三門峽地區濕陷性黃土結構體特性分析

李 佳 曹 芬

（1.河南科技大學應用工程學院，河南 三門峽 472000；2.三門峽職業技術學院，河南 三門峽 472000）

0 引言

在水以及荷載的相互作用下，黃土會產生一定的變形，這種變形就是增濕變形，它與常分析的壓縮變形有著本質上的差異。①具有突變性，當施加的壓力恒定時，黃土體濕度增大到某一閾值時，土體會突然產生較大的變形，具有明顯的突發性和不連續性，低于閾值時，變形則較小。②具有不可逆性，黃土體濕度超過閾值后，土體內部原有結構破壞，顆粒重新排列，形成新的結構體系來支撐外部荷載，顆粒重組帶來的變形屬于塑性變形，即荷載去除也不能恢復到原有狀態。

1 國內外研究現狀

目前，國內外專家學者普遍以原狀土或者重塑土為分析對象，根據單線法或者雙線法，進行側限條件和三軸壓縮應力狀態下濕陷性黃土的增濕變形試驗。

1.1 原狀土的濕陷變形特點

黃土內部結構沒有被擾動的土體稱為原狀黃土，優點在于能夠準確、真實地反映天然地基的各種特性。依據濕陷性黃土地區建筑標準（GB 50025—2018），采用濕陷系數來反映黃土的增濕變形。依據側限條件下的壓縮試驗測量濕陷性系數δs、自重濕陷型系數δzs和濕陷性起始壓力P sh。其中δs的計算公式如式（1）。

式中：h0為試樣原始高度；h p為沒有增濕時，荷載作用后試樣經過變形穩定后的高度；h'p為在同一壓力水平下，飽和試樣產生變形后的高度。在此基礎上，張蘇民提出濕陷起始壓力和終止壓力的概念［1］。但是，目前濕陷性黃土地區建筑標準（GB 50025—2018）存在一定局限性，其δs是在側限條件通過試驗獲取黃土濕陷，并不是在三軸應力狀態下，存在一定量的側向約束變形，因而選用δs來表示黃土濕陷之后的變形，計算結果與實際狀況存在一定的偏差，需要根據不同地區的地質條件對濕陷性系數δs進行修正。眾多學者對此展開研究，劉祖典借助彈性模量的概率進而提出“變形模量”的概率，并推導其與濕陷性系數δs之間的關系理論，進而計算出黃土的增濕變形［2］。焦五一則將借助壓縮的概率來類推濕陷，用“弦線模量”來表示濕陷后的變形，通過加載變形曲線，統計了關中地區黃土孔隙比和含水率與弦線模量之間的關系，并推導出陜北地區黃土的增濕變形計算公式，相比于規范（GB 50025—2018）中的濕陷性系數δs，弦線模量更貼近實測值［3］。陳正漢在分析側限壓縮試驗的局限性后，提出用應力比相等條件下的三軸試驗來計算復雜應力條件下黃土的濕陷變形，此方法更符合黃土的實際受力情況以及應力路徑，優于側限壓縮試驗的計算方法［4］。總而言之，側限以及三軸壓縮試驗分析對象都是基于某一點做出的變形規律，與現場試驗之間仍然存在一定偏差。

1.2 重塑土的濕陷變形特點

原狀黃土被擾動后即為重塑黃土，重塑土更多是作為填料使用，在公路基礎、房屋的土方回填、橋梁基礎等諸多方面有著廣泛應用，因此有必要對重塑土的濕陷特性展開研究。許多學者也針對重塑土的濕陷特性開展了諸多研究。國內專家學者多圍繞著重塑土的初始含水率、初始干密度以及應力水平展開研究。關亮借助雙線法對不同干密度的重塑土三軸剪切應力-應變曲線開展研究，建立了非飽和重塑土的增濕變形計算模型［5］。張登飛通過對重塑黃土分級加載，探討了應力水平對重塑土含水率和濕陷變形水平的影響［6-7］。楊玉生以壓實度、含水率，應力為自變量，借助雙線法研究了濕陷性重塑黃土的濕陷變形特性，分析了三因素間交互作用對其濕陷變形特性的影響［8-9］。

