黃土地區(qū)老土墻工程性質(zhì)初探★

段 濤 張愛(ài)軍 任文淵

(1.中材地質(zhì)工程勘查研究院有限公司，北京 100102； 2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

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·巖土工程·地基基礎(chǔ)·

黃土地區(qū)老土墻工程性質(zhì)初探★

段 濤1張愛(ài)軍2*任文淵2

(1.中材地質(zhì)工程勘查研究院有限公司，北京 100102； 2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

針對(duì)黃土地區(qū)現(xiàn)存大量老舊黃土構(gòu)筑物在長(zhǎng)期運(yùn)行中性能下降問(wèn)題進(jìn)行了研究，選取某典型黃土構(gòu)筑物為例，通過(guò)物理試驗(yàn)與普通三軸試驗(yàn)，探求了黃土地區(qū)老土墻工程性質(zhì)，為黃土構(gòu)筑物的維修及使用提供了依據(jù)。

黃土地區(qū)，老土墻,普通三軸試驗(yàn)，物理試驗(yàn)

1 概述

黃土在世界上分布相當(dāng)廣泛，是我國(guó)分布最廣泛的特殊土之一，分布面積約有63.5萬(wàn) km2，覆蓋了國(guó)土面積的6.6%，同時(shí)黃土也是西北地區(qū)的主要建筑材料。黃土地區(qū)存在大量居民院墻、土壩、土石壩、路基和邊坡等黃土構(gòu)筑物，此外黃土地區(qū)現(xiàn)存大量大部分由夯土少量由土坯墻體建造而成古代建筑物遺址(如：陜西省寶雞市金臺(tái)觀(guān)張三豐元代窯洞遺址、西安近郊的半坡村遺址和大量的古長(zhǎng)城和古城墻等)。黃土構(gòu)筑物在長(zhǎng)期風(fēng)吹、雨淋、挖填等自然和人為因素的影響下，多數(shù)存在裂縫、剝落、流失等老化現(xiàn)象，嚴(yán)重影響其正常運(yùn)行和安全運(yùn)行。黃土作為西北地區(qū)的主要建筑材料，目前尚無(wú)法取代，隨著社會(huì)發(fā)展和時(shí)間的推移，老舊黃土構(gòu)筑物將不斷增多，工程實(shí)踐迫切需要對(duì)其破壞機(jī)理進(jìn)行研究。

本文依托國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目《黃土工程性質(zhì)劣化機(jī)理與構(gòu)筑物壽命預(yù)測(cè)研究》(No.50779058)，探求黃土地區(qū)老土墻工程性質(zhì)，以期探究更廣泛的黃土構(gòu)筑物的性質(zhì)及壽命問(wèn)題。

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用土料取自山西離石及陜西楊凌老墻土。為與老墻土性質(zhì)比較，另選取一種山西離石擾動(dòng)土，而這種土認(rèn)為是建造離石老墻的原土，通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)確定山西離石擾動(dòng)土的最優(yōu)含水率和最大干密度分別為18.260%和1.681 g/cm3。為反映老土墻的工程性質(zhì)現(xiàn)狀，做了大量的物理試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)，其中三軸試驗(yàn)土源自三種離石老墻土，土樣采用原狀樣，考慮土墻在降水過(guò)程中由表及里浸濕，含水不同，原狀樣含水采用原含水與飽和含水。

為使試驗(yàn)更全面的反映老土墻的性質(zhì)，一種土樣做四個(gè)圍壓下的普通三軸試驗(yàn)?？紤]到原狀樣不易制作、易破壞等特點(diǎn)，原狀樣采用平行試驗(yàn)并分析選取有代表性數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 物理試驗(yàn)

原狀樣的基本性質(zhì)如表1所示，原狀樣的制作受操作、土的物理性質(zhì)等因素的影響，不可能做到每個(gè)試樣完全一樣，因此用同類(lèi)土樣的平均值來(lái)反映這種土的整體性質(zhì)。

