淺談土的濕陷性

任培巖

土的濕陷性是指土在一定的壓力作用下受水的浸濕,土結構迅速破壞而發生顯著附加下沉的性質。它是黃土的主要特征。黃土是在干旱半干旱氣候條件下形成的,多以粗粉粒為主體骨架,呈多孔隙或者大孔隙結構,顆粒間膠結物多為可溶鹽,干燥時由于顆粒間分子引力以及結合水、毛細水的連接力加大,阻止土體的自重壓密,當水浸濕時,結合水膜增厚左右楔入顆粒之間,于是結合水連接消失,鹽類溶于水中,骨架強度降低,土體在上覆土層的自重壓力或在自重壓力與附加壓力共同作用下,結構迅速破壞,土粒向大孔滑移,粒間孔隙減小,從而導致大量的附加沉陷。

土的濕陷性給工程建筑物帶來了不可言喻的禍患。正確評價土的濕陷性也成了我們迫切的任務,尤其在黃土地區,對于同一濕陷性黃土地層,評價結果不同造成的影響也不同。如果評價高于自然情況,必然造成不必要的浪費;如果評價低于客觀實際,將會導致或輕或重的濕陷事故。

判定土的濕陷性的唯一指標就是土的濕陷系數。土的濕陷系數又是反映土的濕陷程度的重要參數。它的主要用途是確定土的濕陷性、濕陷程度、濕陷類型、濕陷深度、濕陷敏感程度及濕陷起始壓力等。

土的結構特征及其物質組成是產生濕陷性的內在因素,水的浸潤和壓力作用是產生濕陷性的外部條件。

土的濕陷性首先與土的巖性和內部結構有關。一般來說,土粒越細,粘粒含量越高,粒間結合力越強,土的濕陷性越小,濕陷系數也越小。也就是說黏性土的濕陷性要比粉土的濕陷性小些。濕陷系數與試樣的天然含水率和孔隙比、干容重、壓力也有一定的關系。濕陷系數隨天然含水率增大而變小,到一定程度濕陷變形消失;空隙比越大濕陷變形也越大,濕陷系數變大;相反干容重越大,濕陷變形越小,濕陷系數也隨之變小;隨著壓力的增加濕陷系數由小變大,達到某一程度后,又隨壓力的增大而由大變小(見圖1)。濕陷系數和天然含水率、孔隙比、干容重到底存在怎樣的定量關系,至今仍是我們無法知道的,這也是今后我們要努力的方向。

濕陷系數也有一定的規律性。就長期以來本實驗室所做的樣品來說,橫向上從三門峽—洛陽—鄭州,濕陷性由大到小,縱向來說濕陷系數的分布特點有幾種情況:1)濕陷系數隨深度的增加總趨勢由大到小,到一定程度濕陷性減弱至消失。2)濕陷系數隨深度的增加由小到大,到某一深度又由大到小直至消失。3)個別情況濕陷系數沒有規律,直到黃土層結束。

對于相同的土層,理論上其濕陷性應該是相同的,但現實中我們的檢測值往往有很多是不同的,是什么造成了這樣的結果,怎樣才能使檢測誤差最小,使我們的檢測值更接近客觀真值,這和我們的檢測過程有關。

我們在濕陷取樣時只是從某一點上取出一個樣,具有很大的隨機性,這跟土的均勻程度有很大的關系,相應的我們測出的濕陷系數也有很大的隨機性,如果土質均勻,就會真實的反映土的特性,如果不均勻,那么測出的濕陷系數就會偏離真值。

另外實驗室的儀器設備、儀器等也能造成相應的誤差,例如:環刀面積和高度的精確程度、削土刀刃度的銳利程度、平整度、固結儀杠桿力臂的準確程度、百分表的精度及砝碼的公差等等。壓縮試驗中透水石和濾紙的濕度不同,對濕陷系數的大小也有影響:透水石和濾紙的濕度與土樣天然含水率差值越大,對濕陷系數的影響也越大。這些誤差無法準確的計算出來,但是卻集中反映到濕陷系數的測量值上。這就要求實驗室管理人員要有高度的責任心,定期檢查消耗品(如環刀、開樣刀、儀器)的使用情況,及時進行更換。對強檢的百分表、溫度計、量力環等定期送檢,確認其使用在有效期,保證所出數據的合格性、真實性。

表1 雙線法與單線法所測系數的差異

對同一個土樣來說,試驗方法的選擇也非常重要,單線法和雙線法測濕陷系數,結果也稍有差異:雙線法所測濕陷系數比單線法偏大(見表1)。以上試驗其他條件都相同時,究其原因浸潤時間的長短也是結果區別的主要因素。產生濕陷性的外部條件就是水的浸潤和壓力作用,壓力相同條件下,浸潤程度就成了關鍵因素。有關資料表明:黃土浸水后結構迅速破壞,1 h后飽和約能達到80%,5 h～8 h才能達到完全飽和。單線法壓縮穩定之后才浸水,相對結構已經壓實,飽和速度較慢;浸水后2 h～3 h就可讀數穩定。而雙線法濕樣在第一級穩定后就浸水,再分級加荷,飽和速度較快,浸潤時間也長,整個樣讀穩浸水后最少要8 h～12 h,飽和的比較完全。濕陷系數也稍偏大(見表2),所以建議推廣雙線法測土的濕陷系數。

表2 濕陷系數

在野外采樣、室內制樣到試驗操作,整個過程中,不排除人為因素造成的試驗誤差,這部分誤差與操作者的認真程度和熟練程度有關。所以新的《實驗室資質認定評審準則》里明確規定實驗室的人員必須經過培訓,考核合格,持證上崗。得到計量監督部門評審合格并接受其監督的實驗室才有相應的資格和高素質的試驗人員,從而盡量減少試驗中的人為因素造成的試驗誤差。

[1]GB/T 50123-1999,土工試驗方法標準[S].

[2]GB 50025-2004,濕陷性黃土地區建筑規范[S].

[3]唐大雄,孫愫文.工程巖土學[M].北京:地質出版社,1985.

[4]張孟喜.土力學原理[M].宜昌:華中科技大學出版社,2007.

[5]劉佳靈.濕陷性黃土濕陷機理及處理措施[J].山西建筑,2009,35(6):148-149.