水軟化作用下的受水因素分析

水軟化作用下的受水因素分析

1黃土沉積環(huán)境現(xiàn)狀中國(guó)的黃土資源總面積為64104公里，占土壤資源總面積的6.6%，占世界黃土資源的4.9%。我國(guó)西北地區(qū)黃土沉積巨厚,滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害爆發(fā)頻率高,是全國(guó)乃至全世界地質(zhì)自然災(zāi)害和水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一。黃土是典型的水敏感性地質(zhì)體,水體入滲致使黃土濕陷,力學(xué)強(qiáng)度大幅度下降是誘發(fā)黃土滑坡的重要因素。我國(guó)黃土主要分布在西北部地區(qū)黃河中、上游一帶,是世界上黃土沉積最廣闊的地區(qū)。蘭州地區(qū)黃土最大沉積厚度逾300m,地層層序齊全,綜合反映了黃土高原的環(huán)境變化特征,馬蘭黃土沉積厚度大,結(jié)構(gòu)疏松,是典型的風(fēng)力沉積物,具有較高的科學(xué)研究?jī)r(jià)值。我國(guó)學(xué)者劉東生、張宗祜等先后對(duì)黃土的沉積環(huán)境進(jìn)行了大量研究,近年來(lái),高國(guó)瑞、雷祥義、孫廣忠等對(duì)黃土的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了深入研究,提高了我國(guó)黃土研究的整體水平。歐洲學(xué)者Derbyshire,E.Burbank等對(duì)我國(guó)黃土高原沉積環(huán)境的研究成果,推動(dòng)了黃土學(xué)研究的發(fā)展。本文在黃土力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)室和原位測(cè)試的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)研究了蘭州馬蘭黃土的物理力學(xué)特性。2蘭州域黃土沉積相蘭州地處青藏高原與黃土高原的交接部位、黃土高原西緣,受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響,南北地貌類型差異性明顯,北部主要為卯狀黃土丘陵,南部主要為黃土原梁。蘭州馬蘭黃土屬干燥環(huán)境下的風(fēng)力沉積物,地質(zhì)年代介于1×104~10×104a之間,最大沉積厚度逾35m。蘭州地區(qū)黃土沉積厚度大,地層層序齊全,具有典型的代表性。蘭州市區(qū)南部皋蘭山黃土總厚度298m,市區(qū)北部九州臺(tái)黃土總厚度335m,市區(qū)西部大灣黃土總厚度269.30m。筆者在中國(guó)–歐州國(guó)際合作與甘肅省科學(xué)基金項(xiàng)目執(zhí)行期間,分別對(duì)皋蘭山、九州臺(tái)和大灣黃土剖面進(jìn)行了勘測(cè),全斷面采集不同時(shí)代的黃土原狀樣品210組,先后在蘭州、歐洲荷蘭的尤懷特(Utrecht)等地對(duì)蘭州馬蘭黃土的物理力學(xué)與水理性質(zhì)進(jìn)行了全指標(biāo)測(cè)試,重點(diǎn)研究了馬蘭黃土的物理力學(xué)及水理性質(zhì)。3馬匹黃土的性質(zhì)馬蘭黃土是典型的風(fēng)積黃土,具有大孔隙結(jié)構(gòu),垂直節(jié)理發(fā)育,粒組成分以粉土為主,易溶鹽含量高,土體各向異性明顯。3.1充填細(xì)粒充填法顆粒分析與電子顯微觀察結(jié)果表明,蘭州馬蘭黃土為大孔隙結(jié)構(gòu),粒組成分以粗粒組成分為主,細(xì)粒粉土、黏粒和粉細(xì)砂含量較低,孔隙中充填有空氣、水和黏土。