黄土的物理力学性质
黄土的物理力学性质
§2-1 黄土的物理性质
试验用黄土采用甘肃兰（州）海（石湾）高速公路工程现场扰动土，其物理性质主要由它的物理性质指标来体现，其物理性质指标主要有：孔隙率、天然含水量、容重和液塑限等。
由于黄土的生成与存在条件比较特殊，它的孔隙率比普通土的孔隙率要大。一般黄土中存在肉眼易见的孔隙，这些孔隙多为铅直圆孔，这类孔隙通称为大孔隙。大孔隙比例的多少在一定程度上决定了黄土湿陷性的大小，大孔隙多的黄土湿陷程度大；反之则小。
试验所用黄土的天然含水量很低，一般在10％以下。含水量在剖面上的变化与黄土层的厚度和埋藏深度没有直接关系。黄土的容重、比重取决于黄土的矿物成分、结构和含水量，而黄土的颗粒分散度、矿物成分、形状和弹性在一定程度上决定了黄土的液塑性。
黄土的物理性质随成岩时代、成岩地区的不同而表现出一定的差异。为了得到该黄土的物理性质，我们根据《公路土工试验规程》（JTJ 051-93）的要求，分别采用联合液塑限仪、烘箱和重型击实等方法进行了有关指标的测定，测定结果如表2-1所示。
黄土的物理性质 表2-1
界限含水量 压实度
比重
（g/cm3） 液限 塑限 塑性指数 液性指数 最佳含水量
（%） 最大干容重（g/cm3）
26.70 17.65 9.05 0.287 12 1.82 2.70
一．主要成分分析
组成黄土的矿物约有60种，其中轻矿物（d﹤0.005mm）含量占粗矿物（d﹥0.005mm）总量的90%以上。黄土中粘土矿物（d﹤0.005mm）以不同的方式同水和孔隙中的水溶液相互作用，显示出不同的亲水性，故粘土矿物的成分和比例，在某种程度上体现了黄土的湿陷性。
水溶盐的种类和含量与黄土的湿化、收缩和透水性关系密切，直接影响着黄土的工程性质。
水溶盐包括易溶盐、中溶盐和难溶盐三种。易溶盐（氧化物，硫酸镁和碳酸钠）极易溶于水或与水发生作用。它的含量直接影响到黄土的湿陷性。 中溶盐（石膏为主）的存在状态决定其与水的作用情况。以固体结晶形态存在时，溶解性小，但当以次生结晶细粒分布于孔隙中时，易溶解，在这种情况下，会对黄土的湿陷性有一定的影响。
难溶盐（碳酸钙为主）在黄土中既起骨架作用，又起胶结作用，这取决于其赋存的状态。当碳酸钙遇到CO2和H2CO3时溶解，溶解后的阴离子与颗粒表面的阳离子发生交换。当碳酸钙呈现固体结晶状时，是土体骨架的一部分。当它以薄膜状分布或与粘土一起构成次生团粒时，起胶结作用。一般来说，碳酸钙的含量大时，土的强度高。
黄土中的有机质表面能大，持水性强，它以聚集于大孔孔壁或分散于粘粒中形态存在，当其呈分散分布时，构成土的胶结成分，受水浸湿时，会吸收大量水分，而使土崩解。
二．颗粒组成
一般黄土的颗粒组成有两个特点，即小于0.25mm颗粒占绝大多数，且以粉粒（0.005~0.05）为主。用乙种比重计法对本文试验所用的土质进行颗粒分析，其颗粒分析结果见表2-2。
黄土颗粒组成 表2-2
粒组
（mm） 各级颗粒（mm）含量百分数（％）
1—0.25 0.25—0.05 0.05—0.01 0.01—0.005 0.005—0.001 <0.001
含量
（％） 0.001 3.47 29.65 16.22 10.71 39.94
三．压实黄土的微观结构特性
原状黄土是自然历史的产物，它是在一定历史时期内经过了各种复杂作用后形成的，而压实黄土是利用人为的方法，将原状黄土经过粉碎，过筛，加水重塑，击实而成，因此，击实后的黄土改变了土的原始结构，具有独特的结构特征。
公路工程中的路基一般为压实土，为了进一步了解路基土体的结构，下面我们就介绍压实黄土的微结构特性。
黄土的结构性是指黄土的骨架颗粒成份、形态、排列方式、空隙特征、胶结物种类以及胶结程度等对黄土的工程性质的影响，组成原状黄土颗粒的成份主要是单个的粉粒和由粘胶微细碎屑胶结成的集粒，除此之外,还有少数片状和棒状颗粒.这些单个的颗粒和集粒一般是颗粒间点接触，但也有少数的面胶结接触方式.黄土中的空隙包括根洞、虫孔、裂隙之类的大空隙，骨架颗粒相互支架构成的中空隙；以及粘粒间的空隙，和存在于土体内起骨架作用的集粒内的空隙构成黄土中的微空隙。黄土中颗粒的胶结物一般为碳酸钙，石膏为集粒内部的胶结物。
1．骨架颗粒的接触关系
在扫描电镜下观察，黄土由结构单元(单矿物、集合体和凝块)、胶结物（粘粒、有机质和碳酸钙）和空隙（大孔隙、架空孔隙、粒间孔隙和粒内孔隙）三部分组成。从空间结构体系的力学强度和稳定性角度分析，构成黄土结构体系的支柱是骨架颗粒。骨架颗粒形态表征传力性能和变形性能，其连接方式直接影响着黄土结构体系的胶结强度。黄土的骨架颗粒主要是大于0.005mm的碎屑颗粒。骨架颗粒的存在状态及相互关系决定着黄土的工程性质，如：黄土的湿陷性和压缩性。
压实黄土的骨架颗粒的接触关系主要有三种，即镶嵌接触、支架接触和分散分布。这三种接触关系的分配比例随黄土的压实度和含水量的变化而变化。
镶嵌接触是指骨架颗粒相互交叉，紧密堆积，呈犬牙交错的镶嵌状，形成缝隙粒间的小孔隙，其接触形式为点-面、线-面和面-面，故接触面积较大。支架接触是指骨架颗粒松散堆积，往往形成粒间的大孔隙，其接触形式为点-点、点-线和点-面，故接触面积较小。分散分布是指矿物颗粒间基本上互不接触，呈分散状。
2．骨架颗粒的连接方式
黄土中骨架颗粒的连结是控制土体强度和工程性质的主要因素之一，它是通过粘粒物质的胶结作用来实现的。在扫描镜下观察，土体的骨架颗粒存在三种连结形式，即小桥连结、焊接连结和嵌埋状连结。小桥连结是由颗粒较大的骨架间接触形成的一种特殊小桥状态，这种连结因含粘结相较少，故其间的化学键力和重力很微弱，它的强度主要来源于外部压力所产生的有效应力。焊接连结是因粘结相含量较多，在颗粒接触处聚集着较多的胶结材料，对骨架颗粒起着焊接作用，这种连接强度一般较牢固。骨架颗粒被粘结相包围，粒间连结完全靠粘结相，这形成了嵌埋状连结，其连结强度由粘结相的连结强度决定，故这种连结强度最大。
