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地基处理及路基填筑质量控制研究

郑西高速客运专线填料改良及地基处理

工程试验研究

报告1

黄土的工程特性及工程应用调研报告

兰州交通大学

铁道第二勘察设计院

二OO五年元月

目录

1前言………………………………………………………………………………………………1

2黄土的主要性质…………………………………………………………………………………2

2.1黄土的湿陷性与变形特性………………………………………………………………2

2.2黄土的应力应变关系……………………………………………………………………2

2.3黄土的水敏性问题………………………………………………………………………3

2.4黄土的结构性问题………………………………………………………………………4

2.5黄土的动力特性问题……………………………………………………………………5

3压实黄土的工程性质……………………………………………………………………………6

3.1压实黄土的湿陷性………………………………………………………………………6

3.2压实黄土的压缩性质……………………………………………………………………7

3.3压实黄土的抗剪强度…………………………………………………………………7

3.4压实黄土的渗透性质…………………………………………………………………7

4路基下沉规律…………………………………………………………………………………7

4.1一般地区路基…………………………………………………………………………7

4.2黄土地区路基…………………………………………………………………………8

4.3黄土地基………………………………………………………………………………………………10

5黄土路基病害的类型………………………………………………………………………………11

5.1黄土路堤…………………………………………………………………………………11

5.2黄土路堑………………………………………………………………………………12

5.3路桥过渡段………………………………………………………………………………13

6路基基床病害产生的机理分析……………………………………………………………………14

6.1水对基床病害的影响…………………………………………………………………14

6.2列车荷载对形成基床病害的影响……………………………………………………14

7黄土地基处理……………………………………………………………………………………16

7.1黄土地基处理类型………………………………………………………………………16

7.2各种处理措施效果评价…………………………………………………………………17

8黄土路基（路桥过渡段）病害常用处理方法……………………………………………………22

8.1换填土层法……………………………………………………………………………22

8.2挤密法…………………………………………………………………………………23

8.3化学加固………………………………………………………………………………23

8.4压浆法加固……………………………………………………………………………24

8.5土工合成材料加固法…………………………………………………………………24

9路基填筑技术…………………………………………………………………………………25

9.1压实控制方法………………………………………………………………………………25

9.2黄土路基填筑施工………………………………………………………………………………28

10改良土的发展及应用和施工拌合方法……………………………………………………………………29

11结论…………………………………………………………………………………………………………35

参考文献…………………………………………………………………………………………37

1前言

通常将具有以下特性的土称为黄土：

颜色以黄色、褐黄色为主，有时呈灰黄色；颗粒组成以粉粒（0.05～0.005mm）为主，含量一般在60%以土，粒径大于0.25mm的较大；有肉眼可见的大孔隙、较大孔隙，一般在1.0mm左右；富含碳酸盐；垂直节理发育。

公路工程上，根据黄土沉积时代不同，可将黄土分为新黄土（如马兰黄土Q3、Q4）、老黄上（离石黄土Q12、Q22）、红色黄土（午城黄土Q1）三类；根据黄土的湿陷性又分为湿陷性黄上和非湿陷性黄土。

