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黄土、黄土力学与黄土工程问题

谢定义

(西安理工大学)

        半个世纪来对黄土、黄土力学与黄土工程的研究使得人们的认识逐渐向黄土客观真实的规律相靠近,增强了人们用黄土力学的理论、观点和方法解决复杂黄土工程问题的思考面、可靠度和主动性。但是在它基础上的进一步深化仍然是一个非常具有现实意义的问题。下面仅就笔者接触到的一些主要材料,分别就黄土地质,黄土力学,黄土地基,黄土边坡和黄土洞室等几个方面的有关问题简要地考察一下半个世纪以来研究工作的一些基本结论。

        1. 黄土地质
        (1)我国的黄土具有覆盖广(平原 ,丘陵,高原 ,山地),厚度大(低阶地5-10m,高阶地20,50—180,200m,兰州西津村400m),大面积连续(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km2 )和性质特殊(对水的特殊敏感性)等特点。
        (2)从地质特征看,干旱、半干旱地区(北纬33°~47°)黄土以粉粒为主,欠压密、高孔隙、富含可溶性盐(加固凝聚力)以及垂直节理发育等特征。
        (3)黄土的成因有风成因,水成因和多成因等不同的学说。有一般认为,典型的、或原生的黄土主要是风成黄土;黄土状土或次生黄土多为其他成因的黄土(如冲积,洪积,坡积,湖泊沉积,冰水沉积,洪积-坡积,洪积-冲积,残积-坡积,冲积-坡积等)或是经过其它营力改造过的风成黄土。
        (4)黄土在地貌上有高原类的塬(古地形平坦开阔处)、梁(长条形,长几公里到几十公里,顶宽几十米到几百米)、峁(园、椭圆形、丘陵)和河谷类的多级堆积阶地(宽广处)和基床阶地(狭窄处)。
        (5)在中国黄土高原区,黄土对水的敏感性有由西北向东南逐渐减弱的趋势。顺着这个方向,黄土的含水量由小到大,天然容重由低到高,粘粒含量由少到多,湿陷起始压力由小到大,黄土层厚度由厚到薄。
        (6)对中国黄土按其基本特征可划分为陇西地区,陇东-陕北—晋西地区,关中地区,山西地区(汾河流域区,晋东南区),河南地区,冀鲁地区(河北区,山东区),北部边缘地区(宁陕区,河西走走廊区,内蒙中部—辽西区)及新疆地区等八个大区。
        (7)黄土常按其地层、年代和成因分为统称老黄土的早更新世黄土Q1(也称午城黄土)与中更新世黄土Q2(也称离石黄土)和统称为新黄土的晚更新世黄土Q3(也称马兰黄土)和全新世黄土Q4(分为早期的Q41和新近堆积的Q42)。黄土按其湿陷特性分为非湿陷性黄土和湿陷性黄土。黄土按颗粒组成还可分为砂黄土、粉黄土、粘黄土以及砂质粉黄土、粘质粉黄土、粉质粘黄土等。

        2. 黄土力学
        (8)黄土对水作用的特殊敏感性表现为它在天然低湿度下的高强度和低压缩性,和一旦浸水甚至增湿时强度大幅度骤降(湿剪性)和变形大幅度突增(湿陷性)的现象。它在定量上有不可忽视性,在定性上有急速发展性。
        (9)对黄土的水敏性从产生机理、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。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度、密度、结构特性综合作用的力学效应和物理机制是勾画黄土特有变形和强度特性面目的主线条。
        (10)黄土的湿陷性常按某一特定压力p(一般取200kPa)下饱和浸水时侧限压缩试验所得湿陷系数(单位厚度黄土的湿陷变形量)的大小分级评定。双线法测得的湿陷系数较单线法测得的湿陷系数往往略低(最大10)。
        (11)用湿陷系数按分层总和法计算黄土的湿陷量是常用的方法。此时,无论用压缩试验还是三轴试验确定湿陷系数时,都必须尽可能地模拟黄土的实际状况和它的工作条件,甚至需要考虑它在起始含水量,增湿含水量,应力状态,应力路径,应力历史诸方面的特点。近年来黄土力学的研究在这些方面都做了有价值的工作,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。当然,如果仍用特定条件下测得的湿陷系数来计算黄土实际的湿陷量,,则需要引入一个拟合实际情况的经验性修正系数。
         (12)许多为了定量地描述黄土湿陷的敏感性的指标,没有考虑到湿陷速率的影响。由含水量变化引起增湿变形量变化的快慢来反映湿陷敏感性(采用一定压力下湿陷应变与含水量关系曲线的斜率,或不同初始含水量与湿陷系数作成的曲线上直线段的斜率)似应具有更大的合理性。从黄土在细观上架空颗粒连接的形式(接触连结或胶结连结)分析湿陷量与湿陷敏感性虽具有较好的合理性,但它目前还没能与作为黄土结构性重要方面的粒间胶结对湿陷量与湿陷敏感性的影响相联系,仍然需要更多的工作。
         (13)黄土在应力不变情况下增湿时也常会发生剪切破坏(称为黄土的湿剪性)。这种破坏是黄土因物理状态改变而发生的破坏,对它的研究应模拟湿剪切破坏的机理和过程。黄土湿剪的强度包线仍可用直线,但往往并不与通常应力剪切的强度包线相一致.
