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1、 黄土状粉质壤土工程性质试验研究 第一章绪论1.1 引言黄土状粉质壤土是第四系上更新统冲积层(alQ3)的一种岩性土， 其地层特征为灰黄色，以粉粒为主，粘粒含量较低，地下水位以上 呈可塑状，地下水位以下呈软可塑状。含零星韩质结核，粒径 1- 4cm。本文土样来源于中国水电第十一工程局有限公司的南水北调 中线穿黄工程 I 标退水洞。穿黄工程目标退水洞全长 790 m，自 2.007 年 6 月底开始从出口方向掘进，至 2007 年 11 月 15 日进尺 96.84m,平均月只有进尺 21m，造成工期严重滞后。退水洞进口侧段 (360 m)險洞围土为 alQ3 黄土状粉质壤土，險洞衬砌后断面为带
2、仰拱 的城门洞型，断面尺寸 4.20X5.80m(宽 X 高)，标准洞身，该段沿线 地下水位 140132m，高出險洞底板 29.5 m 左右，土体渗透系数 1.0X l(r51.0Xl(r6(cm/s), 土体自然状态下呈可塑?软塑状，强度低。 开挖后由于应力状态的改变，产生卸载变形，主要表现为两侧边墙 土体泥化，侧压力增大，边墙支护结构收敛变形严重，进而引起顶 拱支护结构下沉。并因饱和土体强度低，險洞出现渗水，溜坊，呈 流塑状态，破坏持续时间较短。为减少隧洞围土的变形、提高强 度，首先需采用降水措施，然而开挖前及开挖过程中采取真空深井 降水、超前水平排水等措施，排水效果均不佳，土体具有很强
3、的持 水性。但在开挖險洞后，却不断的有水从下部渗出，致使坑底土体 变成流塑状态，上部土体失去支撑而将場。导致稳定性本身就很差 的围土，迅速发生破坏，自稳时间很短。所有上述现象，均是由于 饱和粉质壤土的特性所决定的。针对黄土状粉质壤土围土变形大， 强度低，降水难等工程难题，对该种围土进行系统的研究是非常有 必要的。黄土状粉质壤土工程性质研究不仅可以有效指导现场施工， 加快工期进度；而且可以为设计提供参考资料。.1.2 国内外研究现状无论是在人才培养中，还是在土力学理论研究，试验及测试是不 可缺少的训练环节。试验和观测是认识和揭示土的力学规律与机理 的基本途径，是检验和验证模型和计算结果的唯一标准
4、，是数值计 算和理论模型中参数确定的重要手段，也是岩土工程进行反分析和 信息化设计施工的基础。土工试验的重要性源于土体本身的复杂性。由于土力学性质的复杂性，土层分布的随机性，土工问题中条件的 多变性，使得土力学成为一门充满了感性的学科。解决土工问题的 基本手段就是试验、测试和经验的积累，是基本理论概念与工程实 践的结合。目前关于粉土的固结系数随固结应力水平的研究分析不 多，主要集中在软粘土的研究。林鹏3等对沉积游泥土进行试验研 究发现当固结压力大于前期固结压力时，固结系数随固结压力增大 而增大，反之，随着固结压力增大而减小；马驯4等进行吹填游泥 土试验，得到正常固结土，固结系数随固结应力先增大
5、后减小；对 超固结土，固结系数随固结应力的增大而增大；王宏光5等对游泥 质粉质粘土试验研究得到随着固结压力的增大，固结系数逐渐增大， 当固结压力大于 200 kPa 时，固结系数随固结压力增大逐渐减小， 固结系数在固结压力超过 400kPa 时趋于稳定。.第二章黄土状粉质壤土物理、力学性质试验研究2.1 黄土状粉质壌土的物理性质研究通过现场调查和走访，根据现场实际情况和饱和粉质壤土易产生 扰动破坏的特点，在施工掌子面处釆取原状土进行含水量及密度试 验，并取扰动样 300kg 在室内进行试验研究，现场取样发现局部存 在中粗砂尖灭层。密度、土粒比重和含水率是土的三项基本物理性 质指粒比重平均值为
