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兰州交通大学毕业设计论文第一章绪论第一节黄土与黄土的湿陷性
一、黄土和湿陷性黄土的概念黄土【loess】指的是在干燥气候条件下形成的多孔性具有柱状节理的黄色粉性土,湿陷性黄土受水浸湿后会产生较大的沉陷黄土主要分布于世界大陆比较干燥的中纬度地带我国的黄土的分布广泛,西起甘肃祁连山脉的东端,东至山西、河南、河北交接处的太行山脉,南抵陕西秦岭,北到长城,包括陕西、陕西、宁夏、甘肃、青海等五个省区的220多个县市,__达54万平方公里,占全国土地__的百分之六湿陷性黄土是一种特殊性质的土,在一定的压力下,下沉稳定后,受水浸湿,土结构迅速破坏,并产生显著附加下沉,故在润陷性黄土场地上进行建设,应根据建筑物的重要性、地基受水浸湿可能性的大小和在使用期间对不均匀沉降限制的严格程度,采取以地基处理为主的综合措施,防止地基湿陷对建筑产生危害
二、湿陷性黄土的分布在我国,黄土和黄土状土广泛分布在华北、西北等地,且地层多、厚度大在这些地区,一般气候干燥、降雨量少,蒸发量大,属于干旱、半干旱气候类型黄土分布地区年平均降水量在250~500mm之间黄土在自重或一定荷重作用下受水浸湿后其结构迅速破坏而发生显著的附加下沉,以至在其上的建筑物遭到破坏这是黄土的一种特殊性质我国湿陷性黄土分布约占黄土分布__的60%,大部分在黄河中游地区由于各地黄土堆积环境、地理和气候条件不同,致使其在堆积黄土的物理、力学性质等方面都具有明显的差别,湿陷性有自西向东、自北向南逐渐减弱的规律第二节国内外湿陷性黄土渗流研究现状及发展趋势半个世纪以来,黄土对水的特殊敏感性及其在黄土变形、强度和本构关系等力学特性上所表现出来的影响规律一直是黄土力学特性研究的中心,研究中出现了一系列重要的发展变化由单轴压缩试验发展到三轴压缩试验,由常规三轴应力路径发展到多种复杂的应力路径,由对浸水湿陷量的研究发展到对湿陷敏感性的研究,由狭义的浸水饱和湿陷发展到广义的浸水增湿湿陷,由单调的增湿湿陷变形发展到增湿、减湿和间歇性湿陷变形,由将黄土作为直线变形体、非线性弹性体发展到作为弹塑性体,由宏观力学特性分析发展到宏、微观结合的力学特性分析,由研究原状黄土发展到研究击实黄土、挤密黄土和饱和黄土,由假定各向同性发展到研究各向异性,由对一些点上黄土的研究发展到黄土地区面上分布规律和经验关系的研究,由静力学特性的研究发展到动力学特性的研究,由对黄土力学特性的描述发展到对黄土力学特性的改造,由曾、应力研究发展到吸力及有效应力研究等
一、国外湿陷性黄土渗流的研究进展土体是自然生态环境的一个重要组成部分,它与人类的生活和生产活动有着极为密切的关系在土体的固、液、气三相组成中,土体中的水分是最活跃的因素州门对饱和土体中水分运动问题的研究有较长的历史,其科学理论的形成始于130年前法国工程师Darcy所进行的试验,经不断完善和发展,形成了现在的地下水动力学非饱和土体中水分运动问题一直是土体学研究的重要课题之一上世纪下半叶以来,人们对非饱和土体中水分运动问题的研究主要采用形态学观点,定性地分析和描述土体中水分的保持和运动随着科学技术的进步,本世纪初Buckingh__1907首次将“毛管势”应用于土体水,出现了土体水分的能态学观点经30年代和50年代的发展和逐步完善,加之电子计算技术的迅猛发展和各学科的相互渗透,非饱和土体水分运动研究出现了由经验到理论、从定性到定量的深刻变化,从而对土体中水分运动规律的描述更加准确,土体水分特征参数的测定开始变得简单易行自从1856年法国工程师达西H.Dalcy通过均质砂土中液体渗流试验的研究总结出渗流的基本公式一一达西定律以来,渗流理论及其应用研究得到了迅速发展虽然达西的试验研究是在均质砂土中液体作均匀流的情况下进行的,但是这个研究成果己被后来的学者__到整个渗流计算中去1863年裘布依以达西定律为基础,研究了单向和平面径向地下水流稳定运动18__年__数学力学家H.E.儒可夫斯基首先推导出了渗流微分方程19___,H.E巴甫洛夫斯基正式提出了求解渗流场的电模拟法,为解决比较复杂的渗流问题提出了一个有效的工具1931年,Richards将Darcy的线性渗流理论__应用到非饱和渗流中以后,人们才开始了非饱和渗流的研究水相流所满足的控制方程很快便建立起来,通常称之为Richards方程基于Richards控制方程的饱和一非饱和渗流后来得到了深入的研究,并成功地应用到许多实际工程中BuekleyLeverett1942在忽略毛管力时给出T一维两相渗流方程的解Cole__n和Bodll__n1944,1945较早的研究了最简单最典型的垂直入渗问题一一干土在积水条件下的入渗他们将土体含水量剖面分为四个区:饱和区、过渡区、传导区和湿润区这使人布门对入渗过程有了初步的定性认识Philip1957年研究T一维垂直入渗的级数解Parlange1971,1972提出了一种半解析迭代方法,求解地表处为第一类边界含水量已知和第二类边界供水强度已知的一维垂直入渗问题Rubin1968研究了二维饱和一非饱和土中的非稳定流,他用有限差分法给出二维Richards方程的数值解Freeze1971研究了三维地下水含水层饱和一非饱和非稳态流,并给出数值解法WarrenRoot1963提出了双重介质渗流问题Clo__ann1975提出了三重介质渗流模型Lam和Frdelund1987对饱和一非饱和土渗流问题作了比较完整的论述,把非饱和土体水运动理论与非饱和土固结理论相结合,得到了符合岩土工程师使用习惯的饱和一非饱和渗流控制方程,并运用二维有限元方法对复杂地下水流动系统的几个暂态渗流实例问题进行了数值模拟Remson等1971出版了《地下水文学的数值法》专著,他们对70年代以前的饱和一非饱和渗流有限差分数值模拟作了比较全面的回顾和介绍Neu__n19731974最早将有限元方法应用到解饱和一非饱和渗流问题他用Galerkin法对Richards方程进行空间域的离散,用Crank-Nicolson有限差分格式对时间域进行离散不过为了解决边界条件突变时Crank-Nicolson格式不能求解的困难,他建议用隐式向后差分格式对时间域进行离散为了解决求解时可能出现的解振荡问题,他建议在时间域离散中采用集中质量矩阵他还对非线性迭代时初值的选取作了具体的指导Neu__n这方面的研究成果后来被人们广泛采用,他的文献因此也成为饱和一非饱和土研究方面的经典之作赤井浩一等1977在Neu__n的基础上研究了考虑土水特征曲线吸湿与脱湿不同情形影响的饱和一非饱和渗流他们做了砂槽模型试验,并用有限元方法模拟了砂槽试验,其数值模拟结果与试验结果基本吻合Samnori和Tsnboyan__1991采用Galerkin有限元法模拟了恒定降雨强度下边坡