         (14)黄土在不同的湿度、密度、应力和结构状态时的应力与应变间关系可以表现为塑性软化型(分为强软化型与弱软化型)和塑性硬化型(分为强硬化型和弱硬化型),有时也会接近理想塑性型。这些应力应变关系可以由试验成果拟合为相应的数学模式,或建立它的弹性非线性增量型的E-μ模型(或改进为E-B模型)、K-G模型(研究中有的不考虑应力p、q的交叉影响的,有的考虑p、q仅对G有交叉影响的,有的考虑p、q对K和G都有交叉影响),并求得相应的参数。当用这类模型进行黄土的增湿变形计算时,黄土的增湿变形量可按增湿前后的含水量分别算出变形量后,由它们的差值来获得。
         (15)用弹塑性理论描述黄土应力应变关系的方法,虽在理论上更加完备,但需对屈服条件、流动法则和硬化定律等做出符合黄土性质的确定。研究表明:黄土的破坏准则仍可由莫尔—库仑准则描述;黄土的剪切屈服面和体积屈服面都随外荷载的增大而发展,直到土发生破坏;黄土的剪切屈服面f1一般在低围压下为线性的;黄土的体积屈服面f2,对其硬化部分可由椭圆曲线来拟合,硬化参数以选塑性体应变为较好,它可以使得到的初始屈服面基本上为一个等塑性体应变屈服面,而且该屈服面与塑性势面相重合;而对其软化部分可由双曲线来拟合,其硬化参量以选取塑性功wp为较好(否则将不能满足相适应的流动法则)。当将含水量作为一种广义的力,直接引入屈服函数,而将湿陷变形完全视为塑性变形时,同样可以按照塑性理论的框架得到直接计算湿陷变形的一套关系式。它的湿陷起始屈服面和硬化屈服面也可以用椭圆曲线拟合,硬(软)化屈服面的硬化参数,仍以选用塑性体应变为好,只是含水量愈大,湿陷屈服应力愈小,而且屈服函数中除应力以外的各个参数,都既是硬化参数的函数,又是含水量w的函数。
        (16)揭示黄土土颗粒排列的几何特征(以孔隙分布特征最为敏感)和土颗粒联结(物理的和化学的,而以化学的为最敏感)的力学特征,使土的细观结构与宏观力学行为相结合,探讨黄土结构性及其变化引起的不同力学效果具有重要意义。当代反映黄土细观结构与宏观力学行为相结合的基本途径可有细观形态学途径,固体力学途径及土力学途径。
        (17)黄土的柱状结构使黄土在与它的垂直节理成正交、平行和45度的面上具有不同的抗剪强度和渗透系数。抗剪强度在平行于垂直节理方向的剪切面上相对最低,且含水量低时受各向异性的影响程度更大。但总体来说,由于对黄土抗剪强度起主要作用的是颗粒的胶结而不是颗粒的排列,故抗剪强度的相差并不很大,实用上一般常可不考虑不同方向上抗剪强度的差异。渗透性在平行于垂直节理方向上最大(k垂直可以为k水平的1.2-2.55倍左右)。因对渗透性起主要作用的不是土颗粒的胶结,而是土颗粒的排列结构,故渗透方向的影响是不能够忽略不计的。
        (18)黄土动力特性的研究要面对黄土的结构性、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。对于等幅往返荷载下黄土动三轴试验的方法已在饱和砂土传统动力试验的基础上做出了较系统的新探索。将水力、静力、动力特征和土的湿度、密度状态和结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已开始成了黄土研究中的一条主线。对于随机不规则的动荷作用下黄土动三轴试验的方法也对比了不同加荷时的特性。虽然等幅往返荷载下与随机不规则的动荷作用下均得到了动应力一动应变曲线仍然符合双曲线关系的结论,但在定量上并不相同。随机不规则的动荷的作用有使振陷临界动应力偏大,动振陷值偏小,模量值偏小,阻尼比值偏大的趋势。因此,寻求某种能全面表征各类动力荷载时程本质特性的特征参数还是一个当务之急的工作。
        (19)黄土动力特性的研究,在小动荷作用下仍以应力应变关系(或动模量与阻尼比)为主;在大动荷作用下,黄土的振陷是一个比较突出的问题,黄土的强度问题在低湿度时相对次之。饱和的或高湿度的黄土仍会有变形骤增,强度锐减的“类似液化”现象,但它的破损历时较长,孔压水平较低。在强大动应力作用下的干燥黄土也会出现剪切液化现象,它是巨大动应力使黄土迅速拉裂、剪损与搓揉破坏时土孔隙中气压力骤增造成的结果,在机理上不同于饱和土的液化。
