三門峽黃土濕陷特性及其與結(jié)構(gòu)強度的關(guān)系

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(1.同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092；2.國網(wǎng)河南省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，鄭州 450052)

1 研究背景

非飽和黃土常具有明顯的濕陷性，是干旱、半干旱地區(qū)工程建設(shè)中經(jīng)常遇到的問題土。河南三門峽地區(qū)廣泛分布濕陷性黃土，在該地區(qū)修建大型輸電線路桿塔，黃土濕陷性會對塔基產(chǎn)生不良影響。塔基濕陷性黃土遇水發(fā)生崩解、濕陷，將導(dǎo)致輸電線桿塔出現(xiàn)不同程度的傾斜、變形、構(gòu)件破壞甚至倒塔事故，嚴(yán)重影響輸電線路的安全運行。為了對三門峽地區(qū)濕陷性黃土塔基提出安全、經(jīng)濟(jì)且合理的建設(shè)方案，亟待對其黃土發(fā)生濕陷的規(guī)律和機(jī)理開展研究。

黃土在世界范圍內(nèi)的分布十分廣泛，包括我國、法國、俄羅斯、泰國等國家，以及北美和歐洲等地區(qū)。國內(nèi)外學(xué)者針對世界各地的黃土濕陷變形特性開展了大量的研究工作[1-5]，包括黃土的濕陷機(jī)理、影響因素和濕陷特性等。關(guān)于黃土濕陷變形的原因與機(jī)理，有黏聚力降低或消失假說、純黏性膠結(jié)物破壞假說、黏土粒膨脹假說、土顆粒間的抗剪強度突然降低假說等。濕陷機(jī)理均說明黃土濕陷是力與水共同作用的結(jié)果，超過結(jié)構(gòu)強度的壓力使黃土結(jié)構(gòu)破壞，是產(chǎn)生濕陷變形的主導(dǎo)因素，而水使黃土結(jié)構(gòu)軟化，是產(chǎn)生濕陷變形的必要條件[6-8]。

高壓力時濕陷性強，低壓力時濕陷性弱[9]。但壓力與濕陷性之間并非只是簡單的單調(diào)增函數(shù)關(guān)系。當(dāng)壓力足夠大時，濕陷系數(shù)將降低，甚至<0.015以至趨近于0。張茂花[6]從壓縮變形和濕陷變形的角度解釋這種情形：黃土的變形主要由壓縮變形和濕陷變形組成。過大的壓力會使土壓密，使得壓縮變形將占總變形量相當(dāng)大的一部分，于是土的濕陷變形相對減弱甚至完全消失。

隨著初始含水率減小，黃土濕陷性呈增強趨勢[3-4]。即在同一壓力下初始含水率越低，相應(yīng)的濕陷系數(shù)越大；而初始含水率越接近飽和含水率，相應(yīng)的濕陷系數(shù)也越低。駱亞生等[7]從黃土的結(jié)構(gòu)性方面解釋了這種情形：在含水率低時，黃土若能維持其結(jié)構(gòu)強度，則壓縮變形有限，存在很大的潛在壓縮空間，一旦浸水，濕陷變形很大。在含水率較高時，結(jié)構(gòu)強度迅速降低，承受壓力時黃土壓縮變形量已經(jīng)很大，而浸水時濕陷變形量相應(yīng)要小得多，因此其濕陷系數(shù)也迅速降低。

這些研究成果主要基于試驗現(xiàn)象的定性描述，定量研究相對較少。本文擬從豎向壓力和初始含水率的角度，定量分析兩者對黃土濕陷性的影響規(guī)律。另外，國內(nèi)外研究通過單線法和雙線法，描述了黃土的濕陷特性，但是對濕陷特性隨含水率變化解釋不明確、不充分。本文嘗試從“結(jié)構(gòu)強度”方面解釋黃土的濕陷系數(shù)隨含水率的變化。

2 試驗黃土及其基本物理特性

本文試驗采用取自河南三門峽地區(qū)的原狀黃土。該黃土呈淺黃色，接觸呈粉性，表觀多孔，含水率較低。

2.1 基本物理特性參數(shù)