暂态渗流方程,并对边坡的稳定性进行了参数研究,其中考虑了斜坡长度、土层深度、横截面形状和土的性质等因素的影响结果表明对斜坡稳定性不利的参数取值情况是较低的导水率,较长的斜坡,较浅的土层和凹形斜坡表面Shi__da等1995用Galerkin有限元法模拟了不同降雨强度和不同土的类型条件下的二维非饱和渗流并采用刚体弹簧模型进行了斜坡稳定性数值分析结果表明较高降雨强度引起安全因数显著降低,渗透性函数对斜坡安全因数降低影响较小,接近饱和时,基质吸力较小改变可引起斜坡安全因数大幅度降低Forsyth1988对地下水非饱和单相流与两相流模型进行了数值模拟的对比研究,他认为两者存在比较大的差别,两相流的分析方法更接近实际一些Fredlund和Hasan在假定气相是连续的,Fick定律和Darcy定律分别适用于气相和水相的流动,水相和气相的渗透系数都是土的基质吸力或某一体积一质量的函数的条件下,提出了求解非饱和土固结过程中孔隙气压力、孔隙水压力的偏微分方程,用Galerkin加权余量原理推导了二维稳态渗流的有限元形式Alonso1995进行了土坡二维非饱和渗流和极限平衡法的联合分析,渗流分析中采用了考虑空气压力变化的耦合型控制方程,考虑的影响因素包括土的类型、降雨持时、降雨强度、水分保持曲线的形状和土的渗透性
二、国内湿陷性黄土渗流的研究进展国内近十几年来在这方面也开展了许多工作李信1992等应用伽辽金有限元法对三维饱和一非饱和土渗流问题进行计算研究,介绍了数值方法和主要计算公式,给出了典型算例的计算结果,并与前人的试验资料进行比较该研究成果表明,在进行渗流分析时,该方法比只在饱和区内进行饱和渗流分析更接近实际另外,将饱和区与非饱和区耦合在一起分析可以避开难以处理的自由水面边界问题因而使水位升降、降雨和蒸发等引起的饱和一非饱和渗流问题得到较好的解决黄俊,苏向明等1990采用伽辽金有限元法隐式向后差分法,编制出简单合理、切实可并以唐山陡河土坝为计算对象,对该坝进行了饱和一非饱和渗流数值计算,计算结果规律正常,令人满意吴宏伟1999等针对__地区一种典型非饱和土斜坡,用有限元法模拟雨水入渗引起的暂态渗流场,然后将计算得到的暂态孔隙水压力分布用于斜坡的极限平衡分析研究了降雨特征、水文地质条件及坡面防渗处理等因素对暂态渗流场和边坡安全因素的影响但是该文在研究中没有考虑雨水入渗随着土体入渗能力的变化而变化的特性,而只是把入渗量按降雨量的一定比例降低来大致确定张家发1997研究了土坝三维饱和一非饱和隐态渗流他编制了三维饱和一非饱和稳定和非稳态渗流程序,该程序曾应用于__船闸高边坡渗流场分析中陈虹等
(1997)采用有限单元法对飞来峡水利枢纽工程纵向导流围堰典型剖面进行渗流数值模拟,分析降雨及非稳态渗流对堰体及高喷防渗治理的影响,反映了堤坝中流体的实际物理现象和运动规律马博恒1997对露天开采边坡渗流实例进行有限元分析;李爱兵1994用边界元法对边坡中的地下水渗流进行了分析刘洁、毛艇熙1997年对饱和与非饱和渗流计算的有限单元法进行了推导,并建立了数学模型通过计算,比较了一般的饱和渗流与饱和一非饱和渗流两种模型的计算结果,并引用模型试验资料进行验证其结果表明,饱和非饱和渗流计算方法具有不进行自由面调整等优点,在物理概念上更为完善陈善雄,陈守义
1998.2001用积分有限差分方法模拟了降雨条件下土体中水分的运动情况,并对降雨条件下非饱和土坡的稳定性的分析方法做了研究朱伟等1999通过大型降雨渗透试验实测了土堤内浸润线的变化和水分__,并利用有限元方法对饱和一非饱和渗流进行数值模拟,进而分析了降雨时土堤内饱和一非饱和的渗透机制吴梦喜、高莲士1999对饱和一非饱和土体非稳定渗流作了数值分析,对一般的非饱和渗流有限元计算方法加以改进,以消除非饱和渗流数值计算存在的数值弥散现象同时还提出了一种逸出面处理新方法,并给出了非饱和月既急定渗流计算的实例邵龙潭、王助贫C2000等采用孔隙介质力学分析方法,把土体骨架、孔隙水和孔隙气分别作为__的研知寸象,结合孔隙水和孔隙气在气液交界面上满足的力学引牛建立藕合方程,求解非饱和土中孔隙水的入渗和孔隙气体的排出过程并对标准砂进行了一维有压水流入渗的试验和计算介玉新等2001研究了墙后填土中存在二维渗流时对作用在墙背上的土压力和总压力的影响,比较了库仑理论和朗肯理论计算结果的差别.李兆平2001以土体体系含水量作为控制变量,应用非饱和土水分运动基本理论建立了降雨入渗过程中土体瞬态含水量的计算模型,采用非饱和土强度理论和极限平衡方法,得出了可以考虑基质吸力影响的边坡安全系数计算公式,最后通过具体的算例,讨论了降雨入渗对土质边坡稳定性的影响但在对渗流场进行模拟时,采用的是一维垂直入渗模型,没有考虑水平方向的影响朱文彬、刘宝探2002等利用饱和一非饱和土的渗流理论,并运用有限元法和有限差分法对公路边坡在降雨过程中的渗流规律进行了一个实例分析,模拟了雨水在土坡中的渗流过程陈力等2001采用运动波理论和两次改进后的Green-Ampt入渗模型建立了坡面降雨入渗产流的动力学模型,并得到了试验资料的良好验证运用该模型分析研究了简单坡面上降雨入渗产流的动力学规律朱军2001对饱和一非饱和的渗流的计算做了系统的研究,提出了求解渗透流量的一种简单的方法并对随机渗流场的数值分析作了深入的研究姚海林、郑少河2002等专门针对非饱和膨胀土边坡在考虑暂态饱和一非饱和渗流的情况下进行了参数研究,在研究中着重考虑了裂隙对边坡中孔隙水压力和体积含水量分布的影响,认为对于膨胀土而言,渗透系数越低,越应注意裂隙的作用汪自力2002等在饱和一非饱和渗流不动网格有限元计算的基础上,寻求用土体单元所受的渗透力代替其周边的孔隙水压力,以达到利用渗流计算时的剖分网格和计算结果,直接连续进行渗流作用下的边坡稳定分析的目的但在对非饱和土土骨架进行受力分析时,仍然沿用了饱和土的概念吴良骥、雷光耀、张培文、刘德富等对饱和非饱和岩土月稳定渗流问题进行了有限元的分析研究,结合工程实例对堤坝饱和非饱和渗流进行了数值模拟上述得到广泛研究的饱和一非饱和渗流都是基于Richards控制方程,它忽略了空气相的流动,仅仅考虑水相在土中的流动然而严格意义上的非饱和渗流理论应当考虑空气和水的两相流但是在土坡稳定分析工作中,一般忽略空气流动和体变的影响,采用简化的Richards方程进行计算张华、陈善雄、陈守义推导了考虑土骨架体变、气相流动的非饱和渗流一般性控制方程,并给出了几种简化形式清华大学朱京义、张丙印、张彦等讨论了非饱和土中水和气体两相不相容、不可压缩孔隙流体的流动定律、不同流体间的相互作用以及反映土体孔隙持水特性的土水特征曲线等,据此推导了非饱和土两相流体耦合渗流的控制方程邵龙潭,王助贫等采用孔隙介质力学分析方法,把土体骨架、孔隙水和孔隙气分别作为__的研究对象,结合孔隙水和孔隙气在气液交界面上满足的力学条件建立藕合方程,求解非饱和土中孔隙水的入渗和孔隙气体的排出过程并对标准砂进行了一维有压水流入渗的试验和计算,并用数值模拟方法进行对比得出在研究水流入渗问题时,对一些导气率较低的土类,考虑气相的压缩和运动的影响是必要的结论邓英尔、刘慈群等基于三参数非线性渗流运动定律、质量守恒定律及椭圆渗流的概念,建立了低渗透介质中两相流体椭圆非线性渗流数学模型,运用有限差分法与外推法求解,导出了两相流体椭圆非线性渗流条件下油井见水前后__指标的计算公式,进行了实例分析骆祖江、王增辉1999以多相渗流理论为基础,从水气二相渗流的连续性方程和达西定律出发,推导了非饱和带水气二相渗流的耦合动力学模型,讨论了模型的求解方法的原理和步骤目前虽然许多学者对非饱和土体的水分迁移训于了大量的研究,但是对.