1 绪论
1.1 研究背景
伴随着全国各地经济的快速发展，人们对于土地资源的利用需求越来越多，因而经济的发展和耕地保护的冲突也逐渐凸显。如何在确保经济平稳发展的同时，又能合理利用现有的土地资源便显得尤为重要，而现有大量分布的砒砂岩便是有待开发利用的土地资源[1]。
在黄河流域晋陕蒙接壤的毛乌素地区存在大量的砂土和砒砂岩，该地区的农牧业相互交叉，人们的生活与土地需求之间存在供给矛盾，且当地生态系统较为脆弱，生活环境有待改善[2]。因为当地过度放牧以及不合理的农耕，导致该地区的土壤严重砂化、草地和田地退化，造成农业生产力下降。砂和砒砂岩是该地区主要的物质成分，砒砂岩为陆相碎屑岩系，它风化之后一吹风就会起粉尘，含水量低时坚硬如石，含水量高时则松软如泥，遇水容易流失，平时无法利用；而砂则是松散的颗粒结构，极少有团粒结构，因而具有较强的透水性能，持水性弱[3]。倘若将二者有机结合起来，充分利用各自的优点，将其作为建筑原材料，就可以实现变废为宝，不但可以解决当地砂漠化问题，更是为建筑行业引入新型原材料[4]。
砒砂岩区独特的地理环境带来了大面积的土壤破坏，土壤砂化问题也越来越严重，该区域是黄土高原砂化最严重的区域，被专家称之为“环境之癌症”和“世界水土流失之最”[5]。因此砒砂岩地区的治理成为该地区发展的关键，也对毛乌素地区农业生产与经济发展间的矛盾具有重大意义。然而现有的关于砒砂岩的研究，大多是集中在复配土壤对于农作物的促进生长作用的研究【6-8】。所以研究砒砂岩与砂复配土的物理力学特性成为治理该土质问题的至关重要的新途径。
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1.2 研究目的和意义
砒砂岩是一种岩石，但因其上覆岩层较薄，又含有大量发育不充分的泥岩和泥砂岩，所以结构松散，颗粒之间胶结力差。其中又含有较多的粉粒，这种粉粒能快速形成土粒结构，更加容易板结，板结后则不透水。而砂的颗粒大漏水漏肥，两者配合刚好形成互补。学者们经过大量室内外试验研究发现，当按照一定的比例将砒砂岩与砂混合形成一种复配土之后，随着复配土中砒砂岩含量的增加，复配土中的粉粒及粘粒含量也会随之增加，而随着砂粒含量的减少，复配土土体的性质从砂土转化为砂壤[9-10]；同时复配土的持水性能也有所提高，随着配比的增大其塑性指数、粘聚力等也逐渐增大[11]。所以该项研究对于中国北部非常严重的荒漠化问题，以及对荒漠地区的农产业经济、生态环境的改良具有极大的意义。
以荒漠化比较严重的毛乌素地区为例，砒砂岩和砂均属于该地区具有侵蚀性的两种土壤。在研究解决该地区的土壤砂化问题、植物生长问题、生态环境平衡[12-13]等问题时发现了砒砂岩与砂两种物质能够很好地形成互补。因而有农学方面的专家研究了砒砂岩与砂在不同配比下对于农作物生长的影响[14-16]，并且研究成果在生态脆弱区治理土地时得到了有效运用，建立了一套高效的砒砂岩资源利用技术体系，从而实现了大规模的、标准化的砂土地改良工程，形成砂漠化地区砒砂岩土壤高效节水的标准化农田工程，且与现代化经营为一体的土地综合利用新模式，实现土壤的资源化利用并将废地变为宝地，从而提高该地区生态环境和农业的生产力水平。
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2 试验材料及内容
2.1 试验材料
在陕北榆林市榆阳区分别采集砂和砒砂岩，砒砂岩颜色呈红褐色，土质比较坚硬，颗粒较小分布均匀。福建标注砂，颗粒均匀且级配良好。由于中途砒砂岩不够，重新取回一批。为避免两次砒砂岩存在差异性，试验过程中同一组试验采用同一批砒砂岩。将采集的砒砂岩碾碎研磨，过孔径 2mm 筛子。同样，将砂土过 2mm 筛之后与砒砂岩以不同质量比 1:9、2:8、3:7、4:6、1:1、6:4、7:3 混合，通过设定不同的干密度和不同含水率，进而开展多项室内试验研究。试验所用材料如下图 2-1 和图 2-2 所示。
2.2 试验仪器
该课题分别进行了液塑限测定试验、渗透试验、压缩试验、直接剪切试验 和三轴压缩试验。也分别采用了光电式液塑限联合测定仪、常水头渗透仪、固 结仪、应变控制式直剪仪、三轴剪切仪、GDS 土动三轴仪等试验仪器。
（1）本实验的目的是测定砒砂岩与砂复配土的液限和塑限，划分其土的类别、计算塑性指数、液性指数。
（2）研究砒砂岩与砂土不同配比下的渗透特性；实际环境中，土中都含有不同量的水，而水在土体中会发生渗流，渗流时会造成一部分水头损失，影响工程施工的安全。另一方面会造成土体内部应力状态发生变化，影响土体的稳定性。由于土体中存在水的渗透而引起土体的变形、地基失稳、岩溶渗透塌陷、水坝提防中的管涌等等均属于土体的渗透稳定问题。为此，我们必须在施工前研究土的渗透性、水对土体渗透性的影响规律以及对工程施工的影响，以确保工程的安全。