        (20)黄土的动应力-动应变特性曲线对初始含水量小于缩限的干型黄土有直线关系,在破坏应变范围内的动模量可取为常数,动强度由抗拉强度控制(脆性拉断破坏),其大小主要随固结应力的增大而增大,受振次变化的影响不明显,而且振密变形很小,可以不考虑它的振陷;对初始含水量大于缩限而小于流限的湿型黄土是双曲线关系,动强度由抗剪强度控制(塑性压剪破坏),破坏在应变累积到屈服应变时发生。它的动强度与固结应力比的关系,视固结应力对黄土结构性的破坏程度而定。如固结应力尚未使土的结构性完全破坏,则动强度随应力比的增大而减小;如固结应力使土的结构性破坏,后又出现新的压密,则动强度又随应力比的增大而增大。但这种增大只有在动应力超过一定大小之后才能发生,即存在一个“临界动应力”。它随初始含水量的增大而降低,可作为是否需要考虑动变形的界限;对初始含水量大于流限的类饱和黄土也为双曲线,动强度也受抗剪强度控制(塑性压剪破坏),但动变形要明显偏大和动强度要明显偏低,且动孔压可以有较大的增长,甚至发生“类似液化”的现象,与湿型黄土有明显区别。黄土的双曲线型动应力-动应变关系仍可用等效粘弹性模型来描述。
        (21)黄土在静应力、动应力与水作用的不同路径时也表现出不同的变形强度特性。当动荷作用于压缩与浸水之后时,因黄土在震前具有基本相同的密度,故相同的动荷将引起相同的动变形。动应力愈大,动变形也愈大。当动荷作用于压缩与浸水之间时,黄土的动变形随初始含水量和动应力的增大而增大。动荷作用后的浸水对初始含水量低于某一值的黄土,振动只分担完成了原来由湿陷完成的部分变形,且动应力愈大,这一部分也愈大,后继的湿陷愈小,并不增大黄土的总变形;只有在动应力较大或初始含水量较大时,振动的作用将使总变形有所增大,动变形可以远远超过静力的湿陷变形,动荷作用下的破坏和变形可为后继的湿陷提供了更有利的条件。当动荷作用于静力压缩后的浸水过程中时,黄土的动变形随初始含水量的增大而减小,如初始含水量较小,则变形由浸水作用控制,即湿陷变形为总变形的重要部分;如初始含水量较大,则变形由动荷作用控制,即动变形为总变形的主要部分。动荷与浸水的耦合作用不仅可使总变形增大,而且可使试样达到变形稳定的时间大大缩短,加速湿陷变形的发展。
        (22)黄土含水量的变化既对作为非饱和土力学研究核心的吸力有明显影响,又对吸力所不能反映或反映十分迟钝的其他因素(如黄土结构联结的减弱或破坏等)也有所影响。因此,在用现代非饱和土力学的理论和方法研究黄土的力学特性时,应该考虑黄土结构性的重要影响。总体上看,目前还很缺乏对黄土从非饱和土力学理论角度的系统试验成果。国内研制的双源双能式透射技术非饱和土三轴仪(可用以同时测定出试样在压力和浸水后沿着试样高度上不同时刻的含水量、干容重、孔隙水压力、孔隙气压力以及试样的轴向变形、侧向变形和体积变形)和非饱和土水、气运动联合测定仪(可测定不同湿密状态黄土的渗水与渗气特性)等对于迅速准确地拿出一批能作为理论发展可靠基础、能反映非饱和黄土在力和水作用下本质性态的试验成果有着极为重要的意义!
        (23)我国对于黄土流变特性研究的蠕变试验和松弛试验以及长期强度试验开始较早(1962年以前中科院哈尔滨土建所,现工程力学所),现在也有少量的研究,但由于试验的复杂性,目前还未见到更为深入的研究成果。黄土力学特性的研究已经开始由低应力条件扩向高应力条件,由小应变理论扩向大应变理论,也是值得注意并有重要意义的工作。

         3. 黄土地基
        (24)黄土地基的湿陷变形一直是黄土地区工程建筑考虑的重要内容。现在,随着工业与民用建筑由低层或多层建筑为主向中高层建筑发展,或由轻型向高、大、重型发展,它们的黄土地基往往或是要求深入到地下水位以下,或是需要从承载力角度予以处理,仅由湿陷量过大要求处理的地基已大大减少。因此,黄土深基坑设计与防护处理,黄土地基上的桩基、箱基、复合地基等基础工程问题应该引起更多的注意。
