湿陷性黄土固结试验与双线法试验探讨

包得祥 王宝成 虎居峰

（甘肃畅陇公路养护技术研究院，甘肃 兰州 730030）

1 概述

1.1 湿陷性黄土

湿陷性黄土是第四纪时期形成的黄色粉状沉积物，兰州地区分布的湿陷性黄土主要为Q3马兰黄土和Q41 次生黄土，局部地区为新近堆积黄土，具有如下特点：

1）颜色呈黄色或褐黄色、垂直节理发育，联结较强不抗水，大孔性明显，孔隙比大（0.8-1.1），含水率小（4%～10%）；

2）结构上以粉粒（0.005-0.05mm）为主，约占总土量的60%～75%左右，含有大量的碳酸盐、硫酸盐和氯化物等可溶盐类，易溶盐、中溶盐和有机质含量较少，亲水性较弱；

3）水理性敏感，浸湿后强度联结减弱，含水率提高显著，湿陷起始压力低（2-5MPa），具有自重湿陷性（δzs≥0.015）且强湿陷性程度强（δs≥0.07）。

1.2 固结试验

固结试验是基于Terzaghi 的单项固结理论，饱和土体（固、液两相）在侧限条件下，随着垂直单项力的持续作用，土体中超静孔隙水压力逐渐消散，有效应力逐渐增长，土体体积不断压缩的过程。试验指标为孔隙水压力及土体应力。

本文论述的研究对象为非饱和土体（固、液、气三项），由于固结试验无法测定孔隙气压力，故本文主要就非饱和土的一维压缩特性进行探讨，主要测定压缩系数av及压缩模量Es，不做固结系数研究。

1.3 湿陷性试验

黄土湿陷性的测定指标主要为：湿陷系数δs、溶滤变形系数δwt、湿陷起始压力Psh，自重湿陷系数δzs，其中溶滤变形系数δwt在测定时的试样稳定标准为每3d 变形量不大于0.01mm，在需要做大量土样试验时耗时久、效率低，工程适用性较差。当有必做要求时，为提高工作效率，可选用代表性试样进行试验，作为整体试样的数据参考。

国内外对于黄土湿陷性测定方法普遍采用单线法及双线法：单线法试验要求试样组数为5 组，而对于黄土而言，因垂直裂隙发育、结构松散等特点，黄土的均一性不能保证，致使统一深度的5 组试验数据存在很大差异，数据离散性较大；双线法的湿陷性试验要求试样组数为2 组，对于试样的均一性控制较容易，试验结果的规律性良好，便于数据的处理。又由于试验方法简单，工作量少，对比性强等特点，尤其适用于大量试样的工程性试验。

对于双线法试验中湿陷性系数δs偏大而湿陷起始压力Psh偏小的情况，采用浸水条件下最后一级荷载的土体湿陷系数δ2与天然条件下最后一级荷载施加完成后浸水的湿陷系数δ1相互校核，最终求得黄土的湿陷系数δs。

应该指出，固结试验中的压缩部分与湿陷性试验的根本矛盾相同，即变形压力与变形阻力的矛盾。但二者的变形含义有所不同，压缩变形是黄土在保持含水率不变的情况下，由于荷载作用产生的垂直变形，是所有土体的共同特性；湿陷变形是黄土在荷载和浸水共同作用下，由于胶结结构破坏产生的显著湿陷变形，是湿陷性黄土独有的特性。

2 两种试验在试验方法上的统一

2.1 黄土快速压缩试验

黄土快速压缩试验为固结试验的一部分，是一种快速处理测定大量土样压缩指标的方法。具体做法为每级荷载条件下固结1h，最后一级荷载固结24h。主要针对非饱和土体，进行压缩系数av和压缩模量Es的确定。在确定试验数据时引入大于1 的校正系数K进行变形量的修正。

依据规范要求，在试验仪器检查无误，试样放入压缩容器后，首先进行预压，预压值为1.0kPa，使固结仪各部分紧密接触。荷载序列为50、100、200、300、400（kPa），且最后一级荷载不小于400kPa。有时根据土的软硬程度，第一级荷载可考虑用25kPa[1]。兰州地区黄土由于含水率较低、土质较硬，且结合大量黄土压缩试验数据表明，兰州地区黄土在进行土体压缩性试验时，第一级荷载宜采用50kPa。稳定标准为每小时变形量不大于0.01mm