（1）黄土的颗粒组成及结构

黄土的颗粒组成以粉粒为主，其含量可以达50%以上，其中粗粉粒（0.05～0.01mm）含量大于细粉粒（0.01～0.005mm）含量。

黄土中的粘粒、细粉粒和腐殖质胶体，大部分被胶结成集粒或附在砂粒及粗粉粒的表面，或聚集在大颗粒间的接触点处。

黄土中的粉粒和集粒共同构成了支承结构的骨架，较大的砂粒“浸”在结构体中。

由于其排列比较疏松，接触连接点少，构成了一定数量的架空孔隙，而在接触连接处没有或只有少量的胶结物质。

常见的胶结物质有聚集在连接点处的粘粒、易溶盆及沉积在一该处的CaCO3、MgCO3等。

研究表明，黄土的粉粒含量越大，其孔隙比越大，干密度越小，其湿陷性越明显。

粘粒的存在对湿陷性有抑制作用，当粘粒含量大于30%时，湿陷性几乎减弱到不复存在，当然这与粘粒的结构、性质及分布有关。

在颗粒大小中，小于0.01mm的颗粒对湿陷性的影响更加明显。

（2）黄土中盐的分布状况

黄土中含盐状况很复杂，研究表明同黄土湿陷性密切相关的水溶盐主要有以下几种，难溶盐：

方解石（CaCO3）、菱苦土（MgCO3）、白云石（CaCO3、MgCO3）等；中溶盐：

石膏（CaSO4·2H2O）、硬石膏（CaSO4）等；易溶盐：

苏打（Na2CO3）、芒硝（Na2SO4）、岩盐（NaCl）、钾盐（KCI）等，这些水溶盐成分在黄土中几乎都有不同程度的存在，对黄土湿陷性有正反两方面的影响。

如碳酸钙以胶结物形式出现时，对湿陷性有一定的抑制作用，但一旦以此为胶结物的骨架破坏，却又导致了湿陷的发生;中溶盐如石膏由于其结晶体的特殊作用，对湿陷和颗粒结构的破坏都起加速或促进作用；而易溶盐含量愈高，湿陷性一般也愈大。

黄土的PH值也可以反映出其湿陷性的大小，一般PH值越大，湿陷性也越大。

（3）黄土的多孔性

黄土中的孔隙，呈垂直或倾斜的管状，以垂直为主，上、下贯通，其内壁附有白色的胶结物，一般为CaCO3，这种胶结对黄土起着加固的作用。

一般将黄土的孔隙分为以下三类：

①大孔隙，直径约0.5~1.0mm，肉眼就可辩识；②细孔隙，是架空结构中大颗粒的粒间孔隙，肉眼看不见，可在放大镜下观察到；③毛细孔隙，由大颗粒与附在其表面上的小颗粒所形成的粒间孔隙，肉眼更看不见。

由这三种孔隙形成了黄土的高孔隙性，故又将黄土称为“大孔隙土”。

黄土孔隙率一般在35%～60%之间，有沿着深度逐渐减小的趋势；在地理位置上，自东向西，自南向北，黄土孔隙率有增大的规律。

一般认为黄土的孔隙是引起黄土湿陷的主要原因，但有资料表明压实黄土仍存在大孔隙，也具有湿陷性，表明这不是黄土湿陷的根本原因，但它为黄土湿陷提供了足够的空间。

还有研究表明，压实黄土与原状黄土相比，压实黄土湿陷性要小，这又说明了大孔隙对湿陷性起了很大的作用。

人们在长期的黄土工程性质的研究过程中发现，同一黄土地区中黄土的强度和变形指标，与其某一个单项土性指标（如干密度、饱和度等）往往存在统计上的规律性，关系曲线在一个地区内具有较好的归一性，而在涉及不同地区之间时往往显得比较散乱，这种规律性基本上不存在。

这说明不同地区黄土具有明显不同的结构特性，而同一地区的黄土因其在地理位置、形成条件上的相似性而具有相同或相近的结构特性。

同样，这种结构上的相同和相似性，往往又可以反映出同一地区黄土在强度、变形特性方面的规律性。

事实证明，在黄土静力学研究中，这种规律性是明显的。

在黄土动力学的研究中，不少学者对这种规律性进行了大量研究，并分别用试验结果加以验证。

从验证情况来看，精度基本上都得到了满足，但适用的普遍性还有待于实践的继续检验。

骆亚生[1]对以往各地区黄土动力试验资料进行了搜集，试验资料的地区范围包括西安、兰州、宝鸡、天水、太原、洛川等二十多个地区，其中西安、兰州、宝鸡、洛川等地的资料较为集中和完整，其余地区的试验资料都相对较少。

