濕陷性黃土增濕變形分析研究

楊耀峰，李 濤，張多宏，丁建興，張彥洪，賈生海

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省水利機(jī)械化工程有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730070)

黃土是指第四紀(jì)地質(zhì)時(shí)期的以風(fēng)力搬運(yùn)的黃沙沉積物，它常不整合地與基巖接觸，沒(méi)有順層，含有古土層、鈣質(zhì)結(jié)核層，壓縮性強(qiáng)，節(jié)理垂直，常會(huì)形成陡壁[1]。被浸沒(méi)的土體在覆蓋土層的自重作用下，或在覆蓋土層自重和附加應(yīng)力的共同作用下，發(fā)生明顯的結(jié)構(gòu)破壞而產(chǎn)生附加變形的特征即為濕陷性[2]。將具有濕陷性的黃土稱之為濕陷性黃土，而濕陷性黃土是一種特殊的土，其特殊性主要表現(xiàn)在部分黃土遇水后突發(fā)濕陷變形。我國(guó)學(xué)者自20世紀(jì)50年代就開(kāi)始對(duì)黃土的濕陷性進(jìn)行研究。張?zhí)K民等[3]通過(guò)對(duì)西安東郊渭河Ⅲ級(jí)階地，自重Ⅱ-Ⅲ級(jí)濕陷性黃土試驗(yàn)，首次提出了“增濕變形”這一概念，并且在此基礎(chǔ)上建立了增濕變形的力學(xué)模型。劉保健、謝永利等[4]通過(guò)對(duì)黃土非飽和入滲規(guī)律的原位試驗(yàn)得出，在非飽和入滲期，土壤飽和度隨時(shí)間的變化近似為線性，短期內(nèi)淺層土壤非飽和入滲時(shí)間隨土壤深度的變化也近似為線性。姚志華等[5]在通過(guò)總結(jié)大量的現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)后，在評(píng)價(jià)濕陷性和剩余濕陷量的合理控制方面提出了一些新見(jiàn)解。本文在前人對(duì)黃土濕陷性研究基礎(chǔ)上，總結(jié)黃土增濕變形的相關(guān)特性以及試驗(yàn)方法，以期對(duì)同類(lèi)試驗(yàn)研究提供借鑒和參考。

1 黃土增濕變形的基本特征

黃土增濕變形是指在一定的壓力下，黃土被水浸透后隨著含水量和飽和度的增加進(jìn)而發(fā)生顯著的附加下沉。肖巧林等[6]采用單軸壓縮法對(duì)取自甘肅定西的黃土(陜西關(guān)中，屬Q(mào)3原狀黃土)進(jìn)行試驗(yàn)研究，其結(jié)果表明，黃土的濕陷變形會(huì)隨著初始含水量的增加而減小。為了研究黃土的非飽和增濕變形特征，邵顯顯等[7]在甘肅蘭州皋蘭山(屬Q(mào)3馬蘭黃土)取土試驗(yàn)研究，以掃描電鏡試驗(yàn)(SEM)和壓汞試驗(yàn)(MIP)為研究方式，在分級(jí)的基礎(chǔ)上，對(duì)不同壓實(shí)度的黃土開(kāi)展浸水增濕變形試驗(yàn)，最后提出了壓實(shí)黃土增濕變形的臨界孔隙比。張?zhí)K民等[8]和張茂花[9]在不同程度的增濕、減濕條件下，開(kāi)展原狀黃土的壓縮試驗(yàn)，結(jié)果表明，原狀黃土的濕陷系數(shù)隨含水量成反比，并指出不能認(rèn)為在所有情況下，濕陷系數(shù)都隨壓力的增大而增大。

對(duì)于黃土的變形，還可以分為壓縮變形和塌陷變形[6]。由力的作用造成了壓縮變形，而濕陷變形則是在水的作用下產(chǎn)生的，在一定壓力下的總變形則為這2種變形之和，在此壓力水平之前的任何壓力水平下的總變形都不會(huì)影響該壓力水平下的總變形，這也就說(shuō)明了黃土的總變形與濕陷浸水的路徑無(wú)關(guān)。同樣，黃土也可以在不同的壓力和水浸泡條件下進(jìn)行加載、卸載、再加載的方法試驗(yàn)，由此可以得出黃土在一定荷載作用下的總變形不受浸水路徑和加載方法的影響。