水分迁移机理问题还存在比较大的争议综合考虑温度、密度及含水量对水分迁移规律的影响研究比较少,这些都制约了非饱和土水分迁移研究的进展第三节本文的研究内容、意义和技术路线
一、研究内容
二、研究意义
三、本文研究的技术路线第二章湿陷性黄土的工程性质第一节湿陷性黄土的成因及主要特征
一、湿陷性黄土的定义黄土是一种第四纪沉积物,具有一系列内部物质成分和外部特征,不同于同时期的其它沉积物黄土具有以下全部特征
1. 颜色以黄色、褐黄色为主,有时呈灰黄色;
2. 颗粒组成以粉粒
0.05-
0.005mm为主,含量一般在60%以上,几乎没有粒径大于
0.25mm的颗粒;
3. 孔隙比较大,一般在
1.0左右;
4. 富含碳酸钙盐类;
5. 垂直节理发育;
6. 一般有肉眼可见的大孔隙当缺少其中一项或几项特征的称黄土状土
二、黄土的分类黄土安成因分为原生(或典型)黄土和次生黄土一般认为不具层理的风成黄土为原生黄土原生黄土经过流水冲刷、搬运重新沉积而形成的具有层理含较多砂粒以至细粒的黄土称次生黄土次生黄土的结构强度比原生黄土低,湿陷性较高,地质界常将原生黄土称为黄土,次生黄土称为黄土状土从工程建设角度看,主要是土的物理力学性质,因此不区别黄土或黄土状土,而通称为黄土
三、黄土的成因
1、风成说在当时干旱的大陆性气候作用下,高度风化的黄土物质受到强大的反旋风作用,从中部呈离心状吹向荒漠边缘地区,当遇到异向风或降雨沉落于地面,经风化作用形成黄土一般认为我国黄土材料是从中亚西亚搬运来的形成黄土的自然环境是干旱或搬干旱地荒漠草原我国黄土的颗粒组成、矿物和化学成分都有自南向北逐渐变化的趋势,黄土颗粒自东南向西北逐渐变粗,在同一区域内,高山和低地都有黄土分布,而且黄土堆积常有坡向性,在迎风面堆积量大,背风面少黄土地形于下伏基岩有密切关系,常随古地形起伏而起伏,且与下伏基岩性质无关,成分复杂,呈不整合或假整合接触,在构造上,黄土无层理,柱状节理发育,这与具有层理的冲、洪积形成的黄土状土有明显差别
2、水成说认为黄土是由冲积、洪积、湖积等的假说认为黄土的整个堆积过程于整个地形地貌的发展过程密切相关,早期随盆地四周山坡降水下流而汇集于山间或三角洲处的黄土冲积物堆积成黄土高原,在一定盆地内有一定的分布高度,称为黄土线,黄土线就代表着过去河流淤积的最高地面,超过这一高度就没有黄土分布陕西高原黄土来自上游大小盆地,晚期在新构造运动作用下地层上升切割形成的河谷中,黄土沉积物堆积成阶地性状,在大陆性干旱气候下,这些沉积物在风化和成土作用下形成黄土该学说将原生黄土与次生黄土的 沉积过程与地貌形成过程统一起来,将黄土堆积物概括为两大类较古老的高原黄土,年青的阶地黄土
3、多种成因说认为各地区黄土形成的地质地理环境以及这些环境的演化历史是不同的利用地层、地貌、岩性、古地理、地球化学、土的物质成分等分析方法的假说该假说将物质来源、堆积方式、黄土的形成以及演化看做是一个统一的过程划分成因类型的主要标志是地质因素根据之一原则,将我国黄土划分为十种类型冲积、洪积、坡积、风积、冰水沉积、湖积、洪积-坡积、冲积-洪积、残积-坡积、冲积-坡积河谷平原类型内的黄土状土的成因主要是冲积类型 另外,还有土壤残积假说黄土成因虽有不用的假说,但分歧主要是对分布于高原和高分水岭上的黄土,而分布于河谷地带的黄土则意见较为一致,都认为是冲积类型,也间有洪积-坡积类型目前,我国大部分建筑工程多兴建在河谷地带的
一、二级阶地上或是靠山、近山的洪-坡积地带,在高原上较少
四、黄土的分布黄土分布很广,__达1300万平方公里,约占陆地总__的
9.3%世界各大洲黄土覆盖__占总__的比例为欧洲7%,北美5%,南美10%,亚洲3%,此外,在澳大利亚、北非也有零星分布我国黄土分布__635280平方公里,占世界黄土分布总__的
4.9%左右,主要分布在北纬33-47度,以34-45度之间最为发育,属于干旱、半干旱气候类型我国湿陷性黄土分布__约占我国黄土分布总__的60%左右,为27万平方公里,大部分在黄土中游地区,北起长城附近,南达秦岭,西自乌鞘岭,东至太行山,即北纬34-41度,东经102-___度之间湿陷性黄土一般都覆盖在下卧的非湿陷性黄土层上,厚度以六盘山以西地区较大,达30米,六盘山以东地区稍薄,如汾渭河谷多为几米至十几米,再向东至河南西部则更少,并且有非湿陷性黄土位于湿陷性黄土层之间我国黄土地层的化分地质时代地层名称说明全新世近期Q新黄土新近堆积黄土一般有湿陷性、高压缩性早期Q一般湿陷性黄土有湿陷性晚更新世Q马兰黄土中更新世Q离石黄土老黄土一般无湿陷性早更新世Q午城黄土由于我国各地黄土堆积环境、地理、地质和气候条件不同,致使其在堆积厚度、土的物理、力学性质等方面都有明显的差别,如湿陷性具有自西向东,自北向南逐渐减弱的规律第二节湿陷性黄土的物理化学性质
一、湿陷性黄土的物理性质黄土是由固、液、气三相组成的,其三相组成间重量和体积的比例关系,可以反映出一系列物理性质,这些性质常用以下一系列指标表示颗粒组成,土粒比重,含水量,重度,孔隙比,饱和度,液限,塑性指数
1、颗粒组成:土的颗粒是指那些岩石、矿物和非晶体化合物的零散碎片或碎屑颗粒本身可以是矿物的结晶构造,也可以是非结晶构造,如二氧化硅和氢氧化铁不同地质时代的黄土,其颗粒组成不同,第四纪早期的黄土比晚期黄土中的粘粒含量高,而砂含量则低湿陷性黄土以粉粒为主,含量达60%以上,其中细粉粒
0.05-
0.01mm占7-9%,粗粉粒
0.01-
0.005mm占45-65%我国由西北向东南方向,砂粒减少而粘粒增多,这与我国湿陷性黄土由西北向东南递减的趋势大体相关
2、土粒比重和天然重度:黄土的土粒比重一般为
2.51-
2.84,平原区为
2.62-
2.76,比重大小与土的颗粒组成有关,当粗粉粒和砂粒含量较多时,比重常在
2.69以下,粘粒含量多,则在
2.72以上黄土的颗粒组成与其液限、塑限有一定关系IpG
72.677-
102.6910-
132.7113-
172.