3．黄土的孔隙
黄土中的孔隙类型和分布情况是影响土体工程性质的又一主要因素。原状土的孔隙率一般比较大，经过压实后，土的孔隙所占比例会有所减小。根据孔隙的大小、形状及与骨架颗粒排列的方式，土中孔隙可分为大孔隙、架空孔隙、粒间孔隙和粒内孔隙。架空孔隙是由一定数量的骨架颗粒松散堆积，相互支架构成的孔隙，该孔隙较大，连通性好，易透水，故该类型的孔隙直接影响着土的湿陷、压缩等性质。粒间孔隙是指颗粒交错排列所形成的缝隙，该孔隙较稳定。大孔隙是由碳酸钙胶结形成的空隙，结构稳定。
从有关试验中发现，不管压实度多大，孔隙总是存在，但在一定含水量条件下，压实度越大，孔隙所占体积比例有所减小。
§2-2 黄土的主要力学特性
一．原状黄土的力学性质
原状黄土的力学性质主要包括压缩性、湿陷性和抗剪强度。
1．压缩性
压缩性是在外荷作用下，地基土产生的压缩变形的大小。
现在，一般应用压缩系数α、压缩模量Es、压缩指数Cc等作为压缩性
质指标。
α=(e1﹣e2)/(p2﹣p1) (2-1)
Es=（1+e1）/α (2-2)
式中，p2、p1——荷载（Kpa）；
e1、e2——分别为在荷载p1、p2作用下，压缩稳定后的孔隙比。
2．湿陷性
黄土的湿陷变形具有突变性、非连续性和不可逆性。为了反映黄土湿陷程度的大小，我国采用湿陷系数δs来体现湿陷变形的特性。
湿陷系数δs是单位厚度土体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。
0'0'1eeehhhpppps (2-3)
式中，hp—土样在压力p作用时下沉稳定后的高度（cm）。
hp′—土样在压力p作用稳定后的土样，在浸水作用下，下沉稳定后的高度(cm)。
hp—土样原始高度（cm）。
ep—土样在压力p作用时下沉稳定后的孔隙比。
ep′—土样在压力p作用稳定后的土样，在浸水作用下，下沉稳定后的孔隙比。
e0—土样原始空隙比。 湿陷系数的大小反映了黄土对水的敏感程度。湿陷系数越大，表示土受水浸湿后的湿陷量越大，因而对工程的危害性也越大。目前，常采用的试验方法有单线法和双线法。
3．抗剪强度
土的抗剪强度是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极限抵抗能力。
在工程中，一般应用饱和土的强度理论公式，即库仑理论。
τf=c+σtgψ (2-4)
式中，τf—剪应力（kpa）；
σ—法向应力（kpa）；
c—土的粘聚力（kpa）；
ψ—土的内摩擦角。
土的抗剪强度是一个受诸多因素控制的指标，迄今为止，库仑理论仍然是描述其特性的最为合理的实用理论。压实黄土路基填土，其饱和度多数在65％～80％之间，实际上仍处于非饱和状态，严格意义上应采用非饱和土的强度理论。
非饱和土的抗剪强度可用独立的应力状态变量来表示。已经证明应力状态变量（σ－Ua）和（σ－Uw）是实际应用最有利的组合，也可用（σ－Ua）和（Ua－Uw）两个应力变量来表示。其表达式分别如下：
bfwafafffuuuctan)(tan)( （2-5）
tan)(tan)(fwafwfffuuuc （2-6）
式中，τff—破坏时土的抗剪强度；
cˊ—有效粘聚力，莫尔－库仑破坏包线的延伸与剪应力轴的截距；
φˊ—与净法向应力状态变量（σ－Ua）f有关的有效的内摩擦角；
φb—抗剪强度随基质吸力（Ua－Uw）f而增加的速率；
φ′′—与基质吸力和应力状态变量有关的摩擦角；
（σ－Ua）f—破坏时在破坏面上的净法向应力；
（Ua－Uw）f—破坏时在破坏面上的基质吸力；
（σf－Uw）f—破坏时在破坏面上与孔隙水压力有关的净法向应力；
σf—破坏时在破坏面上的总应力；
Ua—破坏时在破坏面上的孔隙气压力；
Uw—破坏时在破坏面上的孔隙水压力。
二．压实度对黄土力学性质的影响
为了改善天然土的工程性质，在工程中常采用压实的方法使土颗粒重新排列压实变密，以获得新的结构强度。在实际施工时，路基的压实度有时达不到95%的规范要求。而对于压实土，压实度的大小对其力学性质有很大的影响。
按照《公路土工试验规程》要求，将土样风干、碾压、过筛后，按最佳含水量（12%）将土击实成压实度75%，80%，85%，90%，95%的土样，进行土的固结、湿陷试验。
1．压缩性
由图2-1可看出压缩模量随压实度变化的规律，即压实度增大，压缩模量也增大，这是因为压实度越大，对土体施加的机械功就大，从而使土粒间的孔隙变小，可压缩性减小。
浅析甘肃陇东地区马兰黄土工程地质特性
《河南水利与南水北调》2023年第9期勘测设计浅析甘肃陇东地区马兰黄土工程地质特性朱金龙（甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃兰州730000）摘要：甘肃陇东地区的马兰黄土，分布于塬、梁、峁顶部及河(沟)谷斜坡及河道的阶地上。在该区进行工程建设，当建筑物基础置于马兰黄土中，易发生地基土体湿陷沉降变形而导致建筑物破坏。因此，必须分析研究陇东地区马兰黄土工程特性。经对陇东各县区取代表性Ⅰ级原状土样的大量室内试验，采用数据统计和地质分析等方法，浅析了陇东各县区内不同地貌单元区、不同状态下马兰黄土的湿陷性、渗透性、压缩性、抗剪性、击实性等物理力学性质和工程地质特性。关键词：甘肃陇东地区；马兰黄土；湿陷性；渗透性；压缩性；抗剪性；击实性中图分类号：TV223.2文献标识码：A文章编号：1673-8853（2023）09-0102-02