2 濕陷性黃土試驗(yàn)原理方法研究

有關(guān)黃土濕陷性的試驗(yàn)方法已有多種。魏俊偉[10]運(yùn)用單線法和雙線法研究黃土的濕陷性，得出了濕陷性黃土力學(xué)參數(shù)隨著含水量的變化而變化的結(jié)論。方祥位等[11]在一維和三維應(yīng)力狀態(tài)下，利用固結(jié)儀和濕陷三軸儀，研究了陜西蒲城電廠黃土(Q2)的濕陷性，并簡(jiǎn)單地研究了三軸濕陷試驗(yàn)特性。其中在物理力學(xué)性質(zhì)與濕陷系數(shù)的關(guān)系方面，員康峰等[12]利用常規(guī)壓縮儀，在晉南黃土地區(qū)研究了壓縮模量和濕陷系數(shù)隨含水率的變化規(guī)律。朱鳳基等[13]以甘肅慶陽(yáng)地區(qū)為例，從工程地質(zhì)角度學(xué)出發(fā)，用回歸方程將黃土的濕陷系數(shù)與各影響因素之間聯(lián)系起來(lái)。米文靜等[14]采用單線法和雙線法研究了伊犁黃土的濕陷性，得出伊犁黃土的濕陷性較強(qiáng)，尤其在淺層處更為嚴(yán)重，而此處黃土的濕陷系數(shù)與其深度成負(fù)相關(guān)，并且在不同的深度、壓力和初始含水率條件下，它們表現(xiàn)出不同的濕陷性和敏感性。

2.1 單軸濕陷變形試驗(yàn)

在單軸濕陷變形試驗(yàn)中，通過(guò)單線法和雙線法來(lái)確定濕陷性系數(shù)[15]。但由于浸水和加載過(guò)程的不同，濕陷性的產(chǎn)生和發(fā)展也存在差異。單線法是對(duì)土樣先施加遞增的壓力使其壓縮穩(wěn)定，最后浸水至完全飽和，可以直接得出濕陷系數(shù)，更符合實(shí)際情況。雙線法是土體在飽和下加荷載，土體會(huì)隨著荷載的不斷增大而慢慢破壞，通過(guò)此方法測(cè)得的濕陷系數(shù)一般偏大。張威[16]以新疆伊犁河流域的重塑黃土為研究對(duì)象，采用雙線法進(jìn)行室內(nèi)壓縮試驗(yàn)，得出當(dāng)黃土飽和度提高時(shí)，濕陷性系數(shù)將增大，而當(dāng)增濕含水率提高后，敏感度反而會(huì)降低。張茂花等[17]在增濕和減濕條件下，采用單、雙線法對(duì)原狀黃土(Q3)進(jìn)行單軸試驗(yàn)，結(jié)果表明，試驗(yàn)方法的不同引起濕陷系數(shù)與壓力的關(guān)系曲線也不同。

單軸濕陷變形試驗(yàn)還存在一個(gè)問(wèn)題，即在試驗(yàn)(尤其是單線法)的過(guò)程中使用了較多的土樣，由此產(chǎn)生的最大問(wèn)題就是土質(zhì)的不均勻性，且在制樣過(guò)程中會(huì)增加工作量，影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此，該情況下分析研究出來(lái)的規(guī)律與土體實(shí)際性質(zhì)會(huì)有所不同。

2.2 三軸濕化試驗(yàn)

