人工制备砂土湿陷性影响因素分析

刘博诗，张延杰，王旭，梁庆国，李盛

(1. 兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070;2.甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室，甘肃 兰州 730070)



人工制备砂土湿陷性影响因素分析

刘博诗1，2，张延杰1，王旭1，梁庆国1，李盛1

(1. 兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070;2.甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室，甘肃 兰州 730070)

根据湿陷性砂土矿物成分组分分析，选用无黏性细砂和胶结性黏土矿物煅烧高岭土制备人工湿陷性砂土，通过正交试验和单因素试验，研究人工制备砂土湿陷性与黏土矿物含量、压实度和初始含水量的相关关系，使试验结果具有可重复性和可控性。试验结果表明：1)影响人工制备砂土湿陷性的主要因素依次为：压实度>高岭土含量>初始含水量；2)人工制备砂土的湿陷性随黏土矿物含量的增加，呈现出先增大后减小的变化规律；3)高岭土含量为20%的人工制备湿陷性砂土的湿陷系数与孔隙比成正比关系，与干密度呈反比关系；4)砂颗粒周围包裹着黏土薄膜，黏土薄膜上包裹着结合水膜，形成的双层膜结构是砂土在水的作用下产生湿陷原因。该研究结论可为铁路工程中湿陷性砂土地基的处理提供参考和技术支持。

湿陷性砂土；铁路路基；高岭土；压实度；初始含水量

湿陷性土在我国分布广泛，除常见的湿陷性黄土外，干旱与半干旱条件下沉积的砂土，浸水受压后也能发生结构的破坏而产生大量的湿陷下沉[1]。砂土的湿陷性是一个较为复杂的物理化学过程，由于其特殊的形成条件和环境，造成了与一般第四纪土不同的沉积特点、物理力学性质和湿陷规律[2]。随着西部地区大规模铁路工程的建设，不可避免遇到湿陷性砂土地基，如兰新复线铁路、兰新第二双线、兰渝铁路等均不同程度地穿越湿陷性砂土地段。由于粉砂、粗砂等砂性土具有良好的透水性，常常作为填筑材料应用于铁路路基中。砂土路基在机车往复荷载作用下，局部产生高应力剪胀区，当路基排水不畅时，土体吸水发生湿陷软化，引起路基的附加沉降，对填筑体的变形、稳定、开裂都有较大影响，因此砂土的湿陷变形特性在铁路路基工程中是不可忽视的，而目前对砂土湿陷变形的研究主要集中在大坝蓄水等水利工程中，在铁路工程中的研究较少。

对于湿陷性黄土，国内外众学者针对其湿陷类型、评价标准、湿陷机理等方面进行了深入研究，取得了丰硕的研究成果[3-6]。针对湿陷性砂土的研究成果较少，主要集中于探讨含水率、压实度与砂土力学性能指标的关系。王强等[7-8]对路基砂土填料进行了湿化变形试验，发现浸水湿化后土体的抗剪强度指标以及变形模量减小。舒玉等[9]对砂土路基取样，进行了重型击实试验、直剪试验、压缩试验和承载比试验研究，分析了含水量与抗剪强度指标、压缩模量和CBR值的关系。Jennings等[10]通过试验研究发现砂土路基在浸水湿陷后仍会产生较大竖向位移。Skopek等[11]发现松散的干砂土浸水饱和后，由于排水不畅，在不排水加载和孔隙水压力作用下砂土亚稳定性结构发生湿陷破坏，稳定性急剧降低，诱发严重的边坡滑动事故。此外，国内外学者对于砂土湿陷性影响因素方面初步探究，主要从单因素分析干密度、含水率与湿陷性的关系，对于综合考虑压实度、黏土矿物含量、初始含水量等砂土湿陷性影响因素以及影响程度评价方面研究的较少。罗云华[12]通过对不同相对密度的砂土进行湿陷试验，发现砂土的相对密度是砂土湿化变形特性的主要影响因素。魏松等[13]对土石坝的粗粒砂土进行三轴湿化变形研究，提出导致非黄土类土体湿化变形的原因是复杂的，要深入探索，有必要对各个影响因素分别探讨。Lawton等[14]通过一维压缩试验，研究了压实方法、压实含水量、相对密度、垂直应力水平对黏性砂土体积变化率的影响，为路基填筑提供了理论指导，但未考虑黏土含量对砂土湿陷性的影响。砂土的湿陷性研究尚处于探索阶段，随着沙漠区的开发和发展，相关理论知识体系和技术处理会变得更加完善和成熟，因此加强对湿陷性砂土基本性质的研究具有重要的理论意义与现实意义[15]。本文选用细砂和煅烧高岭土两种材料制备出人工湿陷性砂土，通过控制和改变材料中黏土矿物成分、压实度、初始含水量等显著影响湿陷性的一系列变量，更好地从矿物成分、物性指标等多方面研究砂土的湿陷性，经过大量试验探究验证了试验结果的可重复性和可控性，为湿陷性砂土地区铁路路基模型试验的参数选取提供参考。

