人工制備砂土濕陷性影響因素分析

劉博詩(shī)，張延杰，王旭，梁慶國(guó)，李盛

(1. 蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070;2.甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070)

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人工制備砂土濕陷性影響因素分析

劉博詩(shī)1，2，張延杰1，王旭1，梁慶國(guó)1，李盛1

(1. 蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070;2.甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070)

根據(jù)濕陷性砂土礦物成分組分分析，選用無黏性細(xì)砂和膠結(jié)性黏土礦物煅燒高嶺土制備人工濕陷性砂土，通過正交試驗(yàn)和單因素試驗(yàn)，研究人工制備砂土濕陷性與黏土礦物含量、壓實(shí)度和初始含水量的相關(guān)關(guān)系，使試驗(yàn)結(jié)果具有可重復(fù)性和可控性。試驗(yàn)結(jié)果表明：1)影響人工制備砂土濕陷性的主要因素依次為：壓實(shí)度>高嶺土含量>初始含水量；2)人工制備砂土的濕陷性隨黏土礦物含量的增加，呈現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律；3)高嶺土含量為20%的人工制備濕陷性砂土的濕陷系數(shù)與孔隙比成正比關(guān)系，與干密度呈反比關(guān)系；4)砂顆粒周圍包裹著黏土薄膜，黏土薄膜上包裹著結(jié)合水膜，形成的雙層膜結(jié)構(gòu)是砂土在水的作用下產(chǎn)生濕陷原因。該研究結(jié)論可為鐵路工程中濕陷性砂土地基的處理提供參考和技術(shù)支持。

濕陷性砂土；鐵路路基；高嶺土；壓實(shí)度；初始含水量

濕陷性土在我國(guó)分布廣泛，除常見的濕陷性黃土外，干旱與半干旱條件下沉積的砂土，浸水受壓后也能發(fā)生結(jié)構(gòu)的破壞而產(chǎn)生大量的濕陷下沉[1]。砂土的濕陷性是一個(gè)較為復(fù)雜的物理化學(xué)過程，由于其特殊的形成條件和環(huán)境，造成了與一般第四紀(jì)土不同的沉積特點(diǎn)、物理力學(xué)性質(zhì)和濕陷規(guī)律[2]。隨著西部地區(qū)大規(guī)模鐵路工程的建設(shè)，不可避免遇到濕陷性砂土地基，如蘭新復(fù)線鐵路、蘭新第二雙線、蘭渝鐵路等均不同程度地穿越濕陷性砂土地段。由于粉砂、粗砂等砂性土具有良好的透水性，常常作為填筑材料應(yīng)用于鐵路路基中。砂土路基在機(jī)車往復(fù)荷載作用下，局部產(chǎn)生高應(yīng)力剪脹區(qū)，當(dāng)路基排水不暢時(shí)，土體吸水發(fā)生濕陷軟化，引起路基的附加沉降，對(duì)填筑體的變形、穩(wěn)定、開裂都有較大影響，因此砂土的濕陷變形特性在鐵路路基工程中是不可忽視的，而目前對(duì)砂土濕陷變形的研究主要集中在大壩蓄水等水利工程中，在鐵路工程中的研究較少。