通过用统计的方法对所收集到的资料进行了汇总分析，结果表明在同一黄土地区内，影响黄土的初始动模量和破坏动应力的主要因素基本相同，有干密度、含水量、平均有效周围压力及固结比等。

2黄土的主要性质

2.1黄土的湿陷性与变形特性

湿陷性是指土在自重或附加应力与自重共同作用下受水浸湿后产生急剧而大量的下沉。

浸水湿陷只在土体自重作用下产生的黄土称为自重湿陷性黄土，而浸水湿陷在土体自重与附加应力共同下产生的黄土称为非自重湿陷性黄土。

国标《湿陷性黄土地区建筑规范》GBJ25-90规定，当湿陷系数δs<0.015时，为非湿陷性黄土，当δs≥0.015时，为湿陷性黄土。

根据自重湿陷量与总湿陷量可对湿陷性场地进行湿陷等级与湿陷类型划分。

非自重湿陷性场地的湿陷起始压力一般大于其上覆土的饱和自重压力，湿陷敏感性较弱，湿陷性事故较少，自重湿陷性场地的湿陷起始压力小于其上覆土的饱和自重压力，湿陷敏感性较强，湿陷性事故较多。

黄土与其它粘土的区别在于黄土对含水量的变化极为敏感，含水量的高低严重影响土的湿陷性和承载力的高低，含水量低时，土的湿陷性强烈，但承载力却很高，随着含水量的增加，土的湿陷性逐渐减弱，承载力随之急剧下降，而压缩性却得以提高。

根据大量土样的试验资料统计结果表明，黄土的湿陷性与饱和度成直线反比关系，见表1，即饱和度愈低，土的湿陷性愈强，土的湿陷性随着饱和度的增大而降低。

表1饱和度Sr与湿陷系数δs的关系

饱和度Sr（%）

湿陷系数δs范围

湿陷系数δs中值

<30

0.09～0.137

0.120

30～40

0.04～0.118

0.086

40～50

0.02～0.100

0.060

50～60

<0.02～0.084

0.04

60～70

0～0.060

0.03

>70

0～0.03

δs>0.015者只占3.4%

黄土的压缩性反映黄土地基在外荷载作用下产生压缩变形的大小，主要取决于土的密实程度和含水量，三者的关系见表2。

表2黄土变形模量与含水量和孔隙比的关系

土类

含水量（%）

孔隙率（%）

变形模量（MPa）

黄土

10～17

47～48

22.5～32.0

黄土状粉质粘土

6～8

46～48

22.0～28.0

8～14

47～49

19.0～22.0

12～18

43～45

10.0～40.0

22～25

45～48

8.0～1.5

25～30

40～45

7.0～1.3

2.2黄土的应力应变关系

一般来说，黄土在不同的湿密、应力和结构状态时，其应力与应变间的关系可以表现为软化型和硬化型，有时也会接近理想塑性型。

黄土的应力应变关系可由试验成果拟合为相应的数学公式，并按非线性弹性增量模型求取相应的参数。

理论上讲，用弹塑理论描述黄土的应力应变关系更为合理。

通常适用于正常固结土和弱超固结土的几个模型（剑桥模型、魏汝龙模型）都可以用来描述黄土的本构特性，这与黄土的欠压密特性是一致的。

刘祖典等先后提出了六种不同情况下黄土（即黄土湿陷变形以及原状黄土、饱和黄土、挤密黄土、击实黄土、高围压下黄土）的应力应变关系曲线，分别得到了黄土的非线性弹性模型及弹塑形模型的本构方程。