        (25)黄土地基的处理已经由早期的大开挖逐渐发展到后来的垫层(灰土或沙石)、强夯、挤密、沉桩、化固和预湿等。对于高湿度软弱黄土(饱和度>70%)适宜于一般软土地基处理的方法对它仍然原则上可用。通常,当处理厚度浅且有较好的下卧层时,可用砂石垫层法(虽然沉降量可能较大,但却比较均匀,有利于降低造价,加快建设速度);当处理厚度更深时,或采用砂石垫层,并将其与加强上部结构整体性的箱基或筏基相结合,或采用振冲碎石桩(因它仍有较大的沉降或不均匀沉降,已应用较少)。挤密砂桩法因饱和黄土的侧向约束很小,强夯法因易产生“橡皮土”现象(既使预埋了砂袋),一般不宜采用,但夯坑填石法的效果仍然较好。当处理厚度较深且有好的下卧层时,宜用混凝土灌注桩,或必要时用钢筋混凝土预制桩。至于高压旋喷桩,深层搅拌桩等,往往因其质量不易保证,且费用较大,它们和硅化法、碱液加固法等,常是事故处理时选择的对象。对于低湿度湿陷性黄土(尤其是自重湿陷性黄土)以消除或减小湿陷变形危害为目的的处理,当其属于非自重湿陷性黄土且处理厚度不大(小于3m)时,灰土垫层仍然是一种经济有效的方法。灰土垫层的低渗透性和厚度有利于对局部浸水时沉降的不均匀性起一定的调整作用。当处理深度相对较大(5一8m)且环境影响要求较低时,可选择强夯法;当需要再加大加固处理的深度时,桩基虽常作为可选方法之一,但如无可靠的桩端持力层,桩上作用的负摩擦力会造成桩的很大负担,甚至使桩基无能为力。此时,挤密桩(孔内填以灰土或素土)或钢筋混凝土挖孔灌注桩常是真正有优势的方法,且对调整地基的不均匀性和提高防水抗渗性能也有一定的优越性。近年来,它与强夯相结合而出现的深层孔内强夯方法进一步拓展了挤密桩法的深度(可达30m左右),也为消纳垃圾等废料(作为孔内填料)开阔了道路。此外,针对黄土的水敏性采用预湿法处理在有充足的水源的条件下也是一种好的思路。它和其它方法(垫层、强夯、挤密等)结合应用,对消除高、厚自重湿陷性黄土地基的有害变形也是一种好的方法。但须注意防止预浸水对周围建筑及地下设施等产生不均匀沉降的危害。从黄土地基抗震的角度看,它虽能使黄土的孔隙比有所减小,但减小后的孔隙比仍高于黄土震陷的临界孔隙比(0.73左右),仍然不能消除震陷,甚至还有饱和黄土地基的液化问题。但经过夯实处理,化学灌浆处理,挤密桩处理和换土垫层处理的黄土地基,均能够显著地提高地基土的抗震性。如果工程对于地基的沉降控制有高的要求,则必须从它的地基和基础多方面采取有效的处理措施。为了能够既保持、利用黄土在低湿度下固有的高强度和低压缩性,又减小、防止原来黄土的高湿陷性,基于土水势原理和薄膜水转移理论而分别提出的浅层砂夹层阻水法和深层导渗井散水法,对于防止干旱半干旱区内黄土浸水主要来自地面渗水和水道水管漏水(不包括地下水位上升或大面积长期浸水等情况)引起黄土局部、短期、有限增湿时所造成的湿陷变形危害有着重大的积极意义和经济效益。
        (26)黄土地基的变形有压缩变形和湿陷变形(浸水湿陷变形和增湿湿陷变形)。在计算黄土地基变形时,将描述不同湿度下黄土变形规律的本构模型与有限元方法相结合自然是一种计算黄土各类变形的完整方法。但是,长期以来,工程上仍然习惯于将黄土的湿陷变形仅视为饱和浸水下的湿陷变形,并按试验测得的湿陷系数在分层总和法的基础上计算黄土地基的湿陷量,它再经过经验性系数的修正,以达到接近于实际浸水湿陷量的目的。近年来,人们已经开始注意到增湿的湿陷变形这种更加符合实际情况的变形计算问题。大多都采用将增湿前后两种含水量情况下分别算得变形量的差值作为增湿变形量,从而发展了一系列建立在不同理论(非线性弹性理论,弹塑性理论,弹塑性损伤理论以及破损力学理论),或简化实用基础上的计算方法。但是,目前对于实际降水入渗或表面浸水时地基土体中含水量的分布与变化问题的研究,距离问题的正确解决还相当遥远,给湿陷变形计算方法完全丢弃原来对浸水饱和湿陷变形量的计算造成了很大的困难,必须对它作出积极的研究。或者提出能适当考虑浸水出现机率有一定价值的方法。此外,将通常地基沉降计算分层总和法中所用的压缩模量或变形模量改用为弦线模量或割线模量也是人们在增湿变形量计算上作出的新探索。弦线模量法可用土的三个基本物理性质参数(孔隙比,含水量和液限)和地基计算点处的实际附加应力值(包括应力-变形关系不同特性阶段的全过程),按照作者在对大量载荷试验成果和长期建筑地基承载力经验的广泛分析基础上所建议的弦线模量表来查取弦线模量值进行计算;割线模量法可由压缩试验得到的e-p曲线(具有与双曲线相似的形状)变换得到的割线模量对一维压缩地基的增湿变形量进行计算(在有侧胀的情况下,可以用通常将压缩模量转换为变形模量的方法,对割线压缩模量乘以系数后来计算增湿变形量),但它们仍然会遇到正确预估土中实际含水量的困难。
