三門峽地區(qū)濕陷性黃土結(jié)構(gòu)體特性分析

李 佳 曹 芬

（1.河南科技大學(xué)應(yīng)用工程學(xué)院，河南 三門峽 472000；2.三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 三門峽 472000）

0 引言

在水以及荷載的相互作用下，黃土?xí)a(chǎn)生一定的變形，這種變形就是增濕變形，它與常分析的壓縮變形有著本質(zhì)上的差異。①具有突變性，當(dāng)施加的壓力恒定時(shí)，黃土體濕度增大到某一閾值時(shí)，土體會(huì)突然產(chǎn)生較大的變形，具有明顯的突發(fā)性和不連續(xù)性，低于閾值時(shí)，變形則較小。②具有不可逆性，黃土體濕度超過閾值后，土體內(nèi)部原有結(jié)構(gòu)破壞，顆粒重新排列，形成新的結(jié)構(gòu)體系來支撐外部荷載，顆粒重組帶來的變形屬于塑性變形，即荷載去除也不能恢復(fù)到原有狀態(tài)。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外專家學(xué)者普遍以原狀土或者重塑土為分析對(duì)象，根據(jù)單線法或者雙線法，進(jìn)行側(cè)限條件和三軸壓縮應(yīng)力狀態(tài)下濕陷性黃土的增濕變形試驗(yàn)。

1.1 原狀土的濕陷變形特點(diǎn)

黃土內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒有被擾動(dòng)的土體稱為原狀黃土，優(yōu)點(diǎn)在于能夠準(zhǔn)確、真實(shí)地反映天然地基的各種特性。依據(jù)濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)（GB 50025—2018），采用濕陷系數(shù)來反映黃土的增濕變形。依據(jù)側(cè)限條件下的壓縮試驗(yàn)測(cè)量濕陷性系數(shù)δs、自重濕陷型系數(shù)δzs和濕陷性起始?jí)毫 sh。其中δs的計(jì)算公式如式（1）。

式中：h0為試樣原始高度；h p為沒有增濕時(shí)，荷載作用后試樣經(jīng)過變形穩(wěn)定后的高度；h'p為在同一壓力水平下，飽和試樣產(chǎn)生變形后的高度。在此基礎(chǔ)上，張?zhí)K民提出濕陷起始?jí)毫徒K止壓力的概念［1］。但是，目前濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)（GB 50025—2018）存在一定局限性，其δs是在側(cè)限條件通過試驗(yàn)獲取黃土濕陷，并不是在三軸應(yīng)力狀態(tài)下，存在一定量的側(cè)向約束變形，因而選用δs來表示黃土濕陷之后的變形，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際狀況存在一定的偏差，需要根據(jù)不同地區(qū)的地質(zhì)條件對(duì)濕陷性系數(shù)δs進(jìn)行修正。眾多學(xué)者對(duì)此展開研究，劉祖典借助彈性模量的概率進(jìn)而提出“變形模量”的概率，并推導(dǎo)其與濕陷性系數(shù)δs之間的關(guān)系理論，進(jìn)而計(jì)算出黃土的增濕變形［2］。焦五一則將借助壓縮的概率來類推濕陷，用“弦線模量”來表示濕陷后的變形，通過加載變形曲線，統(tǒng)計(jì)了關(guān)中地區(qū)黃土孔隙比和含水率與弦線模量之間的關(guān)系，并推導(dǎo)出陜北地區(qū)黃土的增濕變形計(jì)算公式，相比于規(guī)范（GB 50025—2018）中的濕陷性系數(shù)δs，弦線模量更貼近實(shí)測(cè)值［3］。陳正漢在分析側(cè)限壓縮試驗(yàn)的局限性后，提出用應(yīng)力比相等條件下的三軸試驗(yàn)來計(jì)算復(fù)雜應(yīng)力條件下黃土的濕陷變形，此方法更符合黃土的實(shí)際受力情況以及應(yīng)力路徑，優(yōu)于側(cè)限壓縮試驗(yàn)的計(jì)算方法［4］?？偠灾瑐?cè)限以及三軸壓縮試驗(yàn)分析對(duì)象都是基于某一點(diǎn)做出的變形規(guī)律，與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)之間仍然存在一定偏差。

1.2 重塑土的濕陷變形特點(diǎn)

原狀黃土被擾動(dòng)后即為重塑黃土，重塑土更多是作為填料使用，在公路基礎(chǔ)、房屋的土方回填、橋梁基礎(chǔ)等諸多方面有著廣泛應(yīng)用，因此有必要對(duì)重塑土的濕陷特性展開研究。許多學(xué)者也針對(duì)重塑土的濕陷特性開展了諸多研究。國內(nèi)專家學(xué)者多圍繞著重塑土的初始含水率、初始干密度以及應(yīng)力水平展開研究。關(guān)亮借助雙線法對(duì)不同干密度的重塑土三軸剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線開展研究，建立了非飽和重塑土的增濕變形計(jì)算模型［5］。張登飛通過對(duì)重塑黃土分級(jí)加載，探討了應(yīng)力水平對(duì)重塑土含水率和濕陷變形水平的影響［6-7］。楊玉生以壓實(shí)度、含水率，應(yīng)力為自變量，借助雙線法研究了濕陷性重塑黃土的濕陷變形特性，分析了三因素間交互作用對(duì)其濕陷變形特性的影響［8-9］。

