黄土状压实填土压缩和强度特性研究

摘要

随着改革开放和现代化建设的不断推进，我国国民经济取得了长足发展，社会化进程不断加快。然而建设规模的不断扩大、城市化进程的加快与自然环境产生了不可避免的冲突，自然环境恶化、建设用地紧张的问题日益突出。开山填洼，人工造地的办法很好地解决了建设用地紧张的问题。我国西北、华北等地多数位于黄土高原地带，山多川少，特殊的地形地貌导致了在经济建设加快发展过程中大量填方工程的出现，其中不乏高填方工程。此外，我国西北、华北又广泛分布黄土。黄土工程性质特殊，具有水敏性。因此，针对黄土状填土的岩土工程问题逐渐凸显。长期以来，人们对原状黄土各种工程性质的研究已较为深入，但基于黄土状填土的强度、变形或结构方面的系统研究尚不多见。
　　未经处理或处理不当的填土地基，往往存在不均匀沉降或过大沉降等问题，从而引发上部建（构）筑物开裂、下沉等各种工程事故。压实或强夯是目前处理填土地基最常用的手段，而填土的压实质量直接影响地基或路基的工程质量，保证填土压实质量是保证回填地基或路基工程质量的关键，也是保证上层建筑正常使用的重要环节。本文以国家自然科学基金项目“压实黄土的强度与变形影响因素及其微观结构研究(51178287)”为依托，对取自山西吕梁和太原两地的典型黄土作为填土材料的工程力学性质进行了分析研究，揭示了黄土的压实特性以及压实黄土强度、变形等变化规律受击实含水量、击实能以及浸水等因素的影响，结合微观结构分析，将内、外因素相结合对压实黄土及其受浸水影响表现的力学性质进行了合理的解释。为进一步深入认识和把握压实黄土的工程力学特性，正确评价压实黄土的性状及压实质量，有效开展黄土地区回填工程设计、施工质量控制等提供相关的物理性质指标和参数，具有一定的现实意义。主要成果整理如下:
　　(1)压实黄土试样在不浸水时的各项强度指标均随击实含水量增加而降低，压缩变形随击实含水量增加而增大。不同含水量范围内压实黄土的强度和变形随击实能增长的变化规律不同，在最优含水量干侧压实的土体，拥有较高的强度指标和较低的压缩性。但击实的作用使得压实黄土的结构不同于原状黄土，在较小含水量击实下的土体更具亲水性，从而造成遇水软化、强度降低等现象。相对而言，在最优含水量湿侧压实的土体受浸水的影响要小。
　　(2)多因素影响分析结果表明初始含水量对压实黄土压缩应变的影响最大，而垂直压力对抗剪强度的影响最大;单因素分析时击实能的影响相对较小，但击实能与含水量的交互作用对于压实黄土压缩变形和抗剪强度的影响都比较大。
　　(3)当压力不超过400kPa时，压实黄土的εs-p关系可用双曲线模型拟合，但对于较大压力范围内压实黄土的εs-p关系采用幂函数模型拟合更符合实际。在幂函数拟合基础上，提出了采用改进的割线模量法计算填土地基沉降量公式，并结合工程实例进行了验证。
　　(4)相同击实能作用下，压实黄土试样的主应力差-轴向应变关系随初始含水量的增加呈现由应变软化—弱应变硬化—强应变硬化的变化趋势。可将最优含水量作为区分压实黄土试样应变软化和应变硬化的分界含水量。
　　(5)压实黄土的微结构类型为团粒体结构，基本单元体以团粒为主，孔隙主要包括团粒间孔隙和团粒内孔隙两种。相同击实能作用下的压实黄土其结构形式随初始含水量由小到大变化呈现由松散到密实，由无序的粒间排列到有序的粒间排列，由各向同性到各向异性的变化过程。
　　(6)对于黄土这种对水具有特殊敏感性的典型细粒土，压实过程中对其含水量的控制尤为重要。在保证压实度达到要求的前提下，可同时采用空气体积率作为黄土状填土压实质量控制指标。空气体积率的控制标准应结合具体压实土样的室内击实试验来制定，一般以不超过10％为佳。采用重型机械压实时，最好将黄土状填土施工时的含水量控制在最优含水量的湿侧2％以内，这样在满足相应的压实标准前提下，既可使变形和强度指标达到设计的要求，而且对于保证填土地基或路基的水稳定性更为有利。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 本文研究的主要内容和工作