72172.73-
2.74湿陷性黄土天然重度一般在
13.3-
18.1kN/m3之间,它不仅取决于颗粒的大小和含量的多寡,还与土的含水量有关,一般工程常用干重度和孔隙比反映土的密实度
3、干重度和孔隙比:干重度是衡量黄土密实度的一个重要指标,与土的湿陷性有较明显的关系,一般干重度小,湿陷性强,反之,则弱其变化范围在
11.4-
16.9kN/m3之间干重度除与本身密实度有关外,还与土中各种矿物成分的含量和含盐量有关一般而言当干重度超过15kN/m3以上,一般属于非湿陷性黄土,但也有例外,如合阳糖厂位于黄河一级阶地,地基由
14.5m新近堆积黄土组成,颗粒较粗,塑性指数
3.3-
8.
65.2干重度
14.3-
16.9kN/m
315.6kN/m3,仍具有强烈湿陷性湿陷性黄土孔隙比在
0.85-
1.24之间,大多数在
1.0-
1.1之间一般以孔隙比
0.8作为化分湿陷性和非湿陷性的界限当然,对于某些砂粒含量较多的次生黄土是例外,大多数情况下,土的孔隙比随埋藏深度增加而降低,但也有例外
4、含水量和饱和度:湿陷性黄土的天然含水量在
3.3-
25.3%之间,其大小与场地地下水位埋深和年平均降雨量有关大多数情况下,黄土的天然含水量都较低,在塬、梁、峁上的黄土地下水位较深,含水量在6-8%之间,低级阶地上的黄土,含水量较高在11-21%之间不同季节取样含水量可相差2-5%之间经验表明,含水量在25%时就不具有湿陷性,而压缩性则恰恰相反湿陷性黄土的饱和度在15-77%之间,多数在40-50%,处于稍湿状态,随饱和度增加,湿陷性减弱,当饱和度接近80%时,湿陷性基本消失
5、稠度指标:稠度指标包括液限、塑限、液性指数和塑性指数,他们反映了水对土的性状的影响湿陷性黄土的液限、塑限分别在20%-35%和14%-21%之间,Ip为
3.3-
17.5大多在9-12左右,液性指数在零上下波动,大多数湿陷性黄土处于坚硬和硬塑状态,承载力较高,压缩性属中等或偏低,少部分(新近堆积黄土)属于可塑或软塑状态当夜限在30%以上时,失陷一般较强,国外有认为液限是用扰动土测定的,它并不能反映与原状土强度的关系由西向东,由北向南,含水量、重度逐渐增加,孔隙比逐渐减小,液限塑性指数稍有增大,湿陷系数减小,湿陷性降低
二、湿陷性黄土的化学性质
1、水溶盐水溶盐根据其在20摄氏度水中的溶解度分为三类易溶盐氧化物,硫酸镁,碳酸钠中溶盐石膏难溶盐碳酸钙水溶盐与土的湿化、收缩、膨胀和透水性关系密切,并影响土的黏性合强度 易溶盐含量在
0.003-
1.74%之间,个别在4-8%,常见值为
0.32%,含量不大,当土中易溶盐含量
0.5%,对黄土的性状影响甚微易溶盐含量由西向东,由北向南逐渐减少,因为降雨量大,地下水,地表水活动强,一部分易溶盐溶解并流失中溶盐含量在
0.01-
1.44%之间,平均
0.3%,含量不大,偶见3%的,研究表明,浸水压缩试验前后土中石膏含量由
0.24-
0.67%,似乎对湿陷性有一定影响当石膏呈碎屑颗粒分布时,对土粒既无胶结作用,受水浸湿时也不易溶解,对黄土的湿陷性也就没有什么影响了难溶盐碳酸钙占全部碳酸盐的90%以上,碳酸镁占10%以下碳酸钙含量在
0.38-
25.5之间,平均10%,呈多种形态存在,有碎块状,颗粒状,膜壳状,细晶状,菌丝状,结核状等,一般碳酸钙含量大时,土的强度也高
2、黄土的酸碱特征黄土的酸碱特征以水土比为1:5的悬液PH值表示,PH值取决于粘粒所吸附的离子类型和黄土所含的可溶盐成分黄土的PH值在
6.0-
9.2之间,平均
7.8,大多数在
7.5以下,一般干旱地区PH值大,湿润地区PH值小PH值高的湿陷性强
3、离子交换黏土矿物和有机质是黄土中胶体颗粒的组成部分,胶体物质都有离子交换的特征,胶体表面吸附着一定量的阳离子,由于胶粒表面电荷不平衡便引起交换现象黄土中的阳离子交换量随矿物类型、含量和有机物含量不同而不同,交换量定义为介质PH值等于7时,每100g土样中所吸附阳离子的当量数黄土的阳离子交换量为
8.1-
27.61毫克当量每100g土,主要矿物为伊利石
4、有机质黄土中有机质含量在
0.02-2%之间,平均
0.64%,在各级粒组中的含量随粒径减小而增多有机物持水性强,表面能大,常能于二价钙离子结合而产生凝聚现象,多凝聚在大孔壁上,也有分散于粘粒中,当呈分散分布时,则成为土中的胶结成分,受水浸湿时会吸收大量水分而崩解黄土的烧失量在
0.79-
16.9%之间第3节湿陷性黄土的工程力学性质湿陷性黄土的力学性质主要包括压缩性,湿陷性,抗剪强度、透水性等
1、压缩性反映地基土在外荷载作用下产生压缩变形的大小对湿陷性黄土地基而言,压缩变形是指地基土在天然含水量条件下受外荷载作用时所产生的变形,它不包括地基土受水浸湿后的湿陷变形一般在中更新世末期和晚更新世早期形成的湿陷性黄土多为中等偏低,少量为低压缩性土;晚更新世末期和全新世黄土多为中等偏高,有的甚至为高压缩性土,新近堆积黄土的压缩性多数较高
2、抗剪强度黄土的抗剪强度除与土的颗粒组成、矿物成分、粘粒和可溶盐等有关外,主要取决于土的含水量和密实程度含水量越低,密实程度越高,抗剪强度越大含水量与抗剪强度的关系当黄土的天然含水量低于塑限时,水分变化对强度影响最大,含水量由
7.8%增加到
18.2%时,内摩擦角和内聚力都降低1/4左右当天然含水量超过塑限时,抗剪强度降低幅度小,而在天然含水量超过饱和含水量时,抗剪强度变化不大干重度与抗剪强度关系土的含水量相同,则密实程度越大,抗剪强度越大湿陷过程中与饱和后的抗剪强度比较试验结果表明在浸水过程中土的抗剪强度比同种土在同样压力下处于饱和状态时要低10%-15%黄土在某一应力状态下受水浸湿后,湿陷处于发展过程中的强度最低,地基在湿陷变形过程的稳定性最小压实黄土的抗剪强度当黄土作为筑坝材料,或天然黄土用重锤夯实、土垫层、土桩挤密处理后,常需要了解黄土在原状结构破坏后的强度有关研究资料及试验表明,当压实黄土的干重度达到16kN/m3时,内摩擦角可达23-26度,内聚力为260-350kPa,当干重度达到17kN/m3时,内摩擦角可达29度,内聚力为600kPa黄土的各向异性对抗剪强度的影响由于黄土存在垂直节理和大孔构造,因而不同的剪切方向得出的抗剪强度有较大差异试验表明,当剪切面平行于大孔方向时,强度最低,天然含水量低的黄土受各向异性影响的程度比饱和黄土要大
3、透水性透水性反映水在土中通过的速度,黄土的渗透系数变化较大,一般黄土竖向和水平方向的渗透系数分别为
0.16×10-5cm-
0.3×10-5cm/s和
0.8×10-6-
