場地黃土擾動前后的濕陷性與其物性指標的關(guān)系

史寶東,梁慶國,3,趙 濤,王文卓

(1.蘭州交通大學土木工程學院,甘肅 蘭州 730070;2.甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室,甘肅 蘭州 730070;3.土木工程國家級實驗教學示范中心(蘭州交通大學),甘肅 蘭州 730070)

0 引言

近年來,黃土地區(qū)軌道交通工程和高層建筑的建設(shè)越來越多,黃土由于浸水發(fā)生濕陷變形導致的事故也越來越多,所以評價和預(yù)測黃土的濕陷性再次成為了研究熱點,用黃土的物性指標評價其濕陷性受到了很大的重視,同時也取得了豐碩的成果。如邵生俊等[1]采用因子分析法選擇了含水率和孔隙比兩個因子,比較了兩個場地的濕陷性系數(shù)與兩個因子的關(guān)系,建立了針對兩個不同地貌濕陷性黃土的濕陷性參數(shù)相關(guān)關(guān)系,準確對黃土濕陷性進行了評價;黃偉等[2]分析了寧縣黃土的濕陷性與深度、天然含水量、孔隙比、干密度、飽和度等指標的關(guān)系,得出了黃土濕陷性規(guī)律,并對黃土地基進行了評價;李萍等[3]為探究濕陷性系數(shù)與各種物理指標的內(nèi)在聯(lián)系,采用多因素回歸分析建立了濕陷系數(shù)與含水量、孔隙比、塑性指數(shù)的分析模型;任新玲等[4]以部分地區(qū)濕陷性黃土的室內(nèi)壓縮試驗為基礎(chǔ),通過回歸分析,建立了黃土濕陷性和其影響因素的回歸關(guān)系式并與實際試驗數(shù)據(jù)對比得出較為接近;馬閆等[5]深入分析了物理力學指標和黃土濕陷性的關(guān)系,利用偏相關(guān)分析定量對各物理指標的相關(guān)性排序,建立了比較全面和準確的模型;胡燕妮等[6]通過收集多組原狀黃土濕陷性的土工試驗資料,分析了物理指標對濕陷性的影響,得出濕陷性的重要判別指標γd和e0,估算出濕陷性系數(shù)建議公式;鄧洪亮等[7]通過大量土工試驗研究非飽和黃土浸水發(fā)生破壞后的特征,探討了黃土濕陷性和浸水時間、含水率和壓力之間的關(guān)系;朱鳳基等[8]通過對孔隙比、干密度、初始含水率、飽和度、塑限、液限、塑性指數(shù)、壓縮模量八個指標進行了分析將其分為四大類,對每一類中影響濕陷性最大的因子進行了線性回歸,與甘肅慶陽某地探井所得數(shù)據(jù)進行了驗證;李瑞娥等[9]應(yīng)用模糊理論中的信息擴散原理,建立了濕陷性系數(shù)和孔隙比之間的模糊關(guān)系,得到了預(yù)測黃土濕陷性的模型并與實際數(shù)據(jù)對于得出誤差較小;李論基等[10]依據(jù)影響因子變異性分析和多元線性回歸理論,建立了河西走廊地區(qū)黃土濕陷性與各物理指標的相關(guān)性方程;高凌霞等[11]通過分析黃土濕陷性影響因素,將含水率、孔隙比和塑性指數(shù)作為宏觀物理指標進行多元回歸分析,得出濕陷性系數(shù)和物性指標之間的定量關(guān)系式;武小鵬等[12]在浸水試驗的基礎(chǔ)上,采用理論分析等方法研究了黃土濕陷系數(shù)與深度、含水率、干密度、孔隙比、塑性指數(shù)和壓縮系數(shù)之間的關(guān)系。綜上可知,現(xiàn)有成果大多數(shù)是基于原狀黃土的研究,但是隨著地區(qū)黃土建設(shè)場地的反復(fù)利用和長期地表降水及管線滲漏等浸水入滲,讓更多的場地黃土出現(xiàn)了大的擾動,這種擾動黃土的性質(zhì)和原狀黃土有著較大的出入,針對擾動場地進行研究尚不多見。本文通過分析擾動前后濕陷性系數(shù)和各物性指標之間的相關(guān)性,研究了擾動前后各物理力學參數(shù)對濕陷性變形的影響,建立了用于評價和預(yù)測黃土濕陷性的回歸經(jīng)驗公式和影響濕陷性的因子排序,以期為擾動黃土的濕陷性評價及地基處理方法選擇提供一定的參考。