1　相似材料选取与分析

我国第四纪沉积土的工程性质主要取决于土的物质成分和结构[16]。根据土体所含的主要矿物成分，可分为无黏性的粗粒矿物和有胶结性的黏土矿物两大类，无黏性粗粒矿物如石英、长石、方解石、云母等，与水不起作用，不影响湿陷过程。胶结性黏土矿物如伊利石、高岭石、绿泥石、蒙脱石等，在一定程度上体现着土体的湿陷性。根据对湿陷性土体矿物分成的分析，选用无黏性细砂和胶结性黏土矿物煅烧高岭土制备人工湿陷性砂土，见图1。

图1　相似材料Fig.1 Similar materials

细砂选用河砂，颗粒直径在0.075～1 mm之间，小于0.075 mm占3.22%，不均匀系数Cu=3.47，曲率系数Cc=1.03。高岭石采用煅烧高岭土，颗粒比重为2.63。选取材料烘干后，按质量比例称取混合，搅拌均匀，使两种材料均匀分布。分别选取高岭土含量(质量比)为0%，5%，10%，15%，20%，25%，30%，40%和50%制作湿陷性砂土试样S-1，S-2，S-3，S-4，S-5，S-6，S-7，S-8和S-9，进行液塑限试验和击实试验，试验结果见表1。

表1　人工制备砂土物理参数Table 1 Physical parameters of artificial sand

图2　高岭土含量与液限含水量和塑限含水量关系曲线Fig.2 Content of kaolin vs. liquid limit and plastic limit curve

图3　高岭土含量与最优含水量关系曲线Fig.3 Content of kaolin vs. optimum water content curve

图4　高岭土含量与最大干密度关系曲线Fig.4 Content of kaolin vs. maximum dry density curve

分析图2～4，可以得出随高岭土含量的增加，液限含水量、塑限含水量和最优含水量近似线性增加，而最大干密度逐渐减小。主要是由于细砂属于粗粒矿物，与水不起作用，而高岭土属于黏土矿物，能吸附水分子形成一定厚度的结合水膜，增加了土体的可塑性。

2　正交设计试验分析

2.1正交试验设计

为研究初始含水量、压实度和黏土矿物含量对砂土湿陷性的影响，结合国内外学者人工湿陷性土体制备方法和张延杰等[17]前期的探讨，应用空中自由下落法(Air fall method)制备的人工湿陷性砂土，见图5，能够较好地模拟风沉砂土的沉积条件和沉积过程，所制备的人工湿陷性砂土浸水后能产生较大的湿陷变形。

图5　空中自由下落法制作试样Fig.5 Sampling by air fall method

选取高岭土含量、压实度和初始含水量3个主要影响因素，高岭土含量(质量比)取5%，10%，15%和20%4个水平，压实度取0.70，0.75，0.80和0.85 4个水平，初始含水量取3%，6%，9%和12% 4个水平，进行3因素4水平正交试验设计，详见表2，控制压实度和含水量制作试样，制备2组平行试样，进行湿陷性试验，分级加载至200 kPa稳定后浸水，浸水变形稳定，即每小时变形不大于0.01 mm后，分级加载至800 kPa。

