試樣厚度對室內測定黃土濕陷性指標的影響

王麗琴, 劉 鑫, 王 正, 李 侖, 狄圣杰, 李凱宇

(1. 西安理工大學 西北旱區生態水利國家重點實驗室, 陜西 西安 710048;2. 西安理工大學 土木建筑工程學院, 陜西 西安 710048;3. 中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司, 陜西 西安 710065)

0 引言

黃土是一種具有特殊結構性的土,在浸水的條件下,有的黃土會表現出濕陷性。現行標準[1]中黃土的濕陷性評價方法主要有兩種,一種是室內濕陷試驗的評價方法,另一種是現場試坑浸水試驗的評價方法。分析黃土場地或地基的濕陷性時,一般沿深度方向每間隔1～2 m取土樣進行室內濕陷試驗,根據所得的濕陷系數和自重濕陷系數按照規范方法計算其濕陷量和自重濕陷量,評價其濕陷性。對規范規定需進行或有條件進行現場試坑浸水試驗的,需進一步結合現場實測值對其濕陷性進行評價。

很多實例表明室內濕陷試驗與現場試坑浸水試驗兩種方法應用于同一工程場地的濕陷性評價結果存在差異[2-7]。一般認為,現場試驗的結果更能反映黃土濕陷性的真實情況。然而,不是所有的工程都具備進行現場浸水試驗的條件,難以廣泛應用到工程建設中[8]。室內試驗模擬的條件和現場試驗在應力條件、浸水條件、黃土濕陷性、地層結構分布、黃土結構性等諸多方面存在差異[7]。因此,為提高室內試驗的準確性,需盡可能從不同角度研究影響室內濕陷試驗結果的因素。鄭建國等[9]從黃土濕陷性分布不連續方面研究了對其濕陷變形的影響;劉弋博等[10]分析了黃土試樣內部含水率的變化及分布規律對其濕陷性的影響;本文從室內試驗中試樣厚薄的角度研究對黃土濕陷性指標的影響。

目前,室內濕陷試驗采用的土樣厚度僅為2 cm,其室內試驗結果代表了與之相應的均勻黃土層的濕陷性,這與實際土層黃土濕陷性的非均勻性[7]、不連續性[9]有一定的差異,使其不足以代表取土深度間隔范圍內的黃土。另外,在制備試樣時,不可避免地擾動了原狀黃土的結構[7],從而影響試驗中黃土濕陷性的表現。若增加試樣的厚度,是否會改變室內濕陷試驗的結果,以往并未給出確切結論,因而有必要對比研究試樣厚度對室內所測黃土濕陷性指標的影響。為此,本文采用雙線法濕陷試驗,對同一深度的黃土,利用高壓固結儀與改造后的固結儀,取厚度分別為2 cm和8 cm的試樣(以下分別簡稱2 cm試樣、8 cm試樣)進行濕陷試驗,對比兩者的結果,分析截面積相同但厚度不同試樣的室內濕陷試驗結果存在的差異。

1 室內濕陷試驗

1.1 試驗用土

本文室內濕陷試驗所用的Q3、Q2黃土取自西安地鐵4號線南段,位于黃土一級臺塬區,試驗場地深35 m范圍內地層由晚更新世(Q3)黃土和中更新世(Q2)黃土組成。晚更新世(Q3)黃土層厚約11 m,其中Q3黃土層厚約8 m,Q3古土壤層厚約3 m;下部為中更新世(Q2)黃土,其中第一層Q2黃土厚約9 m,第一層Q2古土壤(俗稱紅二條)厚約5 m,第二層Q2黃土厚約6 m,第二層Q2古土壤厚約4 m。地下水位埋藏較深,約在地面下40 m左右。試驗在地面以下20 m深度范圍內間隔1m取樣,為避免采樣對黃土的過多擾動,采用人工探井法在現場不同深度取樣,最大限度地保持土樣為原狀。取樣過程及包裝嚴格按照規程[11]要求操作。場地不同深度黃土的基本物性指標見表1。