1研究区马兰黄土特征1.1粒度成分陇东马兰黄土从北部环县至南部灵台县，从北向南粉粒含量逐渐减小，黏粒含量逐渐增大，塬面及塬边斜坡砂粒含量变化不大。马兰黄土砂粒含量（平均值）在0.62%～7.14%之间，粉粒在83.25%～61.15%之间，黏粒在16.04%～32.38%之间。1.2化学成分陇东马兰黄土化学成分有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、FeO、MnO、TiO2，其中SiO2、Al2O3、CaO含量占60%～70%。自北向南SiO2和MgO有减少趋势，而Al2O3、Fe2O3和FeO的含量有增加的趋势，CaO、Na2O和K2O含量无明显变化规律。2马兰黄土物理力学性质2.1物理性质根据陇东地区351组马兰黄土原状样试验结果，陇东马兰黄土在天然条件下，土体中含水量随深度增大而增加，干密度亦随深度增大而增大，孔隙比随深度增大而减小。土体在天然条件下含水量较少，土体处于坚硬~硬塑状态，孔隙较大，弱~微透水，垂直向渗透性略大于水平向。2.2力学性质根据陇东地区351组马兰黄土原状样试验结果。陇东马兰黄土湿陷性随深度先增强后减弱，但变化缓慢，湿陷起始压力随深度增大呈较大~较小~最大的趋势。一般马兰黄土在埋深6m附近湿陷系数最大，湿陷性最强，埋深在马兰黄土底部、第一层古土壤以上附近湿陷性最小，湿陷起始压力达最大。在天然条件下，土体具中~高压缩性、中~强湿陷性土，属自重湿陷性黄土，工程地质性质不良。3马兰黄土工程地质特性3.1湿陷性陇东地区黄土湿陷性十分复杂，与土的形成时代、成因类型、土体结构、干密度、孔隙比及附加荷载等有着十分密切的关系。陇东地区黄土主要有马兰黄土、离石黄土、古土壤及黄土状土，其中分布于陇东黄土塬、梁、峁上部及河（沟）谷斜坡及高阶地顶部的马兰黄土湿陷性最明显，湿陷土层厚度最大，而且其湿陷性比其他黄土强烈，对工程建设影响最大。①陇东马兰黄土湿陷性总体规律：由北向南湿陷土层厚度是薄~厚~薄，湿陷性变化是弱~强~弱，环县最北端的甜水堡，接近于北面的白于山南麓，湿陷性最小，湿陷土层最薄；向南至作者简介：朱金龙（1983.11—），男，工程师，主要从事岩土工程勘察工作。EngineeringGeologicalCharacteristicsofMalanLoessinLongdongAreaofGansuProvinceZHUJinlong（GansuWaterResourcesandHydropowerSurvey,DesignandResearchInstituteCO.LTD.,Lanzhou730000,China）Abstract：MalanloessinLongdongareaofGansuProvinceisdistributedontheterracesofYuan,Liang,Maoandtheslopesofrivervalleyandrivercourse.Duringtheengineeringconstructioninthisarea,whenthefoundationofthebuildingisplacedinMalanloess,itiseasytocausethecollapseofthefoundationsoil.Therefore,itisnecessarytoanalyzeandstudytheengineeringcharacteristicsofMalanloessineasternGansuProvince.AfteralargenumberofindoortestsonrepresentativegradeIoriginalsoilsamplesinLongdongcounties,thephysicalandmechanicalpropertiesofcollapsibility,permeability,compressibility,shearresistance,compactionpropertyandengineeringgeologicalcharacteristicsofMalanloessunderdifferentgeomorphicunitsanddifferentstatesareanalyzedbymeansofdatastatisticsandgeologicalanalysis.Keywords：LongdongareaofGansu;Malanloess;collapsible;permeability;compressibility;shearresistance;compaction102Copyright©博看网. All Rights Reserved. 《河南水利与南水北调》2023年第9期勘测设计合道川段为北部梁峁区，马兰黄土层厚达15m，湿陷性最强；从合道川向南至灵台什字塬为陇东黄土塬区，塬区从北向南，马兰黄土层厚度逐渐变薄，湿陷土层深度逐渐减小，湿陷性逐渐减弱。②北部梁峁区黄土湿陷性较强，湿陷类型为自重湿陷性场地，湿陷等级为Ⅳ级（很严重），马兰黄土层厚约15m；而北部梁峁区边缘地带（甜水堡一带）湿陷较小，一般为非自重湿陷性场地，湿陷等级为Ⅱ级（中等），马兰黄土层厚度5m左右。③塬区北部（西峰—合水一带），上部马兰黄土层厚9.20～12.90m，一般为自重湿陷性场地，湿陷等级为Ⅲ（严重）；中部古土壤层厚3m左右，一般无湿陷。