試驗黃土的基本物理特性參數(shù)如表1所示，塑性指數(shù)較小，天然干密度較低，孔隙比較大。

表1 試驗黃土基本物理特性參數(shù)Table 1 Basic physical properties of soil sample

圖1為三門峽原狀黃土的顆粒粒徑分布曲線，其中砂粒(>75 μm)含量為2%，黏粒(<5 μm)為5%，粉粒(5～75 μm)為93%；其不均勻系數(shù)Cu為2.3，曲率系數(shù)Cc為0.6，表明該黃土為級配不良的均勻土。因該黃土粒組主要為粉粒，且塑性指數(shù)為8.5，可判定為粉土[10]。

圖1三門峽黃土的粒徑分布曲線
Fig.1CurveofgrainsizedistributionofSanmenxialoess

2.2 礦物成分

通過X射線衍射(XRD)試驗測定三門峽黃土的礦物成分組成(表2、表3)。礦物成分的定性定量分析結(jié)果顯示，該黃土主要是由石英和斜長石組成，在21%的黏土成分中主要含有伊蒙(伊利石-蒙脫石)混層及少量的伊利石和高嶺石。

表2 三門峽黃土礦物成分(全巖部分)Table 2 Mineral composition of Sanmenxia loess(rock part) %

表3 三門峽黃土礦物成分(黏土部分)Table 3 Mineral composition of Sanmenxia loess(clay part) %

2.3 土-水特征曲線

土-水特征曲線是非飽和土吸力和含水率之間的關(guān)系曲線。當(dāng)含水率隨吸力變化時，它是對土壤持水能力的一種度量[11]。采用氣相法和滲析法控制吸力，測得三門峽黃土的土-水特征曲線(圖2)。由圖2可見，進(jìn)氣值約為20 kPa，殘余飽和度約為23.3%，對應(yīng)的殘余含水率約為9%，殘余含水率對應(yīng)的吸力值為150 kPa。

圖2三門峽黃土的土-水特征曲線
Fig.2SoilandwatercharacteristiccurveofSanmenxialoess

3 黃土濕陷性試驗

黃土濕陷性試驗常采用單線法和雙線法。本文針對不同初始含水率的試樣，采用這2種方法開展三門峽黃土的濕陷性試驗。

濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范(GB 50025—2004)[12]指出，測定濕陷系數(shù)的試驗壓力，對于基底下10 m以內(nèi)的土層應(yīng)用200 kPa。在三門峽濕陷性黃土地區(qū)修建輸電線路塔基，主要是針對基底下10 m以內(nèi)具有濕陷性的黃土土層進(jìn)行地基處理，比如強夯法、擠密法或者預(yù)浸水法。假設(shè)上覆土重度γ=20 kN/m3，則10 m以內(nèi)土層附加應(yīng)力不超過200 kPa。所以，此次試驗計算濕陷系數(shù)的壓力p取值為200 kPa。

3.1 試樣制備

為了模擬黃土在自然環(huán)境中土的含水率狀態(tài)[3]，也為了方便切制原狀黃土試樣，試驗首先將黃土塊的含水率w控制在17.8%，待黃土塊達(dá)到該控制含水率附近時，將其切削至試驗尺寸(高20 mm，直徑61.8 mm)。

初始含水率的控制，是將試樣放置在實驗室中風(fēng)干一定時間(w0<17.8%)或通過針管均勻滴水(w0>17.8%)，在干燥皿中密封靜置，使土中水分充分均勻。

初始含水率分為5種，分別為4.6%，7.9%，11.7%，17.8%，20.2%。每種初始含水率試樣均制樣3個，一共制15個試樣。然后將15個試樣分為2組：其中一組為5個試樣，進(jìn)行單線法試驗；另一組為10個試樣，進(jìn)行雙線法試驗。

3.2 試驗方法與步驟

3.2.1 單線法

先將試樣裝入單杠桿固結(jié)儀，再分級加載至200 kPa，同時測量土樣在各級荷載下的壓縮變形；待壓縮變形穩(wěn)定后，浸水飽和，同時測量土樣濕陷變形。按上述步驟分別對5種不同初始含水率的土樣進(jìn)行單線法濕陷試驗。

3.2.2 雙線法

雙線法試驗時，需準(zhǔn)備初始含水率和干密度相同的A，B兩個試樣。

對于A試樣，先分級加載至400 kPa，再分級卸荷至50 kPa，最后再分級加載至800 kPa，待壓縮變形穩(wěn)定為止。由于試驗周期較長，用濕度接近的毛巾裹住壓力室，以維持試樣初始含水率不變。

