伊犁黃土濕陷變形特性研究

米文靜，張愛軍，郭敏霞

(1.商洛學院 城鄉規劃與建筑工程學院，陜西 商洛 726000；2.西北農林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100)

0 引言

我國黃土廣泛分布于西北和黃河中游地區，黃土具有欠壓密、粉質含量高等特征，結構特性獨特，并具有不同程度的濕陷性[1-2]。黃土地區工程建設中，建筑物發生破壞大多是由于降雨入滲、污水排放、地下水變化等原因引起的黃土濕陷導致的，研究黃土濕陷問題對黃土地區工程建設具有重要的理論意義和實用價值[3-5]。

濕陷是黃土最為典型的特征。它是指黃土在飽和自重壓力或者附加壓力作用下，遭遇浸水會產生突然的、超過原有正常壓縮量的附加變形的現象。浸水、上覆壓力作用這兩個因素是黃土濕陷發生的必要條件，兩者缺一不可；黃土濕陷具有突變性、非連續性和不可逆性。已有大量文獻對黃土的濕陷影響因素、變形規律和本構關系開展了研究。張茂花等[6-7]總結了黃土的濕陷變形隨飽和度及壓力變化的規律。劉金禹等[8]分析了孔隙氣壓力和孔隙水壓力與濕陷變形的關系。張愛軍[9]采用三維非線性數值分析方法，初步得到黃土非飽和增濕情況下濕陷發展變化的規律。歐湘萍[10]、周鳳璽[11]等對黃土本構關系濕陷變形的特征進行了研究。

伊犁黃土是典型的風積黃土，具有“三小二大一無”的特點，即：密度小，含水小，飽和度小；黃土分布厚度大，孔隙比大；無古土壤層分布[12-15]。由于其濕陷性強烈，使得濕陷試驗結果數值大、區別顯著；由于其質地均勻，可使試驗結果的可重復性強；其天然密度小、含水率低，可拉大增濕程度范圍，綜上可知，伊犁黃土極適合濕陷變形研究，可以較為全面地反映由低到高的增濕過程中，土體濕陷變形的規律。

基于上述認識，本文運用單線法研究伊犁黃土的濕陷特性與土的深度、含水率、干密度以及所受的壓力的關系，并通過雙線法研究不同初始含水率對伊犁黃土濕陷特性的影響規律,為濕陷性黃土地區黃土研究和工程建設提供參考借鑒。

1 土樣概況

試驗土樣取自新疆伊犁昭蘇縣特克斯河的Ⅳ級階地，取土深度為地面以下1.5～30 m，實際最大深度34 m，土樣呈土黃色，土質從上到下質地均勻，含水率低、密度小，有大孔隙。場地代表層原狀土樣的基本物理性質指標見表1。

表1 試驗土樣的基本物理性質指標

2 試驗研究

2.1 試樣制備

伊犁黃土取樣按照《原狀土取樣技術標準》[16]規定的Ⅰ級原狀土樣要求進行，土樣的制備嚴格依照《土工試驗方法標準》[17]規定的方法進行，本次試驗均采用原狀土樣，不同含水率原狀土樣的制備是保證增濕試驗可信的關鍵和難點。利用原狀黃土在上覆壓力小于濕陷起始壓力時，通過水膜轉移法，分少量多次地滴水，每次增濕后靜置至自然風干24 h后再進行滴加，保證水分擴散均勻。此方法制備土樣不會產生濕陷且對微觀結構擾動小。為減少誤差，同一組試驗密度差值在0.03 g/cm3的范圍內，含水率的差值在1%范圍內。

2.2 試驗方案

黃土濕陷試驗的室內試驗方法有單線法和雙線法2種：單線法是用5個以上的同一取土深度的土樣，在天然含水率下，施加不同的上覆壓力，下沉穩定后浸水至飽和，得到一條不同上覆壓力(P)與濕陷系數(δs)的關系曲線；雙線法是采用2個同一取土深度的土樣，一個在天然含水率下進行分級加荷，得到黃土的壓縮變形曲線，另外一個在天然含水率下施加第一級壓力后浸水至飽和，然后再進行不同壓力的分級加荷，最后計算各級壓力下的濕陷量。

