國(guó)道G310三門(mén)峽豫西黃土濕陷特性及其微觀分析

趙鑫鑫, 姜彤, 趙金玓, 張俊然

(華北水利水電大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,河南 鄭州 450046)

世界上約十分之一的陸地面積被黃土覆蓋,我國(guó)黃土面積約有 64萬(wàn)km2,主要分布在西北部、華北平原及東北地區(qū)南部[1]。在我國(guó)西北地區(qū)、黃河中游一帶,黃土廣泛分布的特征較為典型[2]。

黃土的濕陷性是黃土地區(qū)獨(dú)特的工程地質(zhì)特性,即在天然低含水率下,其強(qiáng)度較高、壓縮性較低,一旦浸水會(huì)發(fā)生強(qiáng)度突降和變形突增[3]。因此,黃土濕陷性引發(fā)的工程問(wèn)題越來(lái)越多,主要病害問(wèn)題是黃土地基濕陷引起的建筑物傾斜、裂縫產(chǎn)生、路基不均勻沉降以及渠道邊坡破壞等。圍繞黃土濕陷性工程問(wèn)題,學(xué)者們進(jìn)行了廣泛的研究:李永樂(lè)[4]總結(jié)了豫西黃土工程基本特征和工程地質(zhì)性質(zhì),建立了豫西黃土的地層層序;朱云江等[5]研究了豫西原狀黃土抗剪強(qiáng)度的尺寸效應(yīng),研究結(jié)果表明,在相同垂直壓力條件下,大型直剪試驗(yàn)得出的試樣抗剪強(qiáng)度低于常規(guī)直剪試驗(yàn)得到的,并且這種差異隨著垂直壓力的增大逐漸變得顯著;邵生俊等[6]揭示了黃土結(jié)構(gòu)性參數(shù)與應(yīng)變、含水率、固結(jié)應(yīng)力之間的關(guān)系,提出了考慮結(jié)構(gòu)性參數(shù)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,計(jì)算所得的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與試驗(yàn)結(jié)果有較好的一致性,驗(yàn)證了原狀黃土結(jié)構(gòu)性參數(shù)描述的合理性和基于結(jié)構(gòu)性參數(shù)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的合理性;苗天德等[7]基于黃土微結(jié)構(gòu)突變失穩(wěn)假說(shuō),提出了黃土濕陷變形的一個(gè)完整的本構(gòu)關(guān)系;關(guān)亮等[8]的研究表明,對(duì)于黃土工程,增加路基的壓實(shí)度可以較好地防止?jié)裣葑冃?王嬌等[9]的研究表明,在同一凈壓縮應(yīng)力下,壓實(shí)黃土基質(zhì)吸力越大,濕陷系數(shù)越大。此外,蘇忍等[10]還通過(guò)原位浸水試驗(yàn)研究了大厚度黃土的濕陷性,從宏觀角度揭示了黃土遇水后的濕陷機(jī)理。

在土體微觀試驗(yàn)方面:高國(guó)瑞[11]總結(jié)了先前研究的黃土濕陷性結(jié)構(gòu)理論,并提出了濕陷性黃土獨(dú)特的粒狀架空結(jié)構(gòu)體系,這種理論體系不僅能充分闡明黃土濕陷變形的機(jī)制和黃土濕陷現(xiàn)象的本質(zhì),還能對(duì)濕陷性黃土進(jìn)行工程地質(zhì)分類(lèi)和評(píng)價(jià);穆青翼等[12]利用掃描電鏡觀察黃土微觀結(jié)構(gòu),從微觀角度分析了黃土結(jié)構(gòu)對(duì)其持水特性和濕陷性的影響,結(jié)果表明,高含水率時(shí)(大于18%),原狀和壓實(shí)黃土的濕陷系數(shù)差別不大,而在低含水率(16%)時(shí),原狀黃土濕陷系數(shù)大于壓實(shí)黃土的;馬富麗等[13]對(duì)不同黃土樣的微觀圖像進(jìn)行了分析,研究表明黃土的濕陷性系數(shù)隨著非飽和孔隙含量的增加而增大;方祥位等[14]研究了不同土層Q2黃土的微觀結(jié)構(gòu),認(rèn)為骨架顆粒連接形式可分為4類(lèi),即直接點(diǎn)接觸、直接面接觸、間接點(diǎn)接觸、間接面接觸;蔣明鏡等[15]研究了不同應(yīng)力路徑試驗(yàn)前后原狀和重塑黃土孔隙分布的變化,結(jié)果表明,試驗(yàn)前兩種土具有相近孔隙分布的雙孔隙結(jié)構(gòu),兩者的15%含水率試樣在等含水率試驗(yàn)后孔隙分布接近,兩者飽和試樣在固結(jié)不排水試驗(yàn)后的孔隙分布差異較大。

