黃土濕陷性的影響因素試驗(yàn)

劉鑫宇 翟 晶

（中國礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院，寧夏 銀川 750011）

0 引言

黃土是第四紀(jì)在干旱及半干旱氣候下形成的一種新生的地殼表層沉積物，特別是馬蘭黃土Q3和次生黃土Q2，因其沉積年代較新，具有強(qiáng)烈的濕陷性——因土富含多種可溶性的易溶鹽,當(dāng)土體浸水后,水溶解碳酸鹽微晶膠結(jié)物使其成為水膠溶液,水膠溶液在土體破壞過程中加速顆粒位移,使膠結(jié)作用力迅速消失,土結(jié)構(gòu)骨架遭到破壞【1】,出現(xiàn)突然的下沉現(xiàn)象。造成建筑結(jié)構(gòu)及交通工程的沉降、開裂乃至損毀。

我國是世界上黃土分布面積最廣（64104km2）、厚度最大（最大厚度約410m）、成因類型最復(fù)雜、地層層序最完整的國家。其集中分布于黃河中、上游的甘、青、寧、陜及山西、河南等省【2】。本文試驗(yàn)土樣選取干旱—半干旱地區(qū)的寧夏固原市土樣，其黃土含水量相對不高，地層分布穩(wěn)定，具有很好的代表性。寧夏地區(qū)的黃土與其他地方的黃土力學(xué)性質(zhì)上有很大差異，其顆粒以點(diǎn)接觸為主，空隙度高，粒徑相對較大，容易發(fā)生自重濕陷，土體在無附加荷載下即發(fā)生受水后的土體結(jié)構(gòu)破壞。本文通過在小應(yīng)力狀態(tài)下，以初始含水量、干密度、自重壓力為變化因素，應(yīng)用固結(jié)試驗(yàn)方法，對寧夏黃土進(jìn)行濕陷性分析，得出各因素間的關(guān)系，進(jìn)而分析黃土的作用機(jī)理。

1 試驗(yàn)方法及步驟

1.1 正交試驗(yàn)理論

正交試驗(yàn)也可以稱作正交設(shè)計，該方法在試驗(yàn)中會涉及到非常多的因素。它可以借助于現(xiàn)有的規(guī)范化的正交表進(jìn)行試驗(yàn)，拿到試驗(yàn)數(shù)據(jù)以后再通過相應(yīng)的數(shù)理統(tǒng)計方法加以處理，最后得到結(jié)論。其優(yōu)勢在于可以在眾多的試驗(yàn)條件當(dāng)中找到有著很強(qiáng)代表性的少量試驗(yàn)方案【3】,對于這部分試驗(yàn)方案加以處理研究，得到最佳的方案或者是最好的生產(chǎn)條件，而且也能得出優(yōu)于試驗(yàn)結(jié)果自身的諸多相關(guān)因素信息。

表1 正交試驗(yàn)因素水平設(shè)計表

1.2 試驗(yàn)步驟

（1）試樣制備。本次試驗(yàn)材料取自寧夏固原黃土。多數(shù)處于硬塑狀態(tài)，顏色為黃褐色。本試驗(yàn)以含水量、干密度、自重壓力為變化因素，設(shè)計一個3 水平3因素的正交試驗(yàn)方案。正交試驗(yàn)因素水平如表1所示，利用spss 軟件進(jìn)行設(shè)計。按照設(shè)計方案，將采集好的土樣與蒸餾水拌均，并用環(huán)刀對其進(jìn)行每組為3 個的試樣制備。制備完畢后放入保濕瓶靜置3d，以使土樣結(jié)構(gòu)達(dá)到一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

（2）操作步驟。首先施加所需超載壓力，待土樣變形穩(wěn)定后將超載卸除，待其回彈穩(wěn)定，再施加自重壓力至變形穩(wěn)定，記錄百分表的讀數(shù)，向水槽中加水至滿，到濕陷變形穩(wěn)定時，再次記錄百分表讀數(shù)。

（3）濕陷系數(shù)δs 計算

將實(shí)驗(yàn)每一組得出的數(shù)據(jù)利用GB50015-2004《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》中濕陷系數(shù)δs 計算公式算出，計算公式如1-1 所示：