表2　正交试验设计与结果分析Table 2 Orthogonal experimental design and result analysis

2.2正交试验结果分析

对试验结果进行极差分析，根据极差的大小，评价各因素对砂土湿陷性的影响主次，得出影响人工制备砂土湿陷性的主要因素依次为：压实度>高岭土含量>初始含水量。分别计算高岭土含量、压实度、初试含水量3个因素在同一水平(如高岭土含量为5%为一水平)时的湿陷系数平均值，即水平/4，绘制各因素在不同水平下的湿陷系数指标趋势图，见图6～8。

图6　压实度与湿陷系数关系曲线Fig.6 Compaction degree vs. coefficient of collapsibility curve

图7　高岭土含量与湿陷系数关系曲线Fig.7 Content of kaolin vs. coefficient of collapsibility curve

图8　初始含水量与湿陷系数关系曲线Fig.8 Initial water content vs. coefficient of collapsibility curve

国内对湿陷性黄土已有了较多的研究成果，在砂土湿陷性评价方面尚无统一标准，因此沿用研究湿陷性黄土的方法，根据《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB 50025—2004)[18]，对不同高岭土含量、压实度和初始含水量的砂土湿陷等级进行评价，如表2所示。

分析可得，湿陷系数随压实度的增大而近似线性减小，随高岭土含量的增加近似线性增加，初始含水量对人工制备砂土湿陷性的影响较小。对试验结果进行方差分析，在α=0.005的置信水平上构造F统计量，作F检验判断湿陷性影响因素是否显著。压实度F比=54.88，高岭土含量F比=51.08，均大于F0.005(3，3)=47.47，说明压实度和高岭土含量对人工制备砂土湿陷性的影响高度显著。初始含水量F比=4.71

3　人工制备砂土湿陷性单因素试验分析

3.1高岭土含量与湿陷系数试验

根据正交试验结果，选取压实度分别为0.7和0.8，初始含水量为6%，高岭土含量分别为5%,10%，15%，20%，25%，30%，40%和50%制备试样，进行人工制备砂土湿陷性单因素试验分析，研究高岭土含量与湿陷性的关系，如图9所示。

图9　高岭土含量与湿陷系数关系曲线Fig.9 Content of kaolin vs. coefficient of collapsibility curve

分析图9可得，当高岭土含量低于20%时，随着高岭土含量的增加，湿陷系数逐渐增大。当高岭土含量为20%时，湿陷系数为最大，压实度为0.7时，δs=0.169，压实度为0.8时，δs=0.112。高岭土含量超过20%以后，随着高岭土含量的增加，湿陷系数逐渐减小。有研究结果认为[19]：当黏土含量超过30%以后，黄土的湿陷性基本消失。通过本次试验，可得出当土体压实度和初始含水量都较低的情况下，土样结构较为疏松，黏粒含量超过30%，人工制备砂土仍具有一定的湿陷性。当压实度为0.7，高岭土含量为40%时，δs=0.168；压实度为0.8，高岭土含量为40%时，δs=0.081。

分析高岭土含量与湿陷性的变化规律，高岭土具有较大的比表面积，表面活性较高。当高岭土含量较低时，黏土矿物作为吸附剂聚集在砂颗粒表面形成一定厚度的黏土薄膜，形成由黏土材料胶结无黏性砂颗粒的土骨架多孔结构，伴随着大量的中等孔隙和大孔隙。颗粒周围结合水膜较薄，产生的假黏聚力对周围颗粒有一定的吸力作用，土体处于亚稳定状态。浸水后，胶结物联结能力削弱，土骨架的黏结强度遭到破坏，土颗粒易于发生滑动和压密，中等孔隙和大孔隙大部分被小颗粒及碎屑填充而消失，大、中孔隙明显减少，使得这种亚稳定结构开始破坏，进而产生非常显著的强烈湿陷。

当高岭土含量大于界限含量20%时，黏土矿物主要作为填充物填充于土体孔隙内，提高了人工砂土的密实度，且由于高岭土吸水性较好，吸附弱结合水膜中的水分，使结合水层粘滞性减弱，降低了团粒间的黏结强度，土体的湿陷性变小，因此当高岭土含量的超过界限含量时，砂土湿陷性呈现下降趋势。

