非饱和黄土的湿陷机理与工程措施

摘要:文章从黄土的物质组成、土体结构特征出发,分析了引起非饱和黄土湿陷的内因和外因,总结了土层埋深及外力大小对湿陷性的影响和湿陷性的变化规律,提出了工程建设中消除或限制湿陷性发生的工程措施。

关键词:非饱和黄土;湿陷机理;湿陷系数;工程措施;黄土颗粒

中图分类号:U416文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)10-0185-02

黄土指的是在干燥气候条件下形成的具有多孔性、垂直节理的黄色粉性土;湿陷性黄土是指在自重压力或自重压力与附加压力作用下,经充分浸水后土体结构发生破坏,有显著附加沉陷现象的非饱和黄土。

湿陷是黄土区别于其他类土的一个非常重要的力学特性指标,它与黄土的微观结构、矿物组分、孔隙比、含水量及压应力等因素有关,通常用湿陷系数、湿陷起始压力等来反应黄土的湿陷变形特征。

由于湿陷性黄土的湿陷特性,故在湿陷性黄土区进行工程建设时,根据建筑物的重要性级别和对沉降的敏感性、地基受水浸湿的可能性大小,对建筑物结构和地基必须采取以地基处理为主的综合性工程处理措施,来防止地基失稳和建筑结构发生破坏的事故发生。

一、黄土的湿陷机理

黄土的颗粒组成基本上是由<0.25mm的颗粒组成,以0.1mm～0.01mm的颗粒占主导地位,粉粒(0.05mm～0.005mm)含量在不同地区和不同时代的黄土中有所不同,其含量达50%以上,甚至达60%～70%,且多以0.05mm～0.01mm的粗粉粒居多,砂粒(>0.05mm)含量一般<20%,且主要为0.1mm～0.05mm的微砂,粘粒(<0.005mm)较少,平均含量约15%。

在矿物成分上黄土主要由碎屑矿物、粘土矿物及自生矿物组成,以碎屑矿物为主(约75%以上),主要为石英、长石和云母,其次有辉石、角闪石、绿帘石、绿泥石、磁铁矿等;粘土矿物主要是伊利石、蒙脱石、高岭石等。此外,在黄土中含有较多的水溶盐,呈固态或半固态分布在各种颗粒的表面。

在干旱、少雨的气候条件下,土体中的水分不断蒸发,土体处于非饱和状态,其中的大量易溶盐析出,呈微晶状态附着在颗粒表面,形成胶结物产生固化凝聚力,使单个土粒或集粒和碎屑组成的骨架颗粒相互连接形成粒状架空结构体系,从而阻止了土体的自重压密作用,便形成了以粗粉粒为主体骨架的多空隙结构、低湿度的欠压密状态的土体。

骨架颗粒构成黄土的架空结构体系,且以点接触或半胶结的形式存在,它的形态和连接形式直接影响结构体系的胶结强度,排列方式决定着结构体系的稳定性。

黄土在形成时,靠颗粒间的摩擦或在少量水分的作用下略有连接,因水分的蒸发使土粒彼此靠近体积收缩,胶体、盐分、结合水集中在较细颗粒周围,颗粒间的分子引力以及结合水和毛细水的连接力也逐渐增大,增强了土粒之间抵抗滑移的能力,故非饱和黄土在天然状态有较高的结构强度。

当土体受到水的浸湿作用后,胶结物被软化变凝胶为溶胶、易溶的微晶盐发生溶解,结合水膜增厚楔入颗粒之间,使结合水的连接消失,胶结连接部分被破坏,水连接减弱,引起骨架强度的降低,连接点发生破坏失稳,土体在上覆土层的自重压力或在自重压力与附加压力共同作用下,造成土体的原始结构体系被破坏、土体强度突然下降,其结构体系迅速遭到破坏,土粒向大空隙发生滑移而减小粒间孔隙,达到新的稳定状态的过程就形成了附加沉陷的结果。

土体遇水浸湿时之所以在一定压力下产生湿陷,还在于干旱气候条件下,无论是风成堆积还是坡洪残积形成的黄土层,在其形成过程中,不具备充分的压力和适宜的湿度,使土体处于欠压密的结构状态,遇水后其土粒发生位移,进行势能消散和重新排列,使土体产生新的压密过程而引起湿陷。

所以,非饱和黄土的结构特征和物质成分是产生湿陷的内在原因,受水的浸湿和荷载作用是产生湿陷的外因。

二、湿陷性的判定

湿陷系数(δs)为单位厚度土层由于浸水在规定压力产生的湿陷量,它定量地反应了黄土的湿陷程度。

湿陷系数的测定是室内对现场采集的不扰动样在一定压力下进行压缩试验取得的,计算式为:

