側限條件下原狀黃土的增濕變形特性研究

金 娟

(陜西鐵路工程職業技術學院，陜西 渭南 714099)

中國約有64萬km2的領土屬于黃土和黃土狀土地。其中，西北地區黃土地底層較全、發育較好且最為完整，做好針對原狀黃土的變形特性研究工作對于西北地區的建設有著不可替代的重要作用。國內學者對其進行了大量的研究，文獻[1]分析了結構性黃土壓縮特性的微觀非連續變形，文獻[2]研究了補水條件下壓實黃土的二維凍融變形特性，研究結果對季節性凍土地區壓實黃土岸坡工程的凍害評價與防治有重要意義；文獻[3]對真三軸加卸載試驗條件下黃土強度變形特性進行了研究，以非飽和土三軸儀為主要工具在真三軸條件下，對某型號黃土進行了基質吸力和凈圍壓不同條件下對黃土強度變形特征影響的試驗，提出了考慮凈圍壓、基質吸力等條件影響的黃土強度變形特性修正計算公式，完善了與試驗試樣類型相似的土樣增量非線性模型；對于建設工程來說，為了排除側向變形對于建設物的影響，需要通過側限條件下的凈豎向應力作用試驗來了解原狀黃土的增濕變形特性，并根據試驗結果來設計建設方案，在提高建設質量的同時維護好施工安全[4]。

1 側限條件下原狀黃土的增濕試驗

1.1 試驗土樣

此次研究所使用的試驗土樣為Q3黃土，來自西安市某工程基坑，其物理特性指標見表1。

表1 原狀黃土物理性質指標Tab.1 Physical properties of undisturbed loess

1.2 試驗儀器

本次研究中進行原狀黃土側限壓縮試驗所使用的儀器為非飽和土直剪儀，該設備的具體結構如圖1所示。

圖1 非飽和土直剪儀Fig.1 Unsaturated soil direct shear instrument

1.3 試驗方法

取一個飽和陶土板，確保陶土板表面干燥，將濾紙放置于陶土板上方，再將陶土板推入剪切盒并蓋好板蓋。根據表1中原狀黃土含水量和干密度2項指標可以計算出其初始吸力為175 kPa，將孔隙氣壓設定為175 kPa，維持豎向變形與排水量穩定，打開排水管[5-8]。在試樣排水量穩定的情況下，為滿足側限條件，還需要在試樣上方施加豎向固結應力，等豎向變形和排水量穩定后將排水管關閉，依照實際飽和度和含水量對試樣實施增濕處理，在試樣達到飽和之前持續采集飽和度、含水量、孔隙比等數據[9-11]。

2 側限條件下原狀黃土的增濕變形特性

在對增濕前原狀黃土試樣施加豎向壓力的過程中，各項物理指標見表2。

表2 原狀黃土試樣增濕前的物理性質指標Tab.2 Physical properties of undisturbed loess samples before humidification

根據表2可知，在原狀黃土凈豎向應力提升的過程中，飽和度與干密度也會隨之增加，孔隙比相應降低，但在含水量方面未表現出明顯變化。在孔隙比不斷降低的過程中，原狀黃土試樣的側限壓縮逐漸增強。在凈豎向應力不變的情況下，原狀黃土在分組增濕的過程中，其飽和度和含水量均會發生一定的改變，進而出現增濕濕陷變形。增濕過程中飽和度與孔隙比之間的關系如圖2所示。

根據圖2可知，在無應力作用的情況下，原狀黃土孔隙比幾乎未出現任何變化，代表濕陷變形主要來自于外部應力。在應力增濕的情況下，孔隙比—飽和度首先表現為快速下降，后續下降逐漸平緩，說明試樣初始孔隙與凈豎向應力成正比，并且在施加凈豎向應力的初始階段，原狀黃土的濕陷變形速度很快，后期孔隙比變化幅度較小。

研究通過孔隙比與(吸力+應力)/應力之間的關系來描述應力與孔隙比之間的變化規律，二者之間的關系如圖3所示。

圖3 原狀黃土境濕變形特性孔隙比—應力曲線Fig.3 Porosity ratio-stress curve of wet deformation characteristics of undisturbed loess

由圖3可知，在凈豎向應力高于245 kPa的情況下，孔隙比—應力曲線由平緩上升、快速上升和平緩上升3個部分組成，在豎向應力為50 kPa的情況下，孔隙比—應力曲線幾乎與無應力增濕相重合，說明原狀黃土在該狀況下未出現濕陷變形。在固結應力不斷增加的過程中，孔隙比—應力曲線逐漸向上發展，后期基本穩定，說明原狀黃土試樣受凈豎向應力的結構性影響十分明顯。在凈豎向應力低于200 kPa的情況下，原狀黃土在孔隙比—應力曲線發展初期表現出了較大的吸力，在實施增濕處理的過程中，孔隙比變化并不明顯，原狀黃土受增濕的影響較小，而在持續進行增濕處理的過程中，吸力快速下降，致使試樣表現出十分顯著的濕陷變形，直至原狀黃土試樣達到飽和后，孔隙比才達到穩定狀態。

此次研究將原狀黃土增濕且施加凈向應力狀態下的吸力—孔隙比曲線的斜率記為λs，在對原狀黃土不斷施加凈豎向應力的過程中，λs與應力之間的關系[12-14]如圖4所示。

圖4 原狀黃土增濕過程中的λs—應力曲線Fig.4 λs-stress curve of undisturbed loess during humidification

根據圖4可知，原狀黃土在λs—應力曲線在凈豎向應力為200 kPa時達到斜率最大，表明在增濕過程中，原狀黃土試樣在凈豎向應力為200 kPa的情況下，孔隙比下降得最快。

研究通過豎向變形的方式對不同凈豎向應力下原狀黃土的濕陷系數進行計算[15-20]，列出原狀黃土在應力增濕過程中的孔隙比、增濕后干密度與濕陷系數等各項壓縮濕陷指標，具體結果見表2，同時繪制出濕陷系數與應力之間的關系曲線，具體結果見表3。根據表3和圖5可知，在應力增濕作用下，原狀黃土濕陷系數呈現先升后降的特點，在凈豎向應力達到400 kPa的情況下，濕陷系數達到0.086，處于最高水平。在豎向應力不斷提升的過程中，原狀黃土的孔隙比隨之降低，干密度隨之上升。

表3 原狀黃土應力增濕狀態下的各項濕陷指標Tab.3 Various collapsibility indexes of undisturbed loess under stress humidification

圖5 原狀黃土增濕過程中的濕陷系數—應力曲線Fig.5 Collapsibility-stress curve of undisturbed loess during humidification

經實驗研究發現，增濕過程中的原狀黃土試樣凈豎向壓力為400 kPa的情況下達到最高濕陷系數，高英等[8]針對西安地區黃土增濕變形特性進行分析時，通過常含水量側限壓縮與控制吸力排水側限壓縮試驗發現，原狀黃土樣本在增濕過程中，當施加400 kPa的凈豎向壓力時，試樣的濕陷系數約為0.09，研究與該結論基本一致。

3 結語

本文在對原狀黃土進行增濕處理的基礎上，通過不斷施加凈豎向應力的方式，結合孔隙比、飽和度以及濕陷系數等指標對側限條件下原狀黃土的增濕變形特性進行了分析。在未來的研究工作中，還需要進一步加強原狀黃土在直接剪切應力條件下的土水特征、剪變形特性以及濕壓特征分析，更深層次地探究原狀黃土的物理特性。