另外，还有学者提出以凝聚切线模量、弦线模量为基础的非线性本构模型。

以往对于黄土力学的研究，普遍使用总应力法。

然而黄土是典型的非饱和土，有必要将黄土作为非饱和土力学的重要研究对象，运用现代非饱和土力学理论和方法对其进行深入研究。

非饱和土的有效应力公式，最著名的是Bishop公式：

式中：

为与饱和度有关的参数，在0～1之间变化；

、

分别为孔隙气压力和孔隙水压力。

Bishop公式所定义的仅仅是土的粒间应力，而对于饱和土粒间应力是否等与有效应力是一个值得探讨的问题。

Fredlund等（1976）在前人工作的基础上，通过理论和试验论证，认为可以将净应力和吸力作为两个独立的应力变量来建立非饱和土的本构关系，其表达式为：

式中：

C1，C2为两个独立的压缩系数。

系数C1确定时要求

－

保持不变，而改变

，这是试验难以实现的。

陈正汉（1999）从Fredlund的双应力变量理论出发，将Duncan－Chang模型推广，得到了一个较为完整的非饱和土的增量非线性模型。

该模型包括土的变形和水量变化两个方面，共13个参数，其参数的测定相当复杂。

吴培安等人（1990）从黄土的微观结构出发，分析了黄土湿陷时内部结构的变化和变形累计效应，得到了黄土湿陷变形在应力比较大时以体应变为主的结论。

进而以内时理论为基础，建立了黄土湿陷变形的宏观内时本构模型。

刘祖典等（1992）把含水量看作广义应力，建立了以含水量和应力共同作为变量的屈服函数，沿用经典弹塑形理论计算应力与含水量变化时的塑性应变增量。

沈珠江（1994）认为含水量和应力是引起黄土损伤的两个因素，进而将损伤力学的概念引入到黄土浸水变形的描述，建立了可以同时模拟黄土应变软化和浸水软化现象的损伤模型。

苗天德等（1999）从稳定性观点出发研究黄土湿陷变形，建立基于微结构突变失稳假说，同时考虑体积湿陷与剪切湿陷的突变本构模型。

从土力学方法出发，谢定义等以原状土、原状饱和土和扰动重塑土的3条压缩曲线为基础，提出了结构性参数－综合结构势，并通过不同土类和湿密状态的土样试验证明该结构性指标的合理性、灵敏性和稳定性。

2.3黄土的水敏性问题

黄土的水敏性是指其对水的特殊敏感性，即天然低湿度下具有明显高强度和低压缩性的黄土，在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。

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。

对它们从产生机理、影响因素、预估方法、指标选择以及工程应用诸方面的研究成了黄土力学研究的特色和重点。

谢定义[2]用水敏性一词是想比常用的湿陷性一词更加体现这类变形和强度与水关系的特殊本质，并同时包容增湿与浸湿以及湿陷与湿剪的影响。

抓住水敏性来研究黄土的力学特性就抓到了问题的本质，抓到了黄土力学的灵魂。

力荷载和水荷载（广义的力）及它们在状态、路径、速率、历史、水平上的变化与黄土湿、密、构特性综合作用的力学效应和物理机制是勾画黄土特有面孔和心灵的主线条。

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[3-8]，大大地丰富了对黄土特殊变形强度性质的认识，缩短了黄土力学与工程实际应用之间的距离。

研究表明：

（1）黄土的水敏性来源于黄土特殊的地域与生成条件造成的粉粒性、富盐性、大孔性、欠压密性、非饱和性和各向异性，即低的湿度，低的密度及脆弱的架空结构。

这些方面在实际上的差异使黄土反映出颇不相同的水敏性，即颇不相同的湿陷性，湿陷敏感性和湿剪强度的弱变性。

（2）应力状态、应力历史、应力路径、应力速率、应力水平与增湿状态、增湿历史、增湿路径、增湿速率、增湿水平的变化是引起黄土在变形和强度上反映出不同水敏性的主要外因。

对当今具有同样湿一密一构状态的黄土，当水荷载特性相同时，应力低于结构强度（或先期固结压力或湿陷起始压力）时，增湿变形较小，不同应力路径和应力速率对密度一结构状态虽有所影响，但变化较小，除非对特别重要的工程一般可以忽略。

