濕陷性黃土浸水特性試驗(yàn)分析

張旭強(qiáng)

山西工程科技職業(yè)大學(xué)（030619）

0 引言

濕陷性黃土分布地域廣、性質(zhì)差異大，和一般的黏性土相比，其內(nèi)部物質(zhì)的組成成分和外部的形態(tài)特征都不同，是一種特殊的黏性土。在一定的壓力下受水浸濕，土體結(jié)構(gòu)迅速破壞，并產(chǎn)生顯著附加下沉[1-2]。黃土濕陷的現(xiàn)象是個(gè)復(fù)雜的過程，濕陷的原因也是巖土界的重要課題，國內(nèi)外眾多專家學(xué)者提出各自的理論成果和推理假設(shè)，但是直到現(xiàn)在仍未取得一致意見解決所有濕陷現(xiàn)象。

本次試驗(yàn)根據(jù)工程實(shí)例分析，結(jié)合濕陷性黃土濕陷變形特點(diǎn)，通過對(duì)濕陷性黃土變含水量條件下的變形性狀進(jìn)行研究，分析黃土濕陷變形與含水量和壓力之間的關(guān)系。

1 黃土的濕陷原因及機(jī)理

關(guān)于黃土的濕陷原因，結(jié)構(gòu)學(xué)說用微觀理論解釋黃土濕陷性主要是黃土的結(jié)構(gòu)特征[3-5]，因此與濕陷有關(guān)的因素，反映在與結(jié)構(gòu)有關(guān)的方面，如結(jié)構(gòu)孔隙、組成顆粒和礦物成分等，這些也體現(xiàn)在各地濕陷性的差異性上，對(duì)于同一地區(qū)來說，土的物理性質(zhì)會(huì)顯著影響濕陷性，尤其比較明顯的是兩個(gè)指標(biāo)—孔隙比和含水量。

在其他情況相同的條件下，黃土的孔隙比愈大，濕陷性愈強(qiáng)。分析黃土的濕陷過程發(fā)現(xiàn)，黃土孔隙的減少主要原因在于粒間孔隙，粒間孔隙類似一種架空體系，它是在顆粒堆積排列時(shí)形成的，這些形成的孔隙是否破壞，取決于組成孔隙顆粒間的連接的堅(jiān)固程度。如孔隙顆粒間的連接為碳酸鈣等膠結(jié)時(shí)，則對(duì)于抵抗?jié)裣葑冃问怯欣?，屬于穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。另一個(gè)方面，天然含水量大小對(duì)濕陷性黃土的濕陷性影響也很大，在其他情況相同的條件下，天然含水量的增加會(huì)導(dǎo)致黃土的濕陷性減弱；當(dāng)天然含水量相同時(shí)，增濕程度的增加會(huì)導(dǎo)致黃土的濕陷變形增大。對(duì)非自重濕陷性黃土，天然含水量的大小與浸水飽和后的總變形沒有關(guān)系。

2 工程實(shí)例分析

濕陷性黃土地基在附加壓力與土自重壓力共同作用下，受水浸濕在附加壓力作用的區(qū)域產(chǎn)生濕陷。研究表明，濕陷性黃土的濕陷變形與其所受的應(yīng)力狀態(tài)有著密切的關(guān)系[6]。

陜西省西安市長安區(qū)某辦公樓發(fā)現(xiàn)南部⑦～⑩軸線范圍內(nèi)地基局部沉陷，墻體及樓板出現(xiàn)裂縫，并逐步從1層發(fā)展到5層，多為斜向裂縫。地坪有空鼓下陷現(xiàn)象，局部最大沉降量達(dá)13.2 cm。為查明事故原因，對(duì)工程沉陷區(qū)補(bǔ)充巖土工程勘察，見表1和表2，并對(duì)工程周圍土質(zhì)含水量檢測分析。分析表明:工程事故為浸水濕陷造成，浸水初期即大量下沉，下沉量最高可達(dá)1.2 cm/h；濕陷穩(wěn)定快，浸水24 h即4.1~7.92 cm，浸水3 d即達(dá)到6.7~11.88 cm。