1．3 论文组织结构和试验方案介绍

参考文献

第二章 黄土基本性质及国内外研究现状综述

2．1 黄土的一般物理性质

2．1．1 黄土的定义及特点

2．1．2 黄土的粒度组成

2．1．3 黄土的物理、化学和矿物性质

2．2 黄土的主要工程性质

2．2．1 黄土的分类

2．2．2 黄土的结构性

2．2．3 黄土的湿陷性

2．2．4 黄土的压实特性

参考文献

第三章 黄土的压实试验研究

3．1 引言

3．2 室内击实试验

3．2．1 试验用土的基本物理性质指标

3．2．2 室内击实试验

3．3 土体压实效果的评判指标

3．3．1 压实度

3．3．2 压实度超百现象

3．3．3 合理的压实度与压实能耗问题

3．3．4 压实度作为压实质量控制指标的讨论

3．3．5 国内相关压实规范中对含水量的规定

3．3．6 国外相关压实规范

3．4 空气体积率作为压实质量附加评判指标的合理性

3．4．1 空气体积率

3．4．2 空气体积率作为黄土压实指标的合理性研究

3．5 小结

参考文献

第四章 压实黄土的压缩试验研究

4．1 概述

4．2 试验方案及注意事项

4．3 压缩试验结果分析

4．3．1 含水量和击实能对初始孔隙比的影响

4．3．2 含水量和击实能对e-p曲线的影响

4．3．3 含水量和击实能对压缩应变的影响

4．3．4 含水量和击实能对压缩系数α1-2和压缩模量Es1-2的影响

4．4 影响压缩变形的多因素分析

4．4．1 初始含水量和击实能对压缩系数α1-2的双因素极差分析

4．4．2 初始含水量、击实能和压力对压缩应变εs的三因素方差分析

4．5 压实黄土的湿陷变形研究

4．6 εs-p曲线在压实黄土非线性沉降计算中的应用

4．6．1 规范法计算地基沉降量

4．6．2 割线模量法在地基沉降计算中的应用

4．7 小结

参考文献

第五章 压实黄土的CBR强度试验研究

5．1 概述

5．2 CBR试验方案及操作步骤

5．2．1 CBR试验方案介绍

5．2．2 CBR试验操作主要步骤

5．3 CBR试验结果分析

5．3．1 初始含水量和击实能对CBR强度的影响

5．3．2 初始含水量对膨胀量以及不浸水和浸水CBR差值的影响

5．3．3 击实能对膨胀量以及不浸水和浸水CBR差值的影响

5．3．4 从CBR强度看压实黄土的水稳性

5．4 小结

参考文献

第六章 压实黄土的抗剪强度试验

6．1 土的强度理论

6．1．1 概述

6．1．2 常见的土体破坏准则

6．1．3 决定土体抗剪强度的主要因素

6．2 压实黄土的直接剪切试验

6．2．1 试验方案和过程

6．2．2 直剪试验结果

6．2．3 浸水饱和对压实黄土直剪试样抗剪强度的影响

6．2．4 影响直剪试验抗剪强度指标的多因素分析

6．3 压实黄土的三轴压缩试验

6．3．1 试验方案介绍

6．3．2 试验操作过程和注意事项

6．3．3 三轴压缩试验结果分析

6．3．4 压实黄土三轴压缩应力-应变关系的数学表达式

6．4 小结

参考文献

第七章 压实黄土的微观结构分析

7．1 土体微观结构研究概述

7．2 压实黄土微观试样的制备

7．3 压实黄土微观图像分析

7．3．1 微观图片的获取

7．3．2 压实黄土微观结构的定性分析

7．3．3 压实黄土微观结构的定量分析

7．4 微观现象对宏观性质影响的解释

7．5 小结

参考文献

第八章 结论与展望

8．1 主要研究结论

8．2 进一步研究的建议

致谢

攻读学位期间参与的课题和发表的学术论文

论文独创性说明

太原理工大学岩土工程学科历届博士学位论文题目