浅谈黄土湿陷的机理研究

2018-04-02

福建质量管理 2018年7期

(青海大学土木工程学院　青海　西宁　810016)

一、前言

(一)研究的背景及意义

湿陷性黄土属于第四纪沉积物，在天然湿度下，其压缩性较低，结构强度较高；受水浸湿后，在土体自重应力或自重应力与外部附加应力共同作用下，强度会降低。在湿陷性黄土地区，地基土遇水浸湿后产生下沉，造成房屋建筑产生裂缝，道路沉降变形，边坡不稳定，山体滑坡等等均与黄土的湿陷有关系，这些由于黄土湿陷性引起的事故往往是重大事故，导致巨大的损失。当土体中残余的强度不足以抵抗土体中的结构应力时，土体结构迅速破坏，并发生显著的沉陷。在我国，湿陷性黄土占黄土总面积多达3/4。在湿陷性黄土地区，地基土遇水浸湿后产生下沉，造成房屋建筑产生裂缝，道路下沉破坏等均与黄土的湿陷有关系，这些由于黄土湿陷性引起的事故往往是重大事故，导致巨大的损失。近年来，随着西部大开发和“一带一路”战略和城镇化战略的综合实施，黄土地区建筑物越来越多、其规模也越来越大，而目前较常用的地基处理方法(包括强夯法和挤密法等)一般只能消除基底下10—15m 地基土的湿陷性，当基底下的湿陷性黄土层大于 15m 时，往往采用桩基穿透湿陷性黄土层予以处理，但费用较高。因而深入研究非饱和黄土湿陷产生机理，对于预测路基工程和建筑工程因湿陷性而产生的安全问题及优化地基处理等均具有重要的学术意义和工程实践价值。

(二)国内外研究现状

黄土遇水湿陷是其典型的最重要的工程地质特性，黄土的湿陷性研究始于上世纪50年代，孙建中等多位土力学专家撰写过黄土浸水之后发生沉降的现象,并定义为该现象为黄土湿陷性现象,因而,湿陷性为黄土的特有的遇水沉降性质,黄土湿陷特性由此进入了研究篇章。仔细分析关于黄土的湿陷性研究历史，可知，湿陷性研究可归结于黄土的内外因素共同决定：外因是黄土的应力路径和水，内因是黄土的物性(初始含水量,密度)，二者的共同作用。国内外学者研究土水特性及湿陷性质的机理也是基于此为出发点研究的。关于不饱和黄土的湿陷性研究，早期主要集中于湿陷成因和时代，然后得出了一些学说：欠压密说、胶体不足说、易溶盐说、水膜楔入说等，但是这些学说从物理学、物理化学、地质学等单方面解释湿陷性，却不能从机理上从分解释黄土湿陷现象和原因。

我国的张长城，丁冰，章静[1]等人采用单线法和双线法对不同压力下黄土的湿陷性进行了分析研究，得出在上覆压力600kpa范围内,湿陷系数随压力的增加而增加；许领，戴福初[2]，邵生俊，杨春鸣[3]，申永庆[4]及长安大学的侯晓坤[5]，陈阳[6]，刘茹[7].等人通过室内试验研究了影响洛阳地区黄土湿陷的主要因素及其湿陷机理；姚志华[8]，武小鹏[9]，黄雪峰，杨校辉[10]等人通过湿陷性黄土现场浸水试验，指出了现行规范中湿陷性判定、地基处理厚度、剩余湿陷量及停水标准等方面存在的问题并给出了相应建议同时揭示了黄土湿陷的原因；陈阳，李喜安[11]，张豫川[12]，高凌霞，栾茂田，杨庆[13]等人从微观角度综合分析了黄土湿陷的成因机理；王萌[14]对西宁地区非饱和黄土做了强度特性试验及SWCC 试验研究，从宏观和微观解释了黄土湿陷的原因；刘瑞强[15]，徐海[16]，侯建[17]，胡晓明[18]，王小兵[19]，李开清[20]等人对不同的湿陷性黄土地质情况提出了具体的地基处理方法。谢婉丽，王延寿[21]在回顾早期黄土湿陷机理研究成果的基础上，概述了黄土湿陷机理的发展历程，通过工程实例研究提出了当前黄土湿陷机理发展中存在的问题,并对其发展趋势进行了分析。

二、对黄土的湿陷性研究所采用的试验方法

(一)非饱和黄土的湿陷性室内研究

首先，黄土的基本物理力学指标的试验方法。比重试验采用比重瓶法；干密pd=p/(1+w)含水率可用烘干法或燃烧法测得。

土由可塑状态转到流动状态的界限含水率称为液限，可采用锥式液限仪来测定塑限可采用搓条法测定。渗透试验采用常水头法测定渗透系数K。

土体压缩系数是描述土体压缩性大小的物理量，被定义为压缩试验所得e-p曲线上某一压力段的割线的斜率。

湿陷系数是评价黄土湿陷性的一个重要指标，湿陷系数按δs=(hp-h’p)/h0求算，式中：hp为保持天然含水率和结构的试样，加压至一定压力下沉稳定后的高度(cm)；h’p为上述加压稳定后的土样在浸水作用下,下沉稳定后的高度(cm)；h0为土样的原始高度(cm)。

