太原黃土的靜力變形特性試驗研究

閻鳳翔

黃土為第四紀沉積物，一般有肉眼可見的大孔隙，廣泛分布于我國的中西部地區。黃土的靜力變形可分為兩種:一種是由于力的作用產生變形，即壓縮變形;另一種是水的作用產生變形，即濕陷變形[1]。黃土的濕陷變形量大，發展迅速又不均勻，往往使建筑物發生嚴重變形甚至破壞。大量的研究證明，水對黃土靜力變形特性的影響非常明顯。本次試驗通過研究不同含水量條件下黃土的靜力變形特性，為解決黃土地基的變形問題提供理論依據。

1 試驗方案

試樣取自太原，屬第四紀晚更新世(Q3)黃土。取土深度6.0 m左右，呈黃褐色，土質均勻，結構松散，用肉眼可以看到垂直柱狀大孔隙，各種物理力學指標見表1。采用文獻[2]建議的“水膜轉移法”和“自然風干法”配置了六種含水量的試樣，含水量分別為 5%，10%，15%，20%，25%，30%。采用雙線法測定黃土的濕陷變形，黃土壓縮試驗參照GB/T 50123-1999土工試驗標準[3]規定的方法進行。

表1 太原黃土的物理力學指標

2 試驗成果與分析

2.1 黃土的濕陷變形

2.1.1 δs—p曲線隨含水量變化規律

考察圖1曲線族，可以看出δs—p曲線隨含水量變化的三個規律:

1)隨著含水量的增大，δs—p曲線的峰值明顯降低，表現出濕陷變形最大值隨含水量增加而減小的趨勢。

2)隨著含水量的增大，δs—p曲線峰值所對應的壓力值p有左移的趨勢，它表明，對于同一結構的土，含水量越高，達到濕陷最大值所需的壓力值越小。

3)在整個曲線族中，試樣的 δs—p曲線位置隨含水量增大而依次降低，含水量的大小決定了它在曲線族中的位置。對于同一級壓力，含水量越大，δs越小，這種逐漸變化的過程可以認為是連續的。

2.1.2 δs—w曲線隨壓力變化的規律

觀察圖2曲線族可以發現δs—w曲線隨壓力變化的兩個規律:1)δs—w曲線的變化趨勢大致為一條斜率小于零的直線，如圖2所示。也就是說在同一壓力下濕陷系數δs隨含水量的增加而減小，而且在塑限含水量以前減小的趨勢(減小了70%以上)要比塑限含水量以后(30%以下)大。2)δs—w曲線的位置隨壓力的增大而依次遞升，在壓力為200 kPa以前距離較大，以后距離較小;δs—w曲線形態隨壓力的減小而越見平滑。

黃土的濕陷現象是由于水和力的共同作用使黃土的微結構喪失穩定造成的。黃土在受水浸濕后，構成黃土結構強度的骨架間的連接(點接觸和面膠結)必然會受到削弱，但還沒有完全喪失，小壓力不足以破壞架空孔隙結構，所以δs剛開始變化很小;當壓力超過一定界值時，原有的微結構在水和力的共同作用下破壞，δs開始迅速發展;隨著壓力的繼續增加，壓縮變形繼續增大，而黃土微結構變化中對濕陷有利和不利的因素達到某種均衡狀態，δs開始下降;但由于多孔隙的原結構已被水和力共同破壞，δs最后仍維持一個較大的數值。

原狀黃土的起始含水量越高，其吸水勢越小，受水浸濕對其結構的影響也越小。表現為隨著含水量的增大，δs—p曲線的峰值明顯降低，在曲線族的位置下降。

濕陷是水和力的共同作用，黃土受水浸濕后仍殘留有一定的強度，只有當力的作用破壞了原有的結構后，濕陷才會發生。如圖2所示，當壓力為50 kPa曲線接近一條水平線，證明壓力很小時，試件幾乎沒有發生濕陷變形。

