濕陷性黃土增濕變形分析研究

楊耀峰，李 濤，張多宏，丁建興，張彥洪，賈生海

(1.甘肅農業大學水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省水利機械化工程有限責任公司，甘肅 蘭州 730070)

黃土是指第四紀地質時期的以風力搬運的黃沙沉積物，它常不整合地與基巖接觸，沒有順層，含有古土層、鈣質結核層，壓縮性強，節理垂直，常會形成陡壁[1]。被浸沒的土體在覆蓋土層的自重作用下，或在覆蓋土層自重和附加應力的共同作用下，發生明顯的結構破壞而產生附加變形的特征即為濕陷性[2]。將具有濕陷性的黃土稱之為濕陷性黃土，而濕陷性黃土是一種特殊的土，其特殊性主要表現在部分黃土遇水后突發濕陷變形。我國學者自20世紀50年代就開始對黃土的濕陷性進行研究。張蘇民等[3]通過對西安東郊渭河Ⅲ級階地，自重Ⅱ-Ⅲ級濕陷性黃土試驗，首次提出了“增濕變形”這一概念，并且在此基礎上建立了增濕變形的力學模型。劉保健、謝永利等[4]通過對黃土非飽和入滲規律的原位試驗得出，在非飽和入滲期，土壤飽和度隨時間的變化近似為線性，短期內淺層土壤非飽和入滲時間隨土壤深度的變化也近似為線性。姚志華等[5]在通過總結大量的現場浸水試驗后，在評價濕陷性和剩余濕陷量的合理控制方面提出了一些新見解。本文在前人對黃土濕陷性研究基礎上，總結黃土增濕變形的相關特性以及試驗方法，以期對同類試驗研究提供借鑒和參考。

1 黃土增濕變形的基本特征

黃土增濕變形是指在一定的壓力下，黃土被水浸透后隨著含水量和飽和度的增加進而發生顯著的附加下沉。肖巧林等[6]采用單軸壓縮法對取自甘肅定西的黃土(陜西關中，屬Q3原狀黃土)進行試驗研究，其結果表明，黃土的濕陷變形會隨著初始含水量的增加而減小。為了研究黃土的非飽和增濕變形特征，邵顯顯等[7]在甘肅蘭州皋蘭山(屬Q3馬蘭黃土)取土試驗研究，以掃描電鏡試驗(SEM)和壓汞試驗(MIP)為研究方式，在分級的基礎上，對不同壓實度的黃土開展浸水增濕變形試驗，最后提出了壓實黃土增濕變形的臨界孔隙比。張蘇民等[8]和張茂花[9]在不同程度的增濕、減濕條件下，開展原狀黃土的壓縮試驗，結果表明，原狀黃土的濕陷系數隨含水量成反比，并指出不能認為在所有情況下，濕陷系數都隨壓力的增大而增大。

對于黃土的變形，還可以分為壓縮變形和塌陷變形[6]。由力的作用造成了壓縮變形，而濕陷變形則是在水的作用下產生的，在一定壓力下的總變形則為這2種變形之和，在此壓力水平之前的任何壓力水平下的總變形都不會影響該壓力水平下的總變形，這也就說明了黃土的總變形與濕陷浸水的路徑無關。同樣，黃土也可以在不同的壓力和水浸泡條件下進行加載、卸載、再加載的方法試驗，由此可以得出黃土在一定荷載作用下的總變形不受浸水路徑和加載方法的影響。

2 濕陷性黃土試驗原理方法研究

有關黃土濕陷性的試驗方法已有多種。魏俊偉[10]運用單線法和雙線法研究黃土的濕陷性，得出了濕陷性黃土力學參數隨著含水量的變化而變化的結論。方祥位等[11]在一維和三維應力狀態下，利用固結儀和濕陷三軸儀，研究了陜西蒲城電廠黃土(Q2)的濕陷性，并簡單地研究了三軸濕陷試驗特性。其中在物理力學性質與濕陷系數的關系方面，員康峰等[12]利用常規壓縮儀，在晉南黃土地區研究了壓縮模量和濕陷系數隨含水率的變化規律。朱鳳基等[13]以甘肅慶陽地區為例，從工程地質角度學出發，用回歸方程將黃土的濕陷系數與各影響因素之間聯系起來。米文靜等[14]采用單線法和雙線法研究了伊犁黃土的濕陷性，得出伊犁黃土的濕陷性較強，尤其在淺層處更為嚴重，而此處黃土的濕陷系數與其深度成負相關，并且在不同的深度、壓力和初始含水率條件下，它們表現出不同的濕陷性和敏感性。