        (27)复合地基或多元复合地基均要求湿陷性黄土场地上的桩在穿过湿陷性土层一定深度后支承在相对坚硬的土层上。这样,在黄土因浸水发生湿陷或软化时,桩上正摩擦力的减小和上部湿陷性土层的湿陷变形均将对其中的桩体产生下拖的负摩擦力,使桩周的摩擦力沿桩长的分布出现一个自上而下由负变正的中性点。要通过理论分析桩上负摩擦力的影响存在较大的困难,现场试验也只能对应于特定的条件,在单桩上进行的试验又与群桩效应影响下的负摩擦力有明显的差异,群桩中内桩、角桩上应力的分布形式在浸水前后也会发生变化,对增湿情况下桩的负摩擦力问题目前的研究还很少涉及,负摩擦力引起的桩基附加沉降问题也需要深入。因此,在实际工程中,一方面因经验方法计算简单,应用较多(弹塑性理论方法基本上停留在学术研究领域),有限元方法能考虑较多的因素,也有所应用;另一方面,施工中采用涂层法(在桩身涂一层厚1cm的软沥青),分段施工法(桩施工一段时间后再建上部结构,缓解负摩擦的影响),套管保护法(给中性点以上的桩体罩上钢管套)来减小黄土中桩基负摩擦的不利影响,也为人们所重视。其实,最根本的方法还是对黄土地基进行适当的处理,以减小黄土的湿陷量,或者增加桩长,或加固桩基础以抵消负摩擦对桩基总承载力的影响。

         4. 黄土边坡
        (28)对黄土天然边坡稳定性进行合理诊断,可以有效预防其在如坡顶加载,坡脚开挖,坡体增湿,裂隙开展,植被破坏等条件下时出现稳定问题。黄土挖方边坡中应力释放和重分布(坡顶开裂,坡脚应力集中),黄土边坡的多层结构(黄土层,古土壤层,钙质结核层等)、倾斜坡顶、垂直节理以及增湿的部位、程度与方式的变化等对边坡应力新平衡形成的影响,也是研究的重点。黄土边坡在临水情况下的湿陷变形(渠道边坡)、搜底崩塌(库岸边坡)、雨水冲刷(冲沟、剥落)等问题的解决也具有重要的实际意义。由于在黄土边坡的稳定分析评价方法上还没有突破性的进展,对目前已经发展的许多可用于黄土边坡上的增稳措施,如坡顶夯实,坡面防水(天沟,侧沟,拱形微沟), 坡脚防护(砌护、锚护、喷浆等),坡体排水(水平排水管,垂直排水井等)等应给于足够的重视。
        (29)压实方法或冲填方法填筑形成的各类堤坝的黄土边坡,因黄土的原有结构已经遭到破坏,它们的问题主要在于形成合理的密实度。压实质量的控制应特别注意邻坡过沟段、结构过渡段、填挖交接段、半挖半填段、盐渍土、膨胀土段等处,必要时的地基处理对减小可能的不均匀沉降和工后沉降具有重要意义。对软硬分布不均地基土层上的填方,降低第一层填土(1m)的压实度将有利于消除部分地基的不均匀沉降。考虑到柔性基础下的复合地基具有桩间土的破坏先于地基整体破坏的特点,提高桩间土的强度或使粉喷桩尽可能穿透软弱层就更为重要。在复合地基顶部铺设土工格室加50cm的砂砾石垫层的处理可以约束地基的侧向位移,增大桩土应力比,适当减小地基沉降,使剪切破坏形态趋于缓变型。至于冲填方法(水力冲填法,水中倒土法,土中倒水法与水坠法等)建造黄土边坡,它虽然有可利用黄土的有利方面(粉粒含量大,透水性好),限制和消除黄土的不利方面(结构性,湿陷性,高盐性),以减小坡体的冲填土体长期处于液体状态威胁的优点,但它受施工条件,进度要求和边坡高度等方面的限制较大。我国创造的水坠筑坝的方法曾在筑坝蓄水,淤地造田和控制水土流失方面发挥了巨大的作用。
        (30)黄土挖方边坡的坡型设计常需与边坡防护技术(如支挡,抗滑桩,预应力锚索抗滑桩,挡土墙,柔性防护,土钉墙,锚杆框架梁等)相结合。上陡下缓应用较少,上缓下陡能有效地保护坡脚,宽台陡坡更有利于稳定、排水与防冲;坡比(单坡坡比与综合坡比)和坡高(单坡坡高与多级整体坡高)是互相影响的,也与当地的降雨入渗和坡体结构的类型有重要的关系,最好在保证安全的前提下进行优化组合;对于较重要的边坡,常需在按经验初步设计基础上,再进行坡体稳定性的检验分析;降雨入渗一般只有对处于接近极限状态的边坡受到较长时间降雨时才会造成坡体整体性的危害,否则,水的入渗较浅,仅能使整体的安全系数有不大的降低;坡体结构主要影响到设计坡型的选择,滑面的形状和位置,需要根据具体结构类型分析确定:一般对于新黄土单一型的边坡不宜设置大平台,单级坡高和坡比均宜较小,滑面形状取圆弧形或裂隙圆弧形;对于新老黄土组合型和老黄土单一型的边坡,宜在三分之一坡高处或钙板、钙质结核层处设置大平台,用圆弧形滑面分析平台上下的边坡和包括平台的整体边坡;对于老古黄土组合型的边坡,应在古土壤层处减小坡比和大平台宽度,用圆弧形滑面分析平台上下的边坡和包括平台的整体边坡;对于老黄土与红粘土组合型的边坡,不宜设大平台,在红粘土层处减小坡比,用圆弧形滑面分析平台上下的边坡和包括平台的整体边坡等。