0.1×10-5cm/s之间透水性随时间的变化黄土的渗透系数不是一个常数,它随渗透溶液的性质,水头梯度,渗透时间等变化水头梯度越大,渗透系数越大透水性与孔隙比和原始含水量的关系渗透系数随孔隙比的减少而降低,二者之间呈对数函数关系原始含水量越大,渗透系数越小,当原始含水量增加到某一数值时,渗透系数就不再降低土的各向异性对渗透系数的影响黄土竖向渗透系数总大于水平方向渗透系数,二者之比在3-30之间变动当浸水湿陷后,由于土体压密,竖向渗透系数显著降低,二者之差也将大大缩小起始水力梯度问题黄土既属于粘性土,是否与一般粘性土一样,只有当水力梯度超过某一数值后,才开始在土中流动试验表明,黄土中不存在起始水力梯度文,当水力梯度大于零时,水就开始在土中渗透,这是由于土中存在角度大孔隙的缘故因此,与砂土一样,水在黄土中的渗透复合达西定律
4、湿陷性在土的自重压力或土的附加压力与自重压力共同作用下受水浸湿时将产生急剧而大量的附加下沉,这种现象称为湿陷它与一般土受水时表现的压缩性稍有增加的现象不同由于各个地区黄土形成时的自然条件差异较大,因此,其湿陷性也有较大差别,某些湿陷性黄土受水浸湿后在土自重压力作用下就产生湿陷,称为自重湿陷性黄土,而另一些黄土受水浸湿后在自重压力和附加压力共同作用下才产生湿陷,称为非自重湿陷压缩变形与湿陷变形压缩变形在荷载施加后立即产生,随着时间的增长而逐渐趋向稳定对于大多数湿陷性黄土地基来说(饱和黄土和新进堆积的黄土除外),压缩变形在施工期间就能完成一大部分,在房屋竣工后三个月到半年即基本趋于稳定,而且总变形量不大,多为2-5厘米湿陷变形的特点是变形量大,常常超过正常压缩变形的几倍甚至几十倍;发生快,受水浸湿约1-3小时就开始湿陷就一般湿陷事故来说,往往1-2天内就可能产生20-30厘米的变形量,这种量大,速率快而又不均匀的变形往往使建筑物发生严重变形甚至破坏湿陷的出现完全取决于受水浸湿的概率,有的建筑物在施工期间即产生湿陷事故,而有的则在几年甚至几十年后才出现湿陷事故湿陷变形的特征指标湿陷系数是单位厚度土样在土自重压力或自重压力与附加压力共同作用下受水浸湿后所产生的湿陷量,它通过室内浸水试验确定,用表示我国规定当大于
0.015时为湿陷性黄土,当小于
0.015时为非湿陷性黄土根据湿陷系数的大小,可以大致判断湿陷性黄土湿陷的强弱≤
0.03弱湿陷性
0.03<≤
0.07中等湿陷性>
0.07强湿陷性为了正确反映湿陷性黄土地层的湿陷程度,并__结构物和地基实际,合理地采用有效的防护措施,可用地基内各土层的湿陷系数,求得地基的计算湿陷量式中—地基内第i层湿陷性黄土的湿陷系数;—第i层湿陷性黄土的厚度m湿陷性黄土地基的湿陷等级如表所示湿陷性黄土地基的湿陷等级地基的计算湿陷量m 湿陷等级
0.05<≤
0.15Ⅰ
0.15<≤
0.35 Ⅱ>
0.35Ⅲ只是湿陷性黄土地基的定性指标,它并不代表地基的真实湿陷量由于我国黄土上部土层的湿陷性比下部土层大,而地基上部土层受水浸湿的可能性又较大,因此在上式中地基的计算湿陷土层厚度一般定为从基底算起至其下5m为止由于被地下水浸泡的那部分黄土层一般不具有湿陷性,当5m内已见地下水,则算至平均年地下水位为至在5m深度内如有非湿陷性黄土层,则不将此层土的湿陷量累计在内湿陷性黄土地基的湿陷等级越高浸水后可能产生的湿陷量就越大,对结构物的危害也越大,因此设计措施要求也越高另外,我国建筑规范还规定当基底下面土层包含有自重湿陷性黄土,可按下式判别是否属自重湿陷性地基式中—地基的计算自重湿陷量m;—第i层土在上覆土的饱和自重压力下,测得自重湿陷系数;—第i层土的厚度m上式计算深度可自基础底面算至基下10m为止但其中△zs﹝s<
0.015的土层不累计根据大量的室内外试验对比确定,当≤
0.07m时可定为非自重湿陷性黄土地基;>
0.11m时为自重湿陷性黄土地基;
0.07<≤
0.11m时,可结合当地实践经验确定在黄土地区修建结构物,应首先考虑选用非湿陷性黄土地基,它较经济可靠,如确定基础位于湿陷性黄土上,则应尽量利用非自重湿陷性黄土地基,因为这种地基的处理与自重湿陷性黄土地基相比,要求较低湿陷起始压力黄土在受水浸湿后开始产生湿陷时的相应压力,严格的说,应是湿陷系数接近于零时的压力(黄土本身具有一定的结构强度,当压力较小时受水浸湿,由于它在颗粒接触处所产生的剪应力小于其结构强度,与一般粘性土一样,只产生少量的压缩变形只有当压力增大到某一数值以至剪应力大于其结构强度时,下沉速度才突然加快,从而反映出湿陷的特点当湿陷性黄土实际所受的压力等于或大于土的湿陷起始压力时,土就开始产生湿陷;反之,如小于这一压力,则只产生压缩变形,而不发生湿陷变形随土性的差别,湿陷起始压力的变化较大,浅层黄土的湿陷起始压力多在25-125kPa之间)起始含水量处于外荷或土自重压力作用下,湿陷性黄土受水浸湿时开始出现湿陷现象时的最低含水量(它与土的性质和作用压力有关,对于同一种土,起始含水量并不是一个常数,一般随压力的增大而减小)
5、湿陷原因和机理对黄土湿陷的原因和机理的各种不同论点,可以归纳为内因和外因两个方面内因主要是由于土本身的物质成分(颗粒组成、矿物成分和化学成分)和其结构,外因则是水和压力的作用毛管假说Terzaghi指出当潮湿砂土内的不连续水分积聚在颗粒接触点时,相邻颗粒孔隙中水和空气交界处的表面张力,使土粒拉在一起水浸入土中后,表面张力消失,于是砂土溃散有的学者曾用这种观点来解释黄土的湿陷,以后遭到__J.G.Dudley认为毛细压力是黄土中形成细粉粒粘结和絮凝粘粒粘结的重要因素黄土中的毛细作用是存在的,但将其作为湿陷的主要原因值得商榷常宝琦曾用风干的扰动土样制成试件,虽然破坏了毛细管通道,消除了弯液面作用,仍然有很大的的湿陷性溶盐假说黄土中存在大量的可溶盐当黄土的含水量较少时,易溶盐处于微晶体状态,附着在颗粒表面,起着一定的胶结作用这种胶结作用是黄土加固内聚力的一部分,受水浸湿后,易溶盐溶解,这部分强度就丧失了,因而产生湿陷我国湿陷性黄土中的易溶盐含量都较少,不是组成加固内聚力的主要部分,难溶盐含量虽高,但其溶解很缓慢,因此,较多的观点认为易溶盐的溶解不是产生湿陷的主要原因胶体不足说认为黄土的湿陷性是含有小于
0.05mm颗粒含量小于10%的土所固有的性质,这种土缺少胶体部分;如果有显著数量的胶体,则膨胀可防止湿陷的发生朱海之认为当粘粒含量大于15-20%时黄土不具有湿陷性,但发现兰州西盆地北岸二级阶地上的黄土粘粒含量大于30%,却湿陷性强烈水膜楔入说低含水量黄土在细颗粒(主要是粘粒)表面上包裹着的结合水膜一般很薄,溶解在其中的阴、阳离子的静电引力较强,将表面带负电荷的粘粒连接起来,形成一定的凝聚强度当水进入土中时,结合水膜变厚,象楔子一样将牢固连接的颗粒分开,使土粒表面产生膨胀,体积增大,引力减弱,凝聚强度降低,因而产生湿陷水膜楔入说能较好地解释黄土在水一进入就会立即发生湿陷这一现象;但是,还不足以解释各种复杂的湿陷现象的(如湿陷性的强弱、自重湿陷与非自重湿陷等)产生欠压密理论黄土是在干旱或半干旱气候条件下形成的风成黄土在沉积过程中,表面受大气降水的影响在干燥少雨的条件下,大气降水浸湿带的厚度常少于蒸发影响带的厚度,a-a线以上土层在降水期,土中含水量较高,处于最优压密条件,但由于