如圖1所示,馬蘭黃土中粗粒粉土含量大于60%,細(xì)粒粉土和粉細(xì)砂含量小于10%,黏粒含量介于10%~20%。3.2黃土含水率的測(cè)量蘭州地區(qū)氣候干燥,在天然狀態(tài)下,位于地表的馬蘭黃土含水率較低。當(dāng)馬蘭黃土沉積年代小于5×104a,或者埋藏深度小于10m時(shí),土體含水率一般低于10%。馬蘭黃土含水率主要受大氣降水、黃土沉積年代和土體埋藏深度等因素的影響。w=1.25lnD+1.15lnY+0?85lnP+1.50(1)式中:w為馬蘭黃土天然含水率(%);D為土體埋深(m);Y為馬蘭黃土沉積年代(104a);P為區(qū)域多年平均降水量(mm)。如圖2所示,隨著埋藏深度的增加,馬蘭黃土含水率呈規(guī)律性增加,表層黃土多處于干燥狀態(tài),含水率一般低于5.0%,中部土體含水率一般介于5.0%~10.0%,受下伏古土壤相對(duì)滯水作用的影響,位于底部的黃土含水率明顯增高。3.3復(fù)合植物抑制試驗(yàn)結(jié)果重度是影響馬蘭黃土物理力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)參數(shù),如圖3所示。馬蘭黃土干重度值介于11.50~14.00kN/m3,平均值為12.50kN/m3;天然重度值介于12.50~16.00kN/m3,平均值為13.50kN/m3。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,將馬蘭黃土的天然重度與干重度分別表示為式中:γ,γd分別為馬蘭黃土的天然重度與干重度(kN/m3);H為土體埋深(m)。3.4土壤壓對(duì)孔隙比的影響馬蘭黃土的孔隙比一般大于1.00,孔隙率大于55%,試驗(yàn)結(jié)果表明,馬蘭黃土的孔隙比可達(dá)1.20。如圖4所示,隨著埋藏深度的增加,孔隙比e與孔隙率n逐漸減小。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析,將馬蘭黃土的孔隙比表示為式中:e為馬蘭黃土的孔隙比。4馬匹黃土的水理性馬蘭黃土屬水敏感性地質(zhì)體,在水軟化作用下強(qiáng)度大幅度下降,發(fā)生強(qiáng)烈濕陷。馬蘭黃土的水理性質(zhì)主要包括土體的塑性、滲透性和濕陷性等。4.1土體黏粒含量與土體黏粒含量的關(guān)系馬蘭黃土的塑限為(18.0±1.6)%,液限為(24.5±2.6)%,土體一般處于硬塑狀態(tài)~固態(tài)。馬蘭黃土的塑限Pw和液限Lw與土體中黏粒含量關(guān)系如下:式中:wP,wL分別為塑限和液限(%);qc為黏粒含量(%)。4.2復(fù)配型效滲透系數(shù)馬蘭黃土水平滲透性與垂直滲透性具明顯差異(見表1)。有效滲透系數(shù)為式中:K,KV,KH分別為馬蘭黃土的有效滲透系數(shù)、垂直滲透系數(shù)和水平滲透系數(shù)(m/s)。如圖5、圖6所示,隨埋藏深度增加,馬蘭黃土滲透性呈規(guī)律性變化。4.3土體濕陷性的邊界孔隙率濕陷性是馬蘭黃土水敏感性特征的重要表現(xiàn),隨埋藏深度的增加,其濕陷性急劇減弱,蘭州地區(qū)馬蘭黃土的濕陷性明顯大于我國(guó)東部地區(qū)的馬蘭黃土,表層(5m以上)土體濕陷系數(shù)最大值約為0.20,中部土體(10~20m)濕陷系數(shù)值介于0.10~0.05,下部土體(20m以下)濕陷系數(shù)值介于0.05~0.02。蘭州馬蘭黃土濕陷性的界限孔隙率值ecrit約為0.90。如表2、圖7~9所示,馬蘭黃土濕陷性主要受土體孔隙率、埋深和含水率的影響,15m以上的馬蘭黃土屬自重濕陷性黃土,15m以下的馬蘭黃土屬非自重濕陷性黃土。