2015年6月,第21卷,第2期,268—273页 June 2015,Vo1.21,No.2,PP.268-273 高校地质学报 Geological Journal of China Universities DOI:10.161080.issnlO06-7493.2015098 基于Fredlund粒度分布曲线方程的中国黄土粒度分析 杨青 中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安710043 摘要:粒度分布曲线是土壤最基本的土性参数之一,通过数学方程预测粒度分布曲线将为工程勘察节省大量成本。Fred. 1und建立在Fredlund和Xing土水特征曲线方程基础上的粒度分布曲线方程已被证明适用于多种土类,但其对中国黄土的有 效性很少得到验证。本文采用Fredlund粒度分布曲线方程对黄土高原7个地区18个黄土样的粒度分布曲线进行了拟合,结 果表明Fredlund粒度分布曲线方程与中国黄土的粒度分布曲线拟合度高,拟合参数稳定且呈规律性变化,能够很好地反映 中国黄土的地域性。本文得到的参数可用于各个地区的粒度分布曲线预测,并对黄土粒径分析及分类具有指导意义。 关键词:黄土;粒度分布曲线;土一水特征曲线;非饱和土;地域性 中图分类号:P642.13 文献标识码:A 文章编号:1006—7493(2015)02—0268—06 Grain--size Analysis of the Loess in China Using the Grain--size Distribution Equation YANG Qing China Railway First Survey&Design Institute Group Co.,Ltd.Xi an 710043,China Abstract:Grain—size distribution curve is one of the most common soil properties.It can help to reduce a large amount of engineering cost if the soil grain—size distribution could be predicted using mathematical equations.Fredlund grain・size distibutrion equation based on Fredlund and Xing soil—water characteristic curve has proved to be effective for a large number of soil types,while few literatures have been found to verify its effectiveness for loess soils in China.This paper targets on the grain・size distribution of loess soils in 7 regions in the Chinese Loess Plateau.which were fitted with the Fredlund grain—size distibutrion equation.The results show that Fredlund grain—size distribution equation fits well the grain—size distribution of loess soils in China,with the stable and regularly changing parameters,which presents well the regional characteristics of loess soils in China.The parameters obtained in this paper can be used to predict grain—size distribution of loess soils in these 7 different regions,the resuhs could also provide guidance for grain—size analysis and classification of loess soils. Key words:loess;grain—size distibutrion curve;soil-water characteristic curve;unsaturated soils;regional characteristics First author:YANG Qing,Engineer;E—mail:2827 1 8095@qq.com 黄土的粒度分布曲线是最基本的土性参数之 其反映了黄土的沉积环境,在黄土工程与研 究中,粒径分析具有非常重要的意义。粒度组成 一黄土的结构状态,从而影响黄土的物理力学特性 ,(孔隙比、干密度、变形性和强度)和土一水特性 (渗透性和持水性)。再者,黄土作为典型的非饱 和土,土一水特征曲线是评价非饱和土强度、变 形、渗流特性的重要指标,鉴于土水特征曲线的 不仅是研究黄土的物质来源、搬运介质、沉积环 境及环境变化的基础,而且黄土的颗粒大小影响 收稿日期:2015—02—16;修回日期:2015—05—25 作者简介:杨青,男,1981年生,工程师,主要从事铁路、公路工程地质勘察、岩土工程施工;E-mail:282718095@qq.corn 2期 杨青:基于Fredlund粒度分布曲线方程的中国黄土粒度分析 269 实验室或现场测量耗时、耗力、对测试仪器精度 要求高等,近年来人们试图基于粒度分布曲线来 预测非饱和土的土一水特征曲线。