土层薄,自重压力小,未能得到有效压密随黄土继续堆积,a-a线提高,在新的a-a线与b-b线之间的土层,大气降水影响不到,但蒸发过程继续进行由于水分减少,盐类析出,胶体凝结产生了加固内聚力虽然上覆土层压力增大,但不足以克服土中形成的加固内聚力,因而成为欠压密状态如此循环往复,使得堆积的欠压密土层越来越厚,一旦水浸入较深,加固内聚力消失,就产生湿陷当降水量少,干旱期长时,欠压密称度大,而且欠压密土层也较厚;反之,黄土欠压密程度就弱,形成的欠压密土层也较薄欠压密论易于解释我国黄土___西北部湿陷性强,东南部弱这一规律欠压密理论没有涉及到具体的机理和作用,而是把复杂的物理化学作用笼统地归结为欠压密状态,避开了某些争论不休而暂时不能作出结论的假说事实上,黄土高孔隙度的产生不是简单的物理压密不足过程形成的,它与黄土形成过程中的风化成土作用以及盐类淋溶、凝聚作用分不开,后者将改变土的表面活性,影响土的液限和塑限因此,黄土欠压密状态的形成不仅与物理压密过程有关,也受到风化成土过程中胶体化学变化的影响结构学说这一学说通过对黄土的微观结构的研究,从土中骨架颗粒形态,接触关系,排列方式,胶结物种类与赋存状态,胶结类型等结构特征,来阐明湿陷现象的产生以及湿陷强弱程度差别的原因综上所述,黄土的湿陷现象是一个复杂的物理、化学变化过程,湿陷的原因和机理不是目前已提出的哪一个假说所能完全解释清楚的,它受到多方面因素的制约与影响6土体水分迁移的基本方程饱和土中水的流动通常用Darcy定律来表达,Darcy假设土体中水的流速与其水力梯度成正比式中—水的流速;—水相的渗流系数;一y方向的水力梯度,可以写成Darcy定律也适用于非饱和土中水的流Buckingham1907;Richard1931;Childs和Collis-George1950但是,在非饱和土中的渗透系数甲般不育服定为常数相反,渗透系数是变数,主要剥卜饱和土含水量或基质吸力的函数可以设想水仅通过水占有的孔隙空间流动,空间所占有的孔隙对水的流动来说是非传导性的流槽所以,非饱和土中空气占有孔隙的形状可视为与固相相似,土可以处理为一种减小含水量的饱和土一样Childs1969从而非饱和土中Darcy定律的适用性可以像饱和土中一样得到论证曾进行过论证Darcy定律,对非饱和土适用性的试验某一非饱和土的柱体,具有均匀的含水量及不变的压力水头,并施加不同的重力头梯度,在某一特定含水量下,对于作用于非饱和土上的不同水力梯度即此时仅重力水头变俗,渗透系数Kw是常数换句话说,通过非饱和土的水流速与水力梯度呈线性比例关系,而渗透系数是一常数,这与饱和土中的情况相同,这证明Darcy定律也适用于非饱和土,但是,在非饱和土中渗透系数的划、将随不同体积含水量Qw而有所不同渗流问题通常分为稳态渗流和非稳态渗流的分析对于稳态渗流分析,土体中任何一点的水头和渗透系数不随时间变化对于月滩态渗流分析,水头也可能是渗透系数随时间变化这些变化通常反映出边界条件随时间的变化.第4节湿陷性黄土地基的工程处治措施湿陷性黄土地基处理的目的主要是通过消除黄土的湿陷性,提高地基的承载力湿陷性黄土地基处理的方法很多,在不同的地区,根据不同的地基土质和不同的结构物,地基处理应选用不同的处理方法在勘察阶段,经过现场取样,以试验数据进行分析,判定属于自重湿陷性黄土还是非自重湿陷性黄土,以及湿陷性黄土层的厚度、湿陷等级、类别后,通过经济分析比较,综合考虑工艺环境、工期等诸多方面的因素最后选择一个最合适的地基处理方法,经过优化设计后,确保满足处理后的地基具有足够的承载力和变形条件的要求对非自重湿陷性黄土地基,如基础下地基处理厚度达到压缩层下限,或达到饱和的自重压力与附加压力之和等于或小于该土层的湿陷起始压力,就可以认为地基的湿陷性全部消除对自重湿陷性黄土地基,由于地基的湿陷量和湿陷变形与自重湿陷性土层的厚度、浸水__有关,而与压缩层厚度无关,所以必须处理基础地面以下的全部自重湿陷性黄土层常用的地基处理方法有土或灰土垫层法、土桩或灰土桩法、强夯法、重锤夯实法、桩基础法、预浸水法、土挤密桩法、化学加固法、其它加固方法预浸水法、热加固法、水下爆破法、电火花加固法)等各类地基的处理方法都应因地制宜,通过技术比较后合理选用对于Ⅱ级以上湿陷性黄土地基处理如采用土或灰土垫层、土桩或灰土桩、桩基础预浸水法,不同程度存在工作量大、花费劳力多、施工现场占地大、工期长、造价高等缺点近几年来,强夯法以其处理地基施工简便、速度快、效果好、造价低等优点,在全国湿陷性黄土地区得到广泛应用和__
一、灰土和素土垫层法
1、将基底以下湿陷性土层全部挖除或挖至预计的深度,然后以灰土或素土分层回填夯实垫层厚度一般为
1.0~
3.0m它消除了垫层范围内的湿陷性,减轻或避免了地基因附加压力产生的湿陷,可以使地基的自重湿陷表现不出来这种方法施工简易,效果显著,是一种常用的地基浅层处理或部分湿陷性处理方法,经这种方法处理的灰土垫层的地基承载力可达到300kPa素土垫层可达200kPa且有良好的均匀性
2、施工中应注意的问题
(1)地基土的含水量,对于含水量较大,或曾局部基坑进水者,要采取相应的措施如凉晒等,严格控制灰土(或素土)的最佳含水量,对接近最佳含水量时,宁小勿大,偏大时土体强度则显著下降,变形明显增大
(2)垫层处理的宽度要达到规范要求,使碾压设备能充分碾压到位,还使形成的垫层压实度产生差异
(3)严把质量关,施工中碾压分层的厚度不宜大于30cm,并逐层检测压实度,达到设计规范要求
二、强夯法强夯法亦称动力固结法,通过重锤的自由落下,对土体进行强力夯实,以提高其强度,降低其压缩性,该法设备简单,原理直观,适用广泛,特别是对非饱和土加固效果显著这种方法加固地基速度快,效果好,投资省,是当前最经济简便的地基加固方法之一强夯法处理地基是20世纪60年代由法国Menard技术公司首先创用的,这种方法是将很重的锤(一般为100~400kN)从高处自由落下(落距一般为6~40m)给地基以冲击力和振动,从而提高地基土的强度并降低其压缩性此法最初仅用于加固砂土和碎石土地基经过十几年的应用与发展,它已适用于加固从砾石到黏性土的各类地基土,这主要是由于施工方法的改进和排水条件的改善,强夯法由于具有效果显著、设备简单、施工方便、适用范围广、经济易行和节省材料等优点,很快传播到世界各地黄土作为形成地表覆盖层的次生物质,其分布相当广泛在我国黄土覆盖__多达60万km2,占国土__的6%以上,其中西北黄土高原是我国湿陷性黄土最集中的地区因此,对湿陷性黄土的处理以及技术、经济上的探讨,是一个既现实而又迫切需要解决的问题,强夯法处理湿陷性黄土地基技术在建设中大量运用并取得巨大的成就在湿陷性黄土地基土上进行强夯,当夯击能为1000~2000kN时,一般可消除夯面下5~8m深内黄土底湿陷性,5m深度内的土的压缩模量可提高到150MPa,容许承载力可提高到200kPa以上强夯加固湿陷性黄土的作用机理黄土是由沙砾、粗粉粒、大孔隙胶结构组成,黄土湿陷性是由于水和外力的作用产生的显著附加下沉强夯是将大吨位重锤起吊到一定高度后自由落下,在极短时间内对地基土体施加一个巨大的冲击能量,反复冲击及其产生的压缩波、剪切波和瑞利波,使土体受到瞬间的加荷(受压)、卸荷(受拉)及剪切的反复作用,土中孔隙压缩,同时土体周围产生裂隙,孔隙水顺利排出,土体迅速固结,使土粒原有的接触形式破坏而产生位移,变为新的较为稳定的接触形式,从而达到增加土体密度、提__度的目的强夯法处理湿陷性黄土