依据土体三大物理性质试验指标：含水率ω、比重Gs、湿密度ρ，通过计算得出土体的天然孔隙比e0，即试验开始时的孔隙比，然后依据校正系数K 计算各级荷载的校正变形量Δhi，最后通过计算各级荷载下的单位沉降量Si及各级荷载下试样稳定后的孔隙比ei，确定某一荷载范围内的压力系数αυ及压缩模量Es。各计算公式如下：

上列各式中：

(hn)T—400kPa 荷载条件下24h 后的稳定变形量；

(hn)t—400kPa 荷载条件下1h 后的变形量；

∑Δhi—某一级荷载下的总变形量（mm）；

h0—试样的起始高度，规范要求为20mm；

ei—某一荷载下压缩稳定后的孔隙比，精确至0.01；

av—压缩系数（kPa-1），精确至0.01；

pi—某一荷载值（kPa）。

2.2 双线法湿陷试验

双线法湿陷试验是在同一土样筒中，切取2 组环刀试样，1 组在天然湿度下按约定荷载等级进行加载，加至最后一级荷载稳定后继续进行浸水稳定（第1 组试样）；另1 组试样在天然湿度下按约定荷载等级进行第一级加载，稳定后在第一级荷载条件下浸水，再分级加载稳定，直至最后一级荷载稳定，加载过程中试样一直处于浸水状态（第2 组试样）。

通过上述试验过程可以看出：湿陷性试验的第1 组试样试验过程类似于土体固结试验中的压缩土体试验；第2组试样试验过程类似于饱和土体的固结试验。

参考规范要求，对于无特殊要求的建筑物，其荷载序列为50、100、150、200、300（注：当饱和自重压大于300kPa 时，采用300kPa 作为土体饱和自重压）。稳定标准为每小时变形量不大于0.01mm（除溶滤变形系数）[1]。

其各自的荷载序列如下表所示：

表1 压缩试验与湿陷试验荷载序列表

表2 调整后的压缩湿陷试验荷载序列表

从表1、表2可以看出，当选用调整后的试验荷载时，可以同时满足压缩试验与湿陷性试验的要求，压缩试验的相关参数的计算范围为第1 组荷载序列中的50、100、150、200、300、400（kPa），截止最后一级荷载条件下试样达稳定后加水前。

在进行湿陷性试验的相关参数计算时，比较表1与表2的加载序列可以得出，二者不同点仅为在300kPa 或400kPa 作用下加水的问题，这对于试验结果是无影响的。相关规范的黄土湿陷性试验部分中荷载序列也从300kPa扩大到了400kPa[2-3]。

通过以上分析可以得出，黄土的湿陷性试验与固结试验，虽然在变形本质上两者完全不同，但是在做法上可以进行统一，即一个试验两种结果。这将大大缩减试验时间，提高工作效率，对于试样量较大时此种方法尤为适用。

3 基于土变形曲线的双线法结果校正

根据天然条件下土体的压缩曲线及黄土在浸水条件下的附加沉陷曲线，可以得到黄土在天然压缩、双线法试验及单线法试验的变形曲线，如图1所示。

图1 湿陷性黄土压力变形曲线

由图1可得如下关系：

式中，S0为P 压力下天然土体的沉降量；S1为P 压力下单线法试验的湿陷量；S2为双线法试验的附加沉陷量；a、b分别为直线方程的斜率与截距[3]。

由单、双线法湿陷系数定义，有

式中，h0为试样起始高度，20mm。

令K为试样在P压力下的修正系数，即

由式（1）、（2）、（3）得修正系数，

当P P=1时，K=1；当P P=2时，

其中，δ1、δ2分别为第1、2 组试样最后一级荷载稳定后测得的湿陷系数，K值介于0.5～1.5 之间。

综上所述，试样在双线法试验条件下最终修正后求得的湿陷系数为

式中，δsi为各级荷载条件下按湿陷系数定义求得的湿陷系数；Δδsi为对应等级荷载条件下经修正后求得的湿陷系数。

4 结语

1）分别对黄土类土体的固结试验与湿陷性试验进行讨论，指出二者的相同点与不同点。

2）通过荷载等级的比较分析，建议采用包括压缩试验在内的综合双线法进行黄土的湿陷性试验，可以大幅度缩减试验时间，提高工作效率，并给出建议的荷载等级及具体做法。

3）通过两组试样最后一级荷载下的湿陷系数之比，修正了土样的最终湿陷系数，提高了双线法试验数据的准确度，使其与单线法数据更接近。