式中hp—保持天然濕度和結(jié)構(gòu)的試樣，加至一定壓力時，下沉穩(wěn)定后的高度（mm）；

h’p—上述加壓穩(wěn)定后的試樣，在浸水（飽和）作用下，附加下沉穩(wěn)定后的高度（mm）；

ho—試樣的原始高度（mm）。

2 試驗(yàn)結(jié)果與作用機(jī)理分析

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

正交試驗(yàn)表及試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 正交試驗(yàn)結(jié)果表

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

本文是在小應(yīng)力作用下設(shè)計的多因素等水平的正交試驗(yàn)方案。將含水量、干密度、自重壓力做了極差分析。極差分析圖如圖4所示。通過極差分析，可以看出三個因素對黃土濕陷系數(shù)的綜合影響。然后又分別將三個因素的平均值與濕陷系數(shù)做出關(guān)系曲線圖。如圖1～圖3所示。

圖1 δs—w 的關(guān)系曲線圖

圖2 δs—ρd 的關(guān)系曲線圖

圖3 δs—p0 的關(guān)系曲線圖

圖4 濕陷系數(shù)極差分析圖

從圖1和圖2可以看出，樣品的濕陷系數(shù)隨著含水量和干密度的增加而減小。又圖3可知，試樣的濕陷系數(shù)隨著自重壓力的增大而增大，并且存在線性關(guān)系。由極差分析圖圖4可知：研究的三因素對濕陷系數(shù)影響效果大小的順序?yàn)楹俊⒏擅芏取⒆灾貕毫Γ渴怯绊扅S土濕陷性的重要因素【4】。

3 作用機(jī)理

（1）初始含水量:一是黃土當(dāng)中的可溶性鹽類物質(zhì)遇水會發(fā)生溶解，這樣不同顆粒之間所具有的膠結(jié)作用會降低;二是在土顆粒表面會形成水膜，膜的厚度不斷增加，導(dǎo)致摩擦力降低，粘粒變得更軟,粘結(jié)吸附效果就會下降,面對荷載力就會出現(xiàn)錯位滑動以及滑移【3】。所以，剛開始的水含量越高，那么在荷載作用下，土體就會更加密實(shí)，之后遇水所發(fā)生的濕陷沉降會更小,濕陷系數(shù)也會下降。

（2）干密度:土體的干密度值越大，說明土體越緊密,強(qiáng)度值就會跟高,這樣團(tuán)粒與顆粒相互間的孔隙也會更小,當(dāng)遇水浸泡以后，顆粒之間不容易發(fā)生滑移,這樣就會降低濕陷系數(shù)。

（3）自重壓力:當(dāng)壓力值在持續(xù)增加時，骨架顆粒出現(xiàn)破裂的概率會越小，黃土結(jié)構(gòu)機(jī)會更加穩(wěn)定。如果土體壓縮固結(jié)不明顯，那么土體就不容易壓實(shí)，這樣孔隙也不會太大變化,因?yàn)榻l(fā)生的濕陷也會越明顯。

4 結(jié)論

對于上述研究內(nèi)容進(jìn)行分析總結(jié)以后，能夠得到下述結(jié)論。

(1) 當(dāng)初始的含水量、干密度值變大時，濕陷系數(shù)就會慢慢減小。當(dāng)應(yīng)力不大時，在自重壓力變大的過程中，濕陷系數(shù)也會慢慢變大,二者呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系。【5】

(2)可以對不同因素對于濕陷系數(shù)所具有的作用效果進(jìn)行排序，依次是初始含水量、干密度以及自重壓力。從中可以看出初始含水量對于黃土濕陷性的作用最為突出。

(3)當(dāng)應(yīng)力比較小時，初始壓力增加，濕陷系數(shù)也會隨著增加；當(dāng)應(yīng)力比較大時，初始壓力增加，濕陷系數(shù)反而會隨之降低。

(4)對于寧夏黃土濕陷性所具有的這些特征，可優(yōu)先選擇強(qiáng)夯法以及擠密樁法,提高黃土含水量，降低少部分或者是所有黃土的濕陷性，必然會有更加顯著的成效。