1、强夯法和换土法、灰土挤密桩、灰土井桩、灌注桩比较,有其独特的优点,尤其适于土质结构不均匀、土质情况差异的地基,更安全可靠更重要的是强夯法处理湿陷性黄土地基是最经济、最有效、速度快的一种方法
2、对地基持力层为粉质黏土,饱和度大于60%,含水量大于塑限含水量3%,按规定不宜采用强夯时,认为采取如下处理措施,可进行强夯法施工根据土质情况,进行人工成孔,做直径为300m的37或28灰土柱,灰为生石灰,土的干容重为
1.60~
1.70g/cm3左右,桩孔的深度为夯实厚度的
1.20~
1.50倍,桩孔的布置为三角形或梅花形,间距由计算而定(使其含水量降至17%的最佳含水量),人工填实即可然后再进行强夯施工,可达到理想的效果
3、强夯法在处理多层建筑软弱地基时在国内已取得不少经验,但对高层建筑尚未统一认识
4、强夯法适合于连片__的建筑群,应统一施工,不宜同时使用几种方法进行穿插施工,若同时使用,互相影响较大采用强夯法施工,要求在作小区详细规划的竖向设计时,必须考虑强夯的夯沉量影响,因为强夯后场地标高(自然地势)有所降低
5、由于强夯法在施工过程中,重锤下落时约隔3min要产生持续
0.50~1s的地基振动这种震波对邻近一定范围内的建筑物是没有损伤的但其产生的噪音对附近居民有一定的影响,以适于建设现场的公害控制值75dB作为标准时,那么施工地点应离开__50m以外为宜强夯法不仅能提高地基土的强度,降低其压缩性,还能改善抗振动液化的能力和消除土的湿陷性,因此它不仅适用于处理碎石土、砂土、粉土、黏性土、杂填土和素填土地基,还常用于处理可液化砂土地基和湿陷性黄土地基其特点是可使用工地常备简单设备;施工工艺、操作简单;适用土质范围广,加固效果显著,可取得较高的承载力,一般地基强度可提高2~5倍;压缩性可降低2~10倍,加固影响深度可达6~10m;工效高,施工速度快(一般设备每月可加固5000~_____m地基),较换上回填和桩基可缩短工期一半;节省加固原材料;施工费用低,节省投资,比换土回填节省50%费用,与预制桩加固地基相比,可节省投资50%~70%等
6、施工中注意的问题1首先在设计阶段,应考虑湿陷性黄土处于哪一种类别、等级,以及场地等因素,因为强夯的夯击能量,夯点布置,夯击深度,夯击次数和遍数等因场地而异,土的含水量、孔隙比及夯击的单位__夯击能对湿陷性黄土的强夯有效加固深度起着重要的作用在经过试夯后确定出设计参数,确定施工设计方案,因此不经试夯确定施工参数往往会给工程造成后患2由于强夯影响深度内土的含水量差异,会导致局部处理效果不佳,对于此种情况必须采取土的增湿或减湿措施,以免出现橡皮土情况如有此种情况,应立即停止夯击,当凉晒一定时间后,在夯击坑内加入碎石类的粗骨料,继续夯击3施工中在控制关键工序上严把质量关,因为一份设计提供后,锤重、落距、夯点布置等是没有随意性的,而唯一可能被人为改变的是夯击次数,因在试夯时根据最后夯击的沉降量来确定夯击次数的,当别的参数已确定后,它就成为影响处理的唯一因素,所以施工中应以它为质量控制的关键工序管理点4强夯结束后,检测的重点是判定它的有效加固深度是否达到设计要求,因为有效加固深度的第一标准应是消除湿陷性,也就是以<
0.015作为判别指标所以检验手段应采用探井取不扰动土试样进行检测当这一指标达到要求后,一般情况下对承载力的要求等也均可满足
三、深层搅拌桩法
1、探层搅拌桩是复合地基的一种,近几年在黄土地区应用比较广泛,可用于处理含水量较高的湿陷性弱的黄土它具有施工简便、快捷、无振动,基本不挤土,低噪音等特点深层搅拌桩的固化材料有石灰、水泥等,一般都采用后者作固化材料其加固机理是将水泥掺入粘土后,与粘土中的水分发生水解和水化反应,进而与具有一定活性的粘土颗粒反应生成不溶于水的稳定的结晶化合物,这些新生成的化合物在水中或空气中发生凝硬反应,使水泥有一定的强度,从而使地基土达到承载的要求深层搅拌桩的施工方法有干法施工和湿法施工两种,干法施工就是“粉喷桩”,其工艺是用压缩空气将固化材料通过深层搅拌机械喷入土中并搅拌而成因为输入的是水泥干粉,因此必然对土的天然含水量有一定的要求,如果土的含水量较低时,很容易出现桩体中心固化不充分、强度低的现象,严重的甚至根本没有强度在某些含水量较高的土层中也会出现类似的情况因此,应用粉喷桩的土层中含水量应超过30%,在饱和土层或地下水位以下的土层中应用更好湿法施工是将水泥搅拌成浆后注入土中的方法水泥浆通过柱塞式泥浆泵强制注入,除非特殊情况很少断浆,施工中一般采用预搅下沉时就喷浆的工艺,因此桩体的均匀性比干法施工好但喷浆增加了水泥土的含水量,强度会受到一定影响,实际应用时需根据土的工程性质,尤其是含水量情况作出适当的选择
2、施工中应注意的问题1必须在设计或施工中采取有效措施来保证搅拌桩复合地基各参数能达到各自的设计值,否则设计的可靠度会降低,如桩端为硬土,或桩长超过临界桩长时, 桩间土承载力拆减系数取值高于规定,就必须采取设置褥垫层或其他方法使桩间土发挥较高的强度,选用较高的桩体强度时,就必须采取增加水泥用量、掺加外加剂、复搅等措施,才能保证设计与预期的实际结果比较一致2施工中为达到强度要求,有必要进行复搅复搅是在桩的一部分或桩的全长重复搅拌一次,其作用是
①改善桩体的均匀性,如第一次注浆不均匀时,可通过复搅调节,提高桩长方向上的均匀程度,同时,也使桩截面内的均匀性得到改善
②现场不同桩段有不同的水泥掺入比,使不同桩段有不同的桩身强度3加强施工管理,因为桩体的固化材料需由压缩空气作载体,而气体流速、流量受土层情况的影响,人工难以调节,所以施工机械应采用带有自动控制喷浆、喷粉的装置,以消除施工中一些人为因素,便于监督检查,避免由于喷浆和喷粉不均匀或者喷浆量、喷粉量未达到设计要求而发生断桩问题4现场施工中应勤于检查,严格监督深层搅拌桩属于一种柔性桩,桩身检测较困难,施工时质量有疏忽,就可能发生断桩现象目前用低应变动测法检测搅拌桩的质量得到了肯定,可用此法或结合抽芯取样检测法控制质量上述几种湿陷性黄土地基的处理方法,近年来在公路建设中被广泛使用,都取得了良好的效果随着科学技术的迅速发展,对新型材料的研究使用,对湿陷性黄土地基的处理方法越来越多,也有了一定的施工经验在近十几年开始采用的有孔内深层强夯法CFG水泥粉煤灰碎石桩法、夯坑置换法、压力灌浆法等,都不失为好方法但不管是采用那种方法,只要有严密的质量控制手段,都可能经济而有效地获得期望的效果第三章ANSYS概述第一节有限元法简介自从20世纪60年代Clough第一次提出“有限单元法或称有限元法”这个名称以来,经过40多年的发展,它如今已经成为工程分析中应用最广泛的数值计算方法由于它的通用性和有效性,受到工程技术界的高度重视,伴随着计算机科学和技术的飞速发展,有限单元法现已成为计算机辅助设计和计算机辅助制造的重要组成部分