綜上可知,針對(duì)黃土的濕陷性研究相對(duì)較多,但結(jié)合微觀試驗(yàn)研究土體微觀結(jié)構(gòu)及干密度對(duì)黃土濕陷性影響的研究較少。因此,筆者結(jié)合國(guó)道G310三門(mén)峽西至豫陜交界段新建工程,采用固結(jié)儀對(duì)黃土原狀樣和不同初始干密度下的重塑樣進(jìn)行濕陷性試驗(yàn)研究。同時(shí),采用壓汞儀對(duì)黃土原狀樣和重塑樣的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析,系統(tǒng)性地研究黃土初始干密度及微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其濕陷性的影響,為相關(guān)黃土路基工程的設(shè)計(jì)和施工提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)土樣

本文所用的黃土取自三門(mén)峽市距離黃河南岸1.2 km的東上村地下4～5 m處,原狀黃土的干密度為1.33 g/cm3,天然含水率為5.1%。根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)[16]測(cè)得試樣的物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1,粒徑級(jí)配曲線(xiàn)如圖1所示。測(cè)試結(jié)果表明,所取黃土的粒徑范圍為0.005～0.075 mm,按照土的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)[17]可知,所取黃土屬于低液限黏土。

表1 試樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)

圖1 黃土的顆粒分析曲線(xiàn)

2 試驗(yàn)方案

2.1 試樣制備

對(duì)于原狀土樣,利用環(huán)刀直接從現(xiàn)場(chǎng)取回的土塊中削制得到。對(duì)于重塑土樣,為了與原狀樣進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),首先將取回來(lái)的土樣風(fēng)干并過(guò)2 mm標(biāo)準(zhǔn)篩,然后將過(guò)篩后的干土與水混合,使重塑樣的含水率w與原狀樣的天然含水率保持一致(w=5.1%)。將配制好的濕土放入密封袋中密封保存48 h,使干土與水混合均勻。制備重塑試樣時(shí),控制初始干密度ρd與原狀試樣的保持一致(ρd=1.33 g/cm3),采用千斤頂靜壓法壓實(shí),同時(shí)制備初始干密度分別為1.4、1.5、1.6 g/cm3的重塑試樣以研究不同初始干密度對(duì)黃土濕陷性的影響。試樣直徑和高度分別為6.18、2.00 cm。

2.2 黃土濕陷性試驗(yàn)方案

試驗(yàn)共分為5組,分別對(duì)原狀樣以及4種不同初始干密度的重塑樣進(jìn)行試驗(yàn)。采用WG型單杠桿雙聯(lián)固結(jié)儀,試驗(yàn)前對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)并測(cè)試儀器的變形量,以提高后續(xù)數(shù)據(jù)處理的可靠性。本試驗(yàn)采用雙線(xiàn)法,同一初始干密度下的土樣取兩個(gè)環(huán)刀樣,一個(gè)浸水,一個(gè)不浸水。試驗(yàn)中采用的豎向應(yīng)力分別為12.5、50、100、200、300、400、800 kPa。不浸水試樣在其初始含水率下分級(jí)加荷,直至最后一級(jí)荷載且變形穩(wěn)定后,結(jié)束試驗(yàn);浸水試樣在第二級(jí)荷載變形穩(wěn)定后浸水,在浸水飽和時(shí)分級(jí)加荷,直至最后一級(jí)荷載且變形穩(wěn)定后,試驗(yàn)結(jié)束。各級(jí)應(yīng)力下變形穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)為每小時(shí)變形量不超過(guò)0.01 mm。

