 m范围内有微弱增长;随着深度增加,土体含水率变化逐渐滞后,增幅逐渐减小。这说明在干旱的黄土地区,若无明显入水通道,短期内降雨的入渗深度有限,很难到达地下水位;但深部古土壤层的观测结果表明,即使在其上部黄土中含水率变化极其微弱的情况下,古土壤中的含水率上升明显,表明黄土中非饱和渗流或水汽迁移是存在的。通过试验还表明,陇东黄土高原地区土壤中水分循环主要发生在浅层0.7 m以内的蒸发带。降雨入渗到蒸发带以内,若无后续降雨补给,则向上蒸发排泄;若入渗至蒸发带以下,则不受蒸发影响,得以继续向下迁移;当遇到不透水面时,会在层面附近富集,有限元模拟也较好地反映了这一规律。     

冻结温度对原状黄土物理力学性质的影响

在陕西省黄土地区典型地点取土样,开展不同含水率、不同干密度土样在不同温度下的冻结试验,探讨冻结温度下黄土的冻胀规律。研究表明,在干燥状态下陕西黄土样不发生冻胀或冻胀量很小。黄土的冻胀性随含水率的增加而显著。随着冻结温度的降低,黄土冻胀量变化率逐渐减小,最终冻胀趋于恒定。含水率较低时,冻结温度对土样的干密度影响不明显,随着含水率的增大,在高含水率条件下,孔隙率越小,影响越显著。低含水率条件下,冻结黄土呈现收缩现象,中等含水率略有增大,高含水率增大明显。在冻结过程中,冻胀力的作用使得土颗粒间的接触点增多,大孔隙所占的比例下降,导致土体内摩擦角增大;冻结温度越低,土样含水率越高,黄土内摩擦角的增加量也越大;冰晶的生长破坏了土颗粒间联结,引起结构弱化,黏聚力减小;含水率越高,孔隙率越小,冻结作用对黄土黏聚力影响越明显。      

增(减)湿时黄土的湿陷系数曲线特征

分别采用单线法和双线法对原状 黄土进行了增、减湿情况下的单轴压缩试验。根据试验结果,总结出了黄土的湿陷变形随饱和度及压力变化的规律,分析了湿陷性黄土在增（减）湿过程中的湿陷变形性状及不同应力路径对黄土湿陷变形特性的影响,指出湿陷系数曲线因为试验方法的不同而表现出不同的规律性：初始含水量较低时,单线法的湿陷性大于双线法;当初始含水量达到某个值时,两者的湿陷系数曲线出现交叉现象;当初始含水量超过该值后,单线法的湿陷性小于双线法;这种交叉现象是由黄土本身的特殊结构性所决定的。最后对湿陷系数与初始含水量的关系进行了探讨。     

非饱和黄土基质吸力的滤纸法测试

黄土属于非饱和土,具有明显的大孔隙、垂直节理发育、湿陷性等特征,使得黄土地区工程地质灾害问题频发。由于黄土具有水敏性,因此水的因素成为诱发地质灾害的主要因素。基质吸力的变化是土体边坡稳定的重要因素。利用滤纸法对非饱和黄土的基质吸力进行试验研究,得出随着含水率的增加基质吸力逐渐减小;在土体含水率较小时基质吸力的变化比较敏感,含水率越高,其变化越小;在含水率达到饱和时基质吸力消失为零;并且随含水率的增加土体的抗剪强度逐渐减小。研究认为,滤纸法对操作过程中空气条件要求相对严格,是一种能够快速、简便测试非饱和土体基质吸力的方法。      

基于反正切函数的西安黄土动本构模型

基于反正切函数曲线,构造了一种新的黄土非线性动力本构模型。选取西安黄土试样进行室内动三轴试验,得到黄土试样的动应力-应变曲线,并以此得到了所提本构模型的理论曲线。理论曲线与试验结果对比表明,较Hardin-Drnevich模型而言,所提西安黄土动本构模型能够更好地描述三轴应力条件下黄土的强度和变形特征。研究结果表明,加载频率与含水率不变时,动剪切模量随围压的增大而增大。加载频率与围压不变时,动剪切模量随含水率的增大而逐渐减小。含水率与围压不变时,动剪切模量随加载频率的增大而增大。     

