濕陷系數(shù)與黃土宏觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系研究

潘 蕾， 張遠(yuǎn)芳， 陳敬知， 張運(yùn)海

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830052)

1 研究背景

對(duì)于黃土結(jié)構(gòu)性的認(rèn)知最早始于其特殊的濕陷性，為研究濕陷的形成機(jī)制，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)各地區(qū)黃土做了大量研究工作，分別提出了相應(yīng)的濕陷機(jī)理?？v觀各濕陷機(jī)理，其假定成立的前提都是黃土特有的“低密度，大孔隙”的結(jié)構(gòu)特性，在此特定條件下，土體才會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞和較大的變形。因此，對(duì)黃土結(jié)構(gòu)性的認(rèn)知途徑基本從“大孔隙、架空結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞”出發(fā)，從多個(gè)角度進(jìn)行黃土結(jié)構(gòu)性的論述，而其中最直接有效地反映結(jié)構(gòu)性變化的物理指標(biāo)應(yīng)為孔隙比，因孔隙比可以從宏觀上對(duì)土體骨架的排列狀態(tài)進(jìn)行真實(shí)地量化反映。

我國(guó)學(xué)者從變形的角度已建立了諸多黃土結(jié)構(gòu)參數(shù)模型，并對(duì)黃土結(jié)構(gòu)性進(jìn)行了量化的表達(dá)，極大地加深了對(duì)黃土結(jié)構(gòu)性的認(rèn)知程度。謝定義等[1]在20世紀(jì)末提出了“綜合結(jié)構(gòu)勢(shì)”，通過(guò)對(duì)比不同狀態(tài)下土樣的壓縮變形量得到結(jié)構(gòu)性參數(shù)；田堪良等[2]通過(guò)壓縮變形量差值的對(duì)比，得出“靜力強(qiáng)度勢(shì)參數(shù)”并區(qū)分了聯(lián)結(jié)強(qiáng)度和摩擦強(qiáng)度；陳存禮等[3]通過(guò)壓縮曲線得到結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力，并建立了e-lnp的函數(shù)關(guān)系式。黨進(jìn)謙等[4]對(duì)含水量與黃土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行了分析。王麗琴等[5]、邵生俊等[6]在得到構(gòu)度的基礎(chǔ)上，得出以孔隙比為變量的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力表達(dá)式。劉海松等[7]在大量資料的基礎(chǔ)上，對(duì)黃土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與濕陷性的關(guān)系進(jìn)行了分析。周茗如等[8]討論了濕陷系數(shù)與壓力、初始含水率、初始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的關(guān)系。高凌霞等[9]通過(guò)電鏡掃描分析了不同含水率與固結(jié)壓力對(duì)濕陷性的影響差異；胡仲有等[10]對(duì)不同地區(qū)黃土的結(jié)構(gòu)性和濕陷性進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)在超過(guò)一定壓力后，結(jié)構(gòu)性參數(shù)與濕陷系數(shù)隨含水率的變化規(guī)律一致。陳存禮等[11-12]根據(jù)孔隙比定義了一個(gè)定量結(jié)構(gòu)性參數(shù)，認(rèn)為濕陷系數(shù)受結(jié)構(gòu)性影響的規(guī)律是相同的。

2 試驗(yàn)基本情況

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆昌吉市北部(44°20′42″N，87°20′43″E,平均海拔高度554 m)，地處天山北麓、準(zhǔn)格爾盆地南緣，整個(gè)地勢(shì)由南向北呈階梯狀下降，南北高差超過(guò)4 000 m，南部主要為山地，中部為沖積平原，北部沙漠屬古爾班通古特大沙漠一部分，沙丘為固定和半固定型，丘間地勢(shì)平坦。該地屬中溫帶區(qū)，為典型的溫帶大陸性干旱氣候，降水主要出現(xiàn)在春夏兩季，南部山區(qū)氣候特征明顯，北部區(qū)域沙漠性氣候特征顯著，故研究區(qū)極其干燥缺水。