2.1.3 濕陷起始壓力

濕陷起始壓力是指黃土在受水浸濕后開始產生濕陷時的相應壓力，從實質上說，應相當于土受水浸濕后的殘余結構強度。浸水后，當外界壓力在土顆粒間引起剪應力小于土的殘余結構強度時，土中只發生壓密變形，而沒有濕陷變形。工程實踐中一般取δs=0.015所對應的壓力作為濕陷起始壓力值。

從圖3中可以看出太原黃土的濕陷起始壓力隨含水量的增大而增大，Psh—w曲線逼近于線性函數。這一試驗結果說明黃土的起始含水量越大，受水浸濕后的殘留強度也大。這可能是因為高含水量的黃土原先受到水的影響后，重新調整形成新的微觀結構，對水的侵入不太敏感。低含水量的黃土對水的作用敏感的多，水浸濕后原有強度大大降低，結構迅速被破壞。

2.2 黃土的壓縮變形

1)壓縮曲線隨含水量變化的規律。隨含水量的增大，壓縮曲線的位置依次升高，曲線的直線段斜率增大。在同一級壓力下壓縮變形隨含水量的增大而增大，與濕陷正好相反。2)壓縮變形和壓力的關系。壓縮變形和壓力的關系可近似認為是直線關系，其傾斜方向與δs—w相反，隨壓力的增大，曲線位置依次升高，斜率逐漸變大。對于同一含水量壓力越大變形越大。

不同于濕陷變形，壓縮變形主要是由于力對土體的作用。用結構學說解釋[5]:外荷傳遞到連接點的應力一般可以分解成切向力(T)和法向力(P)。當 T/P的值大于粒間摩擦系數(μ)，則顆粒間就產生相對移動。但加荷后連接點的滑移并不是同時發生的，外荷每增加一級就有一些連接點發生移動，但在整個結構體系沒有失去穩定之前，這些連接點的破壞和移動只產生少量變形。這是因為移動的顆粒到達新的位置和其他顆粒重新接觸，從而增加了顆粒的配位數，使得連接點上的 T/P＜μ，所以變形逐漸停止，強度也有所發展。繼續加荷到變形明顯增大，此時黃土結構中的架空孔隙部分被破壞，構成架空孔隙的顆粒填充到架空孔隙的空腔中。如果進一步加荷將使所有架空孔隙都破壞，導致黃土結構的徹底重建(原孔隙結構失穩破壞后又形成較穩定的結構)。此時，即使應力增加的幅度較大，發生失穩破壞的孔隙體積卻越來越小，反映在變形曲線上就是應變隨應力增長變緩的第三階段。

同一含水量下，壓力越大，移動顆粒數越多，壓縮變形越大。

同一級壓力下，含水量越大，顆粒間的摩擦系數μ越小，壓縮變形越大。

3 結語

從上文的論述中可以看出，含水量不同則黃土的靜力變形性質會有很大的不同;隨著含水量的增加，濕陷變形量減小而壓縮變形量增加。含水量是眾多物理指標中比孔隙比、密度更為重要的一個參數。因此，對黃土力學特性的研究應該重視水(起始含水量、浸濕含水量)的作用，以及水與力作用的不同組合路徑。在消除濕陷性的地基處理過程中應注意含水量的控制，適當增加含水量，會減小濕陷變形同時土體更容易被壓密。

[1] 曾國紅.含水量增加時濕陷性黃土變形特性研究[D].太原:太原工業大學碩士論文，1993.

[2] 駱亞生.中國典型黃土動力特性及其參數的試驗分析[D].西安:西安理工大學碩士學位論文，2000.

[3] GB/T 50123-1999，土工試驗方法標準[S].

[4] 沈妤蔚，周金龍.靜動法(STATNTAMIC)樁基檢測的分析方法[J].山西建筑，2009，35(4):129-130.

[5] 高國瑞.我國黃土濕陷性質的形成研究[J].南京建筑工程學院學報，1994(2):1-8.