對(duì)于濕陷性黃土，國(guó)內(nèi)外眾學(xué)者針對(duì)其濕陷類型、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、濕陷機(jī)理等方面進(jìn)行了深入研究，取得了豐碩的研究成果[3-6]。針對(duì)濕陷性砂土的研究成果較少，主要集中于探討含水率、壓實(shí)度與砂土力學(xué)性能指標(biāo)的關(guān)系。王強(qiáng)等[7-8]對(duì)路基砂土填料進(jìn)行了濕化變形試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)浸水濕化后土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)以及變形模量減小。舒玉等[9]對(duì)砂土路基取樣，進(jìn)行了重型擊實(shí)試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)和承載比試驗(yàn)研究，分析了含水量與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、壓縮模量和CBR值的關(guān)系。Jennings等[10]通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)砂土路基在浸水濕陷后仍會(huì)產(chǎn)生較大豎向位移。Skopek等[11]發(fā)現(xiàn)松散的干砂土浸水飽和后，由于排水不暢，在不排水加載和孔隙水壓力作用下砂土亞穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)發(fā)生濕陷破壞，穩(wěn)定性急劇降低，誘發(fā)嚴(yán)重的邊坡滑動(dòng)事故。此外，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于砂土濕陷性影響因素方面初步探究，主要從單因素分析干密度、含水率與濕陷性的關(guān)系，對(duì)于綜合考慮壓實(shí)度、黏土礦物含量、初始含水量等砂土濕陷性影響因素以及影響程度評(píng)價(jià)方面研究的較少。羅云華[12]通過對(duì)不同相對(duì)密度的砂土進(jìn)行濕陷試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)砂土的相對(duì)密度是砂土濕化變形特性的主要影響因素。魏松等[13]對(duì)土石壩的粗粒砂土進(jìn)行三軸濕化變形研究，提出導(dǎo)致非黃土類土體濕化變形的原因是復(fù)雜的，要深入探索，有必要對(duì)各個(gè)影響因素分別探討。Lawton等[14]通過一維壓縮試驗(yàn)，研究了壓實(shí)方法、壓實(shí)含水量、相對(duì)密度、垂直應(yīng)力水平對(duì)黏性砂土體積變化率的影響，為路基填筑提供了理論指導(dǎo)，但未考慮黏土含量對(duì)砂土濕陷性的影響。砂土的濕陷性研究尚處于探索階段，隨著沙漠區(qū)的開發(fā)和發(fā)展，相關(guān)理論知識(shí)體系和技術(shù)處理會(huì)變得更加完善和成熟，因此加強(qiáng)對(duì)濕陷性砂土基本性質(zhì)的研究具有重要的理論意義與現(xiàn)實(shí)意義[15]。本文選用細(xì)砂和煅燒高嶺土兩種材料制備出人工濕陷性砂土，通過控制和改變材料中黏土礦物成分、壓實(shí)度、初始含水量等顯著影響濕陷性的一系列變量，更好地從礦物成分、物性指標(biāo)等多方面研究砂土的濕陷性，經(jīng)過大量試驗(yàn)探究驗(yàn)證了試驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性和可控性，為濕陷性砂土地區(qū)鐵路路基模型試驗(yàn)的參數(shù)選取提供參考。

1　相似材料選取與分析

我國(guó)第四紀(jì)沉積土的工程性質(zhì)主要取決于土的物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)[16]。根據(jù)土體所含的主要礦物成分，可分為無黏性的粗粒礦物和有膠結(jié)性的黏土礦物兩大類，無黏性粗粒礦物如石英、長(zhǎng)石、方解石、云母等，與水不起作用，不影響濕陷過程。膠結(jié)性黏土礦物如伊利石、高嶺石、綠泥石、蒙脫石等，在一定程度上體現(xiàn)著土體的濕陷性。根據(jù)對(duì)濕陷性土體礦物分成的分析，選用無黏性細(xì)砂和膠結(jié)性黏土礦物煅燒高嶺土制備人工濕陷性砂土，見圖1。

圖1　相似材料Fig.1 Similar materials

細(xì)砂選用河砂，顆粒直徑在0.075～1 mm之間，小于0.075 mm占3.22%，不均勻系數(shù)Cu=3.47，曲率系數(shù)Cc=1.03。高嶺石采用煅燒高嶺土，顆粒比重為2.63。選取材料烘干后，按質(zhì)量比例稱取混合，攪拌均勻，使兩種材料均勻分布。分別選取高嶺土含量(質(zhì)量比)為0%，5%，10%，15%，20%，25%，30%，40%和50%制作濕陷性砂土試樣S-1，S-2，S-3，S-4，S-5，S-6，S-7，S-8和S-9，進(jìn)行液塑限試驗(yàn)和擊實(shí)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1　人工制備砂土物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of artificial sand