因为粒度分布曲 线可以间接反映土体的孑L径分布,而土一水特征曲 线又受孔隙大小控制,因此这一方法已被证明是 合理的且以此为理论依据开发的岩土工程应用软 件已得到了广泛使用,如SoilVision 2009。粒度分 布曲线可以在实验室获得,方法有:筛分法(适 用于粒径大于0.075 mm的土)、密度计法(适用于 粒径小于0.075 mm的土)、移液管法(适用于粒径 大于0.075 mm的土)等,在工程实践中,往往在 深度上按一定间距取土进行物理力学测试,这样 就使得粒度分析曲线的测试变得枯燥冗繁,此时 若能在少量已有的数据基础上利用数学方程(拟 合)得到整个粒度分布曲线,或利用经验参数通 过数学方程预测粒度分布曲线,就能大大缩减工 程勘察的物质成本和时间成本。 Gardner(1956)是最初试图使用对数正态分 布曲线来拟合土体粒度分布曲线的,但是却不被 建议使用,是因为当时缺乏拟合试验数据和对数 正态分布方程的程序或算法。Hagen等(1987)开 发了计算机迭代程序,只需要两组数据就能拟合 标准正态分布曲线,却发现对数正态分布曲线不 能很好地表达极限段粒度分布曲线,即小粒径段 和大粒径段。Wagner和Ding(1994)又试图使用 多个参数的对数正态分布方程来拟合粒度分布曲 线。对数正态分布曲线表达粒度分布曲线具有两 点弊端,其一是对数正态分布假设粒度分布曲线 是对称的,而实际的粒度分布曲线是非对称的; 其二是即使是多参数的对数正态分布也不能很好 地拟合双峰或多峰粒度分布曲线。Fredlund(1999) 和Fredlund等(2oo0)建立在Fredlund和Xing (1994)土水特征曲线方程基础上的粒度分布曲线 方程被用于拟合6000(SoilVision database)多种土 类的粒度分布曲线,证明其具有较广的适用性, 鉴于SoilVision database中没有对中国黄土的颗粒 数据分析,也就是说很少有报道称此方程适用于 中国黄土,本文采用Fredlund方程对中国黄土高 原从西北到东南共计7个地区l8个黄土样的粒度 分布曲线进行了拟合,结果不仅验证了Fredlund方 程对中国黄土的粒度分布曲线拟合度高,拟合参 数稳定且规律性变化,能够很好地反映中国黄土 的地域性。本文得到的参数可用于各个地区黄土 粒度分布曲线的预测,并对黄土粒径分析及分类 具有指导意义。 1.Fredlund粒度分布曲线方程 Fredlund和Xing(1994)土一水特征曲线方程 是建立在孔径分布基础上的,假设土孔隙是一系 列相互连通,随机分布的孔隙,由毛细理论可 知,土在脱湿过程中,水先从大孔径孔隙排出, 后从小孔径孔隙排出,则土体积含水率可以表示 为: ㈣=I暑 f(r)dr。 (1) 其中,O(R)是孔径小于R的孔隙都充满水时的体 积含水率,尺…为最小孔径,厂(尺)为孔隙体积密度 函数,,为孔径。由于孔径和吸力之间具有反比关 系,即r=C/O,土体积含水率又可以表示为: 。 百C)d( )= 『x ) 。(2) 其中,c为常数,0为吸力,0 为对应于最小孔径 的最大吸力,h为一个虚拟吸力变量。由此而得的 van Genuchten(1980)方程对应的与吸力有关的孔 隙体积密度函数为: 俐 mn(O [a)"-1 ) 。[exp(1)+( ) 】{l0gl exp(1)+(砂 ) l} 式(3)考虑了土水特征曲线覆盖整个吸力范围,即0~ 10 kPa。a,m,n为拟合参数,e为常数,将式 (3)代入式(2)便能得到Fredlund和Xing(1994) 土一水特征曲线方程: :c㈣: _—旦 、 {In[exp(1)+( /0) ]} ={卜 {ln[exp(1)+( )1) 。 式中,C( )为调整函数;吸力很小时等于1,吸力 为10 kPa时等于0; ,等于残余吸力值; 等于饱 和体积含水率。 土一水特征曲线能够反映土体的孔径分布特 征,而粒度分布曲线反映的是土颗粒的大小,土 颗粒体积与孔隙体积之和即为土体总体积,可以 说土水特征曲线和粒度分布曲线呈相反发展趋 势,如图1所示。Fredlund和Xing(1994)在土一 270 高校地质学报 2 1卷2期 抽 、一 槲 缸 巢 蛙 , O.OO1 0.01 0.1 l 10 1OO 粒径(mm) 图1粒度分布曲线与土一水特征曲线 Fig.1 Grain—size distribution and soil—water characteristic curve 水特征曲线方程基础上提出了粒度分布曲线预测 方程,如式(5)所示: 式中, (c,)等于小于某一粒径的颗粒所占百分 比,a ,ng , 为拟合参数,其意义与a,n,m 在土水特征曲线上表示的物理意义相似,即都是 控制曲线形状的参数。 等于与细粒含量有关的 参数,d 为最小粒径,d为粒径。粒度累积分布函 数即式(5)微分形式。 1 'o,II1一 }。(5) ln _—— ㈡ m 一ngr 斗 1ml n【f, H1+. 生d ×+ 1n l+ d ]/ I小 d rgr 将各地区粒度分布曲线拟合参数取均值,粒度 d 、l6 / J 2中国黄土的粒度分布曲线 本文从文献中收集到黄土高原共计7个地区 18个黄土样的粒度分布曲线,从西北到东南分别 为兰州(2个)、西峰(2个)、榆林(3个)、洛川 (3个)、旬邑(3个)、西安(2个)、亡 山(3 点。 