总体塬区北部西峰一带湿陷土层深度可达13m，合水一带湿陷土层深度可达19m。④塬区中部（镇原—宁县—正宁一带），马兰黄土层厚9.20～12.00m，一般为自重湿陷性场地，湿陷等级为Ⅱ级（中等）～Ⅲ（严重）。⑤塬区南部（崆峒—泾川—灵台一带），上部马兰黄土层厚9.90～11.70m，一般为自重湿陷性场地，崆峒-泾川湿陷等级为Ⅱ级（中等）～Ⅲ（严重），最南部的灵台一带湿陷等级为Ⅱ级（中等）。3.2渗透性陇东马兰黄土渗透性由黄土成分特征和结构特征决定。黄土中黏粒含量越高、亲水性矿物含量越多、孔隙越小、节理越不发育，黄土渗透性越差，反之亦然。陇东马兰黄土渗透性分级属弱透水—微透水，渗透系数一般在3.8×10-6～10.5×10-5cm/s之间，垂直向渗透性略大于水平向。从黄土分布地域上，马兰黄土黏粒含量由北向南依次增大，渗透性依次减弱，环县梁峁区黄土渗透性最大，灵台塬区渗透性最小。3.3压缩性陇东马兰黄土不论是天然状态下，还是饱和状态下，土体极易压缩，一般具中~高压缩性。土体抵抗外部荷载压缩变形能力较差，地基土体极易沉降变形。从地域上，一般阶地黄土比塬区黄土难于压缩，梁峁区黄土比塬区易于压缩，这主要是因为压缩性不仅与黄土的孔隙比和颗粒组成有关，也与天然含水量有关。3.4抗剪性陇东马兰黄土天然状态下黏聚力c=7.40～96.40kPa，平均值36.39kPa，内摩擦角φ=15.40°～26.50°，平均值22.17°；饱和状态下黏聚力c=1.10～36.10kPa，平均值11.16kPa，内摩擦角φ=9.00°～21.50°，平均值13.00°。陇东马兰黄土中的含水量对其抗剪强度影响较大，饱水后强度降低明显，其黏聚力大幅降低，内摩擦角降低幅度较小。土体饱和后黏聚力降低了85%～63%，平均降低了69%；内摩擦角降低了42%～19%，平均降低41%。3.5击实性64组土样的室内击实试验、37组击实后土样的压缩试验、抗剪试验和渗透试验表明，陇东马兰黄土击实前后工程地质特性和变化如下。①马兰黄土击实后最大干密度一般为1.64～1.77g/cm3，平均值1.71g/cm3；最优含水量一般为15.70%～20.80%，平均值17.82%。②马兰黄土击实后自然状态下土体压缩系数一般为0.06～0.3MPa-1，平均值0.17MPa-1，压缩模量一般为6.53～28.54MPa，平均值12.25MPa；饱和状态下压缩系数一般为0.06～0.30MPa-1，平均值0.19MPa-1，压缩模量一般为5.71～19.04MPa，平均值10.77MPa。③马兰黄土击实后自然状态下土体抗剪强度黏聚力一般为28.30～93.30kPa，平均值52.06kPa，内摩擦角一般为20.50°～57.65°，平均值29.88°；饱和状态下土体抗剪强度黏聚力一般为12.40～59.10kPa，平均值30.45kPa，内摩擦角一般为10.69°～29°，平均值20.23°。④马兰黄土击实后土体垂直方向渗透系数一般为7.5×10-8～1.5×10-5cm/s，平均值1.6×10-6cm/s；水平方向渗透系数一般为8.6×10-8～2.35×10-5cm/s，平均值4.26×10-6cm/s。水平方向渗透性大于垂直方向，而天然状态下土体垂直方向渗透性大于水平方向。⑤马兰黄土击实后自然状态下压缩系数（按平均值）降低了73%，压缩模量提高了107%，即压缩模量增加了1倍多，土体从高压缩性变为中等压缩性。饱和状态下压缩系数降低了81%，压缩模量提高了334%，即压缩模量增加了3倍多。说明马兰黄土经过碾压夯实处理后，地基土体抵抗压缩变形的能力有了较大提高，尤其是饱和状态提高幅度较大。⑥马兰黄土击实后自然状态下土体黏聚力（平均值计）提高了43%，内摩擦角提高了35%；饱和状态下黏聚力提高了173%，内摩擦角提高了56%。说明马兰黄土经过击实后，自然状态下抗剪强度提高幅度较饱和状态下小，不同状态下黏聚力提高幅度均大于内摩擦角，也就是说马兰黄土经过击实后抗剪强度的提高，黏聚力起主要作用。⑦马兰黄土击实后垂直方向渗透系数（平均值计）降低了93%，水平方向降低了76%。马兰黄土天然状态下由于垂直节理发育，导致土体垂直方向渗透性较强，而土体经过击实后，天然垂直节理已破坏，垂直向渗透能力下降。4结语①陇东马兰黄土层厚深度由北向南，由浅变深，再变浅；湿陷性由北向南由弱变强，再变弱。②陇东马兰黄土渗透性由黄土成分特征和结构特征决定。黄土中黏粒含量越高、亲水性矿物含量越多、孔隙越小、节理越不发育，黄土渗透性越差，反之亦然。③陇东马兰黄土压缩性不仅与黄土的孔隙比和颗粒组成有关，也与天然含水量有关。一般土体极易压缩，具中-高压缩性。阶地黄土比塬区黄土难于压缩，梁峁区黄土比塬区易于压缩。④陇东马兰黄土中的含水量对其抗剪强度影响较大，饱水后强度降低明显，其黏聚力大幅降低，内摩擦角降低幅度较小。⑤陇东马兰黄土击实后，自然状态下抗剪强度提高幅度较饱和状态下小，不同状态下黏聚力提高幅度均大于内摩擦角，也就是说马兰黄土经过击实后抗剪强度的提高，黏聚力的贡献占主导地位。参考文献：［1］边义成.甘肃陇西与陇东地区马兰黄土工程地质特性分析研究［J］.水利规划与设计，2018，35（8）57-61.［2］李国宝.结合白龙江引水工程浅析陇东地区湿陷性黄土工程地质特性［J］.甘肃水利水电技术，2018，54（10）90-92.［3］刘川，冯杰，张强，等.黄土高填方边坡渗透变形机理的物理模拟［J］.科学技术与工程，2022，22（19）：8218-8224.收稿日期：2023-6-3编辑：雍友玉103Copyright©博看网. All Rights Reserved.