根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)[16],某級(jí)應(yīng)力下濕陷性系數(shù)δs按式(1)計(jì)算:

(1)

式中:δs為濕陷性系數(shù);hp為某一級(jí)應(yīng)力下,試樣變形穩(wěn)定后的高度,mm;h′p為某一級(jí)應(yīng)力下,試樣浸水濕陷變形穩(wěn)定后的高度,mm。

2.3 微觀試驗(yàn)方案

2.3.1 微觀試驗(yàn)設(shè)備及原理

壓汞試驗(yàn)是測(cè)量土樣微觀結(jié)構(gòu)的一種重要手段,主要用于測(cè)量土樣的孔隙大小及其分布。本研究采用美國(guó)麥克公司生產(chǎn)的Auto Pore IV 9600全自動(dòng)壓汞儀測(cè)試黃土原狀樣和不同干密度重塑樣的微觀結(jié)構(gòu)。壓汞法的試驗(yàn)原理是假設(shè)土樣的孔隙都是圓柱形,汞具有非浸潤(rùn)性,因此不會(huì)流入固體孔隙。在低壓下,汞先進(jìn)入較大孔隙,隨著壓力的增大再逐漸進(jìn)入微孔隙中。通過(guò)進(jìn)汞體積量推算孔隙分布情況,孔隙大小可根據(jù)進(jìn)汞壓力確定。圓柱形孔隙注入液體所需壓力大小可按Washburn 公式[18]計(jì)算:

(2)

式中:P為進(jìn)汞壓力;d為孔徑;Tm為汞的表面張力;θm為接觸角。20 ℃時(shí),Tm為 0.485 N/m,θm為140°。

2.3.2 微觀試驗(yàn)步驟

為了從微觀角度分析黃土原狀樣和不同干密度重塑樣的濕陷機(jī)理,本研究制備了黃土原狀樣和不同初始干密度重塑樣共5個(gè)。將制備好的試樣放入裝有液氮的盒中快速冷卻2～3 min,然后將裝有試樣的液氮盒快速放置在抽真空裝置中,抽真空24 h后,取出試樣,放置于冷凍干燥機(jī)中,繼續(xù)抽真空24 h。通過(guò)抽真空使試樣中的水直接升華為氣體,從而使試樣干燥,然后進(jìn)行壓汞試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 濕陷性試驗(yàn)結(jié)果與分析

黃土原狀樣和不同初始干密度重塑樣的e-lgp曲線(xiàn)如圖2所示。由圖2可知:①對(duì)于未浸水試樣,同一初始含水率下,試樣的初始孔隙比隨初始干密度的增加逐漸降低,隨著豎向應(yīng)力的增加,試樣孔隙比變化幅度隨干密度的增加逐漸減小。在壓縮屈服前,初始干密度對(duì)試樣e-lgp曲線(xiàn)影響不大,不同初始干密度試樣的壓縮曲線(xiàn)近似平行;在壓縮屈服后,初始干密度越大,孔隙比變化越不顯著。這表明初始干密度越大的試樣,其密實(shí)度越高,壓縮性越低,抵抗變形的能力越強(qiáng)。然而,對(duì)比初始干密度均為1.33 g/cm3的黃土原狀樣和重塑樣的e-lgp曲線(xiàn)可知,原狀樣的初始孔隙比高于重塑樣的,這歸因于原狀樣天然的結(jié)構(gòu)性,但二者孔隙比隨豎向應(yīng)力的變化趨勢(shì)相同。②對(duì)于浸水試樣,在第二級(jí)荷載(50 kPa)變形穩(wěn)定浸水后,隨著豎向應(yīng)力的增大,均產(chǎn)生不同程度的濕陷變形,且隨著試樣初始干密度的增加其變形量減小。然而,對(duì)于初始干密度為1.60 g/cm3的重塑樣,浸水對(duì)其變形影響不大,且浸水后孔隙比有略微增大的趨勢(shì)。

