非饱和黄土土水特性与湿陷性关系分析

高凌霞，栾茂田，覃丽坤

(1.大连民族学院土木建筑工程学院，辽宁大连116605;2.大连理工大学土木水利学院岩土工程研究所，辽宁大连116024)

黄土是在干旱半干旱气候条件下形成的一种第四纪沉积物，它往往是非饱和的，而且具有湿陷性，即在常应力情况下，浸水或者随着含水量的增加，体积大幅度减小的特性。增湿引起的变形或者湿陷，是黄土具有亚稳结构的典型体现［1］。湿陷性在定量上的不可忽视性和在定性上的急速发展性，是影响其上建筑物稳定性的一大突变问题［2］。对湿陷性的研究，前人做了大量的工作，并取得了丰硕的成果。目前，对湿陷性黄土的研究，主要建立在土处于饱和状态时，在常规压缩仪中测试湿陷变形。然而，大量的室内外试验表明，土的湿陷决非在饱和时或吸力为零时才发生，而是由含水量，更准切地说是随吸力的变化情况引起的［3-5］。因此，根据目前非饱和土力学的概念，要更好地描述土的湿陷变形，还需考虑净法向应力、基质吸力，这样才更有利于认识土的湿陷过程。

土水特征曲线被广泛用来表征土的含水量与吸力的关系，是分析土的渗流、抗剪强度及体变问题时的关键要素，因此被认为是描述非饱和土性状最重要的因素。除了可以描述土中水的滞后现象之外，还被广泛地用来预测土的一些性质。如非饱和水的渗透系数、抗剪强度等［6-7］。许多学者试图用数学公式表示土水特性曲线。在众多的数学公式中，Fredlund and van Genuchten模型在岩土工程界得到广泛的应用［8-9］。然而，很少有文献报道，把土水特征曲线和土的湿陷性联系起来进行的研究。

本文针对取自相同地点的原状黄土，利用压力板仪测试了土水特征曲线，利用非饱和土三轴仪(GDS)测试了湿陷变形。通过二者的结合，利用土水特征曲线间接得出了不同含水量时土的吸力与湿陷性的关系，对非饱和黄土湿陷性的研究开辟新的思路具有一定的意义。

1 试验方案

1.1 试验土样

试验用土取自陕西洛川，采用探井取样，取样深度为2.6 m，为Q3黄土。土的基本物理性质指标见表1。

表1 土的物理性质指标

1.2 试验方案

1.2.1 土水特征试验

土水特征曲线可用压力板仪来测量，压力板仪的构造如图1。其工作原理为:土样与只透水不透气的高进气值陶土板密切接触，排水管与大气联通，因此孔隙水压力与大气压力相等。在压力室内施加不同的气压值可以得到不同的基质吸力。实际上，在施加气压的时候采用了轴平移技术。

1.2.2 湿陷变形试验

非饱和土湿陷变形试验利用非饱和土三轴仪(GDS)测试得到。

图1 压力板工作原理示意图

土样首先加湿饱和以释放基质吸力，饱和试样先在各向等压力下固结。固结完成后，给试样施加200 kPa的基质吸力，等吸力平衡后再依施加200 kPa的基质吸力，等吸力平衡后再依次施加净法向应力50，100，200和400 kPa。在每级净法向应力作用下，允许试样变形达到平衡，然后施加下一次荷载。以后逐级减小吸力100，50，25，10，0 kPa。测试相应的湿陷变形。

湿陷变形计算式为

式中，ΔHi为土样湿陷后的高度变化量，H0i为增湿前或吸力减小前土样的高度。

2 结果与讨论

2.1 湿陷变形

初始吸力为200 kPa，在净法向应力为50，100，200，400 kPa时的湿陷变形曲线如图2。

图2 非饱和黄土压缩曲线及湿陷变形

湿陷变形指的是吸力从200 kPa减小到0时土样的体积变化。在净法向应力为100 kPa时土样的湿陷量最大，也就是说随着压力的变化，土的湿陷存在峰值，这是非饱和黄土湿陷性的特点。

土的湿陷系数与吸力的关系如图3。净法向应力为50 kPa，吸力从200减小到25 kPa时，土样基本没有湿陷变形。而吸力从25 kPa变到0时土样的湿陷量最大。另外，当土样的净法向力为400 kPa，吸力小于100 kPa时，湿陷开始发展。说明土在吸力减小到一定值时才出现湿陷，随后湿陷系数开始迅速地增加。这一性状与其土水特性密切相关。

图3 湿陷系数与吸力的关系

2.2 土水特性曲线

净法向应力分别在0，50，100，400 kPa 作用下非饱和黄土的土水特征曲线如图4。从图4中可以看出，曲线的起始点均不相同，由此反应了黄土加载及增湿时对体积变化的影响。各曲线的其他部分也比较相似。

净法向应力为0的曲线为原状黄土的土水特性曲线，从图4中可以看到，在降饱和区，吸力的较小变化意味着含水量的较大变化，即随着含水量的增大，湿陷将增加，因为改变吸力需要较大的含水量。

不同净法向应力作用下，吸力变化相同，但湿陷应变并不相同(如图3)。这一差别与土水特性的变化有关，因为土在不同的加载及增湿情况下体积发生了不同的变化。土的粒径成分、孔隙大小以及应力状态将影响土的特性曲线的形状，土经不同净法向应力固结和增湿，宏观孔隙的变化会影响土水特性。

2.3 湿陷变形与土水特性关系

从图3可以看到，在净法向应力为50 kPa下增湿时，吸力从200 kPa降到25 kPa时，土样基本没有发生湿陷，湿陷主要发生在吸力从10 kPa降到0 kPa这一阶段。在净法向应力为400 kPa下增湿时，吸力变化引起渐进的湿陷变形，或者说湿陷变形较为均匀。

同样还可以看到，当吸力低于临界值时，湿陷应变快速增加。较大的湿陷变形与土水特征曲线的降饱和区有关(如图3)。有理由推测这一临界值与残余吸力有关。由试验结果可知，增湿的湿陷是允许进入土中水的量的函数。显然，水量受基质吸力或土水特性的控制。对土湿陷变形模式的分析表明，它符合土水特性曲线的模式(Fredlund and van Genuchten模型)，因此，可以用与土水特性曲线相似的模型来预测土的湿陷系数。

3 结论

本文通过对洛川原状黄土分别进行了土水特性及湿陷性试验研究，得出如下结论:

(1)在吸力减小的情况下，非饱和黄土发生渐进湿陷变形。随着吸力的减小，湿陷应变趋于增加，当吸力减小至某一临界值时，湿陷变形显著增大，当吸力为零时达到最大值。不同净法向应力作用下，吸力临界值不同。在净法向应力为50 kPa时，吸力临界值为10 kPa;净法向应力为100，200和400 kPa时，吸力临界值为70 kPa;净法向应力为100 kPa时，其湿陷量最大，湿陷存在峰值压力。

(3)在土水特性曲线的降饱和区，随着含水量的增大，即吸力的减少，出现明显的湿陷变形，出现湿陷变形时的吸力临界值与土水特性曲线的残余吸力有关。

(4)非饱和原状黄土湿陷系数与吸力的关系模式与土水特性模式类似，因此累积的湿陷应变可以用土水特征曲线类似的方程和吸力建立联系。这样就可以考虑吸力与净法向应力对湿陷性的影响，能够更全面地了解黄土的湿陷变形特性。

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