2 土樣基本性能及試驗設計

三門峽位于豫晉陜三省交界位置，該地區的黃土集中分布在黃河河谷及其支流河谷地帶，屬第四紀黃土及黃土狀土。由于濕陷性黃土的特殊性，首先需要對三門峽地區黃土結構體的基本性能進行分析。三門峽地區的黃土最大厚度大約為150 m，而濕陷性黃土厚度大約為54 m，大部分黃土區域均屬于大厚度重度濕陷性黃土。其物理力學性質與普通黃土的物理性能間也有著巨大差異，了解該地區黃土的特殊物理屬性，對研究該地區黃土結構體特性有著重大意義。

2.1 土樣基本性能

三門峽地區黃土主要為第四紀黃土和黃土狀土，其顆粒組成以粉土顆粒為主，同時含有少量的黏土顆粒，土質均勻。需要特別說明的是：黃土可根據自身的顆粒級配，將其分為粉土和粉質黏土兩大類。但非飽和黃土具有結構性、濕陷性等特性，造成三門峽地區的黃土與粉土和粉質黏土的差異很大。濕陷后對土體結構產生破壞是濕陷性黃土基本結構特性，以三門峽地區黃土的濕陷破壞特性為研究切入點，針對三門峽地區濕陷性黃土開展了相關增濕試驗。試驗土樣取自三門峽市的某施工現場，土樣取自地下7~9 m處，其基本性能見表1。

表1 原狀土樣的基本性能

對原狀土樣進行環刀切樣，如圖1所示，為避免取樣差異造成的試驗誤差，制樣時的同組試驗用土樣的密度差控制在0.03 g∕cm3以內，含水率差控制在0.03 g∕cm3以內，超出此范圍時需要重新取樣。試驗試樣的含水量依次為3.24%、8.24%、13.24%（試樣天然含水率）、18.22%、23.22%、28.22%、31.35%（試樣飽和含水率）。

圖1 原狀土土樣

2.2 試驗設計

依據現行黃土規范，可將飽和濕陷試驗分為單線法和雙線法。

2.2.1 單線法。優點是能夠較為直接地測定濕陷系數，其受力大小和黃土產生的濕陷情況呈線性關系。該方法是一種比較可靠的濕陷性試驗方法。缺點是在進行試驗取樣時，需要每組取5~7個環刀試樣，并且樣品土的結構狀態和含水量需保持均勻，天然密度的差值應小于或等于0.03 g∕cm3。當符合以上要求的時候，方能得到令人滿意的試驗結果。事實上，濕陷性黃土跟其他形式的巖、土一樣，是在極為復雜的地質條件下自然形成的歷史產物，具有孔隙分布、結構及成分等的不均勻性，即使在同一取土點的同一深度處的樣品，相互間往往也會造成不等的離散性和差異值，使試驗結果不能連成理想的自然光滑曲線。此外，同時對5~7個環刀試樣進行加載，這樣會使包括儀器設備、砝碼使用、野外取樣和室內環刀試樣的取得等方面都會產生較大的難度，整體工作強度較高。

2.2.2 雙線法。優點是在試樣階段，只需取兩個環刀試樣，土質密度的差異較好控制，最終的試驗結果能夠繪成較為光滑的P-δs曲線圖，方法簡便，整體工作強度低。缺點是實施過程中所采用的兩個環刀試樣，一個是在土樣的原始天然濕度下進行壓縮，另一個是在浸水后達到飽水的狀態下進行壓縮。浸水后土體顆粒周圍水膜變厚，土體顆粒間的孔隙部分被水充滿，土體的強度發生較大變化，同時也導致土的壓密受到影響，引起試驗數據的誤差。另外，由于濕陷性黃土結構體的不均勻性特點，因此即便是只采用兩個環刀試樣，也會使第一級壓力下的壓縮變形量不一致，造成天然誤差。