Q2、Q3黄土深堑中高填方地基变形规律离心模型试验研究

采用大尺寸原状黄土与重塑黄土联合制作模型,针对Q2、Q3黄土深堑中超高填方地基在天然含水率及饱和状态时的沉降变形规律开展大型离心模型试验研究,系统模拟了超高黄土填方地基在施工期及工后期的变形规律。结果表明：此类高填方地基的施工期沉降变形是总变形量主要组成部分;地基填筑完毕后表面沉槽轮廓清晰,填筑过程中沉降速率随施工填方高度增加而增大,沉降变形中部大、两侧小,且填方体与原地基结合部位的变形缓坡较陡坡一侧小;天然状态下的地基整体沉降变形较小,差异变形量较大,饱和状态下的地基沉降变形增大,差异变形量较小,稳定性较差,差异变形使得原地基与填方体极易发生错动开裂。根据模型试验的分析规律,建议此类地基施工过程中宜对填方体与原地基接触带进行处理,以改善填方体约束条件,同时,填筑完工前可预留一定高度,待前期变形基本完成后,再施工至设计标高,以防止过大差异变形导致的工后开裂。     

考虑含水率影响的非饱和原状黄土冻融强度试验研究

提出了用于非饱和原状黄土增湿的蒸汽增湿方法,给出了蒸汽增湿试验步骤,通过对比试验分析确定了适宜的试验参数,从增湿后水分分布是否均匀、土体密度是否改变等方面论证了蒸汽增湿方法的有效性。对含水率的测试结果表明,微波炉法测试结果能满足精度要求,酒精燃烧法在测试较高含水率时误差较大。进一步应用蒸汽增湿法得到的不同含水率原状土样测定了非饱和黄土冻融后的强度指标,揭示出当非饱和原状黄土含水率过低时,冻融作用对黄土的粘聚力值基本没有影响,当含水率较高时,经历冻融循环后黄土粘聚力值较冻融前降低,冻结温度越低以及冻融循环次数越多,降低值越大。经历冻融循环后黄土内摩擦角值较冻融前增加,冻结温度越低,增加值越大。在含水率较低时冻融循环次数几乎不引起内摩擦角值发生变化,在含水率较高时冻融循环次数越多,引起内摩擦角增加值越大。     

西安地区黄土含水率变化特点

通过对西安地区黄土剖面的野外观察、颗粒分析和含水率的测定 ,系统地研究了黄土层含水率的变化特点 ,初步认识到在同一黄土剖面上 ,黄土含水率从上到下呈波动变化 ,其峰值位于古土壤层内 ,而波谷处于黄土层内 ,并呈波动增加的趋势。在具有结核层的黄土层中 ,其含水率从上部到下部呈由大变小再变大的趋势 ,其峰值位于结核层之上 ,CaCO3 结核层具有隔水作用 ;在古土壤层中 ,从上向下 ,其含水率呈由小变大再变小的规律 ,其峰值出现在古土壤的中、下部位 ,即粘土化最强的部位。土壤质地是决定含水率大小的重要因素 ,在包气带中 ,黄土含水率的变化与粘土颗粒含量具有明显的正相关关系。     

不同固化材料垫层在黄土中隔水能力及其垂直扩散特性

黄土作为地基材料时由于其湿陷性容易出现失稳现象,利用固化剂垫层改良黄土地基水稳性和强度的技术被广泛使用。本文主要通过在黄土中分别加入石灰、水泥和粉煤灰固化剂垫层的方法进行加固,测定了在垂直方向上各处的含水率、密度、干密度、土颗粒比表面积(SSA)及阳离子交换能力(CEC)的变化。试验表明石灰、水泥和粉煤灰垫层可以影响10～15cm范围内相邻土层含水率、密度、比表面积和阳离子交换能力,改变土质结构,提高土体的水稳性。改性后的土体越靠近固化剂垫层,含水率、SSA和CEC越小而密度越大。其中,石灰垫层效果最好,它能将黄土中含水率减小超过4%,密度增加1.0～1.5g cm-3,粉煤灰作用次之,水泥最弱。此外,试样土颗粒比表面积(SSA)与阳离子交换能力(CEC)存在线性递增的关系,本次试验中,3个试样中SSA与CEC之比均稳定于6.5～7.5之间。     

循环荷载下压实黄土动强度特性研究

移山填沟进行新区建设或修建机场, 是黄土地区应对建设用地不足而采取的一项新措施。进行压实黄土的动强度特性研究, 对高烈度黄土地区大规模移山填沟具有重要的理论和现实意义。本文利用GDS振动三轴仪对吕梁压实黄土的动强度特性进行了研究, 分析了含水率、干密度和加载频率对其动强度的影响规律。结果表明:压实黄土的动强度随含水率的增大而减小, 随干密度和加载频率的增加而增大; 含水率对压实黄土的动强度影响显著; 压实黄土的动强度随着振次的增加而减小, 用半对数坐标系下的直线方程拟合效果较好。     

