非飽和黃土的濕陷機理與工程措施

摘要:文章從黃土的物質組成、土體結構特征出發(fā),分析了引起非飽和黃土濕陷的內因和外因,總結了土層埋深及外力大小對濕陷性的影響和濕陷性的變化規(guī)律,提出了工程建設中消除或限制濕陷性發(fā)生的工程措施。

關鍵詞:非飽和黃土;濕陷機理;濕陷系數(shù);工程措施;黃土顆粒

中圖分類號:U416文獻標識碼:A文章編號:1009-2374(2009)10-0185-02

黃土指的是在干燥氣候條件下形成的具有多孔性、垂直節(jié)理的黃色粉性土;濕陷性黃土是指在自重壓力或自重壓力與附加壓力作用下,經(jīng)充分浸水后土體結構發(fā)生破壞,有顯著附加沉陷現(xiàn)象的非飽和黃土。

濕陷是黃土區(qū)別于其他類土的一個非常重要的力學特性指標,它與黃土的微觀結構、礦物組分、孔隙比、含水量及壓應力等因素有關,通常用濕陷系數(shù)、濕陷起始壓力等來反應黃土的濕陷變形特征。

由于濕陷性黃土的濕陷特性,故在濕陷性黃土區(qū)進行工程建設時,根據(jù)建筑物的重要性級別和對沉降的敏感性、地基受水浸濕的可能性大小,對建筑物結構和地基必須采取以地基處理為主的綜合性工程處理措施,來防止地基失穩(wěn)和建筑結構發(fā)生破壞的事故發(fā)生。

一、黃土的濕陷機理

黃土的顆粒組成基本上是由<0.25mm的顆粒組成,以0.1mm～0.01mm的顆粒占主導地位,粉粒(0.05mm～0.005mm)含量在不同地區(qū)和不同時代的黃土中有所不同,其含量達50%以上,甚至達60%～70%,且多以0.05mm～0.01mm的粗粉粒居多,砂粒(>0.05mm)含量一般<20%,且主要為0.1mm～0.05mm的微砂,粘粒(<0.005mm)較少,平均含量約15%。

在礦物成分上黃土主要由碎屑礦物、粘土礦物及自生礦物組成,以碎屑礦物為主(約75%以上),主要為石英、長石和云母,其次有輝石、角閃石、綠簾石、綠泥石、磁鐵礦等;粘土礦物主要是伊利石、蒙脫石、高嶺石等。此外,在黃土中含有較多的水溶鹽,呈固態(tài)或半固態(tài)分布在各種顆粒的表面。

在干旱、少雨的氣候條件下,土體中的水分不斷蒸發(fā),土體處于非飽和狀態(tài),其中的大量易溶鹽析出,呈微晶狀態(tài)附著在顆粒表面,形成膠結物產(chǎn)生固化凝聚力,使單個土?；蚣：退樾冀M成的骨架顆粒相互連接形成粒狀架空結構體系,從而阻止了土體的自重壓密作用,便形成了以粗粉粒為主體骨架的多空隙結構、低濕度的欠壓密狀態(tài)的土體。

骨架顆粒構成黃土的架空結構體系,且以點接觸或半膠結的形式存在,它的形態(tài)和連接形式直接影響結構體系的膠結強度,排列方式?jīng)Q定著結構體系的穩(wěn)定性。

黃土在形成時,靠顆粒間的摩擦或在少量水分的作用下略有連接,因水分的蒸發(fā)使土粒彼此靠近體積收縮,膠體、鹽分、結合水集中在較細顆粒周圍,顆粒間的分子引力以及結合水和毛細水的連接力也逐漸增大,增強了土粒之間抵抗滑移的能力,故非飽和黃土在天然狀態(tài)有較高的結構強度。

當土體受到水的浸濕作用后,膠結物被軟化變凝膠為溶膠、易溶的微晶鹽發(fā)生溶解,結合水膜增厚楔入顆粒之間,使結合水的連接消失,膠結連接部分被破壞,水連接減弱,引起骨架強度的降低,連接點發(fā)生破壞失穩(wěn),土體在上覆土層的自重壓力或在自重壓力與附加壓力共同作用下,造成土體的原始結構體系被破壞、土體強度突然下降,其結構體系迅速遭到破壞,土粒向大空隙發(fā)生滑移而減小粒間孔隙,達到新的穩(wěn)定狀態(tài)的過程就形成了附加沉陷的結果。

土體遇水浸濕時之所以在一定壓力下產(chǎn)生濕陷,還在于干旱氣候條件下,無論是風成堆積還是坡洪殘積形成的黃土層,在其形成過程中,不具備充分的壓力和適宜的濕度,使土體處于欠壓密的結構狀態(tài),遇水后其土粒發(fā)生位移,進行勢能消散和重新排列,使土體產(chǎn)生新的壓密過程而引起濕陷。

所以,非飽和黃土的結構特征和物質成分是產(chǎn)生濕陷的內在原因,受水的浸濕和荷載作用是產(chǎn)生濕陷的外因。

二、濕陷性的判定

濕陷系數(shù)(δs)為單位厚度土層由于浸水在規(guī)定壓力產(chǎn)生的濕陷量,它定量地反應了黃土的濕陷程度。

濕陷系數(shù)的測定是室內對現(xiàn)場采集的不擾動樣在一定壓力下進行壓縮試驗取得的,計算式為:

