交通部西部交通建设科技项目.docx

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交通部西部交通建设科技项目

交通部西部交通建设科技项目

合同编号：

200131881212

黄土的物理特性研究

研究报告简本

长安大学

二零零五年十二月

引言

交通部西部交通建设科技项目“黄土的物理特性研究”，由长安大学承担，该项目于2001年11月与交通部西部交通建设科技项目领导小组办公室签订项目合同（合同编号：

200131881212）。

研究工作从2001年9月开始，同时完成了项目的可行性研究报告，并于2002年5月通过了交通部西部交通建设科技管理中心的评审，研究工作于2005年4月结束。

改革开放以来，尤其是二十世纪九十年代后期以来，我国的公路建设发展迅猛，黄土地区的公路建设大面积展开。

在工程建设过程中，发现了不少有关黄土性质的问题。

在黄土塬区，高填土路基（土桥）变形和沟头侵蚀引起的路基滑塌；在黄土坡上，黄土洞穴、涵洞出口冲刷，山坡滑塌及边沟冲刷；而路基的不均匀变形、沉陷则是普遍存在的问题。

病害的防治及问题的解决，都呼唤着对黄土性质的深入研究。

因而迫切需要全面深入地开展着眼于公路工程的黄土物理特性研究。

为此，2001年交通部将“黄土的物理特性研究”课题列为交通部西部交通建设科技项目，此课题的立项研究是及时和必要的。

一、黄土的物理特性与压实特性及湿陷性的关系研究

1.1黄土的振动压实参数

本课题应用自行开发研制的振动成型压实设备从静面压力、频率、激振力等振动参数分析各技术参数对压实效果的影响，以压实后的干密度和回弹模量等工程应用指标评定振动压实效果，找出一套压实效果好并且和现有压路机的机械参数基本相符的振动参数。

研究提出了振动压实条件下的最佳含水量和最大干密度的测定方法，提出了黄土压实效果较好的振动压实条件。

1.2黄土压实影响因素

黄土的粒度成分和微观结构等内在因素和压实方法、含水量和压实功等外在因素皆对黄土的压实起着明显的影响作用，它们之间也是相互联系、相互作用。

因此，研究黄土的压实影响因素时应综合考虑。

1.3压实黄土强度特性

1.3.1压实度与黄土CBR

压实度对CBR值有较大的影响，CBR值随压实度的增大而增大。

但在规定的压实度条件下，该黄土样的CBR值难以满足规范对于路基填料最小CBR的要求，尤其是高等级公路上路床对CBR的要求。

而现场CBR值一般大于规范要求。

这一现象与黄土地区干旱、半干旱的气候特点造成的路基实际平均含水量相对较低有关。

1.3.2压实黄土的回弹模量

采用内径152mm、高120mm、容积2177㎝3的大击实筒，套环高50mm，内垫直径151mm、高50mm的筒内垫块。

击实成型时按照三层加料的方法，振动成型时按照两层加料的方法，使用强度仪法测定试件的回弹模量。

分析了压实黄土的回弹模量与干密度、含水量和龄期之间的关系，得出压实黄土的回弹模量与压实度和稠度指标的定量关系。

提出了室内测定土基回弹模量的建议方法。

1.3.3压实黄土的抗剪强度

针对不同干容重、不同含水量的压实黄土进行直剪和常规三轴试验，研究压实黄土的应力应变曲线的特性、初始含水量和干容重对黄土应力应变曲线及强度参数的影响，以及黄土的结构破坏类型的变化特性，为今后黄土地区公路修筑提供重要依据。

禹门口-阎良高速公路现场取样

压实黄土三轴试验

w=12.3%,K=75%土样剪切后

w=20.3%,K=80%土样剪切后

1.3.4黄土地基承载力与物理特性的关系

分析了公路工程地基承载力的计算方法以及承载力与物理指标的关系，研究表明黄土的含水量

和压缩模量

等物理性质指标是影响黄土地基承载力的主要因素，在应用承载力和物理指标的回归公式时，要注意回归公式的适用性，并和载荷试验进行对比分析。

1.4压实黄土的湿陷性质

分析了压实黄土的湿陷性与含水量、干密度和龄期之间的关系，并和原状黄土进行了对比分析。

压实黄土的湿陷系数随初始含水量的增大、压实度的增大而减小，随龄期的增长呈现增大的趋势。

应重视低压实度黄土的湿陷性，增大压实度并做好相应的防排水等防治措施。

1.5压实黄土强度与变形的多因素影响分析

采用正交试验的数据分析方法来分析各因素（含水量、干密度和压力）同时对黄土强度与变形的影响，确定各因素的主次顺序，提出提高黄土使用性能的方法。

1.6公路工程湿陷性黄土地基评价方法的建议

在参照《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB50025-2004）的基础上，通过对公路工程构造物特点的分析，借鉴黄土地区已建或在建公路项目的经验，从湿陷系数的测定、构造物等级的划分、湿陷类型的划分以及湿陷等级的判定等方面提出了公路工程中湿陷性黄土地基评价的建议方法。