5原位與剪切試驗(yàn)對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響馬蘭黃土抗剪強(qiáng)度測(cè)試先后在蘭州和尤懷特大學(xué)(荷蘭)等地完成,分別在試驗(yàn)室與原位采用直接剪切試驗(yàn)、環(huán)剪試驗(yàn)與原位大面積剪切試驗(yàn)等方法對(duì)蘭州馬蘭黃土的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試。5.1不同含水率下小鼠劃分的特性在較高含水狀態(tài)下黃土中可溶鹽溶解,土體結(jié)構(gòu)破壞,強(qiáng)度降低,天然含水狀態(tài)下土體峰值與殘余抗剪強(qiáng)度相對(duì)較高;在高含水狀態(tài)下(含水率大于液限)土體峰值與殘余抗剪強(qiáng)度為天然含水狀態(tài)下的2/3~4/5;在干燥狀態(tài)下(含水率小于天然含水率的50%),黃土抗剪強(qiáng)度為天然含水狀態(tài)下的5/4~4/3。如圖10所示,在不同的含水狀態(tài)下,馬蘭黃土的凝聚力c與內(nèi)摩擦角φ呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。在低含水狀態(tài)下,馬蘭黃土凝聚力值最低,內(nèi)摩擦角值最高;隨著含水率的增加,凝聚力值持續(xù)增加,內(nèi)摩擦角值逐漸減小;當(dāng)含水率超過(guò)界限值時(shí),凝聚力值逐漸減小,內(nèi)摩擦角值緩慢增加。試驗(yàn)室與原位測(cè)試結(jié)果表明,蘭州馬蘭黃土的界限含水率wCM為16%±2.00%。根據(jù)馬蘭黃土抗剪強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果,在較低含水狀態(tài)下,馬蘭黃土抗剪強(qiáng)度表現(xiàn)出一定的類脆性變形特征;在較高含水狀態(tài)下,抗剪強(qiáng)度表現(xiàn)出一定的類塑性變形特征,界限含水率wCM為馬蘭黃土脆性與塑性變形特征發(fā)生轉(zhuǎn)變的界限值(圖11)。5.2類塑性指數(shù)法定義峰值與殘余抗剪強(qiáng)度差值和抗剪強(qiáng)度峰值的比率為類脆性指數(shù)BQ,其大小表明了土體脆性的強(qiáng)弱(如圖12所示),類脆性指數(shù)主要受試驗(yàn)正壓力的影響,其公式如下:式中:QB為馬蘭黃土的類脆性指數(shù);τP,τr分別為峰值與殘余抗剪強(qiáng)度(kPa)。試驗(yàn)結(jié)果表明,在較高試驗(yàn)正壓力σ和較高含水率條件下,蘭州馬蘭黃土具有較強(qiáng)的塑性變形特征,定義抗剪強(qiáng)度峰值與峰值和殘余抗剪強(qiáng)度差值的比率與抗剪強(qiáng)度峰值處的剪切應(yīng)變的乘積為馬蘭黃土的塑性指數(shù)PQ,類塑性指數(shù)大小表明了土體塑性的強(qiáng)弱:式中:QP為類塑性指數(shù);S為抗剪強(qiáng)度峰值處的剪切應(yīng)變(mm)。5.3強(qiáng)度比率的確定試驗(yàn)結(jié)果表明,在不同的含水狀態(tài)下,馬蘭黃土抗剪強(qiáng)度在特定的比率界限內(nèi)變化,定義抗剪強(qiáng)度峰值與相應(yīng)試驗(yàn)條件下試驗(yàn)正壓力的比率為強(qiáng)度比率ξ=τP/σv。如圖13所示,馬蘭黃土抗剪強(qiáng)度在比率界限0.50~0.70內(nèi)變化,比率界限平均值為τPv/σ=0.60。6不同含水率條件下馬鈴薯黃油的性質(zhì)蘭州馬蘭黃土結(jié)構(gòu)松疏、大孔隙發(fā)育,力學(xué)強(qiáng)度低,具強(qiáng)濕陷性和高壓縮性,屬典型的水敏感性地質(zhì)體,土體的各向異性明顯