3.2压实度与湿陷系数试验

根据正交试验和高岭土含量与湿陷性试验结果分析，选取高岭土含量为20%，初始含水量为6%，压实度分别为0.6，0.65，0.7，0.75，0.8，0.85，0.9和0.95制备试样，进行人工制备砂土湿陷性单因素试验分析，研究压实度与湿陷性的关系，如图10所示。

图10　压实度与湿陷系数关系曲线Fig.10 Compaction degree vs. coefficient of collapsibility curve

分析图10可得，随着压实度的增大，试样的致密程度增高，压实度从0.6增加到0.8时，湿陷系数按近似线性规律减小，与正交试验结果相一致。高岭土含量为20%的人工制备湿陷性砂土的湿陷系数与孔隙比、干密度的关系与湿陷性黄土相一致[20]，即湿陷系数与孔隙比成正比例关系，当孔隙比小于0.8，或干密度大于1.5 g/cm3时，湿陷性基本消失。

3.3初始含水量与湿陷系数试验

选取压实度分别为0.7和0.8，高岭土含量为20%，初始含水量分别为3%，6%，9%，12%和15%制备试样，进行人工制备砂土湿陷性单因素试验分析，研究初始含水量与湿陷性的关系，如图11所示。

图11　初始含水量与湿陷系数关系曲线Fig.11 Initial water content vs. coefficient of collapsibility curve

分析图11可得，当压实度为0.8时，随着初始含水量的增加，湿陷系数逐渐减小，且减小幅度较小，说明初始含水量对人工制备砂土湿陷性的影响并不显著，与正交试验结果相一致。根据学者对初始含水量与黄土湿陷性的关系研究得出[20]：湿陷系数随初始含水量的增大而减小。

当压实度为0.7时，随着初始含水量的增加，湿陷系数呈现先增大后减小的趋势。通过本次试验，可得出初始含水量对人工制备砂土湿陷性的影响并不显著，与天然湿陷性砂土湿陷性随含水量的增大而显著减小的趋势有所不同。分析其原因，主要是由于天然湿陷性砂土在历史上曾经受竖向固结压力和水的作用，已形成了稳定的多孔结构。由无黏性的砂颗粒和黏结性的高岭土形成的人工制备湿陷性砂土混合材料，在水和较低压实度作用下，尚未激活黏土矿物的表面活性，未能使土体形成亚稳定的多孔结构。说明当压实度较低时，土体的湿陷性对含水量变化较为敏感，随着含水量增大，湿陷性对含水量变化的敏感性减弱。

4　人工制备砂土湿陷机理初步分析

人工制备砂土的湿陷是也由于粒间联结失效造成的[21]。黏土矿物作为砂颗粒间的胶结物，形成由黏土材料胶结无黏性砂颗粒的土骨架，类似湿陷性黄土的骨架结构。高岭土作为吸附剂聚集在砂颗粒表面形成一定厚度的黏土薄膜，黏土薄膜上包裹着结合水膜，形成湿陷性砂土的双层膜结构。在含水量较低时，颗粒周围的结合水膜较薄，溶解在其中的阴、阳离子的静电引力较强，产生的假黏聚力对周围颗粒有一定的吸力作用，具有一定的黏聚强度，形成开放的亚稳定结构。当含水量较大时，颗粒周围结合水膜增厚，使砂粒表面产生膨胀，体积增大，同时水膜楔入力变大，将牢固连接的颗粒分开，颗粒间引力减弱，凝聚强度降低。此外，胶结物逐渐溶解，颗粒间联结能力削弱，引起结构强度的降低，在较小的法向应力作用下，土体的亚结构就会发生破坏，从而产生湿陷。

5　结论

1)通过正交试验得出影响人工制备砂土湿陷性的主要因素依次为：压实度>高岭土含量>初始含水量，压实度和高岭土含量的影响在α=0.005的置信水平上高度显著，初始含水量的影响并不显著。

