試樣厚度對(duì)室內(nèi)測(cè)定黃土濕陷性指標(biāo)的影響

王麗琴, 劉 鑫, 王 正, 李 侖, 狄圣杰, 李凱宇

(1. 西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710048;2. 西安理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 陜西 西安 710048;3. 中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司, 陜西 西安 710065)

0 引言

黃土是一種具有特殊結(jié)構(gòu)性的土,在浸水的條件下,有的黃土?xí)憩F(xiàn)出濕陷性。現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)[1]中黃土的濕陷性評(píng)價(jià)方法主要有兩種,一種是室內(nèi)濕陷試驗(yàn)的評(píng)價(jià)方法,另一種是現(xiàn)場(chǎng)試坑浸水試驗(yàn)的評(píng)價(jià)方法。分析黃土場(chǎng)地或地基的濕陷性時(shí),一般沿深度方向每間隔1～2 m取土樣進(jìn)行室內(nèi)濕陷試驗(yàn),根據(jù)所得的濕陷系數(shù)和自重濕陷系數(shù)按照規(guī)范方法計(jì)算其濕陷量和自重濕陷量,評(píng)價(jià)其濕陷性。對(duì)規(guī)范規(guī)定需進(jìn)行或有條件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試坑浸水試驗(yàn)的,需進(jìn)一步結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值對(duì)其濕陷性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

很多實(shí)例表明室內(nèi)濕陷試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)試坑浸水試驗(yàn)兩種方法應(yīng)用于同一工程場(chǎng)地的濕陷性評(píng)價(jià)結(jié)果存在差異[2-7]。一般認(rèn)為,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的結(jié)果更能反映黃土濕陷性的真實(shí)情況。然而,不是所有的工程都具備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)的條件,難以廣泛應(yīng)用到工程建設(shè)中[8]。室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M的條件和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在應(yīng)力條件、浸水條件、黃土濕陷性、地層結(jié)構(gòu)分布、黃土結(jié)構(gòu)性等諸多方面存在差異[7]。因此,為提高室內(nèi)試驗(yàn)的準(zhǔn)確性,需盡可能從不同角度研究影響室內(nèi)濕陷試驗(yàn)結(jié)果的因素。鄭建國(guó)等[9]從黃土濕陷性分布不連續(xù)方面研究了對(duì)其濕陷變形的影響;劉弋博等[10]分析了黃土試樣內(nèi)部含水率的變化及分布規(guī)律對(duì)其濕陷性的影響;本文從室內(nèi)試驗(yàn)中試樣厚薄的角度研究對(duì)黃土濕陷性指標(biāo)的影響。

目前,室內(nèi)濕陷試驗(yàn)采用的土樣厚度僅為2 cm,其室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果代表了與之相應(yīng)的均勻黃土層的濕陷性,這與實(shí)際土層黃土濕陷性的非均勻性[7]、不連續(xù)性[9]有一定的差異,使其不足以代表取土深度間隔范圍內(nèi)的黃土。另外,在制備試樣時(shí),不可避免地?cái)_動(dòng)了原狀黃土的結(jié)構(gòu)[7],從而影響試驗(yàn)中黃土濕陷性的表現(xiàn)。若增加試樣的厚度,是否會(huì)改變室內(nèi)濕陷試驗(yàn)的結(jié)果,以往并未給出確切結(jié)論,因而有必要對(duì)比研究試樣厚度對(duì)室內(nèi)所測(cè)黃土濕陷性指標(biāo)的影響。為此,本文采用雙線法濕陷試驗(yàn),對(duì)同一深度的黃土,利用高壓固結(jié)儀與改造后的固結(jié)儀,取厚度分別為2 cm和8 cm的試樣(以下分別簡(jiǎn)稱2 cm試樣、8 cm試樣)進(jìn)行濕陷試驗(yàn),對(duì)比兩者的結(jié)果,分析截面積相同但厚度不同試樣的室內(nèi)濕陷試驗(yàn)結(jié)果存在的差異。