圖2　高嶺土含量與液限含水量和塑限含水量關(guān)系曲線Fig.2 Content of kaolin vs. liquid limit and plastic limit curve

圖3　高嶺土含量與最優(yōu)含水量關(guān)系曲線Fig.3 Content of kaolin vs. optimum water content curve

圖4　高嶺土含量與最大干密度關(guān)系曲線Fig.4 Content of kaolin vs. maximum dry density curve

分析圖2～4，可以得出隨高嶺土含量的增加，液限含水量、塑限含水量和最優(yōu)含水量近似線性增加，而最大干密度逐漸減小。主要是由于細(xì)砂屬于粗粒礦物，與水不起作用，而高嶺土屬于黏土礦物，能吸附水分子形成一定厚度的結(jié)合水膜，增加了土體的可塑性。

2　正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)分析

2.1正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究初始含水量、壓實(shí)度和黏土礦物含量對(duì)砂土濕陷性的影響，結(jié)合國(guó)內(nèi)外學(xué)者人工濕陷性土體制備方法和張延杰等[17]前期的探討，應(yīng)用空中自由下落法(Air fall method)制備的人工濕陷性砂土，見圖5，能夠較好地模擬風(fēng)沉砂土的沉積條件和沉積過程，所制備的人工濕陷性砂土浸水后能產(chǎn)生較大的濕陷變形。

圖5　空中自由下落法制作試樣Fig.5 Sampling by air fall method

選取高嶺土含量、壓實(shí)度和初始含水量3個(gè)主要影響因素，高嶺土含量(質(zhì)量比)取5%，10%，15%和20%4個(gè)水平，壓實(shí)度取0.70，0.75，0.80和0.85 4個(gè)水平，初始含水量取3%，6%，9%和12% 4個(gè)水平，進(jìn)行3因素4水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，詳見表2，控制壓實(shí)度和含水量制作試樣，制備2組平行試樣，進(jìn)行濕陷性試驗(yàn)，分級(jí)加載至200 kPa穩(wěn)定后浸水，浸水變形穩(wěn)定，即每小時(shí)變形不大于0.01 mm后，分級(jí)加載至800 kPa。

表2　正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析Table 2 Orthogonal experimental design and result analysis

2.2正交試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，根據(jù)極差的大小，評(píng)價(jià)各因素對(duì)砂土濕陷性的影響主次，得出影響人工制備砂土濕陷性的主要因素依次為：壓實(shí)度>高嶺土含量>初始含水量。分別計(jì)算高嶺土含量、壓實(shí)度、初試含水量3個(gè)因素在同一水平(如高嶺土含量為5%為一水平)時(shí)的濕陷系數(shù)平均值，即水平/4，繪制各因素在不同水平下的濕陷系數(shù)指標(biāo)趨勢(shì)圖，見圖6～8。

圖6　壓實(shí)度與濕陷系數(shù)關(guān)系曲線Fig.6 Compaction degree vs. coefficient of collapsibility curve

圖7　高嶺土含量與濕陷系數(shù)關(guān)系曲線Fig.7 Content of kaolin vs. coefficient of collapsibility curve

圖8　初始含水量與濕陷系數(shù)關(guān)系曲線Fig.8 Initial water content vs. coefficient of collapsibility curve

國(guó)內(nèi)對(duì)濕陷性黃土已有了較多的研究成果，在砂土濕陷性評(píng)價(jià)方面尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，因此沿用研究濕陷性黃土的方法，根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》(GB 50025—2004)[18]，對(duì)不同高嶺土含量、壓實(shí)度和初始含水量的砂土濕陷等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)，如表2所示。