黄土边坡的坡比既不宜过缓(过缓易受到冲刷和浸水饱和的水解与湿陷),又不宜过陡(过陡降雨易对坡面上的节理、裂隙产生冲蚀、剥落与坍塌),一般为1︰0.4~1︰0.75,临界值为1︰1。黄土边坡的稳定分析方法需要按滑面的特点作出有效的选择。在近似采用圆弧滑动面形状时,简化的毕肖普法仍不失为高边坡稳定性分析的一种有效方法。其它如裂隙圆弧法或复合型滑动面法需按实际情况选用。将有限元法和极限平衡法相结合来分析边坡的稳定性,对条件比较复杂的开挖高边坡是一种较好的方法。将理论计算方法与地质比拟方法互相验证往往会得出更为可靠的判断。由于黄土边坡的破坏形式主要有坡面变形破坏(剥落和冲刷)和坡体变形破坏(崩塌和滑塌)两种。因此,坡面的整体防护措施和坡体的合理设计,不仅是同样重要的,而且是彼此关联的。
        (31)黄土坡面的防护技术应使工程防护和植物防护两类与排水措施合理结合。工程防护中的浆砌片石护面墙可有效防止降水沿坡面的下渗,减轻坡面的冲刷剥蚀;浆砌片石砌筑的拱形、菱形骨架护坡可防止水对坡面的冲刷、剥蚀(骨架内还可种草绿化,改善景观);挂网喷浆在降雨较少的黄土地区也有加固防蚀的效果;捶面,砖砌护坡对小型修补也有所应用。黄土坡面的植物防护主要是在坡面上种植植物,由植物根系的力学效应,茎叶的水文效应及蒸腾排水效应达到防护的目的。目前,穴种,沟播,栽藤,三维塑料网固土种草,在喷播的厚层基材(种籽、肥料、土壤和保水材料、粘合材料的混合物)中,在混凝土的框架内,或浆砌石的拱形式、菱形式、窗孔式骨架内,以及在柔性的土工格室(改善陡坡的立地条件和水肥条件,保护草种和有草被水冲失,有缓坡时的平铺式与陡坡时的叠砌式)内建植草皮或灌木的方法,和在平台、缓坡上种植经过营养袋栽培的树苗等方法都得到了有效的应用。
        (32)黄土滑坡和黄土陷穴是黄土地区较常遇到的问题。软弱结构面,高陡临空面和地下水是黄土滑坡的三个敏感性因素。黄土滑坡的预防和治理都需要紧紧扣住这些敏感性因素,选择出最合理的防治对策方案。对以软弱结构面为最敏感因素的滑坡,可用抗滑桩,挡土墙,减小开挖深度,设置坡顶引水沟等措施;对以高陡临空面为最敏感因素的滑坡,可用削方减载,支挡工程,排水,绿化等措施;对以地下水为最敏感因素的滑坡,可用坡脚处的仰斜排水孔,边构下的纵向盲沟,坡顶的清方减载,坡脚的抗滑挡墙,坡面的窗口式骨架护坡等措施。黄土陷穴常在一定的地形、地貌以及水的补给条件下形成,它可有碟形、漏斗状、竖井状、串珠状等不同形式。黄土的物质组成和结构是黄土陷穴形成和发育的物质基础,黄土的透水性、湿陷性、崩解性是黄土陷穴形成发展的重要因素,黄土地区的地形起伏大,特别是陡坎地形加上凹性洼地,在地势上存在高差等,常为给水的汇集、积存提供了条件。因此,黄土陷穴多分布在高阶地和塬的边缘、坡面,在有积水条件(地形有洼地)的坡顶,以及在上游侧有集水可能,在地势上有高差等地方。对于工程地质调查确定出的可能陷穴区,需要再进行电探、物探,圈定产生陷穴可能的范围与地点,最后用钻探等手段对它作出最终的确定。
         5. 黄土洞室
        (33)黄土洞室稳定性的主要影响因素一般已不在于黄土的水敏性,因为在黄土地层自下而上的变化中,Q1 黄土的土质好,埋藏深,厚度小,对通常洞室工程的稳定性意义不大;Q2黄土土质疏松,强度低,湿陷大,一般在其中不宜建造洞室工程;Q2黄土和Q3黄土的下部,不仅有一定深度,而且分布广,厚度大,土质较密,湿度较低,强度较高,常是黄土洞室的主要地层,但它一般不具湿陷性。大量的洞室工程对象是低湿度的黄土层。这类黄土的应力应变关系一般可以为硬化型(高围压下),也可以为软化型(低围压下),但在变形不大时,一般常可按直线变形体来对待,并注意考虑它对开挖掌子面的约束和延迟变形作用,以及这些随时间变化的变形与开挖支护的迟早相交织后对黄土围岩的形变压力所造成的影响。