1 室內(nèi)濕陷試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)用土

本文室內(nèi)濕陷試驗(yàn)所用的Q3、Q2黃土取自西安地鐵4號(hào)線南段,位于黃土一級(jí)臺(tái)塬區(qū),試驗(yàn)場(chǎng)地深35 m范圍內(nèi)地層由晚更新世(Q3)黃土和中更新世(Q2)黃土組成。晚更新世(Q3)黃土層厚約11 m,其中Q3黃土層厚約8 m,Q3古土壤層厚約3 m;下部為中更新世(Q2)黃土,其中第一層Q2黃土厚約9 m,第一層Q2古土壤(俗稱紅二條)厚約5 m,第二層Q2黃土厚約6 m,第二層Q2古土壤厚約4 m。地下水位埋藏較深,約在地面下40 m左右。試驗(yàn)在地面以下20 m深度范圍內(nèi)間隔1m取樣,為避免采樣對(duì)黃土的過多擾動(dòng),采用人工探井法在現(xiàn)場(chǎng)不同深度取樣,最大限度地保持土樣為原狀。取樣過程及包裝嚴(yán)格按照規(guī)程[11]要求操作。場(chǎng)地不同深度黃土的基本物性指標(biāo)見表1。

表1 黃土的基本物性指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)儀器的改造

為進(jìn)行8 cm試樣的濕陷試驗(yàn),加高了原有高壓固結(jié)儀的固結(jié)容器及加壓框架,并加工了8 cm高度的環(huán)刀及土樣護(hù)環(huán),如圖1所示。

圖1 儀器的改造Fig.1 Improvement of instrument

1.3 試驗(yàn)方案

對(duì)同一深度的黃土,利用傳統(tǒng)的2 cm環(huán)刀與前述加高的8 cm環(huán)刀分別切取兩個(gè)天然含水量狀態(tài)下的原狀土樣,其截面尺寸均為50 cm2。試驗(yàn)儀器采用高壓固結(jié)儀及改造后的高壓固結(jié)儀,進(jìn)行雙線法濕陷試驗(yàn)。試驗(yàn)壓力分別為:12.5、25、50、100、200、300、400、600、800、1 000、1 200、1 600 kPa。在實(shí)際試驗(yàn)過程中,由于百分表量程的限制,上述壓力不一定全部進(jìn)行。壓縮穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為每小時(shí)下沉量不超過0.005 mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)不同深度原狀黃土2 cm與8 cm試樣雙線法濕陷試驗(yàn)記錄的各壓力下變形穩(wěn)定后的壓縮量,按標(biāo)準(zhǔn)[1]計(jì)算各壓力下相應(yīng)的濕陷系數(shù)δs,繪制其濕陷系數(shù)δs隨壓力p的變化曲線。由于同類土層中曲線類似,為減少篇幅,本文僅列出部分曲線,見圖2。圖中水平虛線為濕陷系數(shù)δs=0.015的分界線。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖2可以看出:不同深度土層2 cm、8 cm試樣的雙線法濕陷試驗(yàn)得到的濕陷系數(shù)δs隨壓力p的變化曲線,均表現(xiàn)為隨壓力p的增大,濕陷系數(shù)δs先增大后減小存在峰值的特點(diǎn)。在壓力較小時(shí),黃土的濕陷系數(shù)隨壓力的增大而增大;當(dāng)壓力達(dá)到一定程度時(shí),濕陷系數(shù)達(dá)到峰值(此時(shí)的壓力本文稱為濕陷峰值壓力);之后,隨壓力的進(jìn)一步增大,濕陷系數(shù)開始逐漸減小。說明壓力在達(dá)到濕陷峰值壓力前,土體雖被逐漸壓密,但在浸水飽和后,其壓縮性增加較大,故仍表現(xiàn)出較大的濕陷性;但壓力達(dá)到濕陷峰值壓力后,黃土已被壓密到一定程度,此時(shí)隨著壓力的增大,土體進(jìn)一步被壓密,浸水對(duì)其壓縮性的影響逐漸減小,因此其濕陷性逐漸減弱,濕陷系數(shù)逐漸減小。

