黄土力学与黄土工程.ppt

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1、黄土力学与黄土工程,西安理工大学 邵生俊,XIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYProf.SJSHAO,中国黄土,西起新疆伊犁，东至山东胶东，北起吉林、内蒙，南 至云南、西藏,约70万平方公里，北纬3347度之间，干旱半干旱地区，年平均降雨量250500毫米，约占国土面积的7%。,覆盖广：,厚度大：,5-10米（低阶地），20，50180，200米（高阶地，兰州西津村400米）,分布连续：,平原，丘陵，高原，山地乌梢岭以东，太行山以西，长城以南，秦岭以北的黄河中游地区，28万平方公里,性质特殊：,黄土以粉粒为主，富含碳酸盐类，孔隙、垂直节理发育，可以分为湿陷性和非湿陷性;湿

2、陷性黄土，一般地层新，埋深小，变化大，结构稳定性差；非湿陷性黄土，一般 地层老，埋深大，密度高，结构稳定性好；湿陷性黄土地区占50万平方公里（在黄土集中区的甘肃中部，青海东部，宁夏南部，陕西北部、中部，山西、河南西部45万平方公里中，湿陷性黄土约35万平方公里）；黄土的 湿陷性由西向东，由北向南 逐渐减小，最大厚度30米，应视为特殊土类，研究它的水敏性变化规律。,黄土的分类定名,黄土分类定名体系之一 以地质特征（地层、年代、成因）为基础的体系，如Q1黄土，Q2黄土，Q3黄土，Q4黄土；午城黄土，离石黄土，马兰黄土；老黄土、新黄土、新近堆积黄土；风积黄土、冲积黄土、洪积黄土、坡积黄土等。,午城黄

3、土（Q1黄土）：以山西隰县午城镇的黄土为典型代表，颜色较红，含有红棕色埋藏土壤层，夹有约十七层钙质结核层，在底部有时夹有小石粒，数量少，厚度薄，质地较均匀、致密、坚实，低压缩性，无湿陷性，一般仅分布于古地形的较低凹部位。,离石黄土（Q2黄土）：以山西离石县陈家崖的黄土为典型代表，分布面积很广，厚度也大（有时达100米以上），是构成黄土塬区的主体。它自上而下，普遍含有红色的土壤层，土层致密，承载力很大。根据其中存在的显著不整合面可分为上下两部。上部黄土为黄色，地形上多呈陡壁，无湿陷性或有轻微湿陷性，或在大压力下有较大的湿陷性。下部黄土颜色较红，土质较硬，无湿陷性。马兰黄土,马兰黄土（Q3黄土）：

4、以北京西北丰沙铁路雁翅车站以西23公里处的斋堂村马兰阶地的黄土为典型代表（马兰黄土），颜色淡灰黄色，无层理，较疏松，柱状节理，大孔结构发育，有湿陷性或强烈湿陷性，有些地区有溶洞（黄土喀斯特），普遍覆盖于离石黄土之上，遍及黄土的主要分布地区，是建筑工程中一般主要遇到的湿陷性黄土。,一般认为，Q1黄土，Q2黄土，Q3黄土，甚至早期的Q4黄土黄土为原生黄土（或黄土），以风成为主（风积黄土），而Q4黄土或Q4黄土的近期黄土为次生黄土（或类黄土，黄土状土），以水成为主（冲积黄土、洪积黄土、坡积黄土）。,黄土分类定名体系之二 以湿陷特性为基础的体系，如非湿陷性黄土，湿陷性黄土；自重湿陷性黄土，非自重湿陷性

