兰州高坪区和低丘缓坡区压实黄土力学性质及其工程应用

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兰州市是非常典型的河谷型带状城市,土地资源非常稀缺,可利用空间不足。在城市南北两侧黄土梁卯地带削山填沟、人工造地是增加兰州城市用地的唯一途径。高坪区和低丘缓坡区是兰州削山填沟活动最强烈地区。削山填沟工程中,除了造就削方边坡外,还形成了大量填土场地和填土边坡。黄土是兰州填土的主要来源,压实黄土的力学性质直接控制填方区的地基稳定性和边坡稳定性。因此,研究兰州区域压实黄土力学性质具有重要的工程意义和应用价值。本文以兰州典型高坪区和低丘缓坡区黄土为研究对象,采用三轴剪切试验、直接剪切试验、变水头渗透试验、湿陷试验和直剪蠕变试验等室内试验手段,系统研究了压实黄土抗剪、湿陷、渗透和蠕变性质随不同压实度、不同含水量变化规律,并将测试得到的蠕变参数用于评价低丘缓坡区的太平洋场地填方边坡长期稳定性。得到如下主要结果:1、太平洋场地、伏龙坪场地和桃树坪、文昌阁、徐家山、西果园、华林坪等五个高坪区的混合压实黄土的内聚力C值随含水率的变化而变化,当含水率小于最佳含水率时,含水率越大,C值越高,并且在最佳含水率时达到最大;当含水率大于最佳含水率时,C值随含水率的增大而迅速减小。压实黄土的内摩擦角φ均随含水率的增大而减小。在含水率一定时,压实黄土的内聚力C和内摩擦角φ均随压实度的增大而增大。不同地区,压实黄土抗剪强度指标略有差异。含水率和压实度相同时,太平洋场地压实黄土的内聚力最大,其次是桃树坪、文昌阁、徐家山、西果园、华林坪等五个高坪区的混合黄土(简称混合黄土),伏龙坪压实黄土内聚力最小;伏龙坪黄土的内摩擦角最大,混合土稍小,太平洋黄土最小。这与各地黄土的矿物成分、粒度成分、盐分含量略有不同密切相关。三轴剪切试验得到抗剪强度指标普遍大于直接剪切试验所得到的指标,这是由于试验所用仪器的不同造成的。2、三地压实黄土的湿陷系数均随含水率的增大而减小,在含水率达到14%时,湿陷性消失;随压实度的增大而减小;湿陷性存在峰值,达到峰值前,随着黄土终止压力的增大而增大,湿陷性达到最大以后,黄土的终止压力越大,黄土的湿陷性越小。伏龙坪压实黄土的湿陷系数是大于其他高坪区混合的压实黄土和太平洋场地压实黄土的。三类压实黄土湿陷系数差异同样与各地黄土的矿物成分、粒度成分、盐分含量略有不同密切相关。3、三地压实黄土的渗透系数均随压实度的增大而减小。在较小干密度条件下,测得的渗透系数量级均为10-5,而在较大的干密度条件,渗透系数则显著减小,量级均为10-6-10-7。伏龙坪黄土的渗透系数最大,混合土稍小,太平洋黄土最小。这与三地黄土的矿物成分、粒度成分、盐分含量略有不同密切相关。4、太平洋场地压实黄土直剪蠕变试验揭示,当正应力为100、200、300、400kPa,且剪应力分别低于30、60、90、120kPa时,蠕变处于衰减阶段,随着时间的推移,其剪应变趋向于一个固定数值。当以上的剪应力低于各级正应力下的剪应力时,蠕变开始从衰减蠕变状态转变为稳定蠕变状态。当各级正应力下的剪应力增加到40、70、100、130kPa时,试样很快进入加速阶段,直至破坏。压实黄土的长期强度是随正应力的增大而增大的。长期强度内聚力为10kPa、内摩擦角为17°。5、基于FLAC3D的数值模拟,天然条件下太平洋场地填土边坡Ⅴ剖面,经过255800时步的蠕变后,边坡整体变形进入等速蠕变状态,边坡最大位移出现在坡肩,量值约80-126cm,最大蠕变速率为0.39mm/d;坡顶出现拉张塑性区,其余部分均为剪切塑性区;边坡蠕变具有自坡顶向坡内速率逐渐减小特征。根据模拟结果推测,未来8年后,太平洋填土边坡Ⅴ剖面所在地段可能发生部分缓慢滑移。
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