表1 補(bǔ)充勘察時(shí)探井土樣室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果

表2 各層地基土體物理力學(xué)性能指標(biāo)表

建筑物濕陷的影響深度與地基的濕陷起始?jí)毫?、濕陷類型、基底壓力、基底尺寸與形狀等有關(guān)。建筑物基礎(chǔ)面積越大，單位面積壓力就越大，而外部荷載作用下濕陷的影響范圍就越深。地基的濕陷起始?jí)毫χ翟叫。瑒t地基的濕陷影響深度越大。經(jīng)初步分析，事故原因?yàn)橛兴w下滲，使地基產(chǎn)生濕陷變形，引起地基不均勻沉降，造成安全隱患。本例濕陷起始?jí)毫?8 kPa，在200 kPa壓力下濕陷系數(shù)δs=0.094，濕陷性強(qiáng)烈。事故產(chǎn)生時(shí)，該建筑物除場地北部局部含水量稍低外，樓體內(nèi)及樓體外其余部分地基土含水量普遍較大，土質(zhì)濕軟，而且原先地基土經(jīng)整片墊層法（素土3 m）處理后，剩余濕陷量仍然達(dá)159.5 mm，也是地基產(chǎn)生不均勻沉降的原因之一。

對(duì)于非自重濕陷性黃土，濕陷起始?jí)毫σ笥谕恋娘柡妥灾貕毫Γ覞裣萜鹗級(jí)毫?huì)隨著深度的增加而增大。土的附加壓力隨著深度的增加而減小，而當(dāng)某一深度位置處土的附加壓力與自重壓力兩者之和小于濕陷起始?jí)毫r(shí)，就不會(huì)發(fā)生濕陷現(xiàn)象，判定在此深度上部分就是外部荷載濕陷作用的影響范圍。

根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》GB 50025—2018，自重濕陷量整理如下:（15 +17）=28.8 mm<70 mm，為非濕陷性場地；濕陷量的計(jì)算考慮基底埋深1.5 m，mm，按濕陷性黃土地基的濕陷等級(jí)判別為Ⅱ級(jí)（中等）。在非自重濕陷性黃土場地，對(duì)于丙類建筑物，地基處理厚度不宜小于2 m，且下部未處理濕陷性黃土層的濕陷起始?jí)毫χ挡灰诵∮?00 kPa。

工程實(shí)踐表明，在上部結(jié)構(gòu)荷載作用下，濕陷性黃土地基會(huì)產(chǎn)生豎向變形和水平位移。在天然狀態(tài)下作用于土體時(shí)，由于土的天然含水量低，土體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度此時(shí)會(huì)較大，靜止側(cè)壓力系數(shù)相對(duì)較小，因而對(duì)基礎(chǔ)下土體向四周的擠出會(huì)有所限制，此時(shí)土體的豎向壓縮變形會(huì)造成基礎(chǔ)的沉降。但是當(dāng)?shù)鼗凰褚院螅o止側(cè)壓力系數(shù)會(huì)有明顯的變化，一般會(huì)從天然狀態(tài)下的0.12～0.23增加到0.65～0.94，因而會(huì)造成水平附加壓力顯著地增加，此時(shí)地基土體結(jié)構(gòu)遭到明顯破壞，抗剪強(qiáng)度降低很大，側(cè)向限制大大地減弱。在這些因素的影響下，使得地基土體在濕陷變化的同時(shí)產(chǎn)生了大量的側(cè)向擠出，從而導(dǎo)致濕陷量的增大。

3 濕陷性黃土浸水特性試驗(yàn)

現(xiàn)行規(guī)范《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》GB 50025—2018和目前巖土工程界對(duì)于濕陷起始?jí)毫χ档呐卸ǖ挠^點(diǎn)是相同的，即按室內(nèi)壓縮試驗(yàn)結(jié)果確定時(shí)，在濕陷性黃土在飽和浸水條件下，當(dāng)濕陷系數(shù)達(dá)到0.015時(shí)所對(duì)應(yīng)的壓力。在某一特定壓力作用下，濕陷起始含水量是指濕陷系數(shù)達(dá)到0.015時(shí)所對(duì)應(yīng)的含水量。由于上述工程實(shí)例中存在著人為因素、水文地質(zhì)等情況,因此濕陷起始?jí)毫χ岛蜐裣萜鹗己坎⒉灰欢ň褪菨裣萸闆r發(fā)生濕陷性黃土所對(duì)應(yīng)的特征值。特殊情況下，在基底壓力下的非飽和浸水作用也會(huì)產(chǎn)生附加下沉變形，有時(shí)這種附加下沉變形也可能達(dá)到在工程意義上的相對(duì)明顯的程度，并且這種工程意義上的相對(duì)明顯的程度也恰恰反映出并不是任何情況下濕陷系數(shù)達(dá)到0.015都是最合適的劃分標(biāo)準(zhǔn)的界限值。