圖2 不同干密度黃土的e-lgp曲線(xiàn)

為了定量分析黃土原狀樣和不同初始干密度重塑樣的濕陷變形,根據(jù)式(1)計(jì)算其濕陷性系數(shù),圖3為黃土原狀樣和不同初始干密度下重塑樣的濕陷性系數(shù)與豎向應(yīng)力的關(guān)系曲線(xiàn)。由圖3可知:隨著豎向應(yīng)力的增加,試樣的濕陷性系數(shù)逐漸增大,且初始干密度越大,其濕陷性系數(shù)隨應(yīng)力變化越不明顯;試樣初始干密度為1.33～1.40 g/cm3時(shí),其濕陷性系數(shù)有明顯的上升趨勢(shì)。黃土原狀樣的濕陷性系數(shù)高于同一干密度下重塑樣的。初始干密度為1.50 g/cm3時(shí),其濕陷性系數(shù)上升趨勢(shì)較緩慢;初始干密度為1.60 g/cm3時(shí),其濕陷性可忽略不計(jì)。由此表明,同一干密度下黃土原狀樣的濕陷性大于重塑樣的,且重塑黃土的濕陷性隨著干密度的增大而降低。因此,黃土地區(qū)施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制地基的密實(shí)度,避免發(fā)生濕陷而造成破壞。

圖3 濕陷性系數(shù)與豎向應(yīng)力的關(guān)系

根據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)范[16]可知,濕陷性系數(shù)等于0.015時(shí)所對(duì)應(yīng)的豎向應(yīng)力為濕陷起始應(yīng)力。由圖3確定的黃土原狀樣和不同初始干密度重塑樣的濕陷起始應(yīng)力見(jiàn)表2。干密度為1.33 g/cm3的黃土原狀樣和重塑樣的濕陷起始應(yīng)力均小于50 kPa,說(shuō)明此干密度下試樣較容易發(fā)生濕陷,且原狀樣的濕陷起始應(yīng)力高于同一干密度下重塑樣的。對(duì)于黃土重塑樣,初始干密度越大,試樣的濕陷起始應(yīng)力也越大。當(dāng)干密度為1.60 g/cm3時(shí),不同豎向應(yīng)力下試樣的濕陷性系數(shù)均小于0.015,表明在此干密度下試樣不發(fā)生濕陷。由此可見(jiàn),干密度越小,試樣越容易發(fā)生濕陷。

表2 濕陷起始應(yīng)力

3.2 壓汞試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖4為黃土原狀樣及不同干密度重塑樣的累計(jì)汞壓入體積量曲線(xiàn)。從圖4中可以看出,隨著干密度的增大,黃土重塑樣的累計(jì)汞壓入體積曲線(xiàn)整體向下移動(dòng),這說(shuō)明當(dāng)試樣干密度從1.33 g/cm3增加到1.60 g/cm3時(shí),土體中總體孔隙量在減少。然而,對(duì)于黃土原狀樣,其累計(jì)汞壓入體積曲線(xiàn)明顯高于同一干密度(1.33 g/cm3)重塑土樣的,這歸因于原狀樣天然的孔隙結(jié)構(gòu),使其總體孔隙量高于顆粒相對(duì)均勻的重塑樣的。

圖4 試樣的累計(jì)汞壓入體積量曲線(xiàn)