對于B試樣，先加第一級荷載(12.5 kPa)，待下沉穩(wěn)定后浸水飽和，至濕陷變形穩(wěn)定，再同前文A試樣過程一樣，完成加載、卸載和再加載的過程。不同的是，整個過程使B試樣一直處于浸水飽和狀態(tài)。

3.3 試驗結(jié)果及濕陷等級評價

圖3是單線法和雙線法確定的濕陷性曲線。

由圖3可見，飽和試樣濕陷性曲線和保持含水率不變試樣的濕陷性曲線分別用空心和實心圓點連接，它們組合起來表示雙線法的試驗結(jié)果，按式(1)計算200 kPa壓力下的濕陷系數(shù)δs,d。

(1)

式中：hp為保持含水率不變的試樣A加至200 kPa壓力時，下沉穩(wěn)定后的高度(mm)；hp1為飽和試樣B加至200 kPa壓力時，下沉穩(wěn)定后的高度(mm)；h0為試樣原始高度(mm)，此處取20 mm。

試樣逐級加壓至200 kPa穩(wěn)定后，浸水飽和，得到的濕陷性曲線用菱形連接，它表示單線法試驗結(jié)果，按式(2)計算200 kPa壓力下的濕陷系數(shù)δs,s。

(2)

式中：h1為保持初始含水率的試樣加壓至200 kPa時，下沉穩(wěn)定后的高度(mm)；h2為上述加壓穩(wěn)定后的試樣在浸水飽和作用下，附加下沉穩(wěn)定后的高度(mm)。

通過式(1)和式(2)，計算得到三門峽黃土的濕陷系數(shù)，見表4。

圖3單線法和雙線法確定的試樣濕陷性曲線
Fig.3Curvesofcollapsibilityofloesssamplesdeterminedbysingle-lineanddouble-linetests

4 黃土濕陷特性分析

由3.3節(jié)試驗結(jié)果和濕陷系數(shù)可以看出，黃土的濕陷性受到試樣豎向壓力和初始含水率的影響，以下著重從這2個因素進(jìn)行深入分析，并從結(jié)構(gòu)強度的角度解釋黃土濕陷特性。

4.1 豎向壓力對濕陷特性的影響

圖4為黃土不同豎向壓力下的濕陷系數(shù)。由圖4進(jìn)一步得到黃土在不同含水率情況下的濕陷增強區(qū)間和濕陷減弱區(qū)間，見表5。

圖4 不同豎向壓力下的濕陷系數(shù)Fig.4 Collapsibility coefficient of loessunder different vertical pressures

由圖4和表5可知，壓力與濕陷系數(shù)間并非只是簡單的單調(diào)增函數(shù)關(guān)系。當(dāng)黃土在濕陷增強區(qū)間時，豎向壓力越大，則濕陷性越大；當(dāng)黃土在濕陷減弱區(qū)間時，豎向壓力越大，濕陷性反而減弱。

所以在三門峽黃土地區(qū)修建大型輸電線路塔基，需要關(guān)注豎向壓力對濕陷性的影響。如果上覆荷載介于濕陷增強區(qū)間時，應(yīng)該減輕上覆荷載，以減弱黃土濕陷性。

4.2 初始含水率對濕陷特性的影響

依據(jù)濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范(GB 50025—2004)[12]，黃土的濕陷性應(yīng)按室內(nèi)浸水(飽和)壓縮試驗在一定壓力下測定的濕陷系數(shù)δs進(jìn)行判定。當(dāng)濕陷系數(shù)δs<1.5%時，應(yīng)定為非濕陷性黃土；當(dāng)濕陷系數(shù)δs≥1.5%時，應(yīng)定為濕陷性黃土。

濕陷黃土的濕陷程度，可根據(jù)濕陷系數(shù)δs值的大小進(jìn)行劃分，見表6。進(jìn)而可對三門峽黃土濕陷等級進(jìn)行評價。

表6 黃土濕陷性評價準(zhǔn)則Table 6 Criterion of evaluating the collapsibility grade of loess

表7為采用單線法和雙線法得到的三門峽黃土濕陷系數(shù)和濕陷等級評價結(jié)果。

已知三門峽黃土的塑限為18.6%，當(dāng)含水率為17.8%～20.2%時，即含水率在塑限附近變化時，黃土的濕陷等級出現(xiàn)強烈變化，從濕陷性強烈變成濕陷性輕微。

