黄土的结构屈服及湿陷变形的分析

黄土是一种典型的结构性土,其湿陷性是浸水后黄土结构破坏的反应。黄土的结构性可用构度指标定量地描述,它既包含了土的物质组成,还包含了不同沉积年代黄土的结构特征。加载和浸水均可引起黄土结构性衰减,加载结构性衰减可由一定含水率黄土的压缩结构屈服应力和压缩变形曲线表征;浸水结构性衰减可由浸水的压缩结构屈服应力减小和压缩变形曲线的变化表征。针对不同场地、不同沉积年代的Q_3黄土和Q_2黄土,依据不同含水率黄土的压缩曲线,分析了不同黄土构度指标与其压缩结构屈服应力之间的关系,以及黄土压缩变形过程中孔隙比和初始孔隙比比值与压缩应力和压缩结构屈服应力比值对数之间的关系。表明不同沉积年代黄土的构度随其反映基本物性的综合物理特征量单调变化,压缩结构屈服应力与构度之间近似呈线性关系,压缩结构屈服前后的孔隙比比值和压缩应力比值对数之间服从近似一致的变化规律。建立了由黄土沉积年代和基本物性指标确定构度,进而确定压缩结构屈服应力;依据孔隙比比值与压缩应力比比值对数的关系,分别描述天然含水率黄土和浸水饱和黄土的压缩曲线;进而,确定饱和自重作用下黄土的自重湿陷系数,计算场地自重湿陷变形的评价方法。该方法应用于西安地区黄土场地自重湿陷评价,得到了与现场浸水试坑试验实测自重湿陷量比较一致的结果,论证了考虑黄土结构性的湿陷性评价方法的合理性和准确性,为建筑黄土地基湿陷变形和大厚度湿陷性黄土地下结构地基湿陷变形评价提供了一种新途径。     

大厚度湿陷性黄土隧道现场浸水试验研究

对于穿越大厚度湿陷性黄土地层的隧道,其围岩湿陷变形会威胁隧道结构的稳定性。为了分析黄土围岩湿陷变形对隧道衬砌结构的影响机制,选取典型大厚度湿陷性黄土隧道场地,通过开展隧道场地地面浸水试坑试验及隧道仰拱浸水试验,测试了地面入渗和隧道基底入渗过程中不同埋深地层的湿陷沉降变形及地基的沉降变形、入渗过程中围岩的体积含水率变化分布、试坑周边地层的侧向位移、衬砌结构接触压力和轴力,研究了既有隧道黄土地层的湿陷变形特性及水分运移规律、隧道结构力学响应。结果表明,隧道开挖、衬砌作用扰动黄土结构,增大了围岩及深层黄土的渗透性;与天然黄土场地试坑浸水入渗比较,增大了竖向浸水范围,减小了水平向浸水范围。隧道围岩湿陷变形改变了围岩与衬砌结构的相互作用性状。围岩湿陷和地基软化作用增大了二次衬砌结构侧墙竖向荷载和侧墙围岩的挤压作用,引起拱脚地基承载力减小和沉降变形发展,拱顶、拱肩接触面呈受拉状态;仰拱中部地基土的抗力作用抑制其沉降变形,从而使得拱脚和仰拱中部出现显著的沉降差,导致仰拱混凝土开裂,形成纵向裂缝。此外,浸水范围内黄土的湿陷变形不仅引起竖向沉降变形,还会引起周围土体产生侧向水平位移;洞口边坡场地黄土的湿陷性和地层湿陷变形差异较大,反映了黄土山岭黄土场地地层条件复杂多变的特征。     

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。     

黄土隧道的湿陷变形规律及其对衬砌结构的作用

黄土围岩潜在的湿陷变形不利于隧道工后的安全稳定,为深入研究黄土围岩湿陷变形对隧道结构的影响机制,在已建黄土隧道场地开展大面积试坑浸水试验,研究湿陷性黄土围岩的渗水分布场、湿陷变形发展规律及隧道结构的受力变形规律。表明隧道开挖促使黄土围岩原生竖向节理、裂隙发育,易形成贯通地表的竖向裂缝,增大了深层黄土竖向渗水能力,地表水易于向深层土运移。隧道开挖扰动了黄土围岩原有结构,改变了深层黄土的湿陷变形特性,遭浸水作用后产生较原位土层湿陷变形更大的沉降变形。当水分入渗接近隧道埋深,围岩承载拱作用的减弱甚至消失,会显著地增大隧道围岩压力及传至基底的压缩应力,并在拱脚位置形成应力集中,引发拱脚下沉,而仰拱中部地基的弹性抗力抑制中部沉降变形发展,显著的不均匀沉降差导致仰拱中部开裂,形成纵向裂缝。对于埋深较浅的黄土隧道,应避免隧道上方地表出现长期浸水的情况;设计施工中应充分考虑拱脚地基承载能力不足的情况,可加强仰拱刚度以抵御不均匀沉降的发展。     