黏粒含量对黄土抗剪强度影响试验

开展不同黏粒含量对黄土抗剪强度影响的试验研究,揭示黏粒含量对抗剪强度的影响及其微观机理,为黄土地区的工程实践提供科学依据。通过自制负压湿筛装置筛取不同黏粒含量的黄土试样,采用静压法将不同黏粒含量的黄土试样制成同一干密度不同含水率试样进行直剪试验。研究表明:随着含水率的增长,不同黏粒含量试样黏聚力均表现为先增加后减小的变化规律,并在含水率14%附近达到最大值;内摩擦角则均呈单调下降的变化趋势。随黏粒含量的增长,不同含水率试样黏聚力呈增大趋势;内摩擦角呈先减小后增加的变化趋势。通过其微观结构可解释黏粒含量对黄土抗剪强度的影响机制。      

黄土震陷变形特征的离心模型试验研究

通过离心模型试验研究了原状黄土和强夯处理黄土震陷变形的特征。试验结果表明,原状黄土的震陷量随着土体含水量和黄土层的厚度的增加而增大;试验结果同时表明,强夯法处理黄土地基在有效深度范围内可以完全消除黄土地基的震陷性。     

非饱和压实黄土结构特性试验研究

对增（减）湿到相同含水率及相同干密度的不同结构性非饱和压实黄土进行土-水特征曲线试验和三轴剪切试验,研究制样含水率引起的结构变化对非饱和压实黄土基质吸力、应力-应变特征及结构性参数的影响。研究结果表明：制样含水率引起的结构性对非饱和压实黄土的土-水特征曲线有明显的影响,小于塑限时基质吸力随制样含水率的增大而增大,最优制样含水率时非饱和压实黄土具有均匀小孔隙的团粒凝聚结构使其吸力相对最大;应力-应变曲线在最优结构状态时位于坐标最上端,小于最优制样含水率时的结构弱化程度相对较低,其应力-应变曲线逐渐下移,大于最优制样含水率时土样的结构弱化程度较高,其应力-应变曲线位于最下端;定义的结构性参数m?r能够合理反映压实黄土的结构性,弥补了压实土工程中用最优含水率和最大干密度指标无法反映土结构性影响的不足;屈服结构性参数m?r0能够合理反映出不同制样含水率压实黄土的结构弱化程度,结构弱化程度还反映在三轴剪切破坏强度上。     

结构性黄土吸力的试验研究

利用轴平移法量测吸力技术,进行了等吸力三轴剪切试验,研究人工制备结构性黄土吸力与周围压力的关系;利用土吸力量测仪进行了原状结构性黄土吸力的量测,研究了结构性黄土吸力随含水量及饱和度的变化关系,随着三轴剪切试验的周围压力的增大,吸力逐渐减小;原状结构性黄土的含水量(饱和度)对吸力有显著的影响,随着土的含水量的增加吸力减小。      

干密度及冻融循环对黄土渗透性的各向异性影响

黄土作为特殊土之一广泛分布于我国中西部季节性冻土地区,以具有明显各向异性的西安Q3原状黄土为研究对象,采用GDS三轴渗透仪测量不同干密度原状黄土竖直向及水平向渗透系数。结果表明,原状黄土水平向渗透系数大于竖直向渗透系数,水平向渗透系数和竖直向渗透系数均随干密度增大而减小;原状黄土渗透各向异性随干密度增大而增强。在封闭系统下用冻融循环箱对干密度相同而初始含水率不同的原状黄土进行冻融试验,结果表明冻融后试样水平向及竖直向渗透系数均随冻融时试样初始含水率的增大而增大;冻融后黄土渗透各向异性随冻融时试样初始含水率的增大而减弱。随着冻融次数增加,黄土水平向及竖直向渗透系数先增大然后趋于稳定;黄土渗透各向异性随冻融次数增加而显著改变,表现在黄土的水平向渗透系数与竖直向渗透系数比值随着冻融循环次数的增加而减小。最后通过观测黄土的微观结构分析了其对黄土渗透性的重要影响。     

Performance of heavy structures founded upon loess at varying moisture conditions

Saye, S.R., Nass, K.H. and Easton, C.N., 1988. Performance of heavy structures founded upon loess at varying moisture conditions. Eng. Geol., 25: 325–339.

The site preparation for foundations and records of performance of three storage structures founded on loess are presented to illustrate the engineering problems and the range in compressibility of loess associated with different moisture conditions. The sites are located in western Iowa and eastern Nebraska. The structures are a 7500 m³ capacity steel water storage reservoir founded on dry collapsible loess along the bluff line of the Missouri River; a 7200 m³ capacity concrete grain elevator supported by a rigid mat founded on saturated and partially saturated loess; and a 10 m high soil preload for a 54 m diameter ammonia storage tank underlain by saturated and partially saturated loess.

The foundation design, the site preparation and the observed settlements are presented for each structure. The settlement behavior varies markedly with the individual moisture conditions and the apparent preconsolidation of the loess. The apparent preconsolidation is attributed to desiccation and appears to vary systematically.     

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。