表1 黃土的基本物性指標

1.2 試驗儀器的改造

為進行8 cm試樣的濕陷試驗,加高了原有高壓固結儀的固結容器及加壓框架,并加工了8 cm高度的環刀及土樣護環,如圖1所示。

圖1 儀器的改造Fig.1 Improvement of instrument

1.3 試驗方案

對同一深度的黃土,利用傳統的2 cm環刀與前述加高的8 cm環刀分別切取兩個天然含水量狀態下的原狀土樣,其截面尺寸均為50 cm2。試驗儀器采用高壓固結儀及改造后的高壓固結儀,進行雙線法濕陷試驗。試驗壓力分別為:12.5、25、50、100、200、300、400、600、800、1 000、1 200、1 600 kPa。在實際試驗過程中,由于百分表量程的限制,上述壓力不一定全部進行。壓縮穩定標準為每小時下沉量不超過0.005 mm。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

根據不同深度原狀黃土2 cm與8 cm試樣雙線法濕陷試驗記錄的各壓力下變形穩定后的壓縮量,按標準[1]計算各壓力下相應的濕陷系數δs,繪制其濕陷系數δs隨壓力p的變化曲線。由于同類土層中曲線類似,為減少篇幅,本文僅列出部分曲線,見圖2。圖中水平虛線為濕陷系數δs=0.015的分界線。

2.2 試驗結果分析

由圖2可以看出:不同深度土層2 cm、8 cm試樣的雙線法濕陷試驗得到的濕陷系數δs隨壓力p的變化曲線,均表現為隨壓力p的增大,濕陷系數δs先增大后減小存在峰值的特點。在壓力較小時,黃土的濕陷系數隨壓力的增大而增大;當壓力達到一定程度時,濕陷系數達到峰值(此時的壓力本文稱為濕陷峰值壓力);之后,隨壓力的進一步增大,濕陷系數開始逐漸減小。說明壓力在達到濕陷峰值壓力前,土體雖被逐漸壓密,但在浸水飽和后,其壓縮性增加較大,故仍表現出較大的濕陷性;但壓力達到濕陷峰值壓力后,黃土已被壓密到一定程度,此時隨著壓力的增大,土體進一步被壓密,浸水對其壓縮性的影響逐漸減小,因此其濕陷性逐漸減弱,濕陷系數逐漸減小。

圖2 濕陷系數δs隨壓力p的變化曲線Fig.2 Variation curves of collapsibility coefficient with pressure

對比圖2中2 cm試樣和8 cm試樣雙線法濕陷系數隨壓力的變化曲線可以看出:在壓力較小時,不論是Q3黃土、Q3古土壤,還是Q2黃土,2 cm和8 cm試樣雙線法得到的濕陷系數相差不大,變化趨勢基本相同,但在多數情況下,2 cm試樣所得的濕陷系數略大于8 cm試樣所得的濕陷系數;隨著壓力的增大,8 cm試樣所得的濕陷系數增長較快,在大于一定壓力后超過了2 cm試樣所得的濕陷系數,在曲線上表現為兩曲線的交叉。8 cm試樣對應的曲線峰值點大致位于2 cm試樣曲線峰值點的右上方,說明試樣越厚,峰值濕陷系數越大,且對應的壓力越大。從圖2不同深度濕陷系數隨壓力變化曲線的對比還可以看出:相應土層濕陷性較小時,2 cm試樣與8 cm試樣所得的曲線相差不大,但當相應土層濕陷性較大時,兩曲線相差較大,8 cm試樣對應的曲線位置要高的多。以上充分說明,在壓力較小時,室內試驗試樣的厚度對試驗結果的影響不大,但壓力較大尤其是土體的濕陷性較強時,影響較大。

按標準[1]規定:測定濕陷系數δs的壓力,當基底壓力小于300 kPa時,基底以下10 m以內取200 kPa,10 m以下應用其上覆土的飽和自重壓力;當基底壓力不小于300 kPa時,宜用實際基底壓力與上覆土的飽和自重壓力中的大值。本文分析時假定基底壓力小于300 kPa。據此得1～20 m深度范圍內,2 cm試樣與8 cm試樣濕陷系數隨深度變化曲線見圖3;自重濕陷系數隨深度變化曲線見圖4。濕陷起始壓力與飽和自重應力隨深度變化曲線見圖5。