砂井浸水试验在黄土隧道地基湿陷变形评价中的应用研究

针对室内压缩试验和现场试坑浸水试验难以准确评价黄土隧道基底深埋地层湿陷变形的问题,提出采用砂井浸水试验对黄土隧道地基的湿陷变形进行测试评价。通过对比分析相邻大厚度湿陷性黄土场地开展的砂井浸水试验、试坑浸水试验及相应室内试验结果,论证砂井浸水试验用于测试评价黄土隧道基底深埋黄土地层湿陷变形的合理性和可靠性。试验结果表明,砂井浸水试验条件可保证井壁周围土柱湿陷变形的有效释放,且砂井埋深越大,井底地层潜在的湿陷变形释放越完全,其更适用于量测深埋黄土地层的湿陷变形;该试验方法可更为真实地模拟黄土隧道地基湿陷发生的力、水条件,且场地条件要求低、需水量少、周期短、费用低,具备在黄土高原地区隧道沿线大量开展的条件,可解决隧道穿越的黄土梁峁地区地层湿陷性复杂多变所造成的单点评价结果代表性十分有限的问题;并分析目前砂井浸水试验技术方案存在的不足,提出相应的改进措施。     

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。     

湿陷性黄土砂井浸水试验的应用研究

随着中国西部大开发战略的进一步实施,湿陷性黄土地区的工程建设项目越来越多。黄土具有分布广、厚度大、湿陷性强、不均匀等特点,这就需要对黄土工程场地的湿陷性做出合理评价。测试和评价黄土湿陷性及地基湿陷变形的方法主要有两种:一是依据室内单轴压缩侧限变形应力条件浸水试验测试湿陷系数,评价黄土的湿陷性强弱,计算各土层的湿陷变形评价地基的湿陷等级,但其评价结果往往与实际情况有较大差异,甚至得到错误的结论;二是现场浸水试坑试验,这种试验在工程场地原位进行,在黄土工程中被广泛应用并得到认可,但受工程场地条和干旱半干旱气候环境件制约,试验费用高,周期长、难度大。鉴于目前黄土湿陷性评价方法的不足以及深厚黄土层湿陷性评价分析的需要,从黄土湿陷变形的特性和浸水入渗特征出发,业已提出了原位砂井浸水试验方法。分别在兰州榆中和西安选取了3个具有代表性的试验场地进行了试验,并与其它两种湿陷性评价方法进行了对比,进一步验证了该新方法对湿陷性评价的合理性、准确性以及实用性。     

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。     

原状黄土地基渗水特性及其与自重湿陷的关系研究

通过青海乐都大厚度自重湿陷性黄土地基现场试坑浸水试验,深入研究了原状黄土地基湿陷特性及渗水特性两个核心问题。通过分层布设沉降观测系统和TDR水分原位测试系统,对试坑浸水试验过程及停止浸水后原状黄土地基不同位置的体积含水率和沉降进行连续观测。精确测试了水在原状黄土地基中的入渗过程、扩散形态及长时间浸水条件下的影响范围;得到了水在原状黄土地基竖向和径向不同部位的扩散速率及其与扩散距离之间的关系;分析了水分入渗与自重湿陷变形之间的相互关系;提出了用现场实测的黄土受水浸湿时间和湿陷起始时间之间的时间差定量判定黄土自重湿陷敏感性的新方法及其评价标准建议值。     

某黄土场地试坑浸水试验

依据现有规范及勘察工作操作规程,基于室内湿陷系数测试结果得到自重湿陷量的计算值,判定测试区域为自重湿陷性黄土场地。进一步通过现场试坑浸水试验确定场地类别,依据浸水试验得到的自重湿陷量的实测值,判定测试区域为非自重湿陷性黄土场地。自重湿陷量计算值和实测值不一致的结果表明,自重湿陷量计算值存在失真情况,对大型工程应以实测值为准。     

黄土的湿陷变形机理

本文通过三轴等应力比试验和侧限压缩试验揭示了黄土湿陷变形的若干规律:主应力比对湿陷变形有较大的影响;湿陷与应力状态有关;变形与应力间存在交叉效应。分析比较了三轴和侧限压缩试验的结果,证明了用δ_s计算地基湿陷变形的局限性。建议在计算黄土地基湿陷变形时按应力状态把地基分区,不同区域用不同的试验指标。本文按三轴试验资料计算了地基压缩层范围内湿陷变形的分布规律,其结果与兰州和陕西张桥等处的现场浸水载荷试验资料吻合很好。     