單線法試驗的原理較接近地基受力和濕陷的實際過程，本文采用單線法測定伊犁原狀黃土在不同深度處的濕陷性。加荷等級分別為50、100、150、200、400 kPa。試驗儀器為三聯固結儀。

黃土的濕陷性和土的深度、含水率、干密度以及所受的壓力大小密切相關。濕陷系數是指在一定壓力下，土樣下沉穩定與浸水飽和后的高度之差與土樣原始高度之比，是表征黃土濕陷變形的重要指標，反映了黃土對水的敏感程度。單線法濕陷系數按下式計算：

(1)

式中δs為濕陷系數；h0為土樣的原始高度(mm)；h1為天然狀態下，土樣在某級壓力下變形穩定后的高度(mm)；h2為上述土樣,浸水濕陷變形穩定后的高度(mm)。

雙線法只需2個環刀試樣，對密度差值比較容易控制，試驗結果也有明顯的規律性。本文采用雙線法研究不同深度處濕陷系數與初始含水率的關系。試驗分5組，由濕陷試驗的干密度隨深度變化關系(表2)可知，不同深度下伊犁黃土干密度的變化主要集中在1.24、1.30和1.40 g/cm3左右，即分別取2.5～3.0、8.5～9.0、11.5～12.0、14.5～15.0、19.5～20.0和29.5～30.0 m深度處原狀土樣開展試驗，加荷等級分別為50、100、200、300、400 kPa。

3 結果與分析

3.1 濕陷變形隨含水率、干密度變化情況分析

黃土濕陷的主要原因是力和水，其中黃土的結構強度主要是通過水起到作用，濕陷的程度和濕陷量的大小與水濕程度幾乎成比例關系。表2為伊犁黃土在不同深度下，含水率、干密度和濕陷系數的變化關系，可以看出：(1)伊犁黃土的含水率隨深度的增加呈增大的趨勢，干密度隨深度的增加先增大，后減小。在8 m深度范圍內，深度增加過程中伊犁黃土的含水率增大相對穩定；在8～25 m范圍內，除了在11 m處含水率較大之外，其他深度的含水率在7%左右波動；當深度超過25 m后，含水率呈增大的趨勢，平均值在15%左右。這是由于伊犁黃土含水率的分布受降雨、蒸發和下層保濕的綜合影響，表層水分變化主要是由蒸發的影響造成，中部水分變化受降雨的影響，15～25 m之間水分恒定是土壤中長期形成的較為恒定的水分含量，而25 m以下土層含水率的增加可能是地下潛水、上層水分滲入和地下水毛管水的影響造成。(2)伊犁黃土的干密度隨深度的增加，呈現出兩個區段的變化，在11 m深度范圍內，干密度在1.19 g/cm3至1.27 g/cm3范圍波動，波動范圍較大，分布較為離散；在11 m深度處，干密度為最小值1.19 g/cm3，由含水率隨深度變化關系可知，此處含水率發生突變，數值較大，則此處干密度相應較小；在12 m深度以下，干密度隨深度的增加呈波動的形式逐漸減小，16 m處達到最大值1.42 g/cm3，34 m處干密度減小到1.24 g/cm3。

3.2 濕陷變形隨深度變化情況分析

由圖1可知：(1)伊犁黃土濕陷強烈，這是由于伊犁黃土主要受西風環流控制，風塵來源主要是中亞哈薩克斯坦荒漠區，顆粒較粗，沉積于冰漬土，受水作用少，易溶鹽含量高，結構以點接觸、少膠結和架空結構形式為主，當加水增濕時，伊犁黃土中的毛管張力迅速減小，顆粒間摩擦力減小，膠結物質因為水膜楔入而導致距離增加，分子引力減小，當增加荷載時，點接觸和架空結構極易發生破壞，使顆粒落入架空結構的空腔，產生較大變形。(2)伊犁黃土層淺層處濕陷較強烈，深層處濕陷性較淺層處小，濕陷系數隨著深度的增加逐漸減小。深度5～8 m處，伊犁黃土的濕陷系數在0.13～0.17范圍內，呈先增大后減小的變化，深度12～16 m處，濕陷系數急劇減小，最小值達0.056，其主要原因為該深度含水率急劇減小，由14.0%減至7%左右。在16 m深度以下，由于含水率增加，且數值較大，濕陷系數減小，且數值較小。