2 土樣基本性能及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

三門峽位于豫晉陜?nèi)〗唤缥恢?，該地區(qū)的黃土集中分布在黃河河谷及其支流河谷地帶，屬第四紀(jì)黃土及黃土狀土。由于濕陷性黃土的特殊性，首先需要對(duì)三門峽地區(qū)黃土結(jié)構(gòu)體的基本性能進(jìn)行分析。三門峽地區(qū)的黃土最大厚度大約為150 m，而濕陷性黃土厚度大約為54 m，大部分黃土區(qū)域均屬于大厚度重度濕陷性黃土。其物理力學(xué)性質(zhì)與普通黃土的物理性能間也有著巨大差異，了解該地區(qū)黃土的特殊物理屬性，對(duì)研究該地區(qū)黃土結(jié)構(gòu)體特性有著重大意義。

2.1 土樣基本性能

三門峽地區(qū)黃土主要為第四紀(jì)黃土和黃土狀土，其顆粒組成以粉土顆粒為主，同時(shí)含有少量的黏土顆粒，土質(zhì)均勻。需要特別說明的是：黃土可根據(jù)自身的顆粒級(jí)配，將其分為粉土和粉質(zhì)黏土兩大類。但非飽和黃土具有結(jié)構(gòu)性、濕陷性等特性，造成三門峽地區(qū)的黃土與粉土和粉質(zhì)黏土的差異很大。濕陷后對(duì)土體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞是濕陷性黃土基本結(jié)構(gòu)特性，以三門峽地區(qū)黃土的濕陷破壞特性為研究切入點(diǎn)，針對(duì)三門峽地區(qū)濕陷性黃土開展了相關(guān)增濕試驗(yàn)。試驗(yàn)土樣取自三門峽市的某施工現(xiàn)場(chǎng)，土樣取自地下7~9 m處，其基本性能見表1。

表1 原狀土樣的基本性能

對(duì)原狀土樣進(jìn)行環(huán)刀切樣，如圖1所示，為避免取樣差異造成的試驗(yàn)誤差，制樣時(shí)的同組試驗(yàn)用土樣的密度差控制在0.03 g∕cm3以內(nèi)，含水率差控制在0.03 g∕cm3以內(nèi)，超出此范圍時(shí)需要重新取樣。試驗(yàn)試樣的含水量依次為3.24%、8.24%、13.24%（試樣天然含水率）、18.22%、23.22%、28.22%、31.35%（試樣飽和含水率）。

圖1 原狀土土樣

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

依據(jù)現(xiàn)行黃土規(guī)范，可將飽和濕陷試驗(yàn)分為單線法和雙線法。

2.2.1 單線法。優(yōu)點(diǎn)是能夠較為直接地測(cè)定濕陷系數(shù)，其受力大小和黃土產(chǎn)生的濕陷情況呈線性關(guān)系。該方法是一種比較可靠的濕陷性試驗(yàn)方法。缺點(diǎn)是在進(jìn)行試驗(yàn)取樣時(shí)，需要每組取5~7個(gè)環(huán)刀試樣，并且樣品土的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和含水量需保持均勻，天然密度的差值應(yīng)小于或等于0.03 g∕cm3。當(dāng)符合以上要求的時(shí)候，方能得到令人滿意的試驗(yàn)結(jié)果。事實(shí)上，濕陷性黃土跟其他形式的巖、土一樣，是在極為復(fù)雜的地質(zhì)條件下自然形成的歷史產(chǎn)物，具有孔隙分布、結(jié)構(gòu)及成分等的不均勻性，即使在同一取土點(diǎn)的同一深度處的樣品，相互間往往也會(huì)造成不等的離散性和差異值，使試驗(yàn)結(jié)果不能連成理想的自然光滑曲線。此外，同時(shí)對(duì)5~7個(gè)環(huán)刀試樣進(jìn)行加載，這樣會(huì)使包括儀器設(shè)備、砝碼使用、野外取樣和室內(nèi)環(huán)刀試樣的取得等方面都會(huì)產(chǎn)生較大的難度，整體工作強(qiáng)度較高。

2.2.2 雙線法。優(yōu)點(diǎn)是在試樣階段，只需取兩個(gè)環(huán)刀試樣，土質(zhì)密度的差異較好控制，最終的試驗(yàn)結(jié)果能夠繪成較為光滑的P-δs曲線圖，方法簡(jiǎn)便，整體工作強(qiáng)度低。缺點(diǎn)是實(shí)施過程中所采用的兩個(gè)環(huán)刀試樣，一個(gè)是在土樣的原始天然濕度下進(jìn)行壓縮，另一個(gè)是在浸水后達(dá)到飽水的狀態(tài)下進(jìn)行壓縮。浸水后土體顆粒周圍水膜變厚，土體顆粒間的孔隙部分被水充滿，土體的強(qiáng)度發(fā)生較大變化，同時(shí)也導(dǎo)致土的壓密受到影響，引起試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差。另外，由于濕陷性黃土結(jié)構(gòu)體的不均勻性特點(diǎn)，因此即便是只采用兩個(gè)環(huán)刀試樣，也會(huì)使第一級(jí)壓力下的壓縮變形量不一致，造成天然誤差。