结构性黄土湿压屈服损伤特性试验研究

通过侧限压缩试验系统研究了原状黄土在湿压条件下的结构屈服特性及结构损伤演化过程。针对利用饱和重塑土模拟正常固结土性质的不足,介绍一种制备正常固结土的方法。结合原状黄土及正常固结黄土压缩曲线提出一种确定原状黄土结构屈服压力的新方法,该方法具有作图简便、精度较高等特点;并指出原状黄土结构屈服压力随着含水量的增大而降低,其与含水量的关系可以近似用幂函数进行拟合。同时确定出原状黄土结构屈服临界点,并指出原状黄土结构稳态线(SSL)的相对位置。最后,根据原状黄土压缩曲线、结构稳态压缩线(SSL)及正常固结线(NCL)的相对位置,结合损伤力学思想,提出原状黄土结构变形损伤比的表达式,为评价黄土地基的湿陷变形量提供一条较为可行的途径。     

增减湿黄土压缩与湿陷变形特征的探讨

通过湿陷性黄土变含水量情况下的室内压缩试验和分别采用单线法和双线法做的浸水湿陷试验，结合试验曲线分析了湿陷性黄土随含水量变化的特征，总结出黄土的压缩变形与湿陷变形随饱和度以及压力变化的规律，借以描述湿陷性黄土在增减湿过程的湿陷与压缩变形性状以及不同应力路径对黄土变形特性的影响。     

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。     

碎石桩加固深厚湿陷性黄土地基的试验研究

为明确碎石桩加固深厚湿陷性黄土地基的效果,依托某深厚湿陷性黄土地基处理工程,开展了碎石桩加固地基的系列试验研究。通过多种方式检测了加固后地基土体的物理力学参数、承载能力及沉降变形,并分析其变化规律。试验结果表明:采用碎石桩加固深厚湿陷性黄土地基,桩身的密实度在松软土层较低,在坚硬土层较密实,且相同深度的桩身密实度随桩间距的减小而提升;碎石桩对深度1～3 m内的桩间土有较好的挤密效果,对深度3 m以下土层则无显著影响;碎石桩能有效加固湿陷性黄土地基,可消除地基土湿陷性,经加固后的复合地基承载力特征值可提升56.25 %～152.78 %,压缩模量可提升62.90 %～152.78 %,而地基土的干密度和孔隙比与处理前的平均参考值相比则变化较小;桩间距对地基土体的处理效果有较明显的影响,减小桩间距可降低地基土层的后期沉降量;试验区合理的碎石桩置换率为7 %。研究结果可为碎石桩处理深厚湿陷性黄土地基的工程方案及预期目标的设计提供参考。     

预应力高强混凝土管桩在湿陷性黄土地基中的应用设计研究

高层建筑的迅速发展,大柱网的普遍使用,使得结构设计对地基强度和变形的要求越来越高,以往在湿陷性黄土地区广泛应用的灰土垫层法、灰土挤密桩法等地基处理方法难以满足设计要求。以具有完整的现场荷载试验资料和沉降观测结果数据的工程实例为依托,对预应力高强混凝土管桩(PHC管桩)在湿陷性黄土地基中的设计应用进行较详细的理论分析、研究和探讨,认为根据土工参数估算的单桩竖向承载力特征值偏于保守;并提出基于单桩载荷试验得出的试桩曲线,考虑上部结构、基础和地基协同工作时的沉降分析计算方法。     

大厚度黄土自重湿陷性场地浸水湿陷变形特征研究

在晋中地区大厚度自重湿陷性黄土场地进行了打设注水孔的浸水试验,提出了一种浸水试坑外部土层水平位移的监测方法,对地表及地下湿陷变形、水分扩散规律、浸水湿陷范围、试坑周围裂缝发展及试坑外围地下水平位移进行了监测和研究,对地区修正系数的计算方法进行了探讨。结果表明：该场地黄土湿陷经历初始浸水、湿陷起始、剧烈湿陷、稳定湿陷、剧烈固结、稳定固结6个阶段;探讨了浸水过程中水分扩散规律及其对湿陷变形的影响,提出了“湿陷沉降迟滞-突变”效应并用“层壳”作用对其进行了解释;对比其它试验资料发现地面湿陷影响范围与自重湿陷性土层厚度的比值具有一定规律,均在1.6左右;建立了一个以面积为权重的反算方法并算得该地区为0.7;试坑周围的裂缝发展经历侧向拉开、纵向发展、新裂缝产生、受压变窄4个阶段;该场地实测自重湿陷下限深度为18 m;试坑外围浅部土层向试坑中心方向位移,深部土层则向外部位移,拐点的深度随与试坑距离的增大而减小。研究成果已经应用于该场区后期地基设计,并可指导该地区未来工程建设。