常規(guī)三軸試驗(yàn)是測(cè)試土樣變形特性最基本、最簡(jiǎn)單的方法之一，可以通過(guò)測(cè)量試驗(yàn)過(guò)程中排水管排出的水量和滲透管滲入土體的水量來(lái)確定體積的變化規(guī)律。而三軸濕化試驗(yàn)是在一定圍壓下的固結(jié)穩(wěn)定后，在一定的固結(jié)應(yīng)力狀態(tài)下，樣品浸泡以一個(gè)恒定的水從底部樣本產(chǎn)生潤(rùn)濕變形并達(dá)到一個(gè)新的穩(wěn)定狀態(tài)，即濕化穩(wěn)定[18]。邢義川等[19]以陜西張橋黃土為例進(jìn)行了增濕變形試驗(yàn)，最后得出，在增濕過(guò)程中黃土的應(yīng)力應(yīng)變曲線變化規(guī)律是不相同的。李加貴等[20]通過(guò)在控制吸力的條件下，采用應(yīng)力控制式三軸儀和濕陷性三軸儀，研究原狀黃土(Q3)的浸水和濕陷特性試驗(yàn)，結(jié)果表明，在相同的吸力作用下，有效凈圍壓較大的濕陷體的應(yīng)變也較大，當(dāng)吸力較大時(shí)，隨著凈圍壓的增大，濕陷變形量也隨之增大。馮志焱等[21]在不同含水量下進(jìn)行三軸試驗(yàn)，研究原狀黃土與重塑黃土的相關(guān)特性，結(jié)果表明，在三軸試驗(yàn)剪切過(guò)程中，黃土的吸力隨應(yīng)變的變化而變化，而重塑黃土的吸力大小和變化特性與原狀黃土大致相同。

2.3 原位浸水試驗(yàn)

原位浸水試驗(yàn)是評(píng)價(jià)黃土濕陷性最可靠的方法。其主要特點(diǎn)就是樣本量大，忽略了邊界對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，因此，它在一定程度上反映了增濕對(duì)原狀黃土結(jié)構(gòu)的影響。然而，在所有測(cè)定黃土濕陷性的方法當(dāng)中，它是最昂貴、也是最復(fù)雜的，因此，它更適用于高層建筑、高速鐵路等一些復(fù)雜的、重要的巖土工程的施工[22]。為了研究城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)中形成的大厚度濕陷性黃土，蘇忍等[23]以蘭州地鐵3號(hào)線一期工程——陡道溝站為例，通過(guò)場(chǎng)地地面浸水試驗(yàn)，研究了既有黃土地層的濕陷變形特性，其結(jié)果表明場(chǎng)地內(nèi)黃土的濕陷系數(shù)與黃土的深度成反比。樊珂奇[24]在實(shí)地調(diào)查我國(guó)某鐵路沿線的黃土基礎(chǔ)上，結(jié)合多學(xué)科的理論和方法，研究黃土工程特性和高邊坡穩(wěn)定性，并提出了“黃土工程特性指數(shù)”的概念。羅曉鋒等[25]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)的方式對(duì)新建的銀川-西安高速公路進(jìn)行研究，結(jié)果表明，黃土濕陷速率呈現(xiàn)出“慢-快-慢-穩(wěn)定”的變化特點(diǎn)。

3 黃土濕陷性判定

濕陷性黃土在我國(guó)廣泛分布，主要分布在山西、陜西、甘肅多數(shù)地區(qū)以及河南西部。通過(guò)大量工程實(shí)例和試驗(yàn)研究得出，黃土按照性質(zhì)可分為濕陷性黃土和非濕陷性黃土，而濕陷性黃土對(duì)于工程建設(shè)生產(chǎn)有著很大的影響，因此，如何判定黃土是否為濕陷性黃土顯得格外重要。

對(duì)于黃土性質(zhì)的判定，則依據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50025—2004《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定[26]，采用濕陷系數(shù)δs來(lái)判定，δs則通過(guò)室內(nèi)浸水壓縮試驗(yàn)測(cè)得。當(dāng)δs<0.015時(shí)，為非濕陷性黃土；當(dāng)δs≥0.015時(shí)，則為濕陷性黃土。

對(duì)于濕陷系數(shù)δs，則按以下公式計(jì)算：

(1)