分析可得，濕陷系數(shù)隨壓實(shí)度的增大而近似線性減小，隨高嶺土含量的增加近似線性增加，初始含水量對(duì)人工制備砂土濕陷性的影響較小。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，在α=0.005的置信水平上構(gòu)造F統(tǒng)計(jì)量，作F檢驗(yàn)判斷濕陷性影響因素是否顯著。壓實(shí)度F比=54.88，高嶺土含量F比=51.08，均大于F0.005(3，3)=47.47，說明壓實(shí)度和高嶺土含量對(duì)人工制備砂土濕陷性的影響高度顯著。初始含水量F比=4.71

3　人工制備砂土濕陷性單因素試驗(yàn)分析

3.1高嶺土含量與濕陷系數(shù)試驗(yàn)

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，選取壓實(shí)度分別為0.7和0.8，初始含水量為6%，高嶺土含量分別為5%,10%，15%，20%，25%，30%，40%和50%制備試樣，進(jìn)行人工制備砂土濕陷性單因素試驗(yàn)分析，研究高嶺土含量與濕陷性的關(guān)系，如圖9所示。

圖9　高嶺土含量與濕陷系數(shù)關(guān)系曲線Fig.9 Content of kaolin vs. coefficient of collapsibility curve

分析圖9可得，當(dāng)高嶺土含量低于20%時(shí)，隨著高嶺土含量的增加，濕陷系數(shù)逐漸增大。當(dāng)高嶺土含量為20%時(shí)，濕陷系數(shù)為最大，壓實(shí)度為0.7時(shí)，δs=0.169，壓實(shí)度為0.8時(shí)，δs=0.112。高嶺土含量超過20%以后，隨著高嶺土含量的增加，濕陷系數(shù)逐漸減小。有研究結(jié)果認(rèn)為[19]：當(dāng)黏土含量超過30%以后，黃土的濕陷性基本消失。通過本次試驗(yàn)，可得出當(dāng)土體壓實(shí)度和初始含水量都較低的情況下，土樣結(jié)構(gòu)較為疏松，黏粒含量超過30%，人工制備砂土仍具有一定的濕陷性。當(dāng)壓實(shí)度為0.7，高嶺土含量為40%時(shí)，δs=0.168；壓實(shí)度為0.8，高嶺土含量為40%時(shí)，δs=0.081。

分析高嶺土含量與濕陷性的變化規(guī)律，高嶺土具有較大的比表面積，表面活性較高。當(dāng)高嶺土含量較低時(shí)，黏土礦物作為吸附劑聚集在砂顆粒表面形成一定厚度的黏土薄膜，形成由黏土材料膠結(jié)無黏性砂顆粒的土骨架多孔結(jié)構(gòu)，伴隨著大量的中等孔隙和大孔隙。顆粒周圍結(jié)合水膜較薄，產(chǎn)生的假黏聚力對(duì)周圍顆粒有一定的吸力作用，土體處于亞穩(wěn)定狀態(tài)。浸水后，膠結(jié)物聯(lián)結(jié)能力削弱，土骨架的黏結(jié)強(qiáng)度遭到破壞，土顆粒易于發(fā)生滑動(dòng)和壓密，中等孔隙和大孔隙大部分被小顆粒及碎屑填充而消失，大、中孔隙明顯減少，使得這種亞穩(wěn)定結(jié)構(gòu)開始破壞，進(jìn)而產(chǎn)生非常顯著的強(qiáng)烈濕陷。

當(dāng)高嶺土含量大于界限含量20%時(shí)，黏土礦物主要作為填充物填充于土體孔隙內(nèi)，提高了人工砂土的密實(shí)度，且由于高嶺土吸水性較好，吸附弱結(jié)合水膜中的水分，使結(jié)合水層粘滯性減弱，降低了團(tuán)粒間的黏結(jié)強(qiáng)度，土體的濕陷性變小，因此當(dāng)高嶺土含量的超過界限含量時(shí)，砂土濕陷性呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

3.2壓實(shí)度與濕陷系數(shù)試驗(yàn)