3.1 試驗(yàn)方案

在濕陷性黃土地區(qū)，由于地基含水量的增大引起建筑物、構(gòu)筑物傾斜的事故不斷發(fā)生。地基含水量的增大的原因是多方面的，主要體現(xiàn)在人類活動(dòng)的無序組織和不合理的安排上，如挖填方施工、地面建筑物、構(gòu)筑物建造密度增大等原因而改變原有地面的排水條件、蒸發(fā)方式、地下滲流方向等情況的出現(xiàn)。以往對(duì)黃土濕陷性的研究的方向主要集中在完全浸水飽和狀態(tài)下的濕陷變形，而對(duì)浸水增濕的過程分析，尤其增濕到某一含水量下的濕陷變形的研究很少，其實(shí)對(duì)于完全浸水飽和的濕陷變形來講，其只是屬于浸水增濕變形的一種特殊情況而已?，F(xiàn)階段，對(duì)于完全浸水飽和狀態(tài)下的濕陷黃土變形的研究已經(jīng)不能滿足實(shí)際需要，這是由于在施工期間和運(yùn)營期間地基土中的含水量常常會(huì)發(fā)生變化。

關(guān)于增濕變形，張?zhí)K民、鄭建國等人用增濕軟化模型模仿濕陷性黃土在含水量變化情況下的軟化特性[7]，研究探索濕陷性黃土在增濕過程中的力學(xué)性質(zhì)。也有工程學(xué)者用室內(nèi)試驗(yàn)的方式在濕陷性黃土變含水量情況下，研究分析黃土增濕時(shí)的變形變化規(guī)律，并結(jié)合試驗(yàn)時(shí)生成曲線解釋變形分界壓力和變形分界含水量的概念。在此基礎(chǔ)上，通過本次試驗(yàn)對(duì)濕陷性黃土變含水量條件下的變形性狀進(jìn)行研究，分析黃土濕陷變形與含水量和壓力之間的關(guān)系[8]。

此次變含水量情況下的壓縮試驗(yàn)采用試樣兩組，按照預(yù)濕的方法，在不同的含水量下對(duì)土樣進(jìn)行預(yù)濕，壓縮試驗(yàn)設(shè)備為高壓固結(jié)儀，分析研究試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到在不同含水量情況下黃土濕陷變形的變化規(guī)律。

3.2 試樣的制備

在天然含水量下，試樣按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GBT 50123—2019的要求制作。按照需要達(dá)到的含水量值對(duì)土樣增濕，首先計(jì)算出需要加入的水量，然后用滴管容器均勻地滴在土試樣的表面，對(duì)于土試樣，環(huán)刀取好后保留兩端余土，也就是在不要削平的狀態(tài)下滴水處理，然后連同環(huán)刀一起埋在天然土體中，24 h保持自重壓力時(shí)的氣壓狀態(tài)，為了促進(jìn)水分滲透，使滴水分布更均勻，放置土樣在30℃密閉容器24 h，按公式計(jì)算出需要添加的水量Mω為:

式中:M——自然狀態(tài)土的質(zhì)量；w0——天然含水量；w1——要求達(dá)到的含水量。

試驗(yàn)時(shí)削平試樣的兩端，利用切削得到的余土測量計(jì)算試樣含水量。試驗(yàn)中為檢驗(yàn)和對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，采用三組試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，列表實(shí)測值和估算值見表3，通過計(jì)算還可以得到三組試樣實(shí)測值和估算值的誤差區(qū)間。試樣取自陜西省西安市。