一、有限元法的基本思路在工程或物理问题的数学模型基本变量、基本方程、求解域和边界条件等确定以后,有限元法作为对其进行分析的数值计算方法的基本思路可简单概括为以下3点1将一个表示结构或连续体的求解域离散为若干个子域单元,并通过它们边界上的节点相互连接为一个组合体2用每个单元内所假设的近似函数来分片表示全求解域内待求解的未知场变量,而每个单元内的近似函数由未知场函数或其导数在单元各个节点上的数值和与其对应的插值函数来表示由于在连接相邻单元的节点上,场函数具有相同的数值,因此将它们作为数值求解的基本未知量这样一来,求解原待求场函数的无穷多自由度问题转换为求解场函数节点值的有限自由度问题3通过和原问题数学模型等效的变分原理或加权余量法,建立求解基本未知量场函数节点值的代数方程组或常微分方程组此方程组称为有限元求解方程,并表示成规范化的矩阵形式,接着用相应的数值方法求解该方程,从而得到原问题的解答
二、有限元法的特点有限元之所以能有如此广泛的用途,是因为它有其自身的特点,概括如下1对于复杂几何构形的适应性由于单元在空间上可以是一维的、二维或三维的,而且每一种单元可以有不同的形状,同时各种单元可以采用不同的连接方式,所以,工程实际中遇到的非常复杂的结构或构造都可以离散为由单元组合体表示的有限元模型2对于各种物理问题的适用性由于用单元内近似函数分片表示全求解域的未知场函数,并未限制场函数所满足的方程形式,也未限制各个单元所对应的方程必须有相同的形式,因此它适用于各种物理问题,如线弹性问题、弹塑性问题、粘弹性问题、动力问题、屈曲问题、流体力学问题、热传导问题、声学问题、电磁场问题等,而且还可以用于各种物理现象相互耦合的问题3建立于严格理论基础上的可靠性因为用于建立有限元方程的变分原理或加权余量法在数学上已证明是微分方程和边界条件的等效积分形式,所以只要原问题的数学模型是正确的,同时用来求解有限元方程的数值算法是稳定可靠的,则随着单元数目的增加即单元尺寸的缩小或是随着单元自由度数的增加即插值函数阶次的提高,有限元解的近似程度不断地被改进如果单元是满足收敛准则的,则近似解最后收敛于原数学模型的精确解4适合计算机实现的高效性由于有限元分析的各个步骤可以表达成规范化的矩阵形式,所以求解方程可以统一为标准的矩阵代数问题,特别适合计算机的编程和执行随着计算机硬件技术的高速发展,以及新的数值算法的不断出现,大型复杂问题的有限元分析已成为工程技术领域的常规工作第二节ANSYS简介
[11]ANSYS软件是融合结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件,可广泛应用于核工业、铁道、石油化工、____、机械制造、能源、汽车交通等一般工业及科学研究该软件可在大多数计算机及操作系统中运行,从PC到工作站再到巨型计算机,ANSYS文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容
一、ANSYS的功能ANSYS包括以下主要功能模块
1.结构分析
2.热分析
3.电磁分析
4.流体分析
5.耦合场分析
二、ANSYS分析的基本过程ANSYS分析过程包括包含3个主要的步骤,即前处理、加载并求解和后处理
1.前处理前处理是指创建实体模型及有限元模型它包括创建实体模型、定义单元属性、划分有限元网格、修正模型等几项内容可以通过4种途径创建ANSYS模型1在ANSYS环境中创建实体模型,然后划分有限元网格2在其它软件中创建实体模型,然后读入到ANSYS环境中,经过修正后划分有限元网格3在ANSYS环境中创建节点和单元4在其它软件中创建有限元模型,然后将节点和单元数据读入ANSYS单元属性是指划分网格前必须指定的所分析对象的特征,这些特征包括材料属性、单元类型、实常数等需要强调的是,除了磁场分析以外,用户不需要告诉ANSYS使用的是什么单位制,只需要自己决定需要使用何种单位制,然后确保所有输入值的单位制统一,单位制会影响输入的实体模型尺寸、材料属性、实常数及载荷等
2.加载并求解ANSYS中的载荷可以分为以下几类1自由度DOF—定义节点的自由度值2面载荷包括线载荷—作用在表面的分布荷载3体积载荷—作用在体积上或场域内4惯性载荷—结构质量或惯性引起的载荷在进行求解之前,用户应进行分析数据检查,包括以下内容1单元类型和选项,材料性质参数,实常数及统一的单位制2单元实常数和材料类型的设置,实体模型的质量特性3确保模型中没有不应存在的缝隙,特别是从CAD中输入的模型4壳单元的法向,节点坐标系5集中载荷和体积载荷、面载荷的方向6温度场的分布和范围,热膨胀分析的参考温度
3.后处理ANSYS提供了两个后处理器1通用后处理器POST1—用来观看整个模型在某一时刻的结果2时间历程后处理POST26—用来观看模型在不同时间段或载荷步上的结果,常用于处理瞬态分析和动力分析的结果第三节单元简介——PLANE55单元性质2维热实体单元PLANE55单元说明PLANE55可以作为平面单元或轴对称环单元,用于2维热传导分析本单元有4个节点,每个节点只有一个自由度–温度本单元适用于2维,稳态或瞬态热分析本单元也可以考虑由常速流动的质量所输送的热流如果包含热单元的模型还要用于结构分析,应该用等价的结构单元如PLANE42替换本单元具有中间节点的类似单元是PLANE77能够承受非轴对称载荷的轴对称单元是PLANE75存在一个选项,使本单元可以用多孔渗流介质来模拟非线性稳态流动第四章基于ANSYS的非饱和湿陷性黄土二维渗流的数值分析第一节有限元模型的建立
一、有限元建模方法的选择利用ANSYS软件建立有限元模型,有两种建模方法一是利用实体造型功能,首先创建结构的实体模型,然后再在实体模型的基础上,进行网格划分操作,完成有限元模型;二是直接生成有限元网格的方法对于直接生成有限元网格的方法,对一些简单实体而言,比较容易实现,而对于复杂结构,要想利用该方法,必须进行大量的简化才能够进行大量简化以后的模型能否反映实际结构,尚需进一步探讨而且,直接生成有限元网格,网格的密度是一定的,因此在建模之前,对用多少单元能够描述实际结构必须心中有数,网格密度的修改比较麻烦而在实体模型的基础上划分网格,可很方便地控制网格的密度,适合于复杂结构的建模因此,本文在建模时采用实体建模的方法
二、模型简化和假设第二节
一、方案一下有限元模型
二、方案二下有限元模型
三、方案三下有限元模型结论致谢____附录1方案一下的命令流附录2方案二下的命令流附录3方案三下的命令流32。