目前常将这些变形随时间变化的影响统一由一个对不同衬砌方式经验确定的暴露系数(支护前的自由位移与支护后的约束位移之比)来反映,并取用长期模量和长期强度的数值,用弹性理论或弹塑性理论(视应力的大小)来进行计算。实践证明,这样处理的结果,对于变形最终能趋于稳定的洞室变形来说是可以接受的。但从总体上看,黄土洞室工程中的山岩压力问题仍然没有得到解决。考虑黄土的各向异性,洞室的旁山偏压,双洞的间距以及施工方法等对山岩压力影响等问题,尚未见到深人的研究成果。因此,从发展上来看,以有限单元法为基础的数值计算仿真分析方法会具有更大的应用前景。
        (34)当前,黄土洞室计算的模型多借鉴于隧道结构计算常用的模型,主要有荷载结构模型,收敛约束模型,地层结构模型和经验类比模型,而以荷载结构模型最为常用。它以地层压力按弹性地基上结构物的计算方法计算衬砌内力,并进行结构截面设计。收敛约束模型充分体现了保护和发挥围岩自承能力的思想,它关心的是支护抗力作用下的地层状态,而不是荷载作用下的支护结构状态,认为设置支护结构的目的是阻止围岩体受力变形状态的恶化,而不是主动承担荷载。但由于目前还难于确定地层和支护的响应曲线,它还难于作为隧道支护定量分析与设计的方法,主要用于根据量测的洞周收敛值进行反馈和监控,指导后继的隧道设计与施工。地层结构模型将衬砌和地层视为一个共同受力的统一体系,按变形协调条件分别计算衬砌和地层的内力,以评价地层的稳定性和结构的截面设计。它需要依赖数值计算方法和所用介质本构关系的合理性,且由于影响因素的复杂性,计算的结果多用于设计方案决策者的定性参考以及模型识别与参数的反演。经验类比模型在建立了正确的围岩分类体系和积累了大量工程经验的基础上具有很大的优点。它在世界及我国地下工程设计中仍然占据着重要地位。当然,在多种计算模型计算结果综合分析的基础上做出判断决策将可避免过分依赖于某一种模型可能造成的风险,是一种最好的方法。
        (35)对围岩压力问题进行深入的研究是荷载结构模型应用的基础。在围岩压力问题上,从将上覆岩土层的重量作用在支护结构上的上覆压力理论,发展到散体压力理论(普氏的塌落拱内岩块重量压力理论,太沙基的松动土压力理论)后,大部分的研究工作都是在它基础上的改进性研究,重点在滑动面的位置和形状方面作了一些探索。
        (36)用数值计算的方法研究黄土隧道复杂条件下洞周土体位移与应力以及衬砌内力(弯矩与轴力)的分布与变化规律具有明显的优点。但是,应该注意,仿真分析中的计算条件往往与实际地质、设计、施工、回填中变化多端的条件等有所差异,计算模型与方法也有是否符合实际情况的问题;即使是现场测试,它也会由于测试元件的存在,测试元件埋设位置的误差以及测试精度等原因影响的误差。计算与实测互为检验的基础上作出综合的评定才是正确的途径。实测资料已经得到的一些规律应该得到人们很好的重视。
        (37)黄土隧道的施工一般用双侧壁小导坑先拱后墙法, 双侧壁大导坑全断面开挖法及双侧壁导坑先墙后拱反台阶法。在胶结较好的老黄土中,土体的自承能力较好,可采用单侧壁导坑(分为先行导坑与后行导坑,各由上向下施工)或双侧壁导坑的“新奥法”施工。但是, 应该指出,在黄土隧道施工中,一个重要问题应是注意最大限度地保护黄土的天然结构强度,减小因变形产生裂缝而造成强度损失,选择能够有效控制变形的支护结构形式(因为黄土隧道不像岩石隧道那样会随着开挖围岩的收敛变形而发生应力的重分布,达到新的平衡,它只会随着变形的增大加剧破坏,引发混凝土衬砌的变形);另一个重要问题应是做好防水层与排水系统的布设与质量的保证措施。
        (38)黄土隧道病害(如衬砌的变形、洞身的开裂,洞顶的掉块、塌方,渗水漏水,地表的裂缝、陷穴、溶洞,拱顶下沉等)的处治技术也是一个引人注意的问题。由于它的出现是一系列自然因素和人为因素综合影响的结果,因此,对它的处治应该针对主要影响因素分别对待。考虑到黄土的特点,水的浸入不仅会使隧道基地软化下沉,电缆槽变形、开裂,衬砌环向开裂,或松动圈扩大,山岩压力增大,而且溶出盐分的结晶会使排水管道堵塞和设备锈蚀腐烂等,在设计时,除需考虑浸水引起的强度指标降低外,还要做好衬砌防水层(用土工布或PVC防水板,可起到防水和缓冲作用,如将其与表面凹凸不平的一衬混凝土相接触,还可起到间隙排水的作用)以及必要时的帷幕止水与内外排水系统(设在仰拱下中心处的中心排水沟,路面排水沟)等设施。对地表的陷穴与裂缝也要做好回填处理,防止大气降水与农业用水的集中渗入。当发现有滴渗、淋淌、股水或突水等不同类型的情况时,必须及时处理。