6、2.67 (g.cm_3)。细粒土的性质主要取决于土粒 和水相互作用的状态，土体的含水量的不同，可使土处于坚硬、可 塑、或流动状态。为了进一步对黄土状粉质壤土进行分类，需要对 围土的软硬程度进行测试，因此分别采用锥式仪法和搓条法测得该 土的液限和塑限。采用 6 组平行试验方法，试验结果如表 2-3 所示。.2.2 黄土状粉质壤土的力学性质试验研究由黄土状粉质壤土的物理试验可知，其具有含水量高，颗粒级配 不良，并处于流塑状态的特性；而现场工程实践中该围土存在排水 难、强度低和稳定性差等难题，论文准备从如下几个方面进行研究：(1)进行饱和粉质壤土的压缩、固结试验和渗透试验，压缩过程 中空隙体积是不
7、断变化的，又进行了不同孔隙比的渗透试验，不同 固结压力下的固结试验，从而了解黄土状粉质壤土的渗透性和固结 特性。(2)原状含水率下进行直剪试验和三轴剪切试验，对比两种试验 方法得到抗剪强度指标的异同。(3)进行不同含水率下的直剪试验和不固结不排水三轴试验，得 到粉质壤土的力学参数，分析含水率对抗剪强度指标的影响。(4)通过对饱和粉质壤土的固结不排水试验(固结快剪)，希望了解 饱和粉质壤土在固结后的抗剪强度值和含水量变化情况。.第三章穿黄隧道围土模型试验研究.383.1 模型试验模型比的计算.383.2 模型试验.383.2.1 模型土样制备.383.2 2 模型试验设备.393.2 3 模型试
8、验制作过程.403.24 模拟隧洞开挖.413.3 模型试验结果分析.443.4 本章小结.53第四章黄土状粉质壤土卸载、蠕变试验研究.544.1 三轴卸载试验研究.544.1.1 卸载试验研究意义.544.1.2 卸载试验研究内容.554.1.3 三轴卸载试验数据分析.564.2 土体的流变特性试验研究.594.2.1 粉质壤土禱变试验研究意义.594.2.2 粉质壤土蠕变试验.604.2.3 三轴蠕变试验结果整理.624.3 本章小结.70第五章结论与展望.715.1 结论.715.2 展望.73第四章黄土状粉质壤土卸载、螺变试验研究土是一种弹塑性材料，研究土的性质，不仅需要知道土的初始和
9、 最终应力状态，还需要知道它所受应力的变化过程，因此应力状态 与应力路径的改变是施工扰动的关键影响因素。随着基坑开挖，隧 道及地铁工程的施工土体将会由原受压(加载)而逐渐转为卸载的不 同应力状态。再延续使用加载试验得到的抗剪强度指标不再符合实 际情况，因此，系统研究土体在加载和卸载两种应力状态下的力学 行为，为人类工程活动引起环境条件变化而导致深部岩土体力学性 质的变化提供符合实际状况的岩土体力学性质参数，为围岩稳定性 及其加固工程措施提供确切的力学参数是十分必要的。土体除表现 出常见的弹性和塑性外，还具有流变性这个与时间相关的特殊性质。 由于人为活动和自然环境变化的影响，土体内部的颗粒之间的
10、应力 和应变随着时间的变化一直处于不断的变化岩体力学对孺变现象研 究较多，岩体!ii 变现象在软弱围岩的变形中比较明显，而土体属于 软弱围压。当应力达到一定水平后，土体在荷载的作用下，会发生 变形，经过一段时间后就会达到一个相对平衡的状态，这就是瞬时 变形。这种平衡只是相对的、暂时的，在土体的内部一旦受力不平 衡，必然引起地下洞室围岩颗粒间变形的改变。只有用时间效应的 观点来解释土体的颗粒之间应力和应变的动态变化过程才更为合理 和准确35。.结论针对黄土状粉质壤土围岩变形大，强度低，降水难等工程难题， 本文通过室内试验和模型试验研究了黄土状粉质壤土的工程特性， 主要得到了以下成果：土的抗剪强度：饱和粉质壤土在大法应力 下的抗剪强度明显提高；但当土样含水量减至 20.3%以下时，随着 法向压力的变化，含水量几乎没有损失；该类黄土状粉质壤仍具有 较大的持水性；降低含水率能明显提高土体的抗剪强度，试验得 到含水率增大到 0.3-23.2%范围内，粘聚力变为了 OkPa,因此，穿黄 隧洞施工时，降水使含水率至 20%以下，能有效提高围土的强度； 剪切试验得到的粘聚力会出现负值，三轴剪切试验克服了直剪试验 的这种误差，因此抗剪强度指标应采用更为合理的三轴剪切试验进 行。