圖5是使用單線法和雙線法確定的不同初始含水率黃土試樣的濕陷系數(shù)。由圖5同樣可知，三門峽黃土濕陷系數(shù)在塑限附近時，濕陷等級從強烈濕陷變?yōu)檩p微濕陷。所以，塑限附近的含水率是黃土濕陷性強弱的分界點。當(dāng)初始含水率小于塑限(18.6%)時，黃土濕陷性較強；當(dāng)初始含水率接近或者大于塑限(18.6%)時，黃土濕陷性則迅速減弱。

圖5單線法和雙線法確定的不同初始含水率下的黃土濕陷系數(shù)
Fig.5Collapsibilitycoefficientofloesswithdifferentinitialwatercontentsdeterminedbysingle-lineanddouble-linetests

因三門峽黃土存在較強濕陷性，所以在該地區(qū)修建大型輸電線路塔基，要格外關(guān)注現(xiàn)場季節(jié)和降雨變化對土體初始含水率的影響，以及對黃土濕陷性產(chǎn)生的影響。當(dāng)雨季來臨時，應(yīng)定期監(jiān)控黃土地基土的含水率變化情況，要做好排水導(dǎo)水措施，要嚴(yán)密監(jiān)控地基沉降變化，尤其是不均勻沉降，以確保工程安全。

4.3 黃土結(jié)構(gòu)強度及濕陷性的討論

圖6為含水率分別為4.6%，7.9%，11.7%，17.8%，20.2%，38.5%(飽和)試樣的壓縮曲線。由圖6進(jìn)一步得到不同含水率試樣的結(jié)構(gòu)強度，見表8。

圖6 不同含水率試樣的壓縮曲線Fig.6 Curves of compression of loess sampleswith different water contents

圖7 單線法確定的濕陷系數(shù)隨含水率變化示意圖 Fig.7 Variation of collapsibility coefficient against water content by single-line test

單線法和雙線法確定的濕陷系數(shù)隨初始含水率變化規(guī)律是一致的，以單線法為例，見圖7。由圖7可見，初始含水率與濕陷系數(shù)之間關(guān)系呈現(xiàn)出2個階段，即在黃土結(jié)構(gòu)強度為200 kPa(對應(yīng)的含水率為10%)附近出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折點。這一點可從黃土的結(jié)構(gòu)強度方面做出解釋：黃土的變形主要由壓縮變形和濕陷變形組成。在含水率<10%時，黃土能維持其結(jié)構(gòu)強度200 kPa，其壓縮變形有限，則存在很大的潛在壓縮空間，一旦浸水，濕陷變形很大。在含水率>10%時，結(jié)構(gòu)強度迅速降低，承受壓力時壓縮變形量已經(jīng)很大，而浸水時濕陷變形量相對要小得多，因此其濕陷系數(shù)也迅速降低。

5 結(jié) 論

本文針對河南三門峽黃土區(qū)域修建大型輸電線路桿塔時黃土濕陷性會對塔基產(chǎn)生不良影響的問題，通過單線法和雙線法等濕陷性試驗，討論了豎向壓力和初始含水率對黃土濕陷性的影響，并著重從結(jié)構(gòu)強度的角度解釋了黃土濕陷特性。主要得出以下結(jié)論：

(1)豎向壓力與濕陷系數(shù)間并非只是簡單的單調(diào)增函數(shù)關(guān)系，而存在濕陷增強區(qū)間和濕陷減弱區(qū)間。當(dāng)豎向壓力在濕陷增強區(qū)間時，壓力越大，則濕陷性越大；當(dāng)豎向壓力在濕陷減弱區(qū)間時，壓力越大，濕陷性反而減弱。

(2)塑限附近的含水率(18.6%)是黃土濕陷性強弱的分界點。當(dāng)初始含水率小于塑限時，濕陷性較強。當(dāng)初始含水率接近或大于塑限時，濕陷性減弱。

(3)初始含水率與濕陷系數(shù)之間的關(guān)系呈現(xiàn)出2個階段，即在黃土結(jié)構(gòu)強度為200 kPa(對應(yīng)的含水率為10%)附近出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折點。在含水率>10%時，結(jié)構(gòu)強度迅速降低，承受壓力時壓縮變形量已經(jīng)很大，而浸水時濕陷變形量相對要小得多，因此其濕陷系數(shù)也迅速降低。

(編輯：羅 娟)