1 試驗概況

1.1 試驗場地工程地質(zhì)情況

該試驗場地位于甘肅省蘭州市東崗鎮(zhèn),如圖1。地層主要構(gòu)成為沖積黃土狀亞黏土,總厚度為16 m左右,分為兩層,擾動前上層為黃褐色亞黏土,厚度為1～12 m,結(jié)構(gòu)疏松;下層為紅褐色亞黏土,厚度為5～6 m,結(jié)構(gòu)致密[13]。由于近些年在上面的建筑和荷載及其多次浸水試驗的擾動,擾動后地層表面形成一層雜填土,主要成分為磚屑、混凝土塊和建筑垃圾等的混合土,厚度為0.5～6 m,下層由于經(jīng)過長期地表降水和管線滲漏等浸水入滲的影響,土體濕度有所變大。

圖1 試驗場地位置圖Fig.1 Location map of test site

1.2 擾動前后土體物理力學參數(shù)

該場地擾動前(1)甘肅省建筑科學研究院.試坑浸水及載荷浸水試驗報告.蘭州:甘肅省建筑科學研究院,1975.和擾動后[14]的黃土物理力學參數(shù)匯總列于表1。

由表1可知,場地黃土擾動前為原狀黃土,其濕陷性系數(shù)基本大于0.07,濕陷性強烈,而擾動后濕陷性下降明顯,濕陷性系數(shù)未達到擾動前一半,部分濕陷性中等,其余屬于輕微濕陷。

表1 場地黃土擾動前后物理力學參數(shù)匯總表Table 1 Summary of physical and mechanical parameters of loess before and after disturbance

2 擾動前后各物性指標的相關(guān)性

土體的物性指標直接反映了土體的性質(zhì),場地黃土經(jīng)過浸水和不同荷載的影響,土體的各物性指標發(fā)生了改變。表2為擾動前后各物性指標之間的相關(guān)性。

表2 擾動前后各物性指標之間的相關(guān)系數(shù)(R)/顯著性水平(Sig)Table 2 Correlation coefficients between physical indices before and after the disturbance

由表2可知,雖然擾動前后各物性指標發(fā)生了改變,但是塑性指數(shù)反映的是土體細顆粒的含量和分布情況,和其他物性指標無相關(guān)性。此外,除了孔隙比和其他各指標的相關(guān)性有所減小外,其他指標之間的相關(guān)性相差不大,其中孔隙比和各物性指標均呈負相關(guān),而其他各物性指標相互呈正相關(guān)。

3 濕陷性系數(shù)與單個物性指標之間的相關(guān)性

場地黃土擾動前為原狀黃土,在不同荷載和大量浸水等作用下,土體的各物性指標發(fā)生了改變,導致了場地黃土的濕陷性也發(fā)生了改變。黃土的濕陷性是黃土在一定壓力下受水浸濕后,土結(jié)構(gòu)迅速破壞而發(fā)生顯著附加下沉的性質(zhì)。現(xiàn)通過比較場地黃土在擾動前后濕陷性隨各物性指標的變化規(guī)律,并分析造成變化的原因。

3.1 濕陷性系數(shù)與干密度的關(guān)系

對場地黃土擾動前后的濕陷性系數(shù)隨干密度的變化進行分析(圖2)。

圖2 濕陷性系數(shù)和干密度的關(guān)系Fig.2 Relationship between collapsibility coefficient and dry density

由圖2可知,擾動后黃土干密度整體上大于擾動前,濕陷性系數(shù)和干密度呈負相關(guān)關(guān)系,擾動后場地黃土濕陷性系數(shù)明顯低于擾動前,擾動前黃土發(fā)生濕陷性變形的干密度為1.3～1.35 g/cm3,擾動后為1.47～1.53 g/cm3,其原因為原狀黃土受浸水和各荷載的影響,導致土體變密實,顆粒間的孔隙變小,發(fā)生濕陷沉降的范圍變小,濕陷速率減小,所以擾動后黃土的干密度對濕陷性的影響減弱。