        (39)黄土填土下面的涵洞是黄土洞室工程的另一种常用的形式。它和周围土体和地基共同工作,涵洞上作用的土压力和涵洞地基的承载力是黄土涵洞两个主要的土力学问题。应该注意,涵洞外部的填土既是涵洞的外荷,又是涵洞传递和支撑荷载的介质。对于常用的上埋式涵洞,洞顶处填土的沉降值最小,洞两侧土体的沉降变形也总是小于远离涵洞位置处的变形。因此,涵洞上的填土压力总是大于填土的土柱压力,并在紧邻涵洞的两侧一定的土体范围内(与洞径大小有关)出现应力集中现象。这种应力集中现象愈往高处又逐渐减小,范围逐渐扩大,至距涵顶某个高度处(约为管径的2.25倍)沉降差接近于零(这个高度常称为等沉面的高度),再往上处的土层就与远离填土处的土层有均匀一致的沉降。为了减小涵洞上土压力,减小等沉面以下范围内的沉降差是一种主要的措施。将等沉面以上土体作为均布荷载,由等沉面以下、涵洞宽度以外的土体作向下滑动的模型来计算涵洞土压力的马斯顿(Marston A.,1913)方法,仍然是涵洞土压力理论继续发展的基础。后来的研究,除在确定等沉面高度的方法和考虑滑面上粘聚力的方法外,对滑面合理位置的改进成了工作的重点。将滑动面改为两倍洞径处与水平线成的斜面来分析的方法,除可体现土性的影响外,还可体现了涵洞端面的影响,得到了与有限元计算较接近的结果。但是,如果在实践中能够发展一种人工创建马斯顿受力条件的方法,则可从本实质上减小涵体外侧土沉降时所传给涵顶的竖向土压力,大大地消除沉降差的影响。因此,在填土过程中逐层沿涵洞侧的竖面切割缝隙,填入EPS之类的材料以形成剪切隔离带的方法,已经得到了应用。此外,对于涵洞所处的沟谷地形(宽度与坡度,甚至两坡的对称性)以及地基的处理程度与范围对于涵洞上土压力的影响问题也必须重视。一般,如果填土达到相当高度,则沟谷地形将产生减荷效应(约可达17%),土压力集中系数Ks要随填土高度的增大而减小。如果地基处理的程度较大,范围较小,则洞顶沉降的减小会使沉降差增大,导致涵洞上土压力的增大。对沟谷地形的影响,应引入不同填土高度时沟谷宽度和坡度的影响系数;对涵洞地基处理的影响,应使地基处理的宽度较涵洞的宽度有足够的余度;在岩基上涵洞的顶部宜铺设较高压缩性的材料(常用EPS板材料。土压力集中系数应与不同的材料厚度、密度和铺设范围以及填土高度相联系,使其在填土过程中,尤其是后期仍有一定的沉降变形),对减荷有良好的影响。
        在研究涵洞的地基承载力时,应该注意它不同于一般建筑地基的特点。它作为空心结构,其基础传递的压力往往并不会像一般建筑地基那样总是高于两侧填土所产生的旁侧压力。因此,如果单纯地从减小涵洞的裂缝破坏出发而加大地基刚度或采取减小变形量的措施,则反而会使涵洞上的土压力加大。涵洞地基的承载力应决定于地基的变形量,而不是它的极限承载力值。如果涵底地基中的土体反而因旁侧荷载的挤压而有所上升时会出现沉降量减小的现象。
        (40)黄土窑洞是一种在黄土高原地区广泛出现的民居形式。它有依山就势挖成的“靠山窑”,由塬顶向下挖成的“天井院”和半明半暗的“窑院庄”;它或为单窑,或为套窑;呈直墙拱圆断面,或二心圆尖拱、抛物线拱断面。它通常是前高后低,以利采光和排烟。实践表明,它具有较土坯拱房和木构架房屋为好的抗震性能。调查研究已经总结得出了地震烈度与窑洞建筑尺寸间的关系,建议的推荐值和结构措施有一定参考价值。

        6. 结束语
        对一个问题的正确认识有赖于对已有各类成果和经验的正确分析。国内关于黄土有关问题的各种参考资料相当广泛,笔者主观地从自己接触到的一些材料中选取了自己认为是具有一定代表性的文献,做了“一孔之见”的归纳与分析,仅可作为认识和解决黄土有关问题时的参考。在为学会成立50周年写这篇文章时,我想起了我国老一辈土力学专家们对自己的教育与栽培,更想起了领我进入土力学大门的钱鸿缙教授和长期关怀我成长的刘祖典教授。在此,我愿意对他们表示衷心的感谢。