但在實(shí)際工作中可以進(jìn)行誤差修正，從而保證其準(zhǔn)確性。所以，多數(shù)情況下，此類研究還是以雙線法為主。

結(jié)合本次研究的特點(diǎn)和研究工作的需要，研究選用雙線法實(shí)施。試驗(yàn)荷載等級(jí)依次為25.0 kPa、50.0 kPa、100.0 kPa、200.0 kPa、300.0 kPa、400.0 kPa、800.0 kPa和1 600.0 kPa，逐級(jí)加載，當(dāng)每一級(jí)荷載下的每小時(shí)變現(xiàn)小于0.01 mm，則視為土樣已穩(wěn)定。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 濕陷系數(shù)與壓力

不同初始含水率下濕陷性黃土的濕陷系數(shù)（δs）與壓力（P）之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 濕陷系數(shù)與壓力的關(guān)系

由圖2可知，黃土的初始含水率對(duì)濕陷系數(shù)有著顯著影響，初始含水率越高，濕陷敏感度就越大。當(dāng)外界壓力不變時(shí)，濕陷性系數(shù)和初始含水率呈反向關(guān)系；當(dāng)初始含水率不變時(shí)，濕陷性系數(shù)則與初始含水率的增大先呈正向關(guān)系后轉(zhuǎn)為反向關(guān)系。

3.2 濕陷系數(shù)與初始含水率

濕陷性黃土的濕陷性系數(shù)（δs）與初始含水率（w0）之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 濕陷性系數(shù)與初始含水率的關(guān)系

由圖3可知，總體而言，黃土的濕陷性系數(shù)隨初始含水率的增大而減低。當(dāng)黃土浸水后，壓力值P＜100 kPa時(shí)，δs和w0呈反向關(guān)系，且P越大，減小越顯著；當(dāng)黃土浸水后，壓力值介于200~400 kPa之間時(shí)，δs隨w0的增大而呈現(xiàn)出線性的降低減小趨勢(shì)，其中，浸水壓力等于200 kPa時(shí)的濕陷系數(shù)曲線存在一個(gè)凸起，超過P為300 kPa和400 kPa時(shí)的濕陷性系數(shù)值，可見200 kPa使得w0=28%產(chǎn)生峰值濕陷壓力；當(dāng)P位于800 kPa以上時(shí)，濕陷性系數(shù)δs隨浸水壓力P的增大而增大，且速率先增大后趨于平緩，說明此時(shí)黃土的原始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度基本已喪失遭到破壞，由而轉(zhuǎn)變?yōu)榇畏€(wěn)定結(jié)構(gòu)。

3.3 增（減）濕與初始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

根據(jù)Casagrande法求出的原狀黃土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度（Pc）與初始含水率（w0）的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2，黃土含水率與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度之間的關(guān)系如圖4所示。

表2 原狀黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與初始含水率關(guān)系

圖4 原狀黃土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度Pc與初始含水率w0的關(guān)系

由圖4可知，總體上，黃土的含水率越大結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低越顯著。當(dāng)w0小于液限含水率（29.22%）時(shí)，低壓（P≤200 KPa）條件下增濕過程中的壓力始終不超過結(jié)構(gòu)強(qiáng)度Pc，即此時(shí)的黃土結(jié)構(gòu)體沒有發(fā)生破壞，對(duì)含水率的變化不敏感，說明黃土的穩(wěn)定性強(qiáng)。但隨著持續(xù)增濕，黃土的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性急劇減弱，壓力超過Pc后，其結(jié)構(gòu)性便遭到破壞。較高初始含水率時(shí)，P越大，黃土結(jié)構(gòu)性破壞越嚴(yán)重，當(dāng)P≥Pc時(shí)，輕微增濕就能夠使黃土產(chǎn)生顯著變形，說明增濕前的初始結(jié)構(gòu)性已遭到破壞，由此說明，由此可見，黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度Pc與增濕時(shí)的外界壓力P是影響其變形的兩大主要因素。

4 結(jié)語

通過對(duì)三門峽地區(qū)的黃土進(jìn)行濕陷性破壞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)的黃土土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與含水率的大小呈反向變化趨勢(shì)，且其增濕變形與自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度Pc以及外界壓力P密切相關(guān)。外界壓力值P在不超過土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度值Pc的情況下，黃土結(jié)構(gòu)體強(qiáng)度對(duì)含水率的變化并不敏感，當(dāng)外界壓力值P超過土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度值Pc的時(shí)候，含水量的增加會(huì)導(dǎo)致黃土產(chǎn)生顯著的變形。