二、黄土的物理特性与沉降特性的关系研究

2.1物理力学指标对压实黄土压缩变形的影响

分析压实黄土压缩系数和压缩系数等沉降变形参数与含水量、干密度和孔隙率等物理参数的关系。

K=85%K=90%

w=10.3%w=16%

2.2压实黄土本构模型

整理压实黄土的单轴压缩试验成果，发现压实黄土应力—应变关系可以很好地用幂函数的形式拟合，即

，

为试验常数；根据压实黄土的应力—应变关系提出了压实黄土加荷本构模型和增湿（减湿）本构模型。

2.3黄土路堤受力及沉降规律的分析

首先以实体工程为例，分析黄土路堤的应力和沉降变化规律。

然后采用有限元分析程序，按弹性理论计算路堤填土与地基土共同作用时的瞬时沉降变形，计算了典型断面黄土路堤的应力与沉降分布情况，以及填料参数、填土高度、边坡宽度及边坡坡度对路基应力与沉降的影响。

三、黄土的物理特性与生态特性的关系研究

3.1黄土区与土壤组成相适应的植被分区

在分区时将气候列为第一考虑要素，重点考虑土壤的质地和水分组成。

划分结果如下：

（1）暖温带半湿润区中壤、重壤水分可以均衡补偿森林区

（2）暖温带干旱区轻壤水分周期亏缺森林草原区

（3）温带半干旱区砂壤水分不足草原区

3.2黄土区植物对道路汽车尾气的抗性

以连云港—霍尔果斯高速公路陕西段为例，计算了汽车尾气的排放浓度，结果表明在目前的交通量下，植物不会受到汽车尾气的显著影响。

分析了不同植物对汽车尾气的抗性：

（1）抗性很强的植物有：

侧柏、油松、扁桃、刺槐、楸树、垂柳、青杨等。

（2）抗性较强的植物有：

旱柳、梨树、沙枣、泡桐、柠条、山桃等。

（3）抗性较弱的植物有：

苹果、紫花苜蓿。

3.3黄土区植物对公路边坡稳定性的影响

分析了植物对边坡的作用机理，提出了对边坡土壤抗侵蚀能力较强的植物。

根据黄土区表层滑坡的位置，以填方边坡为例，计算在有植被覆盖下的边坡稳定系数。

结果表明植物根系可显著提高边坡的稳定性。

在分析植物对边坡土壤抗侵蚀能力和植物对边坡稳定性的影响的基础上，根据植物根系、树冠和枯落物的情况，提出了不同植物对边坡整体作用能力的影响。

3.4黄土区植物与公路边坡环境的适应性

根据植物对土壤抗干旱、严寒、抗土壤瘠薄的能力以及植物对气候的适应能力，开展了黄土区植物与公路边坡气候条件和土壤性质的适应性研究。

（1）适应性好的植物：

侧柏、油松、青杨、狼牙刺、臭椿、白榆、泡桐等。

（2）适应性较好的植物：

刺槐、旱柳、楸树、垂柳、梨树、新疆杨等

（3）适应性不好的植物：

扁桃、花椒、核桃、苹果、早熟禾。

3.5黄土区公路边坡防护植物选择、分区及应用

3.5.1公路边坡适生植物的选择

①柠条、山桃、白蜡、桑树、沙棘、山杏、紫穗槐、杞柳、胡枝子、沙打旺等草木樨、白羊草。

柠条山桃

②侧柏、狼牙刺、臭椿、泡桐、杜梨、柽柳、长芒草、赖草，另外还有黄刺玫。

侧柏柽柳

③刺槐、楸树、垂柳、新疆杨、胡杨、苦楝、槐树、沙枣、沙柳、文冠果、紫花苜蓿、披碱草、老芒麦、冰草。

刺槐新疆杨

④旱柳、白榆、青杨、河北杨、大官杨、枣树、白杨、香椿、柿树、红豆草。

枣树香椿

⑤油松、梨树、扁桃、花椒、核桃、苹果、早熟禾。

油松扁桃

3.5.2黄土区适合公路边坡的植物分区

以黄土区与土壤组成相适应的植被初步分区为基础，根据植物对公路环境的适应性和植物对边坡的作用，确定各分区内适合公路边坡的最佳植物。

（1）暖温带半湿润区中壤、重壤水分可以均衡补偿森林区

该区适合公路边坡的最佳植物有：

白蜡、桑、沙棘、山杏、紫穗槐、杞柳、沙打旺、白羊草等。

（2）暖温带干旱区轻壤水分周期亏缺森林草原区

该区适合公路边坡的最佳植物有：

柠条、山桃、桑、沙棘、山杏、紫穗槐、沙打旺等。

（3）温带半干旱区砂壤水分不足草原区

该区适合公路边坡的最佳植物有：

