黃土塬非飽和黃土增濕變形特性及結(jié)構(gòu)性研究

周茗如++王晉偉++王騰++楊鑫

摘要：為了研究黃土塬地區(qū)非飽和黃土增濕變形特性及其與結(jié)構(gòu)性的關(guān)系，選取慶陽市西峰區(qū)某建筑場地土樣，對其進(jìn)行了不同含水率下的黃土固結(jié)試驗(yàn)研究，討論了濕陷系數(shù)與壓力、初始含水率及初始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的關(guān)系。結(jié)果表明：不同浸水壓力作用下，濕陷系數(shù)隨初始含水率的增大基本呈現(xiàn)遞減趨勢；高壓力處增濕濕陷性強(qiáng)，低壓力處增濕濕陷性弱；黃土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度隨初始含水率的增大呈降低趨勢，且在含水率增大初期，黃土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低速率較大，后期速率減緩；黃土濕陷前后土體的微結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化，形成了較穩(wěn)定的次生結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：黃土塬地區(qū)；非飽和黃土；結(jié)構(gòu)特性；增濕試驗(yàn)

中圖分類號：TU411文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Study on Moistening Deformation Characteristic and Structure of

Unsaturated Loess in Loess TablelandZHOU Mingru1，2， WANG Jinwei1，2， WANG Teng1，2， YANG Xin1，2

（1. Western Engineering Research Center of Disaster Mitigation in Civil Engineering of Ministry of Education，

Lanzhou University of Technology， Lanzhou 730050， Gansu， China； 2. School of Civil Engineering，

Lanzhou University of Technology， Lanzhou 730050， Gansu， China）Abstract： In order to study the moistening deformation characteristics of unsaturated loess in loess tableland area and its relation to structure， the soil samples of a building site in Xifeng district of Qingyang city were selected to study the loess consolidation under different water contents. The relations between collapsibility coefficient and pressure， initial moisture content and initial structural strength were discussed. The study results show that the collapsibility coefficient has a decreasing trend with the increase of initial water content under different soaking pressures. The humectation collapsibility is strong with high pressure， and weak with low pressure. The structural strength of loess decreases with the increase of initial water content. The structural strength of loess decreases quickly at the early stage of water content increasing， and decreases slowly at later stage. The microstructure of loess soil has changed obviously after collapsibility， and a more stable secondary structure is formed.

Key words： loess tableland area； unsaturated loess； structural characteristics； moistening test

0引言

隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的繼續(xù)發(fā)展，越來越多的工程建設(shè)開始向黃土區(qū)域擴(kuò)展[1]。甘肅省隴東地區(qū)位于中國最大的黃土塬——董志塬地貌區(qū)域，是大厚度黃土分布最典型、最廣泛的地區(qū)。與大多數(shù)黃土場地不同，隴東黃土塬地區(qū)黃土結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定，是主要的建筑與工程場地[2]。目前對其研究較少，給隴東地區(qū)工程設(shè)計(jì)及建設(shè)帶來非常大的困擾。

資料顯示，對于大厚度濕陷性黃土地區(qū)，其地基設(shè)計(jì)主要考慮黃土濕陷性的影響，而含水率的變化是造成黃土濕陷的主要原因，影響黃土的強(qiáng)度和變形性能。由于隴東地區(qū)降水較少，地下水位較深，其飽和濕陷很難達(dá)到，所以通過增濕變化對黃土濕陷進(jìn)行預(yù)測，更符合隴東地區(qū)黃土研究的實(shí)際意義。謝定義[1]指出，黃土濕陷的研究應(yīng)該放在濕陷的可能性和增濕濕陷的實(shí)際預(yù)測上。

在隴東地區(qū)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，一般以陜西地區(qū)作為參考對象，但隴東黃土塬的黃土層厚度大，地下水位深，地基達(dá)到浸水飽和濕陷水平的可能性小，在這樣的地區(qū)用完全飽和情況下的濕陷變形進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，必然會給工程帶來不必要的浪費(fèi)[34]。因此，研究隴東地區(qū)黃土結(jié)構(gòu)特性成為當(dāng)前隴東地區(qū)工程建設(shè)研究的重點(diǎn)。

本文通過對原狀黃土在不同濕度（逐級增濕直至完全飽和）下進(jìn)行側(cè)限壓縮試驗(yàn)，研究不同含水率（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）下黃土的增濕濕陷特性隨外力變化的特性及其與結(jié)構(gòu)性之間的內(nèi)在聯(lián)系，獲得關(guān)于隴東地區(qū)非飽和黃土的變形和強(qiáng)度特性，為隴東黃土塬地區(qū)工程設(shè)計(jì)及建設(shè)提供理論基礎(chǔ)。