從圖3和圖4可以看出:Q3黃土的濕陷性明顯大于Q3古土壤和Q2黃土,而Q3古土壤的濕陷性小于Q2黃土。對比2 cm與8 cm試樣所測得的濕陷系數及自重濕陷系數可以看出:2 cm試樣和8 cm試樣所得出的濕陷系數及自重濕陷系數在大小上會有一定的差異,但在整體趨勢上較為一致。整體上看,Q3古土壤的濕陷性最弱,Q3黃土的濕陷性最強,Q2黃土的濕陷性居中。在Q3黃土深度范圍內,8 cm試樣所測得的濕陷系數基本上比2 cm試樣所測得的大,且兩者差異也大;而在濕陷性較弱的Q3古土壤和Q2黃土中,總體上來講,8 cm試樣測得的相應系數較2 cm試樣測得的小些。表現為:當土層濕陷性較強,濕陷系數較大時,兩種厚度土樣測得的濕陷系數的差異較大,反之差異較小。初步判斷,利用室內試驗對場地進行濕陷性評價時,場地的濕陷性越強,則試驗試樣的厚度對試驗結果的影響越大。

圖3 不同深度黃土濕陷系數δsFig.3 Collapsibility coefficient δs of loess at different depths

圖4 不同深度黃土自重濕陷系數δzsFig.4 Self-weight collapsibility coefficient δzs of loess at different depths

從圖5可以看出:8 cm試樣比2 cm試樣所得的濕陷起始壓力在不同地質時代土層中的變化規律更明顯。Q3黃土的濕陷起始壓力明顯小于Q3古土壤和Q2黃土,而Q3古土壤的濕陷起始壓力略大于Q2黃土,也說明了古土壤的濕陷性最弱,Q3黃土的濕陷性最強,Q2黃土的濕陷性居中。在Q3黃土中,8 cm試樣所得的濕陷起始壓力大部分小于2 cm試樣所得的值;在Q3古土壤和Q2黃土中,8 cm比2 cm試樣所得的濕陷起始壓力基本上均較大,同樣說明了Q3黃土的濕陷性明顯大于Q3古土壤和Q2黃土,這個規律與實際場地濕陷量主要來自Q3黃土層的實踐是一致的。

圖5 不同深度黃土濕陷起始壓力Fig.5 Initial collapse pressure of loess at different depths

3 結語

本文通過常規及改造的室內高壓固結儀,針對西安地鐵4號線某黃土場地不同深度的黃土,進行了厚度分別為2 cm與8 cm的黃土試樣雙線法室內濕陷性試驗,分析得到了以下主要結論:

(1) 土層濕陷性較小時,不同厚度試樣所得的濕陷系數隨壓力的變化曲線相差不大。

(2) 土層濕陷性較大時,在壓力較小情況下,不同厚度試樣室內濕陷性試驗得到的濕陷系數相差不大,變化趨勢基本相同,但隨著壓力的增大,8 cm試樣所得的濕陷系數增長較快,甚至會遠大于2 cm試樣所得的濕陷系數;試樣越厚,峰值濕陷系數越大,且對應的壓力越大。說明在壓力較小時,室內試驗試樣的厚度對試驗結果的影響不大,但壓力較大時影響較大。

(3) 當土層濕陷性較強時,試驗厚度對室內試驗所得的濕陷系數及自重濕陷系數的影響大。Q3黃土的濕陷性明顯大于Q3古土壤和Q2黃土,因此,試樣的厚度對室內測定Q3黃土濕陷系數的影響最大。

本文僅對比了西安地鐵4號線某場地黃土采用2 cm及8 cm厚度試樣的室內濕陷試驗結果,所得結論是否適用于其他場地,需在今后的試驗中針對更多場地開展相應試驗并進行分析研究。