?啄s=■

式中:h0——土样的原始高度(cm);

hp——天然状态的土样,加压至一定压力时,压缩稳定后的高度(cm);

hp′——上述加压稳定后的土样,在浸水作用下,到达稳定后的高度(cm)。

当δs<0.015时为非湿陷性黄土;当δs≥0.015时为湿陷性黄土。δs=0.015时所对应的压力为湿陷起始压力(psh)。若湿陷起始压力(psh)小于上覆土的饱和自重压力而引起湿陷时,则称为自重湿陷性黄土;若湿陷起始压力(psh)大于上覆土的饱和自重压力而发生湿陷时,则称为非自重湿陷性黄土。

三、湿陷性的变化规律

压缩试验结果如下:

1.湿陷性与天然孔隙比、天然含水量和粘粒含量有关,孔隙比越大,或粘粒含量与含水量越小湿陷性越强,反之湿陷性越弱;饱和度大于80%的黄土其湿陷性消失。

2.湿陷性与土体的埋深有关,不同深度土样的压缩量和湿陷系数都随压应力的增加呈正相关变化,当压应力增大到一定程度后,则随着压应力的增加呈负相关变化,在浸水状态下的表现更为显著。

3.无论土样浸水与否,在相同荷载作用下,非饱和黄土的压缩量和湿陷能力随深度的增加而呈逐渐减小趋势。

4.湿陷性与外加压力有关,随着压力的增大,湿陷系数也随之增大;当压应力达到湿陷起始压应力,即湿陷系数δs =0.015时,黄土的湿陷开始;当压应力增至某一值时,湿陷系数达到最大值,即黄土的湿陷势达到了最大释放,之后随压应力的增加湿陷性反而减小,湿陷系数返回到0.015时,其湿陷性终结,继续增大压应力,则湿陷系数将小于0.015,黄土的湿陷性消除。

由此可知,湿陷系数与压应力之间并非呈单调函数关系,只有当压应力超过湿陷起始压力而又不大于湿陷终止压应力时,土体在饱和浸水状态下才会产生湿陷变形。

产生上述规律性变化的原因在于:非饱和黄土的特殊土体结构。外力作用不足以破坏其内部孔隙结构时,湿陷系数随压力的增大而增大;当外力增大到湿陷起始压力后,土体经过一定的压密变形,孔隙结构开始破坏,其湿陷性才表现出来;当外力达到一定数值后,黄土的原始孔隙结构完全被破坏,土体达到密实状态,势能得到充分释放,湿陷系数就逐渐减小,最终失去产生湿陷性的内因而不具有湿陷性。

四、处理湿陷性的工程措施

黄土的湿陷类别、湿陷等级和分布厚度,以岩土勘察的试验数据为依据,通过经济的、技术的等诸多因素的分析,确定适合特定环境、特定工程的地基处理方案,确保地基土处理后其承载力和变形幅度满足工程建设的各项技术指标要求。

(一) 地基处理措施

从湿陷性黄土的结构特性出发,采用合适的地基处理方案以改变或破坏其土体结构体系,达到消除或部分消除地基土的湿陷性,保障建筑物安全和正常使用的工程措施,通常采用的方法有灰土垫层法、灰土挤密法、砂卵(砾)石垫层法、强夯法、基桩法、预浸水法和电化学法等,不一一列举。

(二) 防水措施

从改善引起黄土湿陷性的条件出发,防止和限制其湿陷性的产生。在地面排水、场地排水、建筑物周边防水等方面作好防排水措施,阻断降水和生活用水渗入浸湿地基土。

(三) 建筑措施

在上述两种措施的基础上,力求简单的建筑平面布置、加强其整体结构的刚度,在适当位置布设沉降缝,减小不均匀沉降对建筑物的影响,使建筑物自身有调节地基湿陷变形的条件。

在工程建设中,通过调整基础形式,选择合适的地基压应力,尽量使基底压应力小于湿陷起始压应力,或者大于湿陷终止压应力,减小湿陷对于工程建设带来的不利影响。

总之,无论采取何种措施,根本的目的在于通过改善非饱和黄土发生湿陷的内外因条件,达到减小或消除湿陷的产生结果,保障建(构)筑物的安全和正常运行。

五、结语

1.非饱和黄土的结构特征和物质成分是产生湿陷的内在原因,受水的浸湿和荷载作用是产生湿陷的外因。

2.非饱和黄土湿陷性的大小与孔隙比、含水量有关,孔隙比越大或含水量越小湿陷性越强,饱和状态下无湿陷性。

3.湿陷性与外力有关,外力越大湿陷量也越大,但当外力超过某一数值后,湿陷量逐渐减小,最终失去湿陷性。

4.通过以地基处理为主的综合工程处理措施,可以达到限制和改善湿陷发生的工程目的。

参考文献

[1]赵明华.土力学与基础工程(第二版)[M].武汉理工大学出版社,2003.

[2]王佳,白晓红,王梅,杨晶.黄土湿陷性试验研究[J].建筑科学与工程学报,2006,(3).

作者简介:高维征(1962-),男,陕西乾县人,河南省有色金属地矿局六大队工程师,研究方向:岩土工程和矿区水工环。