圖2 濕陷系數(shù)δs隨壓力p的變化曲線Fig.2 Variation curves of collapsibility coefficient with pressure

對(duì)比圖2中2 cm試樣和8 cm試樣雙線法濕陷系數(shù)隨壓力的變化曲線可以看出:在壓力較小時(shí),不論是Q3黃土、Q3古土壤,還是Q2黃土,2 cm和8 cm試樣雙線法得到的濕陷系數(shù)相差不大,變化趨勢(shì)基本相同,但在多數(shù)情況下,2 cm試樣所得的濕陷系數(shù)略大于8 cm試樣所得的濕陷系數(shù);隨著壓力的增大,8 cm試樣所得的濕陷系數(shù)增長(zhǎng)較快,在大于一定壓力后超過了2 cm試樣所得的濕陷系數(shù),在曲線上表現(xiàn)為兩曲線的交叉。8 cm試樣對(duì)應(yīng)的曲線峰值點(diǎn)大致位于2 cm試樣曲線峰值點(diǎn)的右上方,說明試樣越厚,峰值濕陷系數(shù)越大,且對(duì)應(yīng)的壓力越大。從圖2不同深度濕陷系數(shù)隨壓力變化曲線的對(duì)比還可以看出:相應(yīng)土層濕陷性較小時(shí),2 cm試樣與8 cm試樣所得的曲線相差不大,但當(dāng)相應(yīng)土層濕陷性較大時(shí),兩曲線相差較大,8 cm試樣對(duì)應(yīng)的曲線位置要高的多。以上充分說明,在壓力較小時(shí),室內(nèi)試驗(yàn)試樣的厚度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響不大,但壓力較大尤其是土體的濕陷性較強(qiáng)時(shí),影響較大。

按標(biāo)準(zhǔn)[1]規(guī)定:測(cè)定濕陷系數(shù)δs的壓力,當(dāng)基底壓力小于300 kPa時(shí),基底以下10 m以內(nèi)取200 kPa,10 m以下應(yīng)用其上覆土的飽和自重壓力;當(dāng)基底壓力不小于300 kPa時(shí),宜用實(shí)際基底壓力與上覆土的飽和自重壓力中的大值。本文分析時(shí)假定基底壓力小于300 kPa。據(jù)此得1～20 m深度范圍內(nèi),2 cm試樣與8 cm試樣濕陷系數(shù)隨深度變化曲線見圖3;自重濕陷系數(shù)隨深度變化曲線見圖4。濕陷起始?jí)毫εc飽和自重應(yīng)力隨深度變化曲線見圖5。

從圖3和圖4可以看出:Q3黃土的濕陷性明顯大于Q3古土壤和Q2黃土,而Q3古土壤的濕陷性小于Q2黃土。對(duì)比2 cm與8 cm試樣所測(cè)得的濕陷系數(shù)及自重濕陷系數(shù)可以看出:2 cm試樣和8 cm試樣所得出的濕陷系數(shù)及自重濕陷系數(shù)在大小上會(huì)有一定的差異,但在整體趨勢(shì)上較為一致。整體上看,Q3古土壤的濕陷性最弱,Q3黃土的濕陷性最強(qiáng),Q2黃土的濕陷性居中。在Q3黃土深度范圍內(nèi),8 cm試樣所測(cè)得的濕陷系數(shù)基本上比2 cm試樣所測(cè)得的大,且兩者差異也大;而在濕陷性較弱的Q3古土壤和Q2黃土中,總體上來講,8 cm試樣測(cè)得的相應(yīng)系數(shù)較2 cm試樣測(cè)得的小些。表現(xiàn)為:當(dāng)土層濕陷性較強(qiáng),濕陷系數(shù)較大時(shí),兩種厚度土樣測(cè)得的濕陷系數(shù)的差異較大,反之差異較小。初步判斷,利用室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行濕陷性評(píng)價(jià)時(shí),場(chǎng)地的濕陷性越強(qiáng),則試驗(yàn)試樣的厚度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響越大。