柠条、山桃、沙棘、紫穗槐、沙打旺等。

35.3黄土区公路护坡植物在工程中的应用

在我国第一条沙漠高速公路榆林—陕蒙界公路边坡上主要栽植紫穗槐防护边坡，美化环境。

图6-1护坡植物紫穗槐图6-2护坡植物紫穗槐

西安—临潼段公路栽植柳树、大叶黄杨等绿化边坡，视觉效果好。

图6-3护坡植物大叶黄杨图6-4护坡植物垂柳

四、黄土的物理特征参数及公路工程分类研究

4.1试验路概况

临渭高速公路是G045连云港-霍尔果斯国道主干线的重要组成部分，该路于1994年12月开工，1996年12月建成通车，由于路基不均匀沉降、路面裂缝较多，试验路处于大修状态。

临渭高速公路路肩裂缝及沉陷临渭高速大修现场

国道312线兰州段属于汽车二级公路，是我国东西向的公路大动脉，始建于1965年，车流量较大。

属强烈侵蚀的黄土梁、卯、沟壑区，海拔高度1700～2500m。

国道312线兰州段路面裂缝　国道312线兰州段路面沉降

4.2路基黄土的物理特征参数

通过对两条试验路不同部位黄土的含水量、干容重、孔隙比和粒度试验，分析各物理指标沿深度方向、含水量沿宽度方向和不同地区含水量的变化规律。

在公路运营期间，路基中不同部位尤其是行车道黄土的含水量显著提高，远远大于施工期的最佳含水量。

临渭高速公路黄土的干容重随深度的增加而减小，孔隙比随深度的增加而增大；国道312线兰州段上，这种关系不明显。

随着公路服务期的增加，路基黄土的干容重、孔隙比等物理性质指标随深度的增加趋于一定范围内的平衡。

黄土路基中粘粒含量随深度的增加而增加，粉粒基本没有变化，砂粒随深度的增加而减小。

4.3路基黄土的力学特征参数

通过对两条试验路不同部位黄土的压缩试验和湿陷试验，分析各力学指标沿深度方向、含水量沿宽度方向和不同地区含水量的变化规律。

路基黄土的干容重、孔隙比等物理指标的变化规律决定了其力学指标如压缩系数的变化规律。

临渭高速公路黄土的压缩系数随深度的增加而增大，国道312线兰州段黄土的压缩系数随深度的增加而波动。

路肩黄土的压缩系数大于行车道黄土的压缩系数，路肩黄土的湿陷系数远远大于行车道黄土的湿陷系数。

路肩比较容易受到破坏。

在施工中应严格控制路肩处的压实标准，对于压不到位的边角，应辅以人力或小型机具夯实。

同时，做好边坡表面的防护措施和完善路基的排水设施。

在路基施工中应特别重视基底的处理。

路基病害调查表明，大部分路基的塌陷、黄土陷穴主要发生在路基的底部。

临渭高速公路中间带底部黄土具有湿陷性。

4.4、黄土的公路工程分类

4.4.1黄土的公路工程分类原则

黄土是第四纪沉积的产物，作为一种粘性土，既具有一般粘性土的性质，又有其特殊性，即湿陷性。

对于公路工程来说，黄土除用作建筑地基以外，还用作路基填料。

黄土路基的许多病害都不同程度地与其湿陷性有关。

因而在对其进行分类时，既要符合土质分类的原则，又能反映其特殊性，将黄土的分类和公路的路用性能结合起来，分类要简单明了，便于操作应用和对比。

4.4.2黄土的公路工程分类方案

（1）工程地质分类法：

按照地质年代将黄土分为Q1、Q2、Q3、Q4四类。

（2）土质分类法：

以比表面积

对黄土进行分类。

以

为标准的黄土的分类

土名

砂黄土

粉黄土

粘黄土

（100g）

<10

10～18

>18

>0.508

0.508～0.96

>0.96

（3）湿陷性分类法：

当

0.015，应定为湿陷性黄土；当

<0.015，定为非湿陷性黄土；当

0.015，应定为自重湿陷性黄土；当

<0.015，定为非自重湿陷性黄土。

五、黄土的微观结构研究

本课题在完成合同规定任务的基础上，以扫描电子显微镜（SEM）和数字图像处理系统为工具，在继承前人对微观结构研究现状的基础上，在研究方法上对以下几个方面进行了的改进。