2)人工制备砂土的湿陷性随黏土矿物含量的增加，呈现出先增大后减小的变化规律，当黏土矿物含量为20%时，湿陷性达到最大。当压实度和含水量都较低的情况下，黏粒含量超过30%，人工制备砂土还具有一定的湿陷性。

3)高岭土含量为20%的人工制备湿陷性砂土的湿陷系数与孔隙比成正比关系，而湿陷系数与干密度成反比例关系，当孔隙比小于0.8，或干密度大于1.5 g/cm3时，湿陷性基本消失，与湿陷性黄土研究结论相一致。

4)砂颗粒周围包裹着黏土薄膜，黏土薄膜上包裹着结合水膜，形成的双层膜结构是砂土在水的作用下产生湿陷原因。但更深层次的微观结构分析是进一步解释砂土湿陷性的重要途径。

[1] GB 50021—2001，岩土工程勘察规范[S].

GB50021—2001, Code for investigations of geotechnical engineering[S].

[2] 贾剑.风成砂土湿陷性研究[J].电力勘测设计, 1997,14(2):18-21.

JIA Jian. Study on the collapsibility of the eollan sand[J]. Electric Power Survey & Design, 1997,14(2):18-21.

[3] 谢定义.试论我国黄土力学研究中的若干新趋向[J].岩土工程学报, 2001, 23(1): 1-13.

XIE Dingyi. Exploration of some new tendencies in research of loess soil mechanics [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2001, 23(1): 1-13.

[4] 邵生俊,杨春鸣,马秀婷,等.黄土的独立物性指标及其与湿陷性参数的相关性分析[J]. 岩土力学,2013, 34(增2):27-34.

SHAO Shengjun，YANG Chunming，MA Xiuting, et al. Correlation analysis of collapsible parameters and independent physical indices of loess[J]. Rock and soil mechanics,2013,34(Suppl 2):27-34.

[5] 许增荣.实际浸水环境下黄土湿陷性分析与浸水环境分级[J]. 铁道工程学报,2013(2):11-16.

XU Zengrong. Analysis of collapsibility of loess in real soaking environment and grading of soaking environment[J]. Journal of Railway Engineering Society,2013(2):11-16.

[6] 周飞飞.原状湿陷性黄土的结构性本构模型[J]. 铁道工程学报,2012(4):13-17.

ZHOU Feifei. Non-linear constitutive model for intact collapsible loess [J]. Journal of Railway Engineering Society,2012(4):13-17.

[7] 王强, 刘仰韶, 傅旭东.路基砂土湿化变形的试验研究[J].铁道科学与工程学报,2005,2(4):21-25.

WANG Qiang, LIU Yangshao, FU Xudong. Experimental study on the wet deformation of roadbed sand[ J].Journal of Railway Science and Engineering,2005, 2(4):21-25.

[8] 王强,刘仰韶,傅旭东,等.砂土路基湿化变形和稳定性的可靠度分析[J].中国公路学报,2007,20(6):7-12.

WANG Qiang, LIU Yangshao,FU Xudong, et al. Reliability analysis for wetting deformation and stability of sand soil roadbed[J]. China Journal of Highway and Transport,2007, 20(6):7-12.

[9] 舒玉, 严战友,刘红峰. 砂土路基力学与变形指标的室内试验研究[J]. 石家庄铁道学院学报(自然科学版),2010,23(1):22-25.

SHU Yu, YAN Zhanyou, LIU Hongfeng. Indoor experimental study on mechanic sand deformation indicator soft sand subgrade[J]. Journal of Shijiazhuang Railway Institute (Natural science), 2010,23(1):22-25.

[10] Jennings J E, Knight K. The additional settlement of foundation due to collapse of sandy soils on wetting [C]// Proc 4th Inter Conf on Soil Mechanics and Foundation Engineering, 1975, 1:316-319.

[11] Skopek Peter, Morgenstern N R. Robertson P K. Collapse of dry sand [J]. Canadian Geotechnical Journal, 1994, 31(6):1008-1014.

[12] 罗云华, 砂土路基湿化变形研究[D].武汉：武汉大学, 2004 :7-30.