常用土层和岩石物理力学性质
(E, ν) 与(K, G)的转换关系如下：
)21(3EK
)1(2EG （7.2）
当ν值接近0.5的时候不能盲目的使用公式3.5，因为计算的K值将会非常的高，偏离
实际值很多。最好是确定好K值(利用压缩试验或者P波速度试验估计)，然后再用K和ν来
计算G值。
表7.1和7.2分别给出了岩土体的一些典型弹性特性值。
岩石的弹性（实验室值）（Goodm an,1980） 表7.1 干密度(kg/m3) E(GPa) ν K(GPa) G(GPa)
砂岩 19.3 0.38 26.8 7.0 粉质砂岩 26.3 0.22 15.6 10.8
石灰石 2090 28.5 0.29 22.6 11.1
页岩 2210-257
0 11.1 0.29 8.8 4.3
大理石 2700 55.8 0.25 37.2 22.3
花岗岩 73.8 0.22 43.9 30.2
土的弹性特性值（实验室值）（Das,1980） 表7.2 干密度(kg/m3) 弹性模量E(MPa) 泊松比ν
松散均质砂土 1470 10-26 0.2-0.4
密质均质砂土 1840 34-69 0.3-0.45
松散含角砾淤泥质砂土 1630
密实含角砾淤泥质砂土 1940 0.2-0.4
硬质粘土 1730 6-14 0.2-0.5
软质粘土 1170-1490 2-3 0.15-0.25
黄土 1380
软质有机土 610-820
冻土 2150
各向异性弹性特性——作为各向异性弹性体的特殊情况，横切各向同性弹性模型需要5中弹性常量：E1, E3, ν12,ν13和G 13；正交各向异性弹性模型有9个弹性模量E1,E2,E3,
ν12,ν13,ν23,G12,G13和G 23。这些常量的定义见理论篇。
均质的节理或是层状的岩石一般表现出横切各向同性弹性特性。一些学者已经给出了
常用岩土材料参数和岩石物理力学性质一览表-附详细表格
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(E, ν) 与(K, G)的转换关系如下：
)21(3EK
)1(2EG （7.2）
当ν值接近0.5的时候不能盲目的使用公式3.5，因为计算的K值将会非常的高，偏离实际值很多。最好是确定好K值(利用压缩试验或者P波速度试验估计)，然后再用K和ν来计算G值。
表7.1和7.2分别给出了岩土体的一些典型弹性特性值。
岩石的弹性（实验室值）（Goodman,1980） 表7.1
干密度(kg/m3) E(GPa) ν K(GPa) G(GPa)
砂岩 19.3 0.38 26.8 7.0
粉质砂岩 26.3 0.22 15.6 10.8
石灰石 2090 28.5 0.29 22.6 11.1
页岩 2210-2570 11.1 0.29 8.8 4.3
大理石 2700 55.8 0.25 37.2 22.3
花岗岩 73.8 0.22 43.9 30.2
土的弹性特性值（实验室值）（Das,1980）
表7.2
干密度(kg/m3) 弹性模量E(MPa) 泊松比ν
松散均质砂土 1470 10-26
密质均质砂土 1840 34-69
松散含角砾淤泥质砂土 1630
密实含角砾淤泥质砂土 1940
硬质粘土 1730 6-14
软质粘土 1170-1490 2-3
黄土 1380
软质有机土 610-820
冻土 2150
各向异性弹性特性——作为各向异性弹性体的特殊情况，横切各向同性弹性模型需要5中弹性常量：E1, E3, ν12,ν13和G13；正交各向异性弹性模型有9个弹性模量E1,E2,E3, ν12,ν13,ν23,G12,G13和G23。这些常量的定义见理论篇。
土力学
一、名词解释
土力学：利用力学的一般原理，研究土的物理、化学和力学性质及土体在荷载、水、温度等外界因素作用下工程性状的应用科学。
基础：将结构承受的各种作用传递到地基上的结构组成部分，一般应埋入地下一定的深度，进入较好的地层。
土的颗粒级配：土中所含各粒组的相对含量，以土粒总重的百分数表示。
土的结构：指土颗粒或集合体的大小和形状、表面特征、排列形式以及它们之间的连接特征。包括单粒结构、蜂窝结构和絮凝结构。
土的触变性：黏性土结构遭到破坏，强度降低，但随时间发展土体强度恢复的胶体化学性质。
相对密度：土的固体颗粒质量与同体积4℃时纯水的质量之比，称为土粒的相对密度。
固结度：地基在荷载作用下，历经时间t的固结沉降量cts与其最终沉降量cs之比。
临塑荷载：指地基土中将要而尚未出现塑性变形区时的基地压力。
土的抗剪强度：土体抵抗剪切破坏的极限能力。
最优含水量：在一定的压实功（能）下使土最容易压实，并能达到最大密实度时的含水量。
界限含水量：粘性土从一种状态转变为另一种状态的分界含水量。
液性指数：表征土的天然含水量与分界含水量之间相对关系的指标。
塑性指数：液限与塑限之差定义为塑性指数。
基底附加压力：引起地基沉降的那部分压力。
地基：支承基础的土体或岩体。天然地基：未经人工处理就可以满足设计要求的地基。
人工地基：若地基软弱、承载力不能满足设计要求，则需对地基进行加固处理，称为人工地基。
桩侧摩阻力：在竖向荷载作用下，桩身材料将发生弹性压缩变形，桩与桩侧土体发生相对位移，桩侧土对桩身产生的向上摩阻力。