2.2 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)土樣于2017年6月下旬采集，取自研究區(qū)內(nèi)一處新建構(gòu)筑物地基，該地6月份地下水埋深約25～30 m，20 m深度范圍內(nèi)為黃土層或類黃土層，土層呈淡黃色無(wú)層理結(jié)構(gòu)，柱狀節(jié)理發(fā)育，經(jīng)取樣觀察發(fā)現(xiàn)，4 m內(nèi)土層中原生閉合斜節(jié)理占主要部分。原地表層由雜草、紅柳等灌木覆蓋，故土體表層1～2 m內(nèi)根系發(fā)育，3 m內(nèi)土層分布肉眼可見(jiàn)大孔隙，多為樹(shù)根腐爛后的根洞和蟲(chóng)孔，直徑可達(dá)14～16 mm。

試驗(yàn)土樣共分為2組，分別取自4 m以內(nèi)不同埋深的土層，根據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)范[13]對(duì)土樣的基本物理參數(shù)進(jìn)行了測(cè)定，如表1所示。試驗(yàn)測(cè)得土體的塑性指數(shù)約介于9～10之間，采用朱慕仁[14]所提出的根據(jù)塑性指數(shù)的分類方法，可進(jìn)一步將試驗(yàn)土體劃分為輕砂質(zhì)粉黃土。根據(jù)顆分試驗(yàn)結(jié)果顯示，兩組的砂粒占比相同，黏粒含量(d≤0.005 mm) 分別為18%、17%，粉粒含量(0.05

表1 黃土基本參數(shù)

2.3 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)主要從濕陷系數(shù)變化的角度對(duì)黃土體宏觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，試驗(yàn)方法為常規(guī)的黃土濕陷性試驗(yàn)，試驗(yàn)變量為土體初始含水率。試驗(yàn)在控制同組內(nèi)重塑土樣與原狀土樣干密度相同的條件下，分別對(duì)A、B兩組的原狀黃土和重塑黃土進(jìn)行増濕、減濕下的濕陷性試驗(yàn)，初始含水率階梯設(shè)置分別為3%、8%、13%、18%、23%，濕陷試驗(yàn)采用雙線法進(jìn)行。

3 濕陷系數(shù)與黃土宏觀結(jié)構(gòu)

3.1 濕陷系數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)性詮釋

濕陷系數(shù)δs是指單位厚度的土樣所產(chǎn)生的濕陷變形，是判定黃土濕陷性的定量指標(biāo)，由室內(nèi)壓縮試驗(yàn)測(cè)定[15]，可用孔隙比進(jìn)行表達(dá)[16]：

(1)

式中：h0為初始土樣厚度，mm；e0為初始孔隙比；Δhs為浸水飽和與原含水率試樣壓縮量差值，mm；hp為某壓力下原含水試樣壓縮曲線縱坐標(biāo)，mm；hpb為某壓力下飽和試樣壓縮曲線縱坐標(biāo)，mm；ePb,i為飽和試樣在某級(jí)荷載壓縮后的孔隙比；ep,i為原含水試樣某級(jí)荷載壓縮后的孔隙比。

公式(1)給出了孔隙比的變化率和濕陷系數(shù)之間的關(guān)系，式中的孔隙比由3部分組成：初始孔隙比以及某級(jí)荷載下浸水飽和土樣孔隙比、某級(jí)荷載下原含水率土樣孔隙比。對(duì)于初始干密度相同的同一組土樣，初始孔隙比e0為常數(shù)，則1/(1+e0)表示的是初始狀態(tài)下土顆粒的分布，且一般認(rèn)為土顆粒不具有壓縮性，則濕陷系數(shù)的變化僅來(lái)自于2種工況在不同荷載下土體孔隙比的差異，孔隙比雖不能直接反映黃土中“開(kāi)放的亞穩(wěn)態(tài)架空結(jié)構(gòu)”，但在宏觀上可以對(duì)土體的結(jié)構(gòu)狀態(tài)加以體現(xiàn)。如上文所述，濕陷系數(shù)在工程中已有較成熟的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，且濕陷系數(shù)與孔隙比存在上述關(guān)系，在此將孔隙比替換為濕陷系數(shù)，可以利用濕陷系數(shù)對(duì)黃土結(jié)構(gòu)性進(jìn)行描述。

