粒度组成和密度对黄土工程特性影响及填方边坡入渗过程响应研究

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黄土地区沟壑纵横的地貌极大地限制了城市的发展空间,“挖山填沟”解开了城市没有发展空间的死结,但黄土地区日益增多的大型工程建设,引发了一系列新的灾害隐患,黄土填方边坡极易在降雨等外界因素诱发下发生失稳,对黄土地区的工农业生产和人民生活构成严重的威胁。黄土填方边坡灾变问题成为了岩土工程领域新的研究热点。黄土自西北向东南呈现出颗粒渐细,砂粒减少,黏粒增多的规律。根据刘东生等(1985)可以把黄土高原黄土划分为三个带:Ⅰ带砂黄土、Ⅱ带典型黄土、Ⅲ带黏黄土。黄土作为黄土地区填方边坡重要的填料,其微观结构和物理力学性质直接受到颗粒组成的影响,从而影响填方边坡的稳定程度。本文结合黄土的区域分布特征,选取典型黄土地区,进行野外实地调查并取样,对不同地区黄土样品开展室内试验,研究其基本物理力学特性及其在区域上的变化规律,在此基础上,选取延安黄土,配置不同粒度组成及干密度的黄土试样,重点分析粒度组成及密度对黄土微观结构、土水特性及强度特性的影响,进而研究考虑粒度组成及密度差异的黄土填方边坡降雨力学响应规律,从而为黄土地区填方工程实践及灾害防治提供科学的理论依据。主要研究成果如下:(1)黄土粒度组成在水平区域上具有较大的差异。Ⅰ带紧邻毛乌素沙漠,黄土颗粒粗,细砂粒含量高达52%。Ⅱ带黄土细砂粒含量较低,黏粒含量较高。Ⅲ带黄土颗粒细,细砂含量很低,黏粒含量最高。中部地带黄土样品颗粒成分从北向南逐渐变细的趋势非常明显,黄土颗粒成分由西向东规律性不明显。黄土粒度组成在垂直方向上的变化规律总体表现为除古土壤层和风化层粒度组成相差太大以外,黄土粒度组成呈幅度不大的波动变化,并表现出一定的韵律性。(2)从Ⅰ带到Ⅲ带,随着砂粒含量的减少,黏粒含量的增多,黄土最优含水率逐渐增大,最大干密度的变化规律不甚明显。最大干密度及最优含水率下黏聚力与细粒含量呈正相关,内摩擦角与细粒含量呈负相关。(3)不同粒度组成黄土,随着砂粒含量的增加,细粒含量减少,粒径均一性逐渐变差,支架大中孔隙面积逐渐增多,镶嵌孔隙面积逐渐减少,胶结物孔隙及粒内孔隙面积逐渐减少。随着干密度的减小,黄土的孔隙结构逐渐由结构相对较稳定的较小孔隙过渡为结构相对不稳定的中大架空孔隙为主,支架大中孔隙面积逐渐增多,镶嵌孔隙面积逐渐减少,胶结物孔隙及粒内孔隙面积逐渐减少,面孔隙比逐渐增大,孔隙连通性逐渐变好。(4)非饱和土水特征曲线主要受粒度组成及干密度的影响。砂粒含量越少,黏粒含量越多,干密度越大,土体则具有更好的持水性,有较高的进气值及残余含水率,较小的脱湿速率。干密度对进气值的影响显著大于黄土颗粒的变化对进气值的影响。黄土粒度组成的变化是影响残余含水率的主控因素。随着基质吸力的增加,干密度对土水特征曲线的影响逐渐减弱,当基质吸力超过100kPa,干密度的差异对土水特征曲线的影响不大。(5)黄土试样的固结不排水剪切强度特性随粒度组成、干密度及固结围压的不同而不同。相同干密度下,黏聚力随砂粒含量的增大而减小,内摩擦角随砂粒含量的增大而增大;相同的粒度组成下,黄土峰值强度、黏聚力和内摩擦角均与干密度呈正相关关系。(6)黄土填方边坡在降雨入渗作用下,砂粒含量越多,黏粒含量越少,干密度越小,孔隙水压力随时间增长的速度越快。不同干密度及粒度组成黄土填方边坡孔压受降雨影响的深度存在差异,砂粒含量越大、干密度越小,降雨影响坡表以下深度越大。(7)在降雨期间黄土填方边坡的稳定性系数均呈现持续减小的变化趋势,黄土砂粒含量越多,黏粒含量越少,干密度较小,渗透性越好,临界时间越短。
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