1研究方法

1.1機(jī)理分析

黃土是形成于干旱或半干旱環(huán)境下具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的欠壓密土[5]，由于其特殊的生成環(huán)境，使得其具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征，黃土的結(jié)構(gòu)性和欠壓密性是造成其濕陷的最基本原因[67]。Rogers等[813]從各角度（包括熱動力學(xué)、相變、流變學(xué)、孔隙結(jié)構(gòu)、顆粒接觸和分布等）分析了黃土的濕陷變形和結(jié)構(gòu)破壞過程，研究結(jié)果顯示黃土的濕陷性與其結(jié)構(gòu)性有密切的關(guān)系；周鳳璽等[1416]從本構(gòu)關(guān)系方面對黃土進(jìn)行了研究，并提出了相應(yīng)的本構(gòu)模型；胡再強(qiáng)[17]引入數(shù)值分析方法對黃土的浸水試驗(yàn)進(jìn)行了研究；陳存禮等[1820]重點(diǎn)探討了黃土的濕陷性以及結(jié)構(gòu)性；陳正漢等[2124]引入CT掃描技術(shù)，指出黃土的濕陷過程是其顆粒結(jié)構(gòu)重新排列的過程。

1.2試樣選擇及制備

本文試驗(yàn)土樣取自慶陽市西峰區(qū)某建筑場地，取土深度在地面以下5～9 m，為Q3黃土，土質(zhì)較均勻。場地原狀土樣的基本物理指標(biāo)見表1。表1試驗(yàn)土樣基本參數(shù)

Tab.1Basic Parameters of Test Soil Sample含水率w/%天然密度ρ/（g·cm-3）干密度ρd/（g·cm-3）相對密度GS天然孔隙比e塑限Wp/%液限WL/%13.121.531.392.700.88519.1429.22在試樣制備過程中，為減少試驗(yàn)誤差，需控制同一組試樣的誤差在一定范圍之內(nèi)，即密度差值在0.03 g·cm-3的范圍內(nèi)且含水率的差值在2%的范圍內(nèi)。

增濕、減濕含水率計(jì)算公式如下

mw=m01+0.01w0×0.01（w1-w0）（1）

式中：mw為制備試樣增加或減少的水量；m0為試驗(yàn)前環(huán)刀內(nèi)土樣的質(zhì)量；w0為土樣的初始含水率；w1為試樣要求的含水率。

當(dāng)試樣含水率低于w0時(shí)，將原狀土試樣風(fēng)干至試驗(yàn)要求含水率，當(dāng)試樣含水率高于w0時(shí)，利用水膜轉(zhuǎn)移法即對原狀土試樣采用天然原狀樣滴定注水的方法提高含水率，為了避免一次加水過多造成試樣體脹，當(dāng)加水量超過10 g時(shí)，應(yīng)分2次加水。等到試樣含水率達(dá)到試驗(yàn)控制含水率后，用保鮮膜包裹2層放在保濕缸中密閉放置24 h以上，使水分?jǐn)U散均勻，以便控制試樣初始含水率。

1.3試驗(yàn)方案

張?zhí)K民等[6]提出了黃土增濕變形的概念，即黃土在某一外力作用下達(dá)到變形穩(wěn)定后，由于浸水增濕而引起的附加變形為增濕變形。現(xiàn)行黃土規(guī)范中對黃土飽和濕陷試驗(yàn)有2種規(guī)定的試驗(yàn)方法，即單、雙線法，其試驗(yàn)結(jié)果都可以用來對黃土的濕陷性進(jìn)行評價(jià)。本文增濕濕陷試驗(yàn)選用雙線法，儀器選用江蘇永昌科教儀器制造有限公司生產(chǎn)的GJ32型三聯(lián)高壓固結(jié)儀。試驗(yàn)控制的試樣含水率為3.22%，8.22%，13.22%（試樣初始含水率）和18.22%，23.22%，28.22%，31.35%（試樣飽和含水率）。試驗(yàn)的加載等級為25，50，100，200，300，400，800，1 600 kPa。試驗(yàn)過程參照《土工試驗(yàn)規(guī)程》[25]及《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[26]。2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1濕陷系數(shù)與壓力的關(guān)系

濕陷系數(shù)是表征黃土濕陷變形的重要指標(biāo)之一，也是評價(jià)場地濕陷性不可或缺的重要參數(shù)，指在一定壓力下，土樣浸水前后高度之差與土樣原始高度之比，其大小反映了黃土對水的敏感程度。