室内浸水压缩试验测定黄土湿陷系数的方法主要有双线法和单线法，其主要区别是浸水和加荷程序不同。

单线法试验：单线法试验是对试验土样分级加荷至规定压力，下沉稳定后，试样浸水饱和，附加下沉稳定，试验终止。通过附加下沉量与试样原始高度之比计算湿陷系数。

双线法试验：将下逐级施加垂直压力，至目标压力终止，观测分级沉降量。同时，将另一组天然状态土样，在土样浸水饱和的状态下，逐级施加垂直压力，至目标压力终止，分级观测沉降量。计算各级压力下的湿陷系数，并绘制曲线。

(二)现场基坑浸水试验

试验方法：

武小鹏[9]进行了现场浸水试验,选取了青海乐都县某地为基坑场地，基坑直径为25米，在现场浸水试验开始前，在每个试验场地人工开挖两个探井(探井深度穿透整个湿陷性黄土层)对试验场地进行了精细勘查，在勘察过程中按1米间距人工取原状样进行室内试，对比分析室内试验与现场试坑浸水试验实测的自重湿陷性黄土下限深度的定量关系，定量分析其差异形成机理，提出基于室内试验准确获取湿陷性黄土下限深度，然后以现场基坑试验为依据作出累计湿陷量曲线。主要试验结论：

(1)由曲线可知自重湿陷性黄土层下限深度是明确且唯一的。

(2)自重湿陷性黄土深部湿陷要经历一个发展演变过程。浸水后浅部土层首先发生自重湿陷，随着浸水时间的延长和水分的逐渐入渗，湿陷深度才逐渐向深部扩展。

(3)一般浸水，黄土湿陷性沿深度的变化趋势为湿陷性土层的中部湿陷性较为强烈。

(三)从微观结构研究非饱和黄土的湿陷机理

现在对于黄土的微观结构的定量分析可以采用PCAS 系统[14]，其主要功能是进行颗粒、孔隙和裂隙图像的自动识别、几何定量和统计分析。通过湿陷前后的数值对比及图形对比，来综合分析探究黄土湿陷性的机理。

黄土湿陷的过程中胶结物随着骨架颗粒的滑移而散布于颗粒或孔隙之间，一些不稳定的团粒结构被肢解，孔隙中被大量的黏粒物质所填充，使得连通性大大降低，而稳定的团粒结构内部孔隙仅发生了变形而不被破坏。在外荷载和水的共同作用下，黄土的结构强度发生突变、不可逆变小而产生的变形，说明黄土的湿陷变形实质就是一种特殊的塑性变形。

(四)对黄土湿陷的讨论

(1)黄土在天然状态下，其内部的胶结物在骨架颗粒的接触部位，当黄土遇水之后，在外部压力和水化的共同作用下，黄土土体内部发生一系列复杂的物理化学变化，颗粒与颗粒间的部分物质和黏土矿物被软化，原有的骨架颗粒排列顺序被打乱并重新排列，颗粒与颗粒间的孔隙改变，土体趋于密实。

(2)在外部压力和水化的共同作用下，黄土的结构性强度发生了突变而产生变形，说明黄土的湿陷变形可以认为是一种特殊的塑性变形。土体内部分颗粒与颗粒间的相对滑移导致其颗粒间发生应力重分布，而其他颗粒的连续滑移使得土体形状发生了变化，最终导致黄土发生湿陷。(3)综合湿陷性研究成果可归纳出黄土湿陷是内外因素共同决定的：外因主要包括黄土的应力路径和水，内因包括黄土的初始含水量和密度。

三、结语

(1)虽然国内外对黄土湿陷都做了不少机理的研究，但是对于建立能够合理描述黄土工程中不饱和黄土潜蚀湿陷破坏过程的本构模型还没有完成，当我们能够建立黄土湿陷的数值模型后，我们就可以运用该模型直观的对黄土工程的安全及稳定性进行评估和预测，预测结果具有直观性和易接受性，这为防灾减灾和水土保持提供了必要的理论依据。

(2)随着对湿陷性黄土的作用机理研究，对于湿陷性黄土地基的处理也会提供重要依据。也可以在现有的地基处理的基础上，分析湿陷的主要原因探究黄土地基处理的新方法、新工艺，具有重要的经济价值。

【参考文献】

[1]张长城，丁冰，章静.不同压力下黄土的湿陷性试验分析研究[B].土工基础.2016.

[2]许领,戴福初.黄土湿陷机理研究现状及有关问题探讨[A].岩土力学学报.2009,(3).1006 -6616

[3]邵生俊,杨春鸣,马秀婷,陆斯.黄土的独立物性指标及其与湿陷性参数的相关性分析.岩土力学[A].2013,(10)1000-7598

[4]申永庆.洛阳地区黄土湿陷性及其影响因素研究.石家庄经济学院.2015.

[5]侯晓坤.黄土非饱和湿陷变形特性研究.长安大学.2015.

[6]陈阳.黄土湿陷性影响因素试验研究.长安大学.2015.

[7]刘茹.基于土-水特征曲线的黄土压缩特性试验研究.长安大学.2014.

[8]姚志华,黄雪峰,陈正汉,张建华.兰州地区大厚度自重湿陷性黄土场地浸水试验综合观测究.[A]岩土工程学报.2012

[9]武小鹏.基于试坑浸水试验的大厚度黄土湿陷及渗透特性研究.兰州大学.2016.

[10]黄雪峰，杨校辉.湿陷性黄土现场浸水试验研究进展[A].岩土力学.2013.