5、黄土等。,对于第二种分类定名体系，由于它为我国历代湿陷性黄土地基规范所采用而在岩土工程界影响最深6。但它只能提供关于黄土湿陷特性方面的信息，而且这些信息又以黄土在侧限低压力压缩下饱和浸水所得的湿陷变形为基础，与通常工程上遇到的非侧限（一般为有限侧胀）非饱和（一般为不同增湿）和非低压（较大的建筑物）的条件有较大的出入，使得湿陷性的有关指标在工程计算应用上受到限制，大大减弱了它的应用价值。此外，它除了关于黄土湿陷性在特定条件下的有关信息之外，很难从它了解到关于黄土强度，渗透或其他性质的任何信息。它虽然抓住了一个最重要的性质，但作为黄土的分类却有太大的局限性。,黄土分类定名体系之三 以颗粒组成特性为

6、基础的体系，如砂黄土、粉黄土、粘黄土以及砂质粉黄土、粘质粉黄土、粉质粘黄土等。,该定名体系与土力学中常用的分类定名思路相一致，体现了将粘粒含量视为土的粒径组成影响土性最活跃的因素这一规律。尽管颗粒组成只是由扰动土的土颗粒大小级配来反映。但众所周知，它在一定程度上也是造成土矿物成分，结构排列，湿密程度以及力学特性上差异的重要依据，如粗粒土，一般多为单粒结构，石英成分，薄膜水少，透水力强，无粘性；而细粒土多为絮状结构，粘土矿物，薄膜水多，有粘结强度，透水性差等等。,黄土的湿陷性,黄土的湿陷性是指天然低湿度下具有明显高强度和低压缩性的黄土一旦浸水甚至增湿时会发生强度大幅度骤降和变形大幅度突增的特性。

7、它们在定量上的不可忽视性和在定性上的急速发展性，是黄土变形影响其上建筑物稳定性的两大突出问题。,侧限条件下黄土的湿陷变形特性,湿陷性系数,根据现行地基基础设计规范规定，测定湿陷系数的压力为基础底面下10m以内取200kPa，10m以下至非湿陷性土层取300kPa。再根据湿陷系数判定土的湿陷性：,自重湿陷系数,保持天然湿度和结构的土样，在上覆土层饱和自重压力下压缩稳定时的土样高度；再浸水作用下压缩稳定后土样的高度；土样的原始高度。,湿陷等级划分,根据总湿陷量和自重湿陷量，将自重湿陷性黄土和非自重湿陷性黄土地基分为（轻微）、（中等）、（严重）、（很严重）4级。,三轴条件下黄土的湿陷变形特性,通过等

8、应力比三轴压缩仪进行分级浸水试验，确定出不同浸湿含水量和等应力比的球应力与湿陷体应变关系和广义剪应力与湿陷剪应变关系，可以建立不同含水量下湿陷屈服函数，应用弹塑性理论描述三维应力条件下的湿陷变形发展。,近年来，黄土力学的研究出现了由侧限压缩到三轴压缩，由常规三轴应力路径到多种复杂应力路径，由浸水湿陷量到湿陷敏感性，由狭义的浸水饱和湿陷到广义的浸水增湿湿陷，由单调的增湿变形到增湿减湿、间歇性湿陷变形，由增（减）湿路径到增（减）湿路径与加（卸）荷路径的耦合，由湿陷性到湿剪性以及由宏观特性分析到宏、微观结合的力学特性分析等诸多方面的发展。,黄土的结构性,土的结构性是土颗粒空间排列和粒间联结作用的力学

9、效应。对土的力学性质有显著的影响。黄土以粉粒为主、孔隙发育、富含碳酸盐，具有显著地结构性。,黄土的微结构,黄土的结构可视为一个由单粒、集粒或凝块等骨架单元共同形成的空间结构体系。排列方式包括支架排列和镶嵌排列（大孔隙、架空孔隙、粒间孔隙）；连接方式包括点接触和面接触；点接触、架空孔隙占优势的结构，湿陷性大；集粒或凝块，面接触、粒间孔隙占优势的结构，湿陷性小。,黄土的微结构类型,1、微胶结结构组合,支架大孔微胶结结构镶嵌微孔微胶结结构,支架大孔半胶结结构镶嵌微孔半胶结结构,絮凝状胶结结构凝块状胶结结构,2、半胶结结构组合,3、胶结结构组合,黄土的结构性,当代土结构性研究的三条基本途径，即细观形态