濕陷系數(shù)計(jì)算公式如下

δs=hp-h′ph0（2）

式中：δs為濕陷系數(shù)；hp為保持天然濕度和結(jié)構(gòu)的土樣加壓到一定值時(shí)下沉穩(wěn)定后的高度；h′p為加壓穩(wěn)定后的土樣在浸水作用下下沉穩(wěn)定后的高度。

圖1為不同初始含水率下濕陷系數(shù)與壓力的關(guān)系曲線。從圖1中可以看出：在初始含水率一定的情況下，隨壓力的增加，濕陷系數(shù)δs表現(xiàn)為先增大后減小趨勢；在壓力一定的情況下，隨著初始含水率w0的增大，濕陷系數(shù)δs曲線整體呈下降趨勢，表明黃土的濕陷敏感性受初始含水率w0的影響較大，即呈現(xiàn)隨減濕而增大、隨增濕而減小的趨勢。

圖1不同初始含水率w0下濕陷系數(shù)與壓力的關(guān)系曲線

Fig.1Relation Curves of Collapsibility Coefficients and

Pressures with Different Initial Water Contents w0濕陷性黃土結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)為多孔介質(zhì)特征，當(dāng)黃土遇水增濕后，顆粒之間的連接在荷載作用下發(fā)生軟化、潰散，土體本身結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，土體顆粒由于連接軟化發(fā)生重新排列。隨含水率的增大，土體結(jié)構(gòu)慢慢趨于穩(wěn)定，最終當(dāng)黃土達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，濕陷量基本消失，呈現(xiàn)為曲線與橫坐標(biāo)基本重合。

為了深入研究增濕對原狀黃土濕陷變形的影響，本文選取了2種初始含水率，引用增濕濕陷系數(shù)Δδs來反映黃土濕陷隨增濕含水率的退化程度。圖2為增濕濕陷系數(shù)Δδs與浸水壓力P的關(guān)系。

圖2不同初始含水率下Δδs與P的關(guān)系曲線

Fig.2Relation Curves of Δδs and P with Different

Initial Water Contents現(xiàn)行黃土規(guī)范中把濕陷系數(shù)δs=0.015時(shí)所對應(yīng)的壓力定義為濕陷起始壓力Psh，該值標(biāo)志著濕陷的開始，是黃土濕陷性評價(jià)中的一個重要參數(shù)，類似地，將Δδs=0.015對應(yīng)的最小壓力稱為增濕濕陷起始壓力Psh。由圖2可以看出：隨壓力增大，增濕濕陷系數(shù)經(jīng)歷了平緩增長、快速增長、平緩下降的過程；當(dāng)壓力一定時(shí)，Δδs隨增濕含水率的增大而增大，土樣達(dá)到含水率飽和時(shí)，Δδs達(dá)到最大值，說明當(dāng)試樣飽和時(shí)，濕陷退化程度最大。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著增濕含水率的增大，Psh呈減小趨勢，且隨初始含水率的增大而增大。

2.2濕陷系數(shù)與初始含水率的關(guān)系

圖3為濕陷系數(shù)與初始含水率的關(guān)系曲線。從圖3中可以看出：隨初始含水率w0的增大，δs基本表現(xiàn)為遞減趨勢；當(dāng)浸水壓力P較小時(shí)（P<100 kPa），δs隨w0增大而呈減小趨勢，并且浸水壓力越大，減小速率越大；當(dāng)含水率大于8%時(shí)，δs減小趨勢變緩；當(dāng)浸水壓力在200～400 kPa區(qū)間時(shí)，隨w0的增大，δs減小速率增加，且呈近似直線的關(guān)系；在浸水壓力等于200 kPa時(shí)，濕陷系數(shù)曲線段出現(xiàn)一個凸起，超出了浸水壓力P為300，400 kPa時(shí)的濕陷系數(shù)值，說明壓力200 kPa是w0≈28%的峰值濕陷壓力，對比圖1可以看到此種現(xiàn)象；當(dāng)浸水壓力P≥800 kPa時(shí)，隨浸水壓力的增大，δs變化速率隨w0的增加先增大后趨于變緩，因?yàn)榇藭r(shí)黃土初始結(jié)構(gòu)已被破壞，形成較穩(wěn)定的次生結(jié)構(gòu)。

圖3濕陷系數(shù)與初始含水率的關(guān)系曲線

Fig.3Relation Curves of Collapsibility

Coefficients and Initial Water Contents2.3黃土增（減）濕與初始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的關(guān)系

為了進(jìn)一步分析含水率變化對原狀黃土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響規(guī)律，將不同含水率條件下的eP繪制成曲線（圖4）。