在老土墻建好后長(zhǎng)期的運(yùn)行過(guò)程中，受到雨水淋溶、滲透以及凍脹等作用，細(xì)顆?；蚨嗷蛏贂?huì)被帶走一些，尤其是沒(méi)有表層保護(hù)的情況下更明顯，由表2可得，老墻土與擾動(dòng)土相比，粗顆粒占比大許多，細(xì)顆粒占比小一些；對(duì)于同一種土，細(xì)粒土被去掉一部分，它的液塑限也會(huì)隨著有所降低，試驗(yàn)結(jié)果和此結(jié)論一致；老墻土施工含水率、擊實(shí)功、施工器械等不盡相同，不同年代的施工技術(shù)更有差異，建好后的運(yùn)行狀態(tài)也不盡相同，故表中的指標(biāo)并不是嚴(yán)格隨著年代的增長(zhǎng)而增加或減小。

表1 原狀樣的基本性質(zhì)表

表2 離石黃土的物理性質(zhì)匯總表

顯然，僅憑上述三種老墻土來(lái)反映西北老墻土的性質(zhì)，不具有說(shuō)服力，因此我們于2008年4月24日,2008年4月26日在楊凌及其周邊取老墻土達(dá)25處之多，以此來(lái)更全面的反映老墻土的性質(zhì)，圖1為其中的一個(gè)取土點(diǎn)。

取土前4月21號(hào)及之前下過(guò)幾場(chǎng)雨，雨量較大，取土點(diǎn)有明顯的由表及里浸濕的痕跡，由老墻土進(jìn)行填土壓實(shí)度試驗(yàn)及含水量測(cè)定，排除雨后迅速蒸干而致表層含水率低于下樣及房屋墻體有隔水措施的個(gè)例以外，老土墻的壓實(shí)度多在0.864～0.973之間，含水率為下樣小于上樣，下樣含水率最小為2.976%，最大含水率12.850%，雨水下滲深度100 mm～240 mm不等。所取老墻土從建至今10多年～100多年不等，多數(shù)小于60年，對(duì)于同一個(gè)取土點(diǎn)，為反映雨水的下滲及其他破壞情況，取土?xí)r取上下兩個(gè)土樣，部分楊凌老墻土物理性質(zhì)見(jiàn)表3。

表3 部分楊凌老墻土物理性質(zhì)匯總表

根據(jù)土樣含水率、下滲深度、干密度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，下滲深度越大，干密度越小，下樣含水率越大，上樣也基本是這種情況；上表顯示多數(shù)取土點(diǎn)下樣粘粒含量大于上樣，砂粒含量小于上樣，不均勻系數(shù)小于上樣。各種結(jié)論均反映了雨水等作用于老土墻的破壞作用是由表及里、由上而下的。

3.2 三軸試驗(yàn)

對(duì)三個(gè)年代的離石老墻土進(jìn)行普通三軸CD試驗(yàn)，每個(gè)年代的老墻土制作原狀樣，原狀樣采用原含水與飽和含水兩個(gè)含水率，共計(jì)6種土樣，為降低單個(gè)試樣帶來(lái)的個(gè)體差異，采用平行試驗(yàn)，分析采用有代表性的原狀樣。試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理依據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)程，其中35年的原狀飽和土樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、應(yīng)變體變關(guān)系曲線(xiàn)如圖2,圖3所示，三個(gè)年代土樣的原狀固結(jié)體變峰值與圍壓關(guān)系曲線(xiàn)和應(yīng)力應(yīng)變峰值與圍壓關(guān)系曲線(xiàn)如圖4,圖5所示。

由圖2,圖3得出，試驗(yàn)與一般土的應(yīng)力應(yīng)變、應(yīng)變體變規(guī)律是一致的，即隨圍壓的增大，主應(yīng)力差也隨之增大，體變也隨之增大。因體變讀數(shù)存在一定誤差，操作也會(huì)產(chǎn)生一些影響，原狀樣本身也存在個(gè)體差異，應(yīng)變體變關(guān)系曲線(xiàn)有與上述規(guī)律不嚴(yán)格一致的現(xiàn)象，其中35年土樣體變伴隨剪切的進(jìn)行還出現(xiàn)了先剪縮后剪漲的現(xiàn)象，這從另一個(gè)方面也驗(yàn)證了35年土樣干密度是最大。