計(jì)算濕陷系數(shù)時(shí)，當(dāng)基底壓力不大于300kPa時(shí)，基底處的豎向壓力在10m內(nèi)的土層采用200kPa；當(dāng)10m以下土層不大于非濕陷性土層頂部時(shí)采用覆蓋層的飽和自重土壓力(若超過(guò)300kPa，仍采用300kPa)；當(dāng)基礎(chǔ)底面壓力超過(guò)300kPa時(shí)，按采用實(shí)際壓力計(jì)算。

4 工程應(yīng)用

在實(shí)際工程中，由于濕陷性黃土的特殊性，給工程建筑物帶來(lái)了不可言喻的隱患，而增濕變形是造成地表面不均勻沉降的根本原因，也是對(duì)上層建筑最嚴(yán)重的危害。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，一些原位試驗(yàn)，如靜力觸探試驗(yàn)[27]、圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)(DPT)[28]、旁壓試驗(yàn)(PMT)[29]等均被用于估算黃土的濕陷性上，這些原位試驗(yàn)均可以克服現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)取樣時(shí)對(duì)土壤的干擾等問(wèn)題和困難。在我國(guó)工程建設(shè)中，應(yīng)用黃土建設(shè)工程的事例有很多。許魁[30]以黃渭高速公路為例，采用ABAQUS有限元軟件研究了過(guò)濕黃土路基的壓實(shí)度在一定范圍內(nèi)的應(yīng)變及位移規(guī)律，得出了路基的沉降變形隨含水率的增加而增大的結(jié)論。張愛(ài)軍等[31]針對(duì)新疆大型引水渠道工程，在增濕變形的基礎(chǔ)上，提出了渠道工程的濕陷性評(píng)價(jià)方法。武小鵬、趙永虎等[32]以鄭西(鄭州-西安)高速鐵路(Q3大厚度濕陷性黃土)為例，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)和理論分析等方法，研究了馬蘭黃土的濕陷系數(shù)與其基本物理力學(xué)指標(biāo)之間的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上提出了適用于工程中評(píng)價(jià)黃土濕陷性的新方法。王江榮等[33]對(duì)蘭州某高速公路附近金城公園的路基邊坡進(jìn)行研究，采用有限元軟件Midas計(jì)算了邊坡在暴雨條件下的相關(guān)參數(shù)，得出該地區(qū)的路基邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

濕陷性黃土是一種非飽和的欠壓實(shí)土，在自然狀態(tài)下，土體的含水率和壓縮性會(huì)較低，但其強(qiáng)度較高，然而，當(dāng)土體被浸水時(shí)，其強(qiáng)度會(huì)大幅度下降，若在附加壓力或黃土自身的重力與附加壓力共同作用下，就會(huì)引起濕陷變形，而這種變形的特點(diǎn)就是沉降量大，下降速度快，對(duì)建筑物(構(gòu)筑物)危害極大[34]。因此，在實(shí)際工程中，要充分了解黃土的相關(guān)性質(zhì)和特點(diǎn)，及時(shí)有效地采取相關(guān)措施，這樣不僅可以避免工程事故的發(fā)生，提高工程的安全性，還可以減少不必要的損失。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)濕陷性是黃土的主要特性之一，本文在研究諸多試驗(yàn)成果基礎(chǔ)上，對(duì)黃土的濕陷性從基本特性、試驗(yàn)原理、判定方法以及工程應(yīng)用方面作出了總結(jié)和分析，分析結(jié)果表明，黃土的濕陷性變形與初始含水量成反比；在單軸濕陷變形試驗(yàn)中，可通過(guò)單線法和雙線法來(lái)確定濕陷性系數(shù)。

(2)黃土對(duì)實(shí)際生產(chǎn)有很大的影響，因此，在進(jìn)行相關(guān)工程施工的過(guò)程中，我們應(yīng)清楚地掌握黃土的濕陷性，充分了解其相關(guān)性質(zhì)和特點(diǎn)，避免發(fā)生工程事故，減少非必要的損失。而對(duì)于工程技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，更應(yīng)加強(qiáng)對(duì)黃土濕陷性的分析和研究，以提高對(duì)濕陷性黃土的工程評(píng)價(jià)，并采取有效措施處理黃土的不良特性，從而實(shí)現(xiàn)合理應(yīng)用和規(guī)范使用。