圖4不同初始含水率下的壓縮曲線

Fig.4Compression Curves with Different

Initial Water Contents從圖4可以看出：原狀黃土的壓縮曲線隨P的增大由平緩轉(zhuǎn)為陡降，平緩段e表現(xiàn)為隨增濕減小和隨減濕而增大的趨勢。每條曲線在經(jīng)歷了前期的平緩段后會出現(xiàn)一個轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此點(diǎn)為黃土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度Pc點(diǎn)，即黃土結(jié)構(gòu)開始破壞時(shí)的壓力點(diǎn)。通過Casagrande方法求出各曲線的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度Pc[1011]，如表2所示。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度Pc與初始含水率w0的關(guān)系如圖5所示。

表2不同初始含水率下黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

Tab.2Structural Strength of Loess with

Different Initial Water Contents初始含水率w0/%結(jié)構(gòu)強(qiáng)度Pc/kPa3.221 7508.221 10013.2250018.2225023.2220028.2215031.3590圖5黃土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與初始含水率的關(guān)系曲線

Fig.5Relation of Structural Strength of

Loess and Initial Water Contents從圖5可以看出，黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度隨初始含水率增大呈減小趨勢，且當(dāng)初始含水率w0小于液限wL（29.22%）時(shí)，在低壓力條件下（P≤150 kPa），不同初始含水率增濕到wL的過程中壓力P始終小于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度Pc，說明在此過程中黃土的結(jié)構(gòu)未發(fā)生破壞，對含水率的敏感性較弱，黃土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較強(qiáng)。隨著濕度的繼續(xù)增加，黃土的結(jié)構(gòu)開始急速減弱，當(dāng)壓力增大到超過結(jié)構(gòu)強(qiáng)度Pc時(shí)，黃土結(jié)構(gòu)開始遭到破壞，穩(wěn)定性減弱。作用壓力P越大，在較高w0條件下黃土結(jié)構(gòu)破壞越嚴(yán)重，當(dāng)P≥Pc時(shí)，甚至在增濕前黃土的初始結(jié)構(gòu)已遭到破壞，輕微增濕條件即可產(chǎn)生較大的變形。由此可見，黃土增濕變形發(fā)展受結(jié)構(gòu)強(qiáng)度Pc與增濕時(shí)作用壓力P的影響非常明顯。

2.4黃土濕陷過程中的微結(jié)構(gòu)變化

在干旱半干旱環(huán)境條件下，黃土主體骨架以粗粉顆粒為主，并與微小的黏土顆粒、可溶鹽及腐殖質(zhì)膠體等物質(zhì)形成固化連接，這就構(gòu)成了黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。為了進(jìn)一步研究隴東地區(qū)黃土濕陷后的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對天然含水率下黃土濕陷前后的試樣進(jìn)行了電鏡掃描試驗(yàn)，圖6為黃土濕陷前后的電鏡掃描圖像。

圖6濕陷前后微結(jié)構(gòu)電鏡掃描圖像

Fig.6Scanning Electron Microscopy Image of

Microstructure Before and After Collapsibility從圖6可以看出：黃土濕陷前土體顆粒排列較為疏松，顆粒間可見大量孔隙，呈膠結(jié)連接狀[13]；濕陷后土體的微結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化，膠結(jié)狀孔隙消失，形成了以鑲嵌孔隙為主的結(jié)構(gòu)體，可以看到土體結(jié)構(gòu)變得比濕陷前密實(shí)。實(shí)際上，由于天然狀態(tài)下的非飽和黃土由固、液、氣三相構(gòu)成，土體內(nèi)部有較強(qiáng)的吸力作用，但當(dāng)黃土內(nèi)部含水率增加后，就會造成內(nèi)部吸力減小，水分使得顆粒間的摩擦因數(shù)降低，削弱了顆粒之間的連接強(qiáng)度，從而使土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度呈明顯降低趨勢，這就是含水率增加會造成黃土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低的原因。3結(jié)語

（1）黃土的濕陷敏感性受初始含水率的影響較大，呈現(xiàn)隨減濕而增大、隨增濕而減小的趨勢。

（2）增濕濕陷系數(shù)隨含水率的增大呈增大趨勢，反映了增濕過程中濕陷退化的趨勢越來越大。

（3）黃土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度隨初始含水率的增大呈降低趨勢，在含水率增大初期，黃土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低速率較大，后期速率減緩。

（4）對比天然含水率狀態(tài)下原狀黃土濕陷前后的電鏡掃描照片發(fā)現(xiàn)，黃土濕陷前后土體的微結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化，膠結(jié)狀孔隙消失，形成了以鑲嵌孔隙為主的結(jié)構(gòu)體，形成較穩(wěn)定的次生結(jié)構(gòu)，土體結(jié)構(gòu)變得比濕陷前密實(shí)。參考文獻(xiàn)：

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