（1）通过几种不同倍数（200，300，500，1000）下黄土的微观结构照片研究认为500倍的照片对黄土微观结构的定量研究是可取的，既能反映全貌，又能发现其细微结构。

（2）在统计孔隙含量时，统计孔隙面积的含量更加合理。

（3）孔隙的形状可用形状系数表示，在计算整体孔隙形状系数时，加入了孔隙面积对孔隙孔隙形状系数的加权。

孔隙的方向性用方向角来表示，在统计时加入了孔隙面积对孔隙方向角的加权，用不同长度的向量表征不同方向孔隙的分布。

研究了不同条件下（不同压实度和压实方式、不同含水量、压缩变形、湿陷等）黄土的微观结构特性及其与工程性质之间的关系，有助于实际工程中对于提高黄土路基工程特性的把握。

六、主要研究成果

1.应用自行开发研制的振动成型压实设备研究提出了振动压实条件下的黄土最佳含水量和最大干密度的测定方法。

从静面压力、激动力、频率、振幅和振动时间等振动压实参数以及含水量对黄土振动压实效果的影响因素进行了系统的分析，黄土压实效果较好的振动压实条件为：

频率为30Hz、静面压力为104KPa、激振力6838N（偏心块夹角为60o）、振幅为1.71mm，动静载之比为4.04，以黄土在振动跳起开始后10s或土料挤出开始时作为振动压实的最佳状态标准。

2．黄土的粒度成分、微观结构等内在因素和压实方法、含水量以及压实功等外在因素对黄土的压实起着明显的控制作用。

压实黄土的干密度与粘粒含量不是简单的单调变化关系，还与黄土的工程地质分区和黄土的时代等多种因素有关。

随着击实功能的增加，黄土的最佳含水量减少，最大干容重增加，但击实功达到一定程度后，干密度增加比较缓慢。

单纯依靠增大击实功的办法来提高黄土的干密度是不经济的。

3．研究了压实黄土的CBR，回弹模量、抗剪强度和承载力等强度指标与物理指标之间的关系。

饱水4天的压实黄土CBR值难以满足规范对于路基填料最小CBR值的要求，尤其是高等级公路上路床对CBR值的要求。

压实黄土的回弹模量随干密度的增加而增大，随含水量的增加而减小，随着龄期的增长有一定的提高。

压实黄土的回弹模量与压实度和稠度指标具有良好的相关关系，不同地区、不同土质的回归关系结果不同。

直接快剪试验比三轴（uu）试验测得土的抗剪强度参数要大，三轴（uu）试验测定土的抗剪强度参数更能符合土的实际抗剪强度参数。

4.含水量和干容重均相同时，在低压力下条件下，重塑黄土的湿陷系数比原状黄土要大；随着压力的增大，重塑黄土的湿陷系数与原状黄土的湿陷系数的差值越来越小，其湿陷曲线

～

甚至有交叉的现象；重塑黄土的起始、峰值湿陷压力比原状黄土的起始、峰值湿陷压力要小；压实黄土的湿陷系数随初始含水量的增大、压实度的增大而减小，随龄期的增长呈现增大的趋势。

应重视低压实度黄土的湿陷性，增大压实度并做好相应的防排水等防治措施。

5.影响压实黄土抗剪强度最大的因素是含水量，其次是压力，压实度影响最小；它们的交互作用影响不显著。

影响压实黄土湿陷性最大的是干密度，其次是含水量，最小的是压力；它们的交互作用虽也有一定的影响，但是相对较小。

影响压实黄土压缩性最大的是含水量，其次是压实度，下来依次是含水量与压实度的交互作用，压力；含水量与压力的交互作用以及压实度与压力的交互作用对压实黄土的压缩性影响很小，作用不显著。

6．参考建筑领域相关规范，通过对公路工程构造物特点的分析，借鉴黄土地区已建或在建公路项目的经验，从湿陷系数的测定、构造物等级的划分、湿陷类型的划分以及湿陷等级的判定等方面提出了公路工程中湿陷性黄土地基评价的建议方法。