10、学途径，固体力学途径及土力学途径时，细观形态学对土结构性研究在深化土性变化机理分析上已发挥重大作用但难以定量地引入本构关系表述。目前，将黄土受力、水作用后结构由损伤到破坏作定量描述的固体力学方法，因其可以回避在寻求独立表示土结构性参数上的困难，使结构性本构关系的建立出现了新的活跃。但它仍然遇到了建立不同湿密状态土在受到外力作用过程中损伤变量正确表述的困难。如果能够找到一个能合理反映土的结构性及其随水与力的作用而变化的土结构性参数，无疑会使问题的解决更加直观、更加灵活，会使土力学的参数体系更加完善。,黄土的强度变形特性,原状黄土一般都具有结构性和结构强度，即具有较高的抗压和抗剪能力。一旦固化联结

11、键被破坏，如浸水、扰动等，就会发生承载力降低，湿陷性和强度弱化等现象。结构性黄土类似于超压密土，但它的结构强度易受应力状态和浸水的影响。随着围压增大超过某一限度后结构性将被破坏；随着含水率增大，水膜增厚，胶结物溶解，结构性逐渐减弱，强度也在降低。,原状黄土的应力应变关系曲线,Q3黄土随围压增大变化条件下的应力应变曲线,Q3黄土扰动重塑与饱和作用下结构性变化后的应力应变曲线,强硬化型应力应变关系数学描述,弱硬化型或理想塑性应力应变关系数学描述,弱软化型应力应变关系数学描述,强软化型应力应变关系数学描述,黄土的强度仍然可以用莫尔库伦定律描述。但是，原状黄土的抗剪强度与它的结构性和含水量变化有密切的

12、关系；强度指标随结构性的丧失而减小，随含水量的增大而降低。,西部大开发,基础设施建设,地基变形深基坑边坡稳定,渠系建筑物地基变形塬边渠道高边坡稳定渠、库岸临水边坡稳定 引水、输水隧洞（如南水北调的穿黄隧洞等）渠系渗水，库水位抬高对建筑物的影响,多、高层建筑：,水利工程：,生态环境建设,水土流失,生态破坏,铁路公路的深路堑边坡稳定,高填方地基、路基的沉降变形,交通隧道（公路、铁路、地铁等）,桥梁地基变形,交通工程：,黄土工程,黄土地基工程：浅地层黄土，常具湿陷性（水敏性），增湿 机率高，影响大，既有增湿湿陷问题，又有增湿强度问题 黄土边坡工程：浅地层黄土，虽常具湿陷性，坡面防护后，入渗水量少，有

13、滑动的湿强度问题，增湿变形问题不大，但地下水位上升或临水时问题多 黄土洞室问题：深地层黄土，常不具湿陷性，且密度高，年代久，一般无黄土水敏性造 成为害的危险 黄土环境工程：主要对象是表层黄土，以防止其冲蚀破坏引起水土流失问题和水环境变化、甚至恶化引起土体破坏与变形的问题为主，研究对它们预测和防治的方法与措施,中国 湿陷性黄土区划,1、陇西地区2、陇东-陕北晋西地区3、关中地区4、山西地区,4-1汾河流域区,4-晋东南区,、河南地区,7-1 宁陕区,7-2河西走廊区,7-3内蒙中部辽西区,6-1河北区,6-2 山东区,6、冀鲁地区,7、北部边缘地区,8、新疆地区,黄土工程问题,黄土洞室工程与一般