LUO Yunhua. The research on sandy soil subgrade’s wetting deformation [D]. Wuhan: Wuhan Unirersity, 2004 :7-30.

[13] 魏松, 朱俊高.粗粒料三轴湿化颗粒破碎试验研究[ J] .岩石力学与工程学报, 2006 , 25( 6) :1252- 1258.

WEI Song, ZHU Jungao. Study on wetting breakage of coarse-grained materials in triaxial test[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2006, 25(6): 1252- 125.

[14] Lawton E C, Fragaszy R J, James H H. Collapse of compacted clayey sand[J]. Geotechnical Engineering, 1989, 155(9):1252-1267.

[15] 张炜,张苏民.我国黄土工程性质研究的发展[J].岩土工程学报,1995,17(6):80-88.

ZHANG Wei, ZHANG Sumin. Development of loess engineering properties research in China[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 1995, 17(6):80-88.

[16] 高国瑞. 近代土质学[M]. 南京：东南大学出版社，1990:36-37

GAO Guorui. The modern soil science[M]. Nanjing： Southeast University Press,1990:36-37.

[17] 张延杰,王旭,梁庆国,等.湿陷性黄土模型试验相似材料的研制[J].岩石力学与工程学报，2013，32(增2)：4019-4024.

ZHANG Yanjie，WANG Xu，LIANG Qingguo. et al. Development of model test similar material of collapsible loess[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2013, 32(Suppl 2): 4019-4024.

[18] GB50025—2004湿陷性黄土地区建筑规范[S].

GB50025—2004，Code for building construction in collapsible loess region [S].

[19] 冯连昌, 郑晏武. 中国湿陷性黄土[M]. 北京: 中国铁道出版社, 1982:173-174

FENG Lianchang, ZHENG Yanwu. Collapsibility of Chinese loess[M]. Beijing: China Railway Publishing House, 1982:173-174.

[20] 刘祖典. 黄土力学与工程[M]. 西安：陕西科学技术出版社，1997:78-92

LIU Zudian． Mechanics and engineering of Loess[M]. Xi'an: Shaanxi Science and Technology Press, 1997:78-92.

[21] Horta D A, Silva J A. Relationships between the collapsing soils of the luanda and luso regions[C]//SMFE, The Fifth Regional Conference for Africa on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Luanda: Portuguese Angola (Portuguese West Africa), 1971.

Analysis on collapsibility influencing factors of artificial sand

LIU Boshi1，2, ZHANG Yanjie1, WANG Xu1, LIANG Qingguo1, LI Sheng1

(1.School of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China;2. Key Laboratory of Road & Bridge and Underground Engineering of Gansu Province, Lanzhou 730070, China)

Based on analysis of mineral composition of collapsible soil, artificial collapsible sand was prepared with non-coherent fine sand and coherent clay mineral-calcinations kaolin. Through orthogonal test and single factor test, relationship between collapsibility of artificial sand and content of kaolin clay, degree of compaction and initial water content was studied. These tests are repeatable and controllable. Test results show that:1) Influencing degree of these three factors on collapsibility of artificial sand ordered in the following: compaction degree> kaolin clay content > initial water content.2) Collapsibility of the artificial sand increases at first and then decreases with the increase of the clay content.3) There is a proportional relationship between collapsibility of artificial collapsible sand with void ratio, and there is an inverse relation between collapsibility of artificial collapsible sand with dry destiny, kaolin clay content of which is 20%.4) Sand particles are surrounded by clay films, and clay films are wrapped with water films. These double membrane structures would lead to the collapse of artificial sand under water immersion. The research results can provide

and technical supports for treatment of collapsible sand foundation in railway projects.

collapsible sand；railway subgrade；kaolinite；compaction degree；initial water content

2016-05-06

国家自然科学基金资助项目(41402252，41262010，51408289)；甘肃省科技计划项目(1506RJYA063)；长江学者和创新团队发展计划项目 (IRT1139)

王旭(1965-)，男，河南洛阳人，教授，博士，从事土工理论研究；E-mail: publicwang@163.com

TU528

A

1672-7029(2016)10-1933-07