2.1 單軸濕陷變形試驗

在單軸濕陷變形試驗中，通過單線法和雙線法來確定濕陷性系數[15]。但由于浸水和加載過程的不同，濕陷性的產生和發展也存在差異。單線法是對土樣先施加遞增的壓力使其壓縮穩定，最后浸水至完全飽和，可以直接得出濕陷系數，更符合實際情況。雙線法是土體在飽和下加荷載，土體會隨著荷載的不斷增大而慢慢破壞，通過此方法測得的濕陷系數一般偏大。張威[16]以新疆伊犁河流域的重塑黃土為研究對象，采用雙線法進行室內壓縮試驗，得出當黃土飽和度提高時，濕陷性系數將增大，而當增濕含水率提高后，敏感度反而會降低。張茂花等[17]在增濕和減濕條件下，采用單、雙線法對原狀黃土(Q3)進行單軸試驗，結果表明，試驗方法的不同引起濕陷系數與壓力的關系曲線也不同。

單軸濕陷變形試驗還存在一個問題，即在試驗(尤其是單線法)的過程中使用了較多的土樣，由此產生的最大問題就是土質的不均勻性，且在制樣過程中會增加工作量，影響試驗結果的準確性，因此，該情況下分析研究出來的規律與土體實際性質會有所不同。

2.2 三軸濕化試驗

常規三軸試驗是測試土樣變形特性最基本、最簡單的方法之一，可以通過測量試驗過程中排水管排出的水量和滲透管滲入土體的水量來確定體積的變化規律。而三軸濕化試驗是在一定圍壓下的固結穩定后，在一定的固結應力狀態下，樣品浸泡以一個恒定的水從底部樣本產生潤濕變形并達到一個新的穩定狀態，即濕化穩定[18]。邢義川等[19]以陜西張橋黃土為例進行了增濕變形試驗，最后得出，在增濕過程中黃土的應力應變曲線變化規律是不相同的。李加貴等[20]通過在控制吸力的條件下，采用應力控制式三軸儀和濕陷性三軸儀，研究原狀黃土(Q3)的浸水和濕陷特性試驗，結果表明，在相同的吸力作用下，有效凈圍壓較大的濕陷體的應變也較大，當吸力較大時，隨著凈圍壓的增大，濕陷變形量也隨之增大。馮志焱等[21]在不同含水量下進行三軸試驗，研究原狀黃土與重塑黃土的相關特性，結果表明，在三軸試驗剪切過程中，黃土的吸力隨應變的變化而變化，而重塑黃土的吸力大小和變化特性與原狀黃土大致相同。

2.3 原位浸水試驗

原位浸水試驗是評價黃土濕陷性最可靠的方法。其主要特點就是樣本量大，忽略了邊界對試驗結果的影響，因此，它在一定程度上反映了增濕對原狀黃土結構的影響。然而，在所有測定黃土濕陷性的方法當中，它是最昂貴、也是最復雜的，因此，它更適用于高層建筑、高速鐵路等一些復雜的、重要的巖土工程的施工[22]。為了研究城市軌道交通地下結構中形成的大厚度濕陷性黃土，蘇忍等[23]以蘭州地鐵3號線一期工程——陡道溝站為例，通過場地地面浸水試驗，研究了既有黃土地層的濕陷變形特性，其結果表明場地內黃土的濕陷系數與黃土的深度成反比。樊珂奇[24]在實地調查我國某鐵路沿線的黃土基礎上，結合多學科的理論和方法，研究黃土工程特性和高邊坡穩定性，并提出了“黃土工程特性指數”的概念。羅曉鋒等[25]通過現場浸水試驗的方式對新建的銀川-西安高速公路進行研究，結果表明，黃土濕陷速率呈現出“慢-快-慢-穩定”的變化特點。