?啄s=■

式中:h0——土樣的原始高度(cm);

hp——天然狀態(tài)的土樣,加壓至一定壓力時,壓縮穩(wěn)定后的高度(cm);

hp′——上述加壓穩(wěn)定后的土樣,在浸水作用下,到達穩(wěn)定后的高度(cm)。

當δs<0.015時為非濕陷性黃土;當δs≥0.015時為濕陷性黃土。δs=0.015時所對應的壓力為濕陷起始壓力(psh)。若濕陷起始壓力(psh)小于上覆土的飽和自重壓力而引起濕陷時,則稱為自重濕陷性黃土;若濕陷起始壓力(psh)大于上覆土的飽和自重壓力而發(fā)生濕陷時,則稱為非自重濕陷性黃土。

三、濕陷性的變化規(guī)律

壓縮試驗結果如下:

1.濕陷性與天然孔隙比、天然含水量和粘粒含量有關,孔隙比越大,或粘粒含量與含水量越小濕陷性越強,反之濕陷性越弱;飽和度大于80%的黃土其濕陷性消失。

2.濕陷性與土體的埋深有關,不同深度土樣的壓縮量和濕陷系數(shù)都隨壓應力的增加呈正相關變化,當壓應力增大到一定程度后,則隨著壓應力的增加呈負相關變化,在浸水狀態(tài)下的表現(xiàn)更為顯著。

3.無論土樣浸水與否,在相同荷載作用下,非飽和黃土的壓縮量和濕陷能力隨深度的增加而呈逐漸減小趨勢。

4.濕陷性與外加壓力有關,隨著壓力的增大,濕陷系數(shù)也隨之增大;當壓應力達到濕陷起始壓應力,即濕陷系數(shù)δs =0.015時,黃土的濕陷開始;當壓應力增至某一值時,濕陷系數(shù)達到最大值,即黃土的濕陷勢達到了最大釋放,之后隨壓應力的增加濕陷性反而減小,濕陷系數(shù)返回到0.015時,其濕陷性終結,繼續(xù)增大壓應力,則濕陷系數(shù)將小于0.015,黃土的濕陷性消除。

由此可知,濕陷系數(shù)與壓應力之間并非呈單調函數(shù)關系,只有當壓應力超過濕陷起始壓力而又不大于濕陷終止壓應力時,土體在飽和浸水狀態(tài)下才會產(chǎn)生濕陷變形。

產(chǎn)生上述規(guī)律性變化的原因在于:非飽和黃土的特殊土體結構。外力作用不足以破壞其內部孔隙結構時,濕陷系數(shù)隨壓力的增大而增大;當外力增大到濕陷起始壓力后,土體經(jīng)過一定的壓密變形,孔隙結構開始破壞,其濕陷性才表現(xiàn)出來;當外力達到一定數(shù)值后,黃土的原始孔隙結構完全被破壞,土體達到密實狀態(tài),勢能得到充分釋放,濕陷系數(shù)就逐漸減小,最終失去產(chǎn)生濕陷性的內因而不具有濕陷性。

四、處理濕陷性的工程措施

黃土的濕陷類別、濕陷等級和分布厚度,以巖土勘察的試驗數(shù)據(jù)為依據(jù),通過經(jīng)濟的、技術的等諸多因素的分析,確定適合特定環(huán)境、特定工程的地基處理方案,確保地基土處理后其承載力和變形幅度滿足工程建設的各項技術指標要求。

(一) 地基處理措施

從濕陷性黃土的結構特性出發(fā),采用合適的地基處理方案以改變或破壞其土體結構體系,達到消除或部分消除地基土的濕陷性,保障建筑物安全和正常使用的工程措施,通常采用的方法有灰土墊層法、灰土擠密法、砂卵(礫)石墊層法、強夯法、基樁法、預浸水法和電化學法等,不一一列舉。

(二) 防水措施

從改善引起黃土濕陷性的條件出發(fā),防止和限制其濕陷性的產(chǎn)生。在地面排水、場地排水、建筑物周邊防水等方面作好防排水措施,阻斷降水和生活用水滲入浸濕地基土。

(三) 建筑措施

在上述兩種措施的基礎上,力求簡單的建筑平面布置、加強其整體結構的剛度,在適當位置布設沉降縫,減小不均勻沉降對建筑物的影響,使建筑物自身有調節(jié)地基濕陷變形的條件。

在工程建設中,通過調整基礎形式,選擇合適的地基壓應力,盡量使基底壓應力小于濕陷起始壓應力,或者大于濕陷終止壓應力,減小濕陷對于工程建設帶來的不利影響。

總之,無論采取何種措施,根本的目的在于通過改善非飽和黃土發(fā)生濕陷的內外因條件,達到減小或消除濕陷的產(chǎn)生結果,保障建(構)筑物的安全和正常運行。

五、結語

1.非飽和黃土的結構特征和物質成分是產(chǎn)生濕陷的內在原因,受水的浸濕和荷載作用是產(chǎn)生濕陷的外因。

2.非飽和黃土濕陷性的大小與孔隙比、含水量有關,孔隙比越大或含水量越小濕陷性越強,飽和狀態(tài)下無濕陷性。

3.濕陷性與外力有關,外力越大濕陷量也越大,但當外力超過某一數(shù)值后,濕陷量逐漸減小,最終失去濕陷性。

4.通過以地基處理為主的綜合工程處理措施,可以達到限制和改善濕陷發(fā)生的工程目的。

參考文獻

[1]趙明華.土力學與基礎工程(第二版)[M].武漢理工大學出版社,2003.

[2]王佳,白曉紅,王梅,楊晶.黃土濕陷性試驗研究[J].建筑科學與工程學報,2006,(3).

作者簡介:高維征(1962-),男,陜西乾縣人,河南省有色金屬地礦局六大隊工程師,研究方向:巖土工程和礦區(qū)水工環(huán)。