表3 試驗(yàn)用土含水量增濕效果檢驗(yàn)實(shí)測（%）

3.3 浸水下土樣濕陷變形隨含水量變化分析

黃土浸水濕陷下產(chǎn)生變形，通過整理室內(nèi)不同條件下土樣的單軸壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析濕陷變形隨含水量的變化關(guān)系，繪制黃土濕陷變形與含水量的關(guān)系曲線，探討試驗(yàn)曲線的變化規(guī)律，如圖1所示。

圖1 濕陷變形與含水量的關(guān)系

分析濕陷變形隨含水量的變化關(guān)系曲線，同一壓力下，當(dāng)含水量處在比較小的數(shù)值時(shí)，濕陷變形隨著壓力的增大而增大，但含水量的增大帶來濕陷變形量增長緩慢，即曲線相對(duì)平緩，在含水量相同的情況下，不同壓力下的濕陷變形沒有明顯的變化，關(guān)系曲線幾乎重合在一起，說明在初期的變化中，濕陷變形量和壓力沒有太大的關(guān)系，這一階段為不敏感變形段。當(dāng)含水量處在比較大的數(shù)值時(shí)，濕陷變形隨著壓力的增大而增大，含水量的增大卻帶來濕陷變形量的顯著增長，也就是曲線陡然升高，在含水量相同的情況下，不同壓力下的濕陷變形有了明顯差別，此例出現(xiàn)曲線交叉，具體原因還有待于進(jìn)一步驗(yàn)證，在這一時(shí)段內(nèi)，壓力大的明顯濕陷變形量變大，但壓力小的更早出現(xiàn)峰值，即更早產(chǎn)生比較大濕陷量，這一階段為敏感變形段。峰值過后，隨著含水量的繼續(xù)增大，濕陷變形量開始衰減，相同含水量下，壓力大的濕陷變形量大，壓力小的濕陷變形量小，但不同壓力的下降階段的曲線斜率差別不大。分析圖中曲線的規(guī)律:各條曲線組都存在相對(duì)平緩、陡升、衰減三個(gè)階段。所以根據(jù)曲線變化可以將黃土濕陷變形階段劃分為三個(gè)階段:第一階段為不敏感變形段，相對(duì)平緩上升的變形—含水量關(guān)系曲線顯示該區(qū)段濕陷性黃土含水量的增大，濕陷變形增大平緩；第二階段為敏感變形段，變形陡然增加的變形—含水量關(guān)系曲線顯示該階段濕陷性黃土含水量的增大，濕陷變形其也陡增；第三階段為變形衰減階段，該階段的曲線顯示隨著含水量的進(jìn)一步增加，濕陷性黃土逐漸達(dá)到飽和狀態(tài)，濕陷變形衰減直至變形消失。

4 小結(jié)

濕陷性黃土地基在附加壓力與土自重壓力共同作用下，受水浸濕在附加壓力作用的區(qū)域產(chǎn)生濕陷。通過工程實(shí)例分析并結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)黃土的濕陷性作如下探討:

1）分析黃土的濕陷原因和機(jī)理對(duì)于研究其濕陷問題有重要的意義，同時(shí)研究濕陷性黃土浸水特性對(duì)工程的影響，具有實(shí)際意義。

2）工程實(shí)踐表明，在上部結(jié)構(gòu)荷載作用下，濕陷性黃土地基會(huì)產(chǎn)生豎向變形和水平位移。當(dāng)?shù)鼗凰褚院?，靜止側(cè)壓力系數(shù)會(huì)有明顯的變化，因而會(huì)造成水平附加壓力顯著地增加，此時(shí)地基土體結(jié)構(gòu)遭到明顯破壞，抗剪強(qiáng)度降低很大，側(cè)向限制大大地減弱。在這些因素的影響下，使得地基土體在濕陷變化的同時(shí)產(chǎn)生了大量的側(cè)向擠出，從而導(dǎo)致濕陷量的增大。

3）整理室內(nèi)不同條件下黃土土樣的單軸壓縮試驗(yàn)數(shù)值，繪制出黃土濕陷變形量與含水量的關(guān)系曲線；對(duì)不同含水量下的濕陷變形與含水量的關(guān)系曲線圖的分析表明:各條曲線組都存在相對(duì)平緩、陡升、衰減三個(gè)階段。