桩端阻力：桩侧摩阻力不足以抵抗竖向荷载，一部分竖向荷载传递到桩底，桩底持力层将产生压缩变形，桩底土对桩端产生的阻力。
桩的负摩阻力：桩土之间相对位移的方向决定了桩侧摩阻力的方向，当桩周土层相对于桩侧向下位移时，桩侧摩阻力方向向下，称为负摩阻力。
土的固结：土的压缩随时间增长的过程，主要指孔隙水压力消散，有效应力增长的过程。
湿陷性黄土
湿陷性黄土地基复习题——2014
一、名词解释：
1.湿陷性黄土；２．土的干重度与孔隙比：３. 湿陷系数：４. 湿陷起始压力：５．地基承载力特征值fak：6.液限wL与塑限wp：7．塑性指数Ip与粒间孔隙：8. 面胶结与黄土的结构性：9. 前期固结压力：10. 地基湿陷等级：11. 自重湿陷性黄土：12．土的压缩性与固结：13．原始粘聚力与固化粘聚力：14．自重湿陷系数：15．黄土振陷：16. 非自重湿陷性黄土：
二、简答题：
1. 简答湿陷性黄土地基的工程研究意义有哪些主要内容？
2..简答湿陷性黄土场地中，采用桩基础的桩端持力层选择都应符合哪些规定？
P111~112
3.简答湿陷性黄土产生沉陷的机理是什么？P38(第二段)
4.简答在湿陷性黄土场地中，进行工程地质测绘都要考虑哪些主要内容？
5.简答黄土的湿陷机理都有哪些主要内容？
6.简答湿陷性黄土场地的详细勘察阶段应进行哪些主要工作？
7.简答在湿陷性黄土场地中，减小桩侧负摩阻力的措施主要有哪些内容？
8.简答处理湿陷性黄土地基的主要工程措施有哪些？
9.简答影响黄土自重湿陷的主要因素有哪些？
10. 简答我国黄土湿陷性的总格局是什么？
11.简答在湿陷性黄土上平整场地时，应注意哪几个最主要的问题？
12. 简答黄土应具备哪些主要特征？
13.简答减小桩侧负摩阻力的措施都有哪些主要内容？
三、论述题：
1. 论述湿陷性黄土在中国大陆的分布？ P11(第2~4段)
2. 论述黄土地区的场址选择应遵循哪些原则和要求？ P94(第1段)
3. 论述在湿陷性黄土场地上进行防排水设计时应考虑哪些主要因素？ P100(第2段)
4. 论述湿陷性黄土场地在何种情况下采用桩基础？其较常用的桩基础有哪几种P111(第4段)
黄土基本物理指标与湿陷系数的相关性分析
山 西建筑SHANXT ARCHITECTURE第44卷第4期2 0 2 5年4月VoL 04 Nc. 0Apa. 2021 • 69 •DOI： 12. 13719/j. ciP 1009-6525.2025.07.025黄土基本物理指标与湿陷系数的相关性分析
周杰5李亚红2（•中铁西北科学研究院有限公司1甘肃兰州750000； 2.兰州交通大学建筑与城市规划学院1甘肃兰州730000）摘 要:黄土湿陷是黄土在水的作用下，其大孔隙结构自我调整的结果。选取6个钻孔的66组数据分析黄土湿陷系数与其基本 物理指标间的相关性。结果表明：当密度大于1.5 g/cm5时1黄土将不再表现出湿陷性;根据湿陷系数随各基本物理指标的变化 规律1采用MATLAB进行多元二次非线性回归，得到①二X・B的矩阵计算方程,对比湿陷系数的计算值与实际值,结果表明该方 法所得的湿陷系数比较接近工程实际1具有较好的预测效果。关键词：湿陷系数,物理指标，二次回归，MATLAB中图分类号:TU444 文献标识码：A 文章编号：1207-0525 （2225 ）07-6067-641概述黄土在我国广泛分布,其湿陷性严重影响着农业的生 产和工程建筑的安全使用丄2，因此有必要进行黄土湿陷性 的定量研究。高国瑞⑶结合不同黄土的湿陷性变形假说, 通过SEM观察黄土的微观结构,指出黄土湿陷的根本原因 是黄土的架空结构被破坏,并且水是其架空结构破坏的诱 因。陈正汉⑷分析了黄土湿陷的突变性、不连续性和不可 逆性,提出湿陷形变张量与应力张量、含水量和时间的本构 模型。苗天德⑸基于刚性假设和黄土湿陷是完全物理力学 行为的假设,分析孔压系数、孔隙比与湿陷变形的关系。随 着黄土湿陷性的深入研究,多因素作用成为人们研究黄土 湿陷性的热点64］,邵生俊⑻在工程实践中发现黄土的独立 性物理指标与黄土湿陷系数有关,采用多元回归方法得到 黄土湿陷系数与含水率、孔隙比和液限的关系。黄土颗粒间胶结强弱的复杂性、孔隙结构的随机性和 湿陷影响因素的多样性,使得传统简单的单因素和多因素 线性回归预测黄土湿陷性很难满足工程要求。李瑞娥⑼和 李家栋采用模糊信息处理方法预测黄土的湿陷性;高凌 霞［1］通过观察黄土的微观结构,采用主成分方法分析黄土 微观结构对其湿陷性的影响。马闫分析了黄土湿陷系 数与各物理参数的相关性,采用RBF神经网络建立黄土湿 陷性的模型。然而 以上关于黄土湿陷性与各物理指标关系的研究 都是基于不同钻孔、不同深度的数据汇总分析得到的,相关 性多采用一次线性相关分析,鲜有在同一钻孔、不同深度条 件下 研究黄土的湿陷性与其物理指标的关系。本文选用同一钻孔、不同深度的黄土为研究对象,并采 用更符合工程实际的二次非线性回归方法分析湿陷系数与 不同黄土物理指标间的关系；最终选取与湿陷系数相关性 高,且能在一定程度上影响黄土湿陷机理的物理指标,运用 MATLAB进行多元非线性回归,得到湿陷系数与相关物理 指标的矩阵方程。2黄土湿陷性与物理指标关系2.1 物理指标相关性的解释大多数研究者采用多孔汇总数据研究黄土各物理指标 的相关性,使用一次线性回归分析其相关程度［5］,这种方 法只能大体反映出物理量之间的变化走势。