3 黃土濕陷性判定

濕陷性黃土在我國廣泛分布，主要分布在山西、陜西、甘肅多數地區以及河南西部。通過大量工程實例和試驗研究得出，黃土按照性質可分為濕陷性黃土和非濕陷性黃土，而濕陷性黃土對于工程建設生產有著很大的影響，因此，如何判定黃土是否為濕陷性黃土顯得格外重要。

對于黃土性質的判定，則依據現行國家標準GB 50025—2004《濕陷性黃土地區建筑規范》的相關規定[26]，采用濕陷系數δs來判定，δs則通過室內浸水壓縮試驗測得。當δs<0.015時，為非濕陷性黃土；當δs≥0.015時，則為濕陷性黃土。

對于濕陷系數δs，則按以下公式計算：

(1)

計算濕陷系數時，當基底壓力不大于300kPa時，基底處的豎向壓力在10m內的土層采用200kPa；當10m以下土層不大于非濕陷性土層頂部時采用覆蓋層的飽和自重土壓力(若超過300kPa，仍采用300kPa)；當基礎底面壓力超過300kPa時，按采用實際壓力計算。

4 工程應用

在實際工程中，由于濕陷性黃土的特殊性，給工程建筑物帶來了不可言喻的隱患，而增濕變形是造成地表面不均勻沉降的根本原因，也是對上層建筑最嚴重的危害。自20世紀80年代以來，一些原位試驗，如靜力觸探試驗[27]、圓錐動力觸探試驗(DPT)[28]、旁壓試驗(PMT)[29]等均被用于估算黃土的濕陷性上，這些原位試驗均可以克服現場浸水試驗和室內試驗取樣時對土壤的干擾等問題和困難。在我國工程建設中，應用黃土建設工程的事例有很多。許魁[30]以黃渭高速公路為例，采用ABAQUS有限元軟件研究了過濕黃土路基的壓實度在一定范圍內的應變及位移規律，得出了路基的沉降變形隨含水率的增加而增大的結論。張愛軍等[31]針對新疆大型引水渠道工程，在增濕變形的基礎上，提出了渠道工程的濕陷性評價方法。武小鵬、趙永虎等[32]以鄭西(鄭州-西安)高速鐵路(Q3大厚度濕陷性黃土)為例，采用數理統計和理論分析等方法，研究了馬蘭黃土的濕陷系數與其基本物理力學指標之間的關系，并在此基礎上提出了適用于工程中評價黃土濕陷性的新方法。王江榮等[33]對蘭州某高速公路附近金城公園的路基邊坡進行研究，采用有限元軟件Midas計算了邊坡在暴雨條件下的相關參數，得出該地區的路基邊坡處于基本穩定狀態。

濕陷性黃土是一種非飽和的欠壓實土，在自然狀態下，土體的含水率和壓縮性會較低，但其強度較高，然而，當土體被浸水時，其強度會大幅度下降，若在附加壓力或黃土自身的重力與附加壓力共同作用下，就會引起濕陷變形，而這種變形的特點就是沉降量大，下降速度快，對建筑物(構筑物)危害極大[34]。因此，在實際工程中，要充分了解黃土的相關性質和特點，及時有效地采取相關措施，這樣不僅可以避免工程事故的發生，提高工程的安全性，還可以減少不必要的損失。

5 結語

(1)濕陷性是黃土的主要特性之一，本文在研究諸多試驗成果基礎上，對黃土的濕陷性從基本特性、試驗原理、判定方法以及工程應用方面作出了總結和分析，分析結果表明，黃土的濕陷性變形與初始含水量成反比；在單軸濕陷變形試驗中，可通過單線法和雙線法來確定濕陷性系數。

(2)黃土對實際生產有很大的影響，因此，在進行相關工程施工的過程中，我們應清楚地掌握黃土的濕陷性，充分了解其相關性質和特點，避免發生工程事故，減少非必要的損失。而對于工程技術人員來說，更應加強對黃土濕陷性的分析和研究，以提高對濕陷性黃土的工程評價，并采取有效措施處理黃土的不良特性，從而實現合理應用和規范使用。