根據(jù)正交試驗(yàn)和高嶺土含量與濕陷性試驗(yàn)結(jié)果分析，選取高嶺土含量為20%，初始含水量為6%，壓實(shí)度分別為0.6，0.65，0.7，0.75，0.8，0.85，0.9和0.95制備試樣，進(jìn)行人工制備砂土濕陷性單因素試驗(yàn)分析，研究壓實(shí)度與濕陷性的關(guān)系，如圖10所示。

圖10　壓實(shí)度與濕陷系數(shù)關(guān)系曲線Fig.10 Compaction degree vs. coefficient of collapsibility curve

分析圖10可得，隨著壓實(shí)度的增大，試樣的致密程度增高，壓實(shí)度從0.6增加到0.8時(shí)，濕陷系數(shù)按近似線性規(guī)律減小，與正交試驗(yàn)結(jié)果相一致。高嶺土含量為20%的人工制備濕陷性砂土的濕陷系數(shù)與孔隙比、干密度的關(guān)系與濕陷性黃土相一致[20]，即濕陷系數(shù)與孔隙比成正比例關(guān)系，當(dāng)孔隙比小于0.8，或干密度大于1.5 g/cm3時(shí)，濕陷性基本消失。

3.3初始含水量與濕陷系數(shù)試驗(yàn)

選取壓實(shí)度分別為0.7和0.8，高嶺土含量為20%，初始含水量分別為3%，6%，9%，12%和15%制備試樣，進(jìn)行人工制備砂土濕陷性單因素試驗(yàn)分析，研究初始含水量與濕陷性的關(guān)系，如圖11所示。

圖11　初始含水量與濕陷系數(shù)關(guān)系曲線Fig.11 Initial water content vs. coefficient of collapsibility curve

分析圖11可得，當(dāng)壓實(shí)度為0.8時(shí)，隨著初始含水量的增加，濕陷系數(shù)逐漸減小，且減小幅度較小，說明初始含水量對(duì)人工制備砂土濕陷性的影響并不顯著，與正交試驗(yàn)結(jié)果相一致。根據(jù)學(xué)者對(duì)初始含水量與黃土濕陷性的關(guān)系研究得出[20]：濕陷系數(shù)隨初始含水量的增大而減小。

當(dāng)壓實(shí)度為0.7時(shí)，隨著初始含水量的增加，濕陷系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。通過本次試驗(yàn)，可得出初始含水量對(duì)人工制備砂土濕陷性的影響并不顯著，與天然濕陷性砂土濕陷性隨含水量的增大而顯著減小的趨勢(shì)有所不同。分析其原因，主要是由于天然濕陷性砂土在歷史上曾經(jīng)受豎向固結(jié)壓力和水的作用，已形成了穩(wěn)定的多孔結(jié)構(gòu)。由無黏性的砂顆粒和黏結(jié)性的高嶺土形成的人工制備濕陷性砂土混合材料，在水和較低壓實(shí)度作用下，尚未激活黏土礦物的表面活性，未能使土體形成亞穩(wěn)定的多孔結(jié)構(gòu)。說明當(dāng)壓實(shí)度較低時(shí)，土體的濕陷性對(duì)含水量變化較為敏感，隨著含水量增大，濕陷性對(duì)含水量變化的敏感性減弱。