3.2 濕陷性系數(shù)與含水率的關(guān)系

含水率作為影響黃土自重濕陷性的因素,當達到一定含水率時黃土才會發(fā)生濕陷性變形,超過一定值時濕陷性會消失。對場地黃土擾動前后的濕陷性系數(shù)隨含水率變化規(guī)律進行分析,可以很明顯地看出擾動前后含水率對于濕陷性的影響(圖3)。

圖3 濕陷性系數(shù)和含水率的關(guān)系Fig.3 Relationship between collapsibility and water content

由圖3可知,場地黃土擾動前后的濕陷性系數(shù)和含水率呈負相關(guān),濕陷性速率變化不大,擾動前發(fā)生濕陷變形的含水率主要集中在9%～18%之間,而擾動后集中在7.5%～13.5%之間,其原因為原狀黃土在浸水試驗和雨水等作用下,土體含水率增大,導致顆粒間可壓縮的孔隙減少,濕陷性減弱。

3.3 濕陷性系數(shù)與孔隙比的關(guān)系

孔隙比作為影響黃土濕陷性變形最重要的因素,對場地黃土擾動前后的孔隙比和濕陷性系數(shù)的變化研究是必不可少的(圖4)。

圖4 濕陷性系數(shù)和孔隙比的關(guān)系Fig.4 Relationship between collapsibility and porosity

由圖4可知,場地黃土濕陷性系數(shù)和孔隙比均呈正相關(guān)關(guān)系,擾動后濕陷性增長速率明顯減小,擾動前發(fā)生濕陷性變形的孔隙比為0.95～1.1,而擾動后為0.85～1之間,可以明顯看出擾動后發(fā)生濕陷的孔隙比較擾動前有所減小。其原因總結(jié)為土體受到擾動導致孔隙變小,發(fā)生濕陷變形的程度變輕,雖然孔隙比對場地黃土濕陷性的影響有所減弱,但孔隙比仍可以作為評價擾動性黃土的一種重要指標。

3.4 濕陷性系數(shù)與飽和度的關(guān)系

飽和度是反映土中水充滿孔隙的程度,是影響黃土濕陷性的重要因素對場地黃土擾動前后的濕陷性系數(shù)隨飽和度變化規(guī)律進行分析,見圖5。

圖5 濕陷性系數(shù)隨飽和度的變化Fig.5 Variation of collapsibility coefficient with saturation

由圖5可知,場地黃土濕陷性系數(shù)和飽和度均呈負相關(guān)關(guān)系,擾動后濕陷性速率較擾動前有所減小,擾動前發(fā)生濕陷性變形的飽和度為22%～50%,而擾動后在26%～42%間,可以明顯看出擾動后的飽和度較擾動前有所增大,而影響濕陷性的范圍也有所減小。其原因為受浸水影響導致顆粒間孔隙被水填充,濕陷變形減小。

3.5 濕陷性系數(shù)與塑性指數(shù)的關(guān)系

塑性指數(shù)反映了黃土內(nèi)部的粒度成分。塑性指數(shù)越大,則黃土親水性更高,成為高濕陷性區(qū)。分析場地黃土濕陷性系數(shù)和塑性指數(shù)的關(guān)系可以評價黃土內(nèi)部粒度成分(圖6)。

由圖6可知,擾動前后塑性指數(shù)變化較小,處于一個穩(wěn)定的范圍,零星的突變是由實驗誤差導致的,擾動前后濕陷性系數(shù)和塑性指數(shù)均呈負相關(guān)關(guān)系,發(fā)生濕陷的區(qū)域較集中,存在濕陷敏感區(qū),其中擾動前濕陷敏感區(qū)介于9～10之間,而擾動后介于8.5～9.5之間,擾動后敏感區(qū)明顯低于擾動前,且濕陷性系數(shù)整體小于擾動前。其原因為塑性指數(shù)的物理含義是土體顆粒吸取弱結(jié)合水的總量和顆?？傎|(zhì)量的比值[5],擾動后黃土受大量浸水試驗和雨水等影響,顆粒吸取弱結(jié)合水的能力減弱。