只要应力水平不会超过增湿条件下黄土的破坏应力，变形将仍然主要由相应的增湿特性所决定。

当力荷载特性相同时，低于湿陷起始含水量的增湿同样影响不大，不超过历史上最大增湿含水量的增湿（含多次增湿）也不会引起新的湿陷变形。

增湿变形主要决定于最终的含水量，而分级增湿或连续增湿甚至增减湿交替只有较小的联系[5,8]。

（3）当黄土的含水量增大时，强度的降低与变形的增大是同一个本质反映出的不同侧面。

对承受一定剪应力达到变形稳定的黄土试样逐级增湿（即增大水荷载）时，剪切变形将连续逐级增大。

如果将此所加的剪应力视为对应于破坏增湿级的湿剪强度，则它与对此含水量级下的试样逐级增加剪应力所求得的相应抗剪强度一样，也符合库伦公式，而数值上可能的不同反映出应力路径的影响。

因此，黄土的抗剪强度也主要由黄土的含水量来决定，随着含水量的增大，内摩擦角，尤其是粘聚力均逐渐降低，表明了在黄土土体稳定分析中按土的实际含水量状态分别采用不同强度的十分必要性。

（4）黄土的变形和强度与含水量的变化有非常密切关系，因此，可在不同的初始含水量下研究黄土的变形和强度，其变形的差值即为增湿的变形增量，强度的差值即为增湿的强度增量。

它们不同于一般土类之处，仅在于这种差值对含水量的变化具有更加明显的可变性。

2.4黄土的结构性问题

结构性应该是描述土物理本质中比粒度、密度、湿度更为重要的一个侧面。

它的重要性早为太沙基所指出，也早为一系列学者所重视。

只是因为对它作定量描述上的困难而使它一直游离于对土物性的定量表述之外，但它的定性描述仍然显示出了它在土性机理分析上极端的重要性。

如果说结构性对任何土都是重要的，那末，对黄土就更是不可回避的，具有更大的意义。

研究黄土的结构性及其在力和水作用下的变化规律对整个土力学研究的对象都会有很大的辐射作用。

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。

显然，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。

文献[9，10]中关于综合结构势这一新指标的提出及对其合理性、灵敏性、稳定性与普遍性的检验，给沿土力学途径研究土的结构性本构关系给予了新的希望。

研究表明：

（1）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。

它的单元形态（单粒的矿物碎屑与集粒或凝块）确定了力的传递性能和土的变形性质，它的连接方式（点接触、面接触）确定了土的结构强度，它的排列方式（大孔隙、架空孔隙、粒间孔隙）确定了土的稳定性。

单粒点接触、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。

（2）黄土结构性的研究，应既注意揭示土颗粒排列的几何特征（以孔隙分布特征最为敏感），又注意揭示土颗粒联结（物理的和化学的，而以化学的为最敏感）的力学特征，同时将结构与组构相结合，探讨黄土的非均质性，各向异性。

（3）从黄土力学的观点，结构性研究的根本目的在于揭示结构性对土力学行为的影响及内在联系，因此，将土的细观结构与宏观力学行为相结合是一条正确的研究途径。

（4）黄土的结构性问题在其结构联结没有遭到破坏以前表现为它维持结构可稳性的能力，它和颗粒联结的特性与稳定性有关；在结构联结遭到破坏以后表现为结构可变性的能力，它和颗粒的排列特性与均匀性有关。

骆亚生[11]对3个典型黄土地区（西安、兰州、太原）的原状黄土样在不同湿度状态下的湿陷特性进行了研究，探讨了含水量、干密度、压力对黄土湿陷性的研究规律，着重从结构性的角度解释了不同地区间黄土湿陷特性的差异，基于不同地区间黄土湿陷特性的差异这一事实，提出了黄土潜在湿陷率的概念。