4　人工制備砂土濕陷機(jī)理初步分析

人工制備砂土的濕陷是也由于粒間聯(lián)結(jié)失效造成的[21]。黏土礦物作為砂顆粒間的膠結(jié)物，形成由黏土材料膠結(jié)無黏性砂顆粒的土骨架，類似濕陷性黃土的骨架結(jié)構(gòu)。高嶺土作為吸附劑聚集在砂顆粒表面形成一定厚度的黏土薄膜，黏土薄膜上包裹著結(jié)合水膜，形成濕陷性砂土的雙層膜結(jié)構(gòu)。在含水量較低時(shí)，顆粒周圍的結(jié)合水膜較薄，溶解在其中的陰、陽離子的靜電引力較強(qiáng)，產(chǎn)生的假黏聚力對(duì)周圍顆粒有一定的吸力作用，具有一定的黏聚強(qiáng)度，形成開放的亞穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。當(dāng)含水量較大時(shí)，顆粒周圍結(jié)合水膜增厚，使砂粒表面產(chǎn)生膨脹，體積增大，同時(shí)水膜楔入力變大，將牢固連接的顆粒分開，顆粒間引力減弱，凝聚強(qiáng)度降低。此外，膠結(jié)物逐漸溶解，顆粒間聯(lián)結(jié)能力削弱，引起結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的降低，在較小的法向應(yīng)力作用下，土體的亞結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生破壞，從而產(chǎn)生濕陷。

5　結(jié)論

1)通過正交試驗(yàn)得出影響人工制備砂土濕陷性的主要因素依次為：壓實(shí)度>高嶺土含量>初始含水量，壓實(shí)度和高嶺土含量的影響在α=0.005的置信水平上高度顯著，初始含水量的影響并不顯著。

2)人工制備砂土的濕陷性隨黏土礦物含量的增加，呈現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律，當(dāng)黏土礦物含量為20%時(shí)，濕陷性達(dá)到最大。當(dāng)壓實(shí)度和含水量都較低的情況下，黏粒含量超過30%，人工制備砂土還具有一定的濕陷性。

3)高嶺土含量為20%的人工制備濕陷性砂土的濕陷系數(shù)與孔隙比成正比關(guān)系，而濕陷系數(shù)與干密度成反比例關(guān)系，當(dāng)孔隙比小于0.8，或干密度大于1.5 g/cm3時(shí)，濕陷性基本消失，與濕陷性黃土研究結(jié)論相一致。

4)砂顆粒周圍包裹著黏土薄膜，黏土薄膜上包裹著結(jié)合水膜，形成的雙層膜結(jié)構(gòu)是砂土在水的作用下產(chǎn)生濕陷原因。但更深層次的微觀結(jié)構(gòu)分析是進(jìn)一步解釋砂土濕陷性的重要途徑。

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Analysis on collapsibility influencing factors of artificial sand

LIU Boshi1，2, ZHANG Yanjie1, WANG Xu1, LIANG Qingguo1, LI Sheng1

(1.School of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China;2. Key Laboratory of Road & Bridge and Underground Engineering of Gansu Province, Lanzhou 730070, China)

Based on analysis of mineral composition of collapsible soil, artificial collapsible sand was prepared with non-coherent fine sand and coherent clay mineral-calcinations kaolin. Through orthogonal test and single factor test, relationship between collapsibility of artificial sand and content of kaolin clay, degree of compaction and initial water content was studied. These tests are repeatable and controllable. Test results show that:1) Influencing degree of these three factors on collapsibility of artificial sand ordered in the following: compaction degree> kaolin clay content > initial water content.2) Collapsibility of the artificial sand increases at first and then decreases with the increase of the clay content.3) There is a proportional relationship between collapsibility of artificial collapsible sand with void ratio, and there is an inverse relation between collapsibility of artificial collapsible sand with dry destiny, kaolin clay content of which is 20%.4) Sand particles are surrounded by clay films, and clay films are wrapped with water films. These double membrane structures would lead to the collapse of artificial sand under water immersion. The research results can provide

and technical supports for treatment of collapsible sand foundation in railway projects.

collapsible sand；railway subgrade；kaolinite；compaction degree；initial water content

2016-05-06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41402252，41262010，51408289)；甘肅省科技計(jì)劃項(xiàng)目(1506RJYA063)；長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目 (IRT1139)

王旭(1965-)，男，河南洛陽人，教授，博士，從事土工理論研究；E-mail: publicwang@163.com

TU528

A

1672-7029(2016)10-1933-07