圖6 濕陷性系數(shù)和塑性指數(shù)的關(guān)系Fig.6 The relationship between collapsibility and plasticity index

4 濕陷性系數(shù)與各物性指標的綜合關(guān)系

采用擾動前后的干密度、孔隙比、含水率、飽和度和塑性指數(shù)作為評價擾動前后黃土濕陷性因子進行多元線性回歸分析,建立擾動前后影響因子與濕陷系數(shù)的多元線性回歸公式:

δ1=0.721ρd+0.013ω+0.58e-0.005Sr-

0.004Ip-1.455;

R=0.980;Sig=0.002

(1)

δ2=-0.081ρd-0.02ω-0.01e+0.004Sr-

0.000 7Ip+0.208;

R=0.957;Sig=0.001

(2)

式中:δ1、δ2分別為擾動前、后濕陷性系數(shù);ρd為天然密度(cm3/g);ω為天然含水率(%);Sr為飽和度(%);e為孔隙比;Ip為塑性指數(shù);顯著性水平Sig<0.05時顯著相關(guān)。

由式(1)、(2)可知,通過多元線性回歸得出擾動前、后的回歸公式,其相關(guān)性系數(shù)分別為0.980和0.957,相關(guān)性很高;此外,其顯著性水平均小于0.05,則可判斷為有效公式,可用于評價和預(yù)測黃土濕陷性。

對影響濕陷性系數(shù)的因子做權(quán)重分析,得出權(quán)重占比(表3)。

由表3可知,擾動前后影響黃土濕陷性的因子有所變化,從高到低的順序依次為:擾動前ρd→e→ω→Sr→Ip,擾動后ρd→ω→e→Sr→Ip?？梢钥闯鰯_動前影響原狀黃土濕陷性最重要的因素是干密度和孔隙比,而影響擾動后的黃土濕陷性的最重要因素為干密度和含水率。擾動后孔隙比的影響減弱而含水率的增加,其原因為擾動后的黃土內(nèi)部孔隙隨浸水增重引起的壓縮和各種荷載的作用變少,土體變密實,顆粒間孔隙的壓縮效果逐漸消失,而土體還未達到飽和,水仍然可以進入孔隙,成為影響黃土濕陷性的重要因素。

表3 擾動前后濕陷性影響因子權(quán)重占比Table 3 Proportion of weight of collapsible impact factor before and after disturbance

5 結(jié)論

本文分析場地黃土擾動前后濕陷性系數(shù)與各物性指標的變化規(guī)律,并進行了回歸擬合,對比后得到以下幾點結(jié)論:

(1)對擾動前后的各物性指標兩兩進行相關(guān)性分析,得出擾動前后各物理量變化較大,但是其相關(guān)性相差不大,其中塑性指數(shù)和其他各物性指標無相關(guān)性。

(2)擾動前后的濕陷性系數(shù)和密度、含水率、飽和度和塑性指數(shù)等指標呈負相關(guān),和孔隙比呈正相關(guān),擾動后各指標對濕陷性的影響均在減弱?？偨Y(jié)濕陷性減弱原因有三點:一為原狀黃土在各種荷載和浸水引起的重力壓縮導致土體變密實;二為受浸水試驗和雨水等影響,導致土體顆粒間的孔隙被水占用,導致可壓縮的孔隙減少;三為受浸水試驗和雨水等作用,減弱了土體顆粒對弱結(jié)合水的吸取效果。

(3)采用干密度ρd、孔隙比e、含水率ω、飽和度Sr和塑性指數(shù)Ip作為評價擾動前后黃土濕陷性因子進行多元線性回歸分析,建立了多元線性回歸公式,分析其因子影響權(quán)重,得出擾動前后影響濕陷性的因子排序:擾動前ρd→e→ω→Sr→Ip,擾動后ρd→ω→e→Sr→Ip。影響濕陷性的主要因素從干密度和孔隙比變?yōu)榱烁擅芏群秃?其原因為擾動后土體變密實,顆粒間孔隙的壓縮效果逐漸消失,顆粒對弱結(jié)合水的吸取能力成為主要因素。