黃土路基的水理特性及影響因素

摘要：通過三軸滲透和崩解試驗(yàn)，對壓實(shí)黃土的水理特性做了探討，得出壓實(shí)黃土的滲透系數(shù)、崩解性隨干密度的增大而減小，隨圍壓的增大而減小。

關(guān)鍵詞：黃土 路基 滲透 水理特性

1、引言

外界水份在浸入路基土的過程中除引起大的濕化變形外，其在土內(nèi)的運(yùn)移過程有哪些特點(diǎn)，在浸入過程對物理力學(xué)性質(zhì)有哪些影響？這些問題涉及到土的滲水性、收縮和膨脹性以及崩解性等水理特性，因而考察黃土的水理性研究對路體的穩(wěn)定及安全運(yùn)行至關(guān)重要，本文著重對路基黃土的滲水與崩解特性進(jìn)行研究。

2、土體的滲透性

土體滲透性的研究大多采用常水頭（70型）和變水頭（南55型）常規(guī)滲透儀進(jìn)行以測定土體滲透系數(shù)為目的，一般不考慮試驗(yàn)土樣在原位置的應(yīng)力狀態(tài)，因此一般偏大；而通過三軸滲透試驗(yàn)，可以較好地模擬工程實(shí)際研究土體的干密度、圍壓等對黃土滲透特性的影響，可以有效彌補(bǔ)常規(guī)滲透試驗(yàn)的不足并減小誤差。

2.1試樣制備

采用常規(guī)三軸制樣器分4層壓實(shí)制作的直徑39.1 mm、高80mm的標(biāo)準(zhǔn)重塑土樣進(jìn)行三軸滲透試驗(yàn)；崩解試驗(yàn)所用的試樣，通過兩種方法獲得：未進(jìn)行剪切破壞的試樣分三層由三軸制樣器壓實(shí)的直徑39.1mm，高60mm的試樣；剪切破壞后土樣削成直徑39.1mm高60mm規(guī)格的試樣，作為崩解對比樣。

2.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用儀器為SLB-1型應(yīng)力應(yīng)變控制式三軸剪切滲透試驗(yàn)儀，試樣按《土工試驗(yàn)規(guī)程(SL237～1999)》關(guān)于三軸試驗(yàn)的要求安裝。試驗(yàn)過程中控制周圍壓力分別為50、100、150 kPa（相當(dāng)于約8m深土層），在每級(jí)圍壓下施加相同的滲水壓力進(jìn)行恒水頭滲透試驗(yàn)，試樣在恒滲水壓力下的滲透系數(shù)按式（1-1）計(jì)算。為便于分析，k值按規(guī)范統(tǒng)一換算為20℃的滲透系數(shù)k20值。

（1-1）

式中：Q—t時(shí)間內(nèi)滲水量，ml； L—試樣高度，cm；

P—用水頭表示的滲水壓力，cm；A—試樣過水面積，cm2；

t—滲水時(shí)間，min。

崩解試驗(yàn)按SL273—1999規(guī)程進(jìn)行，但需指出的是試驗(yàn)用樣為三軸試驗(yàn)制樣模具制作的圓柱樣，為便于分析土樣剪切前后崩解性能變化規(guī)律，包括崩解過程曲線（崩解量At-時(shí)間t關(guān)系曲線）與崩解速率。試驗(yàn)方案主要考慮兩個(gè)控制因素：土樣質(zhì)量壓實(shí)度與土樣質(zhì)量含水率。其崩解量計(jì)算依式（1-2）進(jìn)行。

(1-2)