14、土类中的洞室工程没有太大的差异，只是材料变形强度的规律有异，可以按土工学的一般理论和 方法处理有关问题。,从黄土水敏性这一个特殊土类造成的危害考虑,黄土地基工程的问题一直是重点，必须解决好地基的增湿湿陷变形问题和承载力的问题,黄土边坡工程应注意和控制坡体含水量变化可能导致坡体黄土强度降低的问题,地基工程有规范，边坡工程有文献，洞室工程研究少 综上，湿陷问题仍然是水环境可能发生变化的工业、民用低、多层建筑物地基，公路路基、边坡等工程的重要问题；对高层建筑，湿陷问题已转变为桩的负摩擦对桩基承载力影响的问题。对高边坡、洞室工程，黄土湿陷问题已经让位于黄土结构性及非饱和性的影响，使材料特性规律的研究更

15、加突出,湿性性黄土地区建筑 规范-黄土地基工程的基本大法,第一代 BJG20-66 规范 第二代 TJ25-78 规范 第三代 GBJ2578 规范 第四代 GB50025-规范应该渗进几十年内广大黄土科技工作者的心血与成果和广大黄土地区建设者的汗水智慧与经验它的完善成了黄土工程与黄土力学工作者关心的热点问题,黄土地区规范的基本体系,以一般工业与民用低、多层房屋建筑物为主要工程对象以湿陷性黄土地基饱和浸水为设防控制条件 以地基处理为主的综合措施为基本设计原则以工程经验及基本的试验研究为主要依据,1、按黄土湿陷系数判定场地中湿陷性黄土的分布范围（沿深度各土层和平面各地段）和湿陷类型（非自重湿陷性

16、和自重湿陷性）2、按湿陷系数和土层分布计算湿陷量（对场地计算自重湿陷量；对地基计算湿陷量），据以鉴定出黄土地基的湿陷等级 3、将地基的湿陷等级与建筑物的不同类型相结合，并参考当地黄土工程建设的经验，提出对地基全部消除湿陷量或部分消除湿陷量的要求4、检验黄土地基满足上述要求后的实际变形量和承载力是否均控制在建筑物能允许的范围内，并满足其对按安全系数的要求,黄土地区规范的分析要点,黄土地基规范需要面对的基本问题,1、测定湿陷系数的压力问题、采用侧限压缩试验的湿陷系数计算场地与地基湿陷量的正确性问题、合理划分地基湿陷等级的标准问题、地基湿陷等级、处理范围与不同类型建筑物正常工作间的有效协调问题、湿陷

17、性黄土地基的真实变形量与真实安全度的评价问题、浸水机率或不同增湿条件对地基变形、强度的影响问题,解决基本问题的思路与方法,原则,计算简化，但有科学依据偏于安全，但不过分浪费,趋势,需要理论与实践间，黄土力学与黄土工程 间，自觉、长期、艰苦的磨合与互促。,1.逐渐由最大湿陷势的设计原则向可能湿陷势的设计原则转变,2.将场地湿陷性评价与地基湿陷计算分开。前者可在标准压力下进行，可以用侧限增湿压缩试验的湿陷系数与基本的分层总和法，作出勘察阶段的评价；后者宜反映实际压力，考虑基础的尺寸和埋深，在科学指导下寻求这些影响因素下合理的简化计算方法或对分层总和法合理的修正系数，作出设计阶段的计算3.计算中反映

18、黄土增湿对强度参数的影响4.对几十年来黄土工程建设的丰富经验作出的科学总结，进一步开展有组织、有计划、有针对性、长期、系统的科学研究工作,黄土力学研究,揭示黄土特殊的力学规律（水敏性、结构性、非饱和性）评定黄土工程的强度与变形稳定性,评定是揭示的目标、方向和动力揭示是评定的潜力、后盾和基础,对于湿陷性黄土-着重于增湿湿陷变形与桩的湿陷负摩擦地基、临水边坡对于非湿陷性黄土-着重于基本的材料特性规律-边坡、洞室,黄土的水敏性引起的湿陷变形量与问题仍然是黄土力学研究的中心，但桩基承载力问题及材料特性问题必须给以足够的重视。,黄土力学特性研究,天然含水量下载荷引起的变形量,增湿含水量下载荷引起的变形量