但在實際工作中可以進行誤差修正，從而保證其準確性。所以，多數情況下，此類研究還是以雙線法為主。

結合本次研究的特點和研究工作的需要，研究選用雙線法實施。試驗荷載等級依次為25.0 kPa、50.0 kPa、100.0 kPa、200.0 kPa、300.0 kPa、400.0 kPa、800.0 kPa和1 600.0 kPa，逐級加載，當每一級荷載下的每小時變現小于0.01 mm，則視為土樣已穩定。

3 試驗結果分析

3.1 濕陷系數與壓力

不同初始含水率下濕陷性黃土的濕陷系數（δs）與壓力（P）之間的關系如圖2所示。

圖2 濕陷系數與壓力的關系

由圖2可知，黃土的初始含水率對濕陷系數有著顯著影響，初始含水率越高，濕陷敏感度就越大。當外界壓力不變時，濕陷性系數和初始含水率呈反向關系；當初始含水率不變時，濕陷性系數則與初始含水率的增大先呈正向關系后轉為反向關系。

3.2 濕陷系數與初始含水率

濕陷性黃土的濕陷性系數（δs）與初始含水率（w0）之間的關系如圖3所示。

圖3 濕陷性系數與初始含水率的關系

由圖3可知，總體而言，黃土的濕陷性系數隨初始含水率的增大而減低。當黃土浸水后，壓力值P＜100 kPa時，δs和w0呈反向關系，且P越大，減小越顯著；當黃土浸水后，壓力值介于200~400 kPa之間時，δs隨w0的增大而呈現出線性的降低減小趨勢，其中，浸水壓力等于200 kPa時的濕陷系數曲線存在一個凸起，超過P為300 kPa和400 kPa時的濕陷性系數值，可見200 kPa使得w0=28%產生峰值濕陷壓力；當P位于800 kPa以上時，濕陷性系數δs隨浸水壓力P的增大而增大，且速率先增大后趨于平緩，說明此時黃土的原始結構強度基本已喪失遭到破壞，由而轉變為次穩定結構。

3.3 增（減）濕與初始結構強度

根據Casagrande法求出的原狀黃土結構強度（Pc）與初始含水率（w0）的對應關系見表2，黃土含水率與結構強度之間的關系如圖4所示。

表2 原狀黃土的結構強度與初始含水率關系

圖4 原狀黃土結構強度Pc與初始含水率w0的關系

由圖4可知，總體上，黃土的含水率越大結構強度降低越顯著。當w0小于液限含水率（29.22%）時，低壓（P≤200 KPa）條件下增濕過程中的壓力始終不超過結構強度Pc，即此時的黃土結構體沒有發生破壞，對含水率的變化不敏感，說明黃土的穩定性強。但隨著持續增濕，黃土的結構穩定性急劇減弱，壓力超過Pc后，其結構性便遭到破壞。較高初始含水率時，P越大，黃土結構性破壞越嚴重，當P≥Pc時，輕微增濕就能夠使黃土產生顯著變形，說明增濕前的初始結構性已遭到破壞，由此說明，由此可見，黃土的結構強度Pc與增濕時的外界壓力P是影響其變形的兩大主要因素。

4 結語

通過對三門峽地區的黃土進行濕陷性破壞試驗，發現該地區的黃土土體結構強度與含水率的大小呈反向變化趨勢，且其增濕變形與自身結構強度Pc以及外界壓力P密切相關。外界壓力值P在不超過土體結構強度值Pc的情況下，黃土結構體強度對含水率的變化并不敏感，當外界壓力值P超過土體結構強度值Pc的時候，含水量的增加會導致黃土產生顯著的變形。