由圖4，圖5得出，35年的土樣在相同條件下強(qiáng)度最高，固結(jié)體變最小，這與老土墻隨運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，性能下降是不一致的。出現(xiàn)這一結(jié)論主要是由于土墻的施工工藝等有所不同造成的，尤其是壓實(shí)度，如原狀樣35年的土樣干密度最大。原狀樣細(xì)部較亂，但整體上依然是符合實(shí)際理論。由圖5得出，同一個(gè)圍壓下，同種干密度的土樣，低含水率時(shí)強(qiáng)度高，高含水率時(shí)強(qiáng)度低；35年土樣，在同一圍壓下得出的強(qiáng)度峰值與15年，50年土樣的差值，低含水率時(shí)差值大于飽和含水率時(shí)差值。

原狀飽和土樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用E—μ模型,E—B模型及強(qiáng)度冪函數(shù)模型整理，其中E—μ模型計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 E—μ模型參數(shù)計(jì)算結(jié)果表

三種模型參數(shù)計(jì)算結(jié)果顯示，相同條件下的土樣計(jì)算參數(shù)都是35年明顯異于15年,50年，且土樣隨年代增長(zhǎng)沒(méi)有工程性質(zhì)劣化的規(guī)律，只是，同年代土樣，含水越低，初始切線(xiàn)模量越大，Ei越大。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：

1)老土墻的工程性質(zhì)隨運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)而劣化，不能套用一個(gè)約定不變的公式，具體問(wèn)題具體對(duì)待。相同的環(huán)境下，土樣隨年代的增長(zhǎng)，強(qiáng)度會(huì)不斷下降。對(duì)于不同的環(huán)境，沒(méi)有可比度，如文中試驗(yàn)采用的三種離石老土墻。

2)老土墻的工程性質(zhì)與水關(guān)系密切：土墻受到雨水的淋溶而破壞，土墻破壞最嚴(yán)重的地方是墻體上表面，老土墻入滲水量隨深度增加而減少，若地面水分較多，水分會(huì)從地表向土墻近地面表層滲透而致使表層剝落；相同的降雨量條件下，入滲深度隨墻體的施工工藝而變化，一般施工壓實(shí)度越高，入滲越淺，表層有防水措施的，入滲更淺。

3)老土墻的工程性質(zhì)與施工關(guān)系密切：施工工藝越好，土墻的工程性質(zhì)越好，同等運(yùn)行條件下，壽命越長(zhǎng)。相同的施工工藝，因運(yùn)營(yíng)條件不同壽命也不同，楊凌地區(qū)現(xiàn)存完好的老土墻多為房屋土墻。

綜上所述，土墻建成后，在干態(tài)下工程性質(zhì)是很好的，且干態(tài)狀態(tài)下凍融等因素對(duì)其影響極小，許多作用都需要水的參與，因此我建議隔絕水對(duì)老土墻的作用是保護(hù)老土墻最好也是最有效的措施。

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Project behavior study of the old wall in loess areas★

Duan Tao1Zhang Aijun2*Ren Wenyuan2

(1.CNBMGeologicalEngineeringExplorationAcademyCo.,Ltd,Beijing100102,China; 2.CollegeofWaterResourcesandArchitecturalEngineering，NorthwestSci-TechUniversityofAgriculture&Forestry，Yangling712100,China)

In light of old loose architecture operation problems occurring in its long-term operation, the paper selects typical loose architecture as an example, and explores old loess wall engineering properties in the loose region, which has provided some guidance for the loose architecture maintenance and utilization.

loess area, old wall, general tri-axial test, physical test

1009-6825(2017)09-0052-03

2017-01-18★:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.50779058)

段 濤(1982- )，男，工程師

張愛(ài)軍

TU444

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