表2 試驗土樣不同深度含水率、干密度和濕陷系數指標

3.3 濕陷變形隨壓力變化情況分析

由圖2可知：(1)同一深度范圍內，伊犁黃土的濕陷性隨壓力的增加呈增大的變化趨勢；(2)濕陷系數在50～100 kPa的壓力下增加速度較快，說明伊犁黃土的濕陷系數在較小的壓力下濕陷敏感度較高；(3)濕陷系數均表現為上部大下部小的規律，即土體的濕陷性隨著深度的增加逐漸減小。50 kPa下土體在深度為9 m之內濕陷系數較大，之下基本不具有濕陷性，表明下部土體在小壓力下濕陷性較小；100 kPa下深度在11 m之內的土體濕陷性較強，之下的土體濕陷性較小，以上規律主要是由于11 m以下的土體由于歷史上受到大壓力的上覆土體自重作用，其濕陷起始壓力增大，濕陷性在小壓力下減弱。200 kPa壓力下土體濕陷性隨深度的增加逐漸減小，變化較為平緩，無明顯的界限深度，說明土體濕陷起始壓力均小于200kPa。400 kPa壓力下土體濕陷系數明顯變大，仍然隨深度增加而減小，濕陷系數較大，說明在高壓力下黃土濕陷性增大。

圖1 濕陷系數隨深度變化曲線

圖2 不同壓力下濕陷系數隨深度的變化曲線

3.4 濕陷變形隨初始含水率變化情況分析

由圖3可知：(1)當深度小于12 m時，伊犁黃土的初始含水率在淺層處較小，隨深度增加而增大，在壓力較小(P<100 kPa)時，濕陷系數與初始含水率無明顯的遞減關系，隨著壓力增大(P≥100 kPa)，濕陷系數隨初始含水率的增加而減小；(2)當深度為14.5 m時，伊犁黃土的初始含水率為6.4%，隨壓力的增加，初始含水率逐漸增大，深度大于14.5 m時，伊犁黃土在數值相近的初始含水率下的濕陷系數比深度小于12 m時的濕陷系數小，且在壓力大于100 kPa時，濕陷系數均隨初始含水率的增加而減小。這是由于隨著深度的增加，上覆壓力不斷增大，伊犁黃土的孔隙比降低，干密度增大，結構趨于穩定，有利于抵抗濕陷變形。

4 結論

(1)伊犁黃土濕陷強烈，濕陷系數隨著深度的增加而減小，在1～10 m范圍內濕陷系數介于0.12～0.18，具有強烈濕陷性；在10～15 m范圍內濕陷系數迅速減小；15 m以下濕陷性系相對穩定在0.03左右，濕陷性輕微。

圖3 不同深度下伊犁黃土濕陷系數隨初始含水率變化的關系

(2)伊犁黃土的濕陷系數隨壓力的增加呈增大的變化趨勢，數隨深度的增加呈減小的變化趨勢。在5.0～11.0 m深度范圍內，伊犁黃土對小壓力濕陷敏感性強，在12.0～34.0 m深度范圍內，伊犁黃土在高壓力下濕陷敏感。

(3)一定深度下，伊犁黃土的濕陷系數隨壓力的增加呈增大的變化趨勢，不同初始含水率下，濕陷系數與壓力的關系曲線可以采用軟化曲線表達。當初始含水率較低(w<8.6%)時，濕陷系數與壓力的關系近似呈S型曲線關系，隨著初始含水率的增加(w>9.4%),濕陷系數與壓力的關系曲線出現峰值。相同壓力等級和初始含水率下，伊犁黃土在2.5～3.0 m深度范圍的濕陷系數較大，在其余各深度的濕陷系數逐漸減小。