（3）研究砒砂岩与砂土在不同的质量配比下和不同含水率时，复配土的压缩特性；为了研究试样在轴向荷载下的压缩变形特性，需要通过对砒砂岩和砂复配土试样进行侧限压缩试验，通过测量不同幅值的应力时试样的压缩变形量，进而计算出复配土压缩系数。
（4）研究砒砂岩与砂土不同配比和含水率的直接剪切特性（直剪试验）； 其中室内测试土体抗剪强度指标的常用方法包括直接剪切试验和三轴压缩试验。实验过程中每组需要制备至少 4 个试样，本研究采用 100kPa、200kPa、300kPa、400kPa4 种不同的垂直压力，根据剪切位移和剪应力曲线的峰值点或者稳定点，求得破坏时的剪应力，然后求得土样的。
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3.1 不同质量比复配土的界限含水率 ................................ 11
3.1.1 界限含水率的测定 ....................................... 11
3.1.2 界限含水率试验成果 ..................................... 11
4 复配土的动力变形特性研究 ............................... 38
4.1 概述 ............................. 38
4.2 试验原理、仪器及方法 ............................... 38
4.3 试样制备 ............................... 41
5 砒砂岩与砂复配土的动模量与阻尼比变化特性 ......................... 54
5.1 复配土动模量变化规律研究 .................................... 54
5.2 复配土动剪切模量变化规律研究 ................................ 57
5 砒砂岩与砂复配土的动模量与阻尼比变化特性
5.1 复配土动模量变化规律研究
分析前文的试验结果，可以发现，砒砂岩与砂复配土的应力应变关系曲线，皆表现处硬化型破坏，即符合双曲线模型。为了建立复配土的动应力应变本构关系，求取相应的模型参数，因而将不同条件下复配土的动应力应变曲线进行直线化，从而绘制出不同条件下复配土的1 Ed —εd关系曲线，如下图 5-2 所示。
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6 结论与展望
6.1 主要工作成果
本文主要以毛乌素地区表层风化砒砂岩为研究对象，按照一定的条件将其与砂混合制成复配土试样，从而开展了一系列的试验，并通过整理分析数据得出了以下结论：
（1）通过渗透试验研究发现，砒砂岩与当地风成砂形成的复配土其渗透特性表现出，当砒砂岩与砂的质量比一定时，渗透系数随干密度的增大而减小。干密度一定时，渗透系数随配比的增大而减小。
（2）压缩试验发现，砒砂岩与砂形成的复配土压缩特性表现出土样的孔隙比随着加载压力的增大而减小。配比相同时，试样的干密度越大，土样表现的不容易被压缩，干密度越小，土样更容易被压缩。干密度相同时，随着配比的增大，孔隙比减小的趋势也越大，即配比越大，土样表现为更容易被压缩。当配比和干密度都相同时，含水率越大，土样表现为更容易被压缩。
（3）复配土试样在直剪试验与室内静三轴实验时，表现出当复配土试样的干密度和含水率相同，配比越大土样的内摩擦角变化相对复杂，但整体呈减小趋势，粘聚力随配比的增大而增大。配比和含水率相同，干密度越大，内摩擦角和粘聚力均增大。配比和干密度相同，含水率越大，内摩擦角越大，而粘聚力随含水率的增大而减小。
（4）当砒砂岩与砂复配土经受动荷载作用时，发现不同条件下，其应力应变曲线，均表现出硬化型破坏趋势，比较符合 Hardin Dinevich 双曲线模型。且砒砂岩与砂复配土的质量配比存在最优比例，为 7:3。当质量配比、干密度一定时，随着含水率由 8%增加到 14%，试样的动强度值随之减小。而当质量配比、含水率一定时，随着干密度由 1.4 g/cm3增长到 1.7 g/cm3，复配土的动强度值在增加。
（5）通过应力应变曲线直线化，得到了其动模量随动应变变化的关系曲线，从而求得了竖曲线模型参数a、b值。当复配土试样的质量比及干密度一定时，其本构关系双曲线模型参数 a、b 值均随着含水率的增大而增大；质量比一定时，不同条件复配土试样的本构模型参数 a、b 值与试样的干密度有关，但不存在明显的线性关系。
参考文献（略）