分布曲线参数的地域性变化特点如图4所示。 Fredlund粒度分布曲线方程中参数%对应Fredlund 和Xing(1994)土一水特征曲线方程中的参数a(与 进气值有关,通常稍大于进气值),均反映了曲线 的拐点位置。中国黄土粒度分布曲线参数%从西北 向东南呈下降趋势。 越小,粒度分布曲线重心越 偏向左,即粒径越小,级配越均匀,这和中国黄土 个)。取样点位置如图2所示。采用Fredlund粒度 分布曲线方程对这些黄土的粒度数据进行拟合, 表1为拟合参数及方差。图3列出了每个地区的粒 度分布实测曲线及拟合曲线(邙山的数据为三条 实测粒度分布曲线的均值)。由图可知,Fredlund 粒度分布曲线方程对中国黄土的粒度分布曲线拟 合精度较高(方差均小于0.1),参数稳定且呈规 律性变化,能够很好地反映中国黄土的地域性特 粒径的地域性特点一致,即从西北向东南,受风力 的搬运作用,分选性越好。榆林黄土的n 值较大是 因为榆林地处黄土高原边缘,黄土物质受风力作用 从戈壁沙漠至此处沉积,搬运距离短,因此粒径较 大。参数几 和曲线的坡度有关,n 越大,曲线越 2期 杨青:基于Fredlund粒度分布曲线方程的中国黄土粒度分析 6 273 4 2 O 0 1 2 3 4 5 6 7 8 兰州 西峰 榆林 洛川 旬邑 西安 邙山 图4拟合参数随地域的变化特点 Fig.4 Characteristics of the fitting parameters of different to regions 分布曲线的预测,也对粒径分析和土的分类具有指 导意义。 26(6):928—936. 孙东怀,鹿化煜,David Rea,等.2000,中国黄土粒度的双峰分布及其 古气候意义【J]_沉积学报,18(3):327—335. 殷志强,秦小光,李玉梅,等.2008,源区距离对黄土粒度多组分分布 特征的影响[J].中国地质,35(5):1037—1044. Gardner W R.1956,Representation of soil aggregate size distirbution by a 3结论 粒度分布曲线是最基本的土性参数之一,其 实验室测试虽属于常规操作,但对于土样数目较 多的工程勘察仍耗时耗力。本文从已发表文献中 收集到黄土高原7个地区18个黄土样的粒度分布 曲线,采用Fredlund方程分别进行拟合,结果发现 Fredlund方程对中国黄土的粒度分布曲线拟合度 logarithmic—normal distirbution[J].Soil Society of America Proceedings. 20,151-153. Hagen L J,Skidmore E L and V ̄yrear D W.1987.Using two sieves to characterize dry soil aggregate size distribution[J].Transactions of the American Society of A culture Engineers,3O(1):162-165. Wagner L E and Ding D.1994.Representing aggregate size distribution as 高,拟合参数稳定且成规律性变化,能够很好地 反映中国黄土的地域性特点。本文拟合得到的参 数可用于各个地区的粒度分布曲线预测,同时对 黄土的粒度分析及土的分类具有指导意义。 modified log normal distirbutions[J】.Transactions of the American Society ofAgnculture Engineers,37(3):815-821. Fredlund M D.1999.The role of unsaturated soil prope ̄y functions in the practice of unsaturated soil mechanics[D】.Saskatchewan,University of PhD thesis,Saskatoon,Canada. Fredlund M D,Fredlund D G and Wilson G W.2000.An equation to 参考文献(References): 李兰,石玉成.2009,激光粒度分析仪测量黄土粉体粒度的应用研究[J】. 甘肃科学学报,21(4):46—50. 壬雪浪.2012.大厚度湿陷性黄土湿陷变形机理、地基处理及试验研究 [D】.兰州理工大学. 孙东怀.2006,黄土粒度分布中的超细粒组分及其成因[J】.第四纪研究. represent rain・sgize distirbution[J].Can.Geotech.37:817-827. Fredlund D G and Xing A.1994.Equations for the soil—water characteristic curve[J】.Can.Geoteeh.31:521—532. Van Genuchten M T.A 1980.closed form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils[J]_Soil Science Society of America Journa1.44:892—890.