對(duì)此，從靜力勢(shì)能的角度出發(fā)對(duì)黃土結(jié)構(gòu)性進(jìn)行解讀：濕陷系數(shù)表示了壓力和浸水飽和共同作用下產(chǎn)生的額外附加變形量，則額外附加變形量是指土體在抵抗相同外力時(shí)，由于浸水飽和作用導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)性的削弱或喪失的結(jié)果；同時(shí)濕陷系數(shù)是指單位厚度土樣所產(chǎn)生的濕陷變形，故濕陷系數(shù)表征了單位厚度原含水率土體與飽和土體之間浸水飽和作用產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)性差異，這種差異是對(duì)土體宏觀結(jié)構(gòu)變化上的表達(dá)。

3.2 濕陷系數(shù)對(duì)土體宏觀結(jié)構(gòu)的表達(dá)

對(duì)A、B兩組的原狀樣和重塑樣進(jìn)行増濕、減濕下的濕陷性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 濕陷系數(shù)曲線

原狀黃土和重塑黃土都表現(xiàn)出隨初始含水率的增大濕陷系數(shù)逐漸減小的特征。分析現(xiàn)象產(chǎn)生的原因：當(dāng)含水率較低時(shí)土體粒間水膜較薄，水膜的潤(rùn)滑作用對(duì)粒間摩擦力和黏聚力的影響弱，則土體結(jié)構(gòu)抵抗上覆荷載能力較強(qiáng)。同時(shí)在黃土骨架顆粒聯(lián)結(jié)部位通常包裹有黏土膜和鹽晶膜，共同形成了聯(lián)接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在水的作用下顆粒間的接觸黏膜被侵蝕，少量的結(jié)晶、黏膠顆粒溶解脫落，導(dǎo)致接觸聯(lián)結(jié)強(qiáng)度降低。此外隨含水率逐漸增加，粒間自由水增多，土顆粒更易發(fā)生位移，在水、土、力的耦合作用下導(dǎo)致黃土的濕陷系數(shù)降低幅度逐漸增大，當(dāng)含水率(飽和度)較大后，粒間水膜的潤(rùn)滑作用逐漸削弱。

上述分析表明初始含水率不同，土體原始結(jié)構(gòu)也明顯不同：隨著含水率的增大，土體的原始結(jié)構(gòu)遭到了削弱，較大含水率土體和浸水飽和土體結(jié)構(gòu)性的差異變小，在濕陷曲線上表現(xiàn)為逐級(jí)下降。這進(jìn)一步驗(yàn)證了濕陷系數(shù)可以對(duì)黃土宏觀結(jié)構(gòu)性進(jìn)行有效地表達(dá)。

濕陷系數(shù)曲線通常會(huì)在某一荷載時(shí)達(dá)到峰值，隨后呈下降或平緩趨勢(shì)。如圖1(a)、1(b)所示，原狀黃土的濕陷曲線存在較明顯的峰值，隨荷載的持續(xù)增大濕陷系數(shù)逐漸減小，曲線下跌，最后呈平緩狀；重塑黃土則無(wú)明顯峰值出現(xiàn)(圖1(c)、1(d))，在濕陷系數(shù)達(dá)到峰值后曲線直接進(jìn)入平緩狀態(tài)。濕陷曲線的走勢(shì)實(shí)則是濕陷系數(shù)增量發(fā)生變化的結(jié)果，因此從濕陷系數(shù)的增量上對(duì)濕陷系數(shù)曲線進(jìn)行分析：

如公式(1)所示，濕陷系數(shù)δs=(hp-hpb)/h0，則濕陷系數(shù)的增量Δδs表示下級(jí)荷載對(duì)附加變形量的作用大小，對(duì)濕陷系數(shù)的增量進(jìn)行推導(dǎo)，為公式的簡(jiǎn)潔性，此處將濕陷系數(shù)δs簡(jiǎn)化為δ表示，同樣代表飽水濕陷系數(shù)：

(2)