圖3 不同深度黃土濕陷系數(shù)δsFig.3 Collapsibility coefficient δs of loess at different depths

圖4 不同深度黃土自重濕陷系數(shù)δzsFig.4 Self-weight collapsibility coefficient δzs of loess at different depths

從圖5可以看出:8 cm試樣比2 cm試樣所得的濕陷起始?jí)毫υ诓煌刭|(zhì)時(shí)代土層中的變化規(guī)律更明顯。Q3黃土的濕陷起始?jí)毫γ黠@小于Q3古土壤和Q2黃土,而Q3古土壤的濕陷起始?jí)毫β源笥赒2黃土,也說明了古土壤的濕陷性最弱,Q3黃土的濕陷性最強(qiáng),Q2黃土的濕陷性居中。在Q3黃土中,8 cm試樣所得的濕陷起始?jí)毫Υ蟛糠中∮? cm試樣所得的值;在Q3古土壤和Q2黃土中,8 cm比2 cm試樣所得的濕陷起始?jí)毫旧暇^大,同樣說明了Q3黃土的濕陷性明顯大于Q3古土壤和Q2黃土,這個(gè)規(guī)律與實(shí)際場(chǎng)地濕陷量主要來自Q3黃土層的實(shí)踐是一致的。

圖5 不同深度黃土濕陷起始?jí)毫ig.5 Initial collapse pressure of loess at different depths

3 結(jié)語

本文通過常規(guī)及改造的室內(nèi)高壓固結(jié)儀,針對(duì)西安地鐵4號(hào)線某黃土場(chǎng)地不同深度的黃土,進(jìn)行了厚度分別為2 cm與8 cm的黃土試樣雙線法室內(nèi)濕陷性試驗(yàn),分析得到了以下主要結(jié)論:

(1) 土層濕陷性較小時(shí),不同厚度試樣所得的濕陷系數(shù)隨壓力的變化曲線相差不大。

(2) 土層濕陷性較大時(shí),在壓力較小情況下,不同厚度試樣室內(nèi)濕陷性試驗(yàn)得到的濕陷系數(shù)相差不大,變化趨勢(shì)基本相同,但隨著壓力的增大,8 cm試樣所得的濕陷系數(shù)增長(zhǎng)較快,甚至?xí)h(yuǎn)大于2 cm試樣所得的濕陷系數(shù);試樣越厚,峰值濕陷系數(shù)越大,且對(duì)應(yīng)的壓力越大。說明在壓力較小時(shí),室內(nèi)試驗(yàn)試樣的厚度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響不大,但壓力較大時(shí)影響較大。

(3) 當(dāng)土層濕陷性較強(qiáng)時(shí),試驗(yàn)厚度對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)所得的濕陷系數(shù)及自重濕陷系數(shù)的影響大。Q3黃土的濕陷性明顯大于Q3古土壤和Q2黃土,因此,試樣的厚度對(duì)室內(nèi)測(cè)定Q3黃土濕陷系數(shù)的影響最大。

本文僅對(duì)比了西安地鐵4號(hào)線某場(chǎng)地黃土采用2 cm及8 cm厚度試樣的室內(nèi)濕陷試驗(yàn)結(jié)果,所得結(jié)論是否適用于其他場(chǎng)地,需在今后的試驗(yàn)中針對(duì)更多場(chǎng)地開展相應(yīng)試驗(yàn)并進(jìn)行分析研究。