7．应用压实黄土的单轴压缩试验，分析了压实黄土的压缩系数和压缩变形系数等沉降变形参数与含水量、干密度和孔隙率等物理参数的关系。

压实黄土应力—应变关系可以很好地用幂函数的形式拟合，即

，

为试验常数。

提出了压实黄土的加荷本构模型和增湿（减湿）本构模型；分析了压实黄土的物理参数对黄土高路堤应力和沉降的影响。

8.总结了黄土区植物的生态、生理特征，植物对公路边坡气候和土壤性质的适应性，植物的抗病虫害能力和再生能力以及植物的经济价值。

以连云港—霍尔果斯高速公路陕西段为例，初次量化了公路边坡汽车尾气对植物的污染，得出在目前的交通量下，植物不会受到汽车尾气的显著影响。

计算了植物根系对边坡稳定性的提高程度，结果表明植物根系可显著提高边坡的稳定性。

提出了黄土区适合土壤组成的公路边坡防护植物分区，为黄土区边坡植物的选择提供了依据。

9．依托临潼—渭南高速公路和国道312线兰州段的取样试验，研究了公路路基压实黄土的含水量、干容重、孔隙比、粒度成分、压缩系数、抗剪强度和湿陷系数等物理力学指标的变化规律。

10．从公路工程特点的角度出发，综合提出了黄土的公路工程分类方案。

即首先是工程地质分类法：

按照地质年代将黄土分为Q1、Q2、Q3、Q4四类。

其次是土质分类法：

提出按比表面积

对黄土进行分类，将黄土分为砂黄土、粉黄土和粘黄土。

最后是湿陷性分类法：

0.015，应定为湿陷性黄土；当

<0.015，定为非湿陷性黄土；当

0.015，应定为自重湿陷性黄土；当

<0.015，定为非自重湿陷性黄土。

11．在分析现有数字图像处理系统在粘性土微观结构应用的基础上，对微观结构参数的统计进行了改进，认为孔隙含量以孔隙面积的含量进行统计更加合理，形状系数和方向角的计算应该加入面积的加权。

提出了黄土孔隙微结构计算机图像处理方法；认为500倍的照片对黄土微观结构的定量研究是可取的；以SEM和数字图像处理系统为工具，研究了不同条件下黄土的微观结构特性及其与工程性质之间的关系。

七、效益分析

黄土基本性质的研究在工民建领域已有几十年的历史，而且取得了丰硕的成果。

但是从公路工程应用角度出发的黄土性质研究相对较为缺乏，而这又是把握黄土的公路工程性质的基础。

由于项目属应用基础性研究，项目对交通建设、地区经济带来的效益应该是长远的。

项目的完成，将对黄土地区公路工程基础理论和实践应用水平的提高起到较大的促进作用，对提高西部地区交通建设的整体水平和推动西部交通科技发展具有重要的意义。

（1）指导黄土地区公路建设的前期工作。

项目从土质学、土力学相结合的角度，较为全面、深入地研究了从公路工程特点出发的黄土的分类，黄土基本物理参数的变化规律，以及黄土的基本物理参数与黄土的压实特性、湿陷性、边坡稳定性、沉降、生态特性等工程特性指标参数之间的关系。

项目的成果对黄土地区公路设计进一步提供了相关的黄土物理特性参数，最终将对做好黄土地区公路设计与施工起到指导性作用。

（2）为修订行业标准、规范体系提供技术性参考。

从交通行业的标准来看，我国目前还没有从公路工程应用角度出发的“黄土地区公路建筑规范”，现行的公路工程中湿陷性黄土评价方法均是参照《湿陷性黄土地区建筑规范》和已建公路项目的经验进行。

在当前高速公路迅速发展的形势下，它的适用性需要验证，其方法等需要完善和发展。

项目在参考相关规范与文献资料的基础上，通过对公路工程构造物特点的分析，借鉴黄土地区已建或在建公路项目的经验，提出了公路工程中湿陷性黄土地基评价方法的建议；项目在总结国内其它领域黄土不同分类体系的基础上，指出了各个分类体系的优缺点，从公路工程的角度出发，综合提出了黄土的公路工程分类方案。

项目的成果为完善黄土地区公路工程设计与施工技术乃至相应技术规范的制定提供了必要的技术原则和参数，将为相关行业标准规范体系的修订提供技术性参考或基础。

（3）为其它行业和其它省区进行相关研究提供借鉴。

从公路工程的角度出发，项目系统研究了黄土的物理特性与压实特性及湿陷性的关系，黄土物理特性与生态特性的关系，黄土的物理特性参数及公路工程分类和黄土的微观结构。

这些成果不仅对黄土地区公路设计、施工、养护提供了相关的黄土物理特性指标及参数，而且可以为黄土地区建筑等其它行业提供必要的参考。