式中：δi為土體在pi荷載下的濕陷系數(shù)；hi為原含水率土體在pi荷載下穩(wěn)定后的高度，mm；hk為飽和土體在Pi荷載下變形穩(wěn)定后的高度，mm；hsi為飽和土體在Pi+1荷載下的變形增量，mm；hci為原含水率土體在Pi+1荷載下的變形增量，mm。

由公式(2)可知濕陷系數(shù)的變化代表了原含水率土體壓縮增量與飽和土體壓縮增量的差值，當(dāng)濕陷系數(shù)增大時(shí)，曲線呈上升狀態(tài)Δδ>0，浸水飽和土體的壓縮增量大于原含水率土體的壓縮增量，同時(shí)濕陷系數(shù)代表浸水飽和作用產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)性削弱，因此當(dāng)濕陷曲線處于上升階段時(shí)，兩種工況下土體的結(jié)構(gòu)性差異是逐漸增大的，在達(dá)到濕陷系數(shù)峰值時(shí)表明荷載作用下，浸水飽和作用產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)削弱程度最大。

曲線下降階段Δδ<0，即Δhsi<Δhci，表明在達(dá)到一定荷載時(shí)，浸水飽和土體的變形增量小于原含水率土體的變形增量，分析原因：飽和土體的壓縮系數(shù)大于原含水率土體，在前期荷載作用下，飽和土體已達(dá)到較大壓縮量，原含水率土體尚有更大的壓縮空間，壓縮系數(shù)的改變實(shí)則是浸水飽和對(duì)土體結(jié)構(gòu)的削弱效果。

曲線平緩段Δδ→0，即Δhsi→Δhci，即在達(dá)到較大荷載時(shí)，浸水飽和土體的變形增量與原含水率土體的變形增量近似相等。此時(shí)浸水飽和與原含水率土體抵抗同等荷載時(shí)所產(chǎn)生的變形增量近似相同，說(shuō)明兩種工況下的土體結(jié)構(gòu)已具有相似的穩(wěn)定性，此時(shí)結(jié)構(gòu)性差異達(dá)到最小狀態(tài)。

在相同初始條件下，濕陷系數(shù)會(huì)隨上覆荷載發(fā)生變化，因此濕陷系數(shù)更適用于描述土體結(jié)構(gòu)性的改變，可以分析出在不同工況下土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和可變性的發(fā)展趨勢(shì)。

4 黃土結(jié)構(gòu)的可穩(wěn)性及可變性

可穩(wěn)性是指破壞土體初始結(jié)構(gòu)的難易程度，可變性是指土結(jié)構(gòu)破壞后土變形增大、強(qiáng)度降低的大小程度[11]。

由上文分析可知，濕陷系數(shù)表征了浸水飽和作用產(chǎn)生的土體結(jié)構(gòu)性差異。因此，認(rèn)為當(dāng)濕陷系數(shù)上升至峰值段為土體原生結(jié)構(gòu)的破壞階段，結(jié)構(gòu)性差異逐漸顯著，該階段代表了土體的“可穩(wěn)性”，濕陷系數(shù)的峰值大小表示了土體由于浸水飽和作用產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)性削弱程度，則濕陷系數(shù)峰值愈大，土體的可穩(wěn)性愈弱。

濕陷系數(shù)的下降、平緩段為土體次生結(jié)構(gòu)的愈合階段，原含水率土體與浸水飽和土體壓縮增量差值逐漸減小，表明土體結(jié)構(gòu)破壞后的附加變形量減小、土體結(jié)構(gòu)性差異逐漸削弱，故該階段代表了土體的“可變性”，在曲線上表現(xiàn)為：峰值點(diǎn)后曲線的降低幅度，降低幅度越大表明原含水率土體在該荷載下的變形越大，則土體“可變性”越大。

推導(dǎo)如上文3.2節(jié)中公式(2)。當(dāng)處于下降階段時(shí)，浸水飽和土體的壓縮量已達(dá)較大值，Δhsi開(kāi)始逐漸減小，而原含水率Δhci的減緩速率相對(duì)慢的多，Δδ的絕對(duì)值開(kāi)始增大(下降階段Δδ為負(fù)值)，總的濕陷值δ隨之變小，當(dāng)上覆荷載達(dá)到足夠大時(shí)，原含水率土體和飽和土體的壓縮增量都趨于穩(wěn)定，開(kāi)始進(jìn)入平穩(wěn)階段。因此，濕陷系數(shù)降低階段的下降幅度代表了原含水率土體結(jié)構(gòu)破壞后的變形量，即“可變性”。