结果表明，这一概念可用于对黄土湿陷性的分析，并能较好地反映不同黄土种类地结构特性。

2.5黄土的动力特性问题

在我国广大的黄土地区中，地震动强度大于或等于0.20g的区域约占50%，大于或等于0.15g的区域约占80％。

在历史上80多次强震（8级以上6次，7级以上22次，6级以上52次）过程中，黄土地区发生滑坡、震陷甚至液化的事例多有记载。

自然，黄土动力特性的研究必须既借鉴土动力学中通常对砂土的研究，更面对黄土的特殊性，即结构性、欠压密性、非饱和性以及由此而表现出的各向异性与对水作用的特殊敏感性，既重视静、动力作用，更重视水作为广义力的作用力以及水与静、动力作用不同路径组合的影响。

在黄土动力特性研究的主题、黄土的动强度破坏标准、黄土试样的合理高径比与联接方式、黄土的起始含水量控制方法、黄土上作用不规则动荷等效处理的有效性等方面的问题上，都不能照搬饱和砂土动力学的研究方法。

近年来，不仅对于等幅往返荷载下黄土的动三轴试验已做出了较系统的探索（从试验方法，主要课题，强度标准，基本特性规律，水、力荷载路径，动静强度关系，湿陷与震陷联系，黄土的震陷等方面），而且对于不规则动应力过程和随机不规则动荷载过程条件下黄土动三轴试验的方法也做了开拓性的工作[12，13，14]。

目前，在黄土动力特性的研究中，将水力、静力、动力特征和土的湿密构特征综合作用下的力学效应和物理机制的研究与黄土的区域性变化相结合应该是一条主线。

研究表明：

（1）黄土的动力试验中，试样的高径比以取1为宜，试样的两端应与活塞和底座相粘结（动应力大于轴向固结应力时），试样的破坏宜取屈服标准，试样初始含水量的控制宜用滴水转移法，作用的不规则动荷不宜作简单的往返应力等效处理[15]。

（2）黄土的动力特性研究在小动荷时仍以应力应变关系（或动模量与阻尼比）为主；在大动荷时，振陷是一个比较突出的问题，强度问题次之；黄土的结构强度使黄土有一个明显的振陷临界动应力；饱和黄土仍会有“类似液化”的现象（变形骤增，强度锐减，但破损历时较长，孔压水平较低），干燥黄土有剪切液化现象，它是巨大动应力对黄土拉裂，剪损与搓揉破坏造成的结果。

（3）黄土初始含水量的不同会使黄土的动变形－强度特性有明显差异。

干型黄土（w0

湿型黄土（ws

饱和黄土（w0>wL）虽与湿型黄土有相似的动变形强度规律，但其在量上有更大的强度降低与变形增大的反应。

如前所述，有时还可以表现出类似振动液化的现象，造成更大的危害性[16,17]。

（4）当动应力作用于已受静压作用（或增湿作用）的黄土上时，如此动应力尚不足以引起这种土的强度破坏，则动应力所引起的动变形与已产生的压缩变形和其后的湿陷变形之和（或增湿变形与其后压缩变形之和）仍将限定在初始含水量下的黄土在力和水作用下压缩与湿陷变形的总和之内，且动应力愈大，这一部分动变形也愈大，使后继的增湿变形（或压缩变形）减小。

否则，如动应力足以引起土试样的破坏，则动应力的作用将使总的变形增大，并为后继的湿陷变形（或压缩变形）提供更有利的条件。

在总变形中，或者以湿陷变形为主（初始含水量较低时），或者以动变形为主（初始含水量较高时）。

当增湿与水共同作用时，不仅动变形增大，而且变形稳定的时间会大大缩短[15]。

（5）在振陷系数与湿陷系数之间寻求经验的转换关系，有利于用湿陷系数来预估一定振次和动应力下的振陷系数。

在黄土静强度与动强度之间也存在有较密切的联系[2]。

只要土的动强度不发生大幅度的降低，它们之间的换算系数与地基规范中推荐的动承载力调整系数相接近。

（6）随机不规则动荷的作用，可以