研究发现，在 同一钻孔条件下，随着深度的增加,孔隙比、密度、含水率、 干密度、饱和度等物理指标具有很好的二次相关性，因此, 本文采用求取每个钻孔黄土物理指标相关系数的平均值作 为真实相关系数。以深度和孔隙比的相关性为例（见图5）,采用二次非线性拟合得到六组深度与孔隙比的相关系 数（见表5）,取其相关系数的平均值作为深度与孔隙比的 相关系数,即0. 596 4 ；传统一次线性回归方法所得相关系 数为0.549 7,结果表明传统方法得到的相关性偏低。. • 16号钻孔■ 口 • 17号钻孔:. ・19号钻孔■ ■ %。号钻孔° " - - 口21号钻孔* 23号钻孔1.61.41.2±1.00.8^0.60.40.23 6 9 12 15深度/m图1不同钻孔孔隙比与深度的关系 表1深度与孔隙比的相关性钻孔编号121415202123二次相关系数0.544 70.365 50.375 50.385 20. 345 40.534 6在物理指标的二次曲线拟合过程中，二次非线性相关 系数越高,表明物理指标间的二次关系越好。需考虑物理 指标的实际意义，随着深度的增加,孔隙比、密度、干密度、 饱和度等指标不会无限制的变化，需要结合参数的实际变 化范围选取二次曲线的一部分，超出部分的曲线是没有实 际意义的。2.4 物理指标的相关性分析常用表征黄土物理力学性质的物理量有强度、含水率、 密度、干密度、孔隙比、孔隙率、饱和度、湿陷系数、塑性指数 和压缩模量等，每一个物理量都有其相应的物理意义。湿 陷系数通常用来表示黄土的湿陷性能，指黄土湿陷所产生 的竖向位移与试验样原来高度的比值。本文选取六个钻孔的黄土作为研究对象，在实验室对 试样进行物理力学性质测试。所选试样为粉土，相对密度 .二2. 74 ± 0. 05。由于黄土相对密度变化较小，因此可将 收稿日期：222062-15作者简介:周 杰（1571- ） 1男1硕士 1
不同围压下黄土的结构性试验
第２４卷第ｌ９期 ２００８年１Ｏ月 甘肃科技 Ｇａｎｓｕ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏ ｆＩ ２４＾ ．１９ ０ｃ ２００８
不同围压下黄土的结构性试验
李雯霞
（兰州理工大学图书馆，甘肃兰州７３００５０）
摘要：对兰州兰工坪原状黄土、重塑黄土进行了三轴试验，运用损伤力学的观点引入了结构性损失系数ｍ叮，分析
了围压对兰州黄土结构性的影响，得出兰州黄土的结构性损失系数ｍｃｒ与影响土结构性的因素之间的变化规律，为 黄土的结构性研究及实际工程提供了参考数据。
关键词：黄土；围压；结构性；结构性损失系数 中图分类号：ＴＵ４１１．７
黄土的结构性是指黄土的骨架颗粒成份、形
态、排列方式、空隙特征、胶结物种类以及胶结程度
等，黄土的结构性和欠压密性是黄土湿陷性的一个
基本的原因，也是黄土一个显著的力学特性…。黄
土的应力应变关系、孔隙水压力与应变关系、固结变
形等都与黄土的结构性具有显著的关系。基于此，
对原状黄土、重塑黄土进行一系列的室内三轴排水
固结抗剪强度试验，并根据它们的应力应变关系得
到不同围压下结构性损失参数的变化规律。
ｌ试样制备及试验方案 １．１试样制备
土样采自兰州市兰工坪某公路路基的施工现场
（属于黄河南岸Ⅲ级阶地），深度为３—６ ｍ，试验黄
土的物理力学指标（见表１），试样尺寸为 ｌＯｌ×
２００ｒａｍ×ｍｍ，原状土样和重塑土样的含水量分别为
４％、９％、１３％、１６％、１９％，原状土采用切土器削样
制作，重塑土样采用制备原状土样后的扰动土在与
原状土样相同的干密度，通过三轴仪上配套的击实
器分层击实制备。
表１试验黄土物理力学指标
１．２试验方案
试验仪器采用南京水利电力仪表厂的应变式三
轴剪力仪和三联固结仪，做常规三轴试验：用三轴仪
使原状土样和重塑土样在围压为常量（６ ＝常量）压
力下固结１２小时以上，进行排水剪切，剪切速率为
０．３ｍｍ／ｍｍ。剪切以量力环百分表读数出现峰值后
大厚度湿陷性黄土地基处理方法分析
大厚度湿陷性黄土地基处理方法分析
目录
一、内容概述．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2
1. 研究背景与意义．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2
2. 国内外研究现状及发展趋势．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
二、黄土地基特性分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
1. 黄土的物理性质．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
2. 黄土的力学性质．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6
3. 湿陷性黄土的特性．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7
三、大厚度湿陷性黄土地基处理方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8