19、,载荷引起的湿陷变形量,力学参数法-分层总和法,数学模型物理模型,湿陷系数（广义湿陷系数）变形模量,本构模型法-有限单元法,湿陷系数法 饱和浸水湿陷系数-我国黄土湿陷地基规范的基础 增湿（广义）湿陷系数-已有突破性、实用性进展变形模量法 室内试验的模量-压缩模量（侧限），变形模量（无侧限）载荷试验的模量-变形模量（有限侧限）、弦线模量（非线性）,数学模型法,以非线性弹性理论为基础，对不同型式的应力-应变关系曲线（强、弱硬化型，强、弱软化型）作出数学拟合，据以求出切线模量和切线波桑比等材料特性参数，作出变形分析计算；,以弹、塑性理论为基础，由建立的弹塑性变形增量与应力增量间的关系，计算材料受荷引

20、起的变形。,塑性变形部分关系的建立，一般可以立足于塑性力学，也可以立足于损伤力学。增湿湿陷变形可以按起始含水量与增湿 含水量下材料的变形差求取，也可以将含水量视为广义的应力，与实际应力状态一起作为变量，直接推求计算关系式。,物理模型法,黄土工程与黄土力学的结合-当务之急的问题,黄土工程与黄土力学是黄土地区工程建设迅速发的双轨黄土工程与黄土力学的结合是黄土地区工程建设迅速发展的火车头,、大自然给了中国黄土力学与黄土工程工作者一个广阔的活动天地；西部大开发的战略为这个广阔天地上的工作者带来了春天，使他们可以大有作为。黄土力学应该瞄准黄土工程，黄土工程应该吸纳黄土力学；、黄土力学与黄土工程的结合点主

21、要有：增湿特性与增湿湿陷变形计算；桩周黄土湿陷负摩擦计算；正确描述黄土材料特性的本构关系；黄土的动力特性；黄土地基处理的经验、措施与方法；黄土工程的系统观测与分析；、黄土作为土力学特殊对象的根本原因在于它变形强度特性上的水敏性。发掘、建立水参与下黄土的强度变形规律，防止、减少工程事故的发生，既是黄土力学的核心任务，也是黄土工程的根本目标；,、黄土地区工程建设与黄土水敏性关系最为密切的是黄土地基工程；黄土边坡工程与黄土洞室工程因其具体条件而居于相对次要的地位；黄土力学把解决湿陷性黄土湿陷变形发展过程（尤其是增湿湿陷变形发展过程）的机理、分析与计算及其对建筑物地基变形与承载力的影响作为主攻方向是没

22、有选择余地的；、无论黄土工程的经验、方法和措施，还是黄土力学的理论、规律和计算成果，都只有一个检验标准，那就是它在实际应用中在经济性与安全性方向最大的逼近。人们努力追求的应是能够最大限度地利用和发挥黄土地基真实潜在能力的理论与技术；,6.黄土力学与黄土工程都需要继承与创新，继承为了更有效地创新，创新要求更有效地继承。现今的黄土力学与黄土工程发展都还不够成熟、不够完善。发现问题本身就是创新的起点，我们应该努力让21世纪东方的黄土力学与黄土工程以一个更加崭新的实际成果和姿态出现在世界黄土地区工程建设的舞台上；、具有行政权力的法规、规范，应该始终在黄土工程与黄土力学领域内有效成果、与时俱进的平均先进水平上，除充分发挥必须、应该、宜于和严禁、不得、不宜等规范词语外，应对新成果、新技术的应用留下科学而慎重的窗口，如经过专家的充分论证和一定的批准手续，可以-等，以利于为规范的再发展创造经验，提供研工作发展的动力；、在深化改革中，为发挥专业学会在黄土工程与黄土力学的创新成果和设计方案等方面进行鉴定、审查、咨询、编规以及科学决策中的作用，营造良好的环境，并建立、落实一定的技术责任制度。,谢 谢,