圖5為黃土原狀樣、不同初始干密度下重塑樣的孔隙直徑和孔隙體積分布密度關(guān)系曲線(xiàn)。由圖5可知,黃土原狀樣及初始干密度分別為1.33、1.40、1.50、1.60 g/cm3的重塑樣孔徑分布曲線(xiàn)均呈單峰狀,其主要分布孔徑分別為9.0、13.9、11.3、7.2、3.9 μm。KODIKARA J等[19]將土體內(nèi)部孔隙劃分為:粒間孔隙(0.004～1 μm)、聚積體內(nèi)孔隙(1～30 μm)、聚積體外孔隙(10～1 000 μm)。由此可知,黃土原狀樣和不同初始干密度的重塑樣主要存在聚積體內(nèi)孔隙。

圖5 試樣孔徑與孔隙體積分布密度關(guān)系曲線(xiàn)

根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》[20]可知,濕陷性黃土的濕陷程度可根據(jù)濕陷性系數(shù)進(jìn)行劃分:當(dāng)0.015≤δs>0.030時(shí),為輕微濕陷;當(dāng)0.030≤δs>0.070時(shí),為中等濕陷;當(dāng)δs≥0.070時(shí),為強(qiáng)烈濕陷。由此判斷:當(dāng)豎向應(yīng)力為800 kPa時(shí),黃土原狀樣及初始干密度為1.33、1.40 g/cm3的重塑樣濕陷性系數(shù)分別為0.19、0.14、0.10(圖3),具有強(qiáng)烈濕陷性,且其對(duì)應(yīng)的孔徑主要分布在9.0、13.9、11.3 μm(圖5);初始干密度為1.50 g/cm3重塑樣的濕陷性系數(shù)為0.05(圖3),具有中等濕陷性,且其對(duì)應(yīng)的孔徑主要分布在7.2 μm(圖5)。根據(jù)表1黃土顆粒分析數(shù)據(jù)可知,其粒徑主要為5～75 μm,由此可知,黃土原狀樣及低干密度重塑樣內(nèi)部的大部分孔隙尺寸大于其顆粒尺寸,試樣內(nèi)部呈架空結(jié)構(gòu)。因此,當(dāng)干密度較小時(shí),黃土的濕陷性較大;當(dāng)干密度達(dá)到1.60 g/cm3時(shí),試樣在豎向應(yīng)力為800 kPa下的濕陷性系數(shù)為0,其對(duì)應(yīng)的孔徑主要分布在3.9 μm,試樣內(nèi)部的大部分孔隙尺寸要小于其顆粒尺寸。且從圖2可知,初始干密度為1.60 g/cm3的試樣在浸水和不浸水情況下的孔隙比變化不大。由此可知:當(dāng)黃土中存在架空結(jié)構(gòu)(低干密度)時(shí),其濕陷性較大;反之,濕陷性較小。換句話(huà)講,低干密度試樣的濕陷程度更為明顯。

4 結(jié)論

本文對(duì)黃土原狀樣和不同初始干密度的重塑樣進(jìn)行了一系列濕陷性試驗(yàn)和微觀定量分析。主要結(jié)論如下:

1)同一初始干密度條件下,黃土原狀樣的濕陷性大于重塑樣的,且重塑黃土樣的濕陷性隨著干密度的增大而降低,當(dāng)初始干密度為1.60 g/cm3時(shí),其濕陷性可忽略不計(jì)。

2)同一初始干密度條件下,黃土原狀樣的總體孔隙量高于重塑黃土的,且重塑黃土的總體孔隙量隨著干密度的增大逐漸降低。

3)黃土原狀樣和不同初始干密度重塑樣的濕陷性與其內(nèi)部孔隙尺寸有關(guān),即干密度較小時(shí),黃土內(nèi)部的大多數(shù)孔隙尺寸大于其顆粒尺寸,呈架空結(jié)構(gòu),具有強(qiáng)烈的濕陷性。反之,干密度越大,黃土內(nèi)部架空孔隙數(shù)量越少,黃土的濕陷性越低。