1. 总体处理原则．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9
2. 常见处理方法分类．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10
3. 具体处理方法介绍．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12
3.1 物理方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13
3.2 化学方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14
3.3 物理与化学结合方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15
四、处理方法适用性分析与比较．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．17
1. 各种方法的适用条件．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18
洛川剖面黄土的结构性及其力学特征研究
洛川剖面黄土的结构性及其力学特征研究
一、研究背景
黄土这种自然界的伟大创造，自古以来就以其独特的魅力和神奇的力量，让人们为之倾倒。它既是大自然的馈赠，也是人类文明的摇篮。然而随着社会的发展和人口的增长，黄土的生态环境正在遭受严重的破坏。为了保护这片神奇的土地，我们有必要深入研究其结构性和力学特征，以便更好地利用和保护这一宝贵的资源。
洛川剖面位于陕西省洛川县境内，是黄土高原的一个重要剖面。这里地势平坦，地貌类型丰富多样，黄土层厚薄不一，结构复杂多变。因此对于洛川剖面黄土的结构性和力学特征的研究，具有很高的科学价值和实际意义。
在过去的几十年里，我国的黄土研究取得了显著的成果，为我们提供了丰富的理论依据和实践经验。然而由于各种原因，我们在黄土领域的研究仍然存在一些不足之处。例如对于黄土的微观结构和力学特性的研究还不够深入，对于黄土在不同环境条件下的变形规律和稳定性分析还有待完善。因此开展洛川剖面黄土的结构性及其力学特征研究，对于提高我国黄土研究的水平，促进黄土资源的可持续利用具有重要的现实意义。 1. 黄土在人类历史和现代社会中的重要性；
黄土这种看似普通却又无比重要的自然物质，自古以来就在人类的生活中扮演着重要角色。它不仅是我们祖先生活的基础，也是我们现代社会的重要资源。黄土的广泛分布和丰富储量，使其在农业、建筑、环保等领域都有着不可替代的作用。然而黄土的特殊结构性和力学特征，使得它在人类历史和现代社会中的重要性更加凸显。
黄土不仅承载着我们的记忆，更是塑造了我们的文明。从古代的长城、秦始皇兵马俑，到现代的高速公路、高楼大厦，黄土都在其中扮演着关键的角色。每一块砖石、每一粒沙砾，都是黄土的结晶，都是历史的见证。黄土的存在，让我们有了生活的依托，也让我们有了追求进步的动力。
黄土的力学特征也是其独特魅力的一部分，它的强度和稳定性，使得它能够在各种恶劣环境中屹立不倒。无论是风吹雨打，还是地震洪水，黄土都能坚守自己的岗位，保护着我们的家园。这种坚韧不拔的精神，正是我们人类应该学习和借鉴的。
黄土特性
黄土特性
黄土或黄土状土是一种多孔隙、弱胶结的第四纪沉积物。我国黄土分布广范,6.6%
的国土面积被黄土覆盖,黄土主要分布在我国中西部地区,其中以西北地区的黄土地层
最厚,最完整。黄土具有颜色淡黄至褐黄、大孔隙、结构疏松、具直立节理(破坏时能
保持直壁)、常含有盐类(主要为碳酸盐与硫酸盐)、成分均匀无层理和遇水具有湿陷性等
显著特点。
3.1.1典型物理化学性质
黄土的颗粒粒径大部分为0.25~以下,主要以粉粒(0.05~0.005~)为主,含量多大于50%,一般土颗粒粒径大小在0.002一200~之间。黄土的粘粒部分(<0.005~)基本上由粘土矿物组成,如蒙脱石、高岭石、绿高岭石和水云母。根据粘土矿物的含量百分比,可将黄土分为蒙脱石黄土、蒙脱石一高岭石黄土和蒙脱石一水云母黄土。粘土矿物成分和比例在某种程度上体现着黄土的湿陷性,因为各种粘土矿物的亲水性不同。如高岭石和水云母等能促使黄土湿陷的发生与发展,而蒙脱石、绿高岭石和水云母等具有特殊的膨胀性,可以阻止湿陷过程的发展。
黄土粉细砂粒部分(0.1一0.05~),其矿物同水不起作用,不影响湿陷过程。在粗粒造岩矿物中,石英、长石和碳酸盐含量较大,对湿陷性无重大影响,而细散粘粒对湿陷过程起重大积极作用,因其具有大的比表面积,会使黄土膨胀、收缩或湿陷,具有不同的力学性质,如压缩、强度等。粉粒在黄土颗粒组成中占绝对优势,而粒径为0.05~0.01~粗粉粒含量最大,一般在50%~60%范围,其浸水活动性也最强。因此有人认为粉粒含量>70%者为重粉质黄土,50%一70%者为中粉质黄土,<50%者为轻粉质黄土。随着浸水,其团粒破坏特征亦不同,所表现的湿陷性亦不同。主要成分:黄土中轻矿物含量占矿物总含量的90%一%%,主要由石英、长石和云母等组成;黄土中的重矿物含量较少,含量在4%~10%之间;黄土的物理力学性质主要由粘土矿物(伊犁石)的多少来决定。而一般土中的粘土与粗矿物成分所占的比例并无规律,或大或小。