式中：AT—t時(shí)刻試樣崩解量%；RT—t時(shí)刻浮筒齊水面處刻度讀數(shù)；

R0—開始時(shí)刻浮筒齊水面處刻度讀數(shù)；

Rend—崩解結(jié)束時(shí)刻浮筒齊水面處刻度讀數(shù)。

本文依此公式（1-3）和崩解曲線最陡段斜率兩種方法進(jìn)行崩解速率分析。

（1-3）

式中：v—崩解速率cm3/min；RT—崩解結(jié)束時(shí)浮筒讀數(shù)；A—體積換算系數(shù)。

3、路基黃土的崩解特性

土的崩解，是指粘性土在靜水中發(fā)生碎裂解體塌落或強(qiáng)度減弱的現(xiàn)象，又稱濕化性。

3.3.1干密度對崩解性能的影響

試驗(yàn)過程中將壓實(shí)黃土試樣放入清水中時(shí)，壓實(shí)度較小土樣表現(xiàn)為周圍水立即混濁，有大量氣泡逸出土體；筒內(nèi)水面馬上聚集漂滿微小氣泡，緊接著土樣表面開始崩解掉落，崩解的碎屑物以粒狀為主；壓實(shí)度較大樣表現(xiàn)與其類似，不過劇烈程度小的多。

圖1-1為初始含水率為14%時(shí)不同壓實(shí)度黃土樣的崩解量與時(shí)間關(guān)系，即崩解曲線，其基本形狀為S形。圖線表明壓實(shí)度越大，同體積的土樣崩解過程線越緩和，崩解掉落完所需時(shí)間越長。對圖中各線條最陡段求其斜率，并利用公式（1-3），得兩種方法下的崩解速率，結(jié)果如表1-1。

圖1-1 不同壓實(shí)度下黃土崩解曲線圖

表1-1 崩解速率

做出崩解速率與壓實(shí)度關(guān)系曲線，如圖1-2。我們可直觀的看到土樣崩解隨壓實(shí)度的變化規(guī)律。可見，無論采用哪種方法求得崩解速率，所得曲線形狀基本相同，黃土崩解速率隨壓實(shí)度增大而減小，尤其是當(dāng)壓實(shí)度大0.98后，崩解性已很小，并且基本不發(fā)生變化。表明在工程實(shí)際中若真正能實(shí)現(xiàn)0.98的壓實(shí)度要求，黃土的濕化破壞可有效的降低。

3.3.2剪切前后黃土崩解性能變化

將破壞后切削為3.91cm×6.0cm的圓柱試樣與相同規(guī)格的未進(jìn)行剪切試驗(yàn)的試樣分別進(jìn)行浸水崩解。圖1-3 a、b兩圖表明不同初始含水的土樣在剪切破壞前后有不同的崩解特性。當(dāng)初始含水為10%與14%時(shí)，剪切應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系變現(xiàn)為軟化型曲線，剪切破壞后崩解曲線較未進(jìn)行剪切破壞的原試樣陡峭，崩解速率要比未進(jìn)行剪切破壞的原樣大，但是崩解歷時(shí)卻要長。而初始含水率為22%和18%情況下時(shí)，破壞前后試樣的崩解特性則剛好與低含水相反，較高含水時(shí)土樣剪切應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為硬化型，土體塑性增強(qiáng)，土樣在剪切過程中被壓密且沒有裂縫，水的入滲通道減少，土體崩解過程受阻，土體崩解時(shí)間成倍增加，相應(yīng)崩解速率急劇減小。

圖1-2 崩解速率與壓實(shí)度的關(guān)系

圖1-3 土樣剪切破壞前后崩解曲線

4、小結(jié)

（1）壓實(shí)黃土的滲透系數(shù)隨干密度的增大而減小，隨圍壓的增大而減小；非飽和壓實(shí)黃土水分初始入滲速率隨隨壓實(shí)度和圍壓增大而減小。表明對黃土工程，要切實(shí)做好表層土體的的滲水控制。

（2）壓實(shí)黃土的崩解性隨干密度的增加而減小，但并非只是線性關(guān)系，相關(guān)關(guān)系還值得探討；隨初始含水率的增大而減小，表明在干燥自然環(huán)境下，有必要考慮黃土的崩解性能對黃土的強(qiáng)度與變形的影響。

（3）較低含水情況下，土體剪切破壞（或其他原因）引起裂縫對黃土工程的穩(wěn)定性極度不利，及時(shí)做好防水排水工作對維護(hù)工程長久安全有重要意義。

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