原狀黃土的濕陷過(guò)程包含了上升、下降、平穩(wěn)3個(gè)階段。上升段主要為土體原生結(jié)構(gòu)破壞過(guò)程，隨初始含水率的增大濕陷系數(shù)峰值減小，即低含水率下原狀黃土的結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)，意味著土體遇水后附加變形量大，更易失穩(wěn)，土體有“弱可穩(wěn)性”。隨著初始含水率的增加濕陷曲線下降，附加變形量減小，意味著土體穩(wěn)定性增強(qiáng)向“強(qiáng)可穩(wěn)性”發(fā)展。

重塑黃土的濕陷過(guò)程通常僅包括上升、平緩段，上升段曲線增長(zhǎng)速度相對(duì)緩慢，即重塑黃土比原狀黃土在同等上覆荷載下的濕陷系數(shù)小，表明重塑黃土有相對(duì)較強(qiáng)的可穩(wěn)性。無(wú)論原狀或重塑黃土，土體的“可穩(wěn)性”都隨含水率的增大而增大。

同時(shí)初始含水率的增加會(huì)影響濕陷系數(shù)下降階段的發(fā)展，導(dǎo)致原狀黃土的“可變性”減小。本次試驗(yàn)中重塑黃土的濕陷系數(shù)達(dá)到峰值后沒(méi)有顯著的下降階段，“可變性”對(duì)含水率的變化并無(wú)明顯的相關(guān)性，重塑黃土結(jié)構(gòu)破壞后一直保持著較小的“可變性”。

綜上，原狀、重塑黃土的“可穩(wěn)性”隨含水率增大而增強(qiáng)，原狀黃土的“可變性”隨含水率增大而減小，重塑黃土一直保持較小的“可變性”。歸納濕陷曲線進(jìn)行分類如圖2所示，圖2(a)為原狀黃土濕陷曲線示意圖，隨初始含水率的增大曲線由①弱可穩(wěn)-強(qiáng)可變性逐漸向②強(qiáng)可穩(wěn)-弱可變發(fā)展；圖2(b)為重塑黃土濕陷曲線示意圖，隨初始含水率的增大由①弱可穩(wěn)-弱可變向②強(qiáng)可穩(wěn)-弱可變發(fā)展。

圖中：①含水率大于②

5 結(jié) 論

(1)基于濕陷系數(shù)從靜力勢(shì)能角度出發(fā)對(duì)黃土結(jié)構(gòu)性進(jìn)行解讀：濕陷系數(shù)表征了單位厚度原含水率土體與飽和土體之間浸水飽和作用產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)性差異，這種差異是對(duì)土體宏觀結(jié)構(gòu)變化上的表達(dá)。

(2)對(duì)濕陷曲線和土體宏觀結(jié)構(gòu)性關(guān)系進(jìn)行了分析，濕陷系數(shù)峰值時(shí)浸水飽和作用產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)性削弱程度最大，濕陷系數(shù)下降段表示土體結(jié)構(gòu)性差異的削弱，平緩段時(shí)原含水率與飽和土體的結(jié)構(gòu)已具相似的穩(wěn)定性。

(3)根據(jù)濕陷系數(shù)與宏觀結(jié)構(gòu)性的關(guān)系，從濕陷系數(shù)對(duì)黃土結(jié)構(gòu)“可穩(wěn)性”及“可變性”進(jìn)行了探討。隨著初始含水率的增大，原狀黃土由“弱可穩(wěn)-強(qiáng)可變”逐漸向“強(qiáng)可穩(wěn)-弱可變”發(fā)展，重塑黃土由“弱可穩(wěn)-弱可變”向“強(qiáng)可穩(wěn)-弱可變”發(fā)展。濕陷系數(shù)更適用于描述土體結(jié)構(gòu)性的改變，可以分析出在不同工況下土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和可變性的發(fā)展趨勢(shì)。