非饱和增湿条件下典型黄土湿陷性研究*

刘弋博 陈慧娥 许晓慧 郭浩天 李 慧

(吉林大学建设工程学院，长春 130012，中国)

0 引 言

黄土广泛分布于我国华北、西北等地。随着黄土地区工程建设规模的不断扩大，修筑在深、厚湿陷性黄土场地上的工程越来越多。由于湿陷性对工程安全稳定的影响较大，因此湿陷性黄土的工程特性、湿陷量计算及其地基处理已经成为21世纪黄土领域研究的难点与热点(陈正汉等，2019)。近年来，林瑶(2019)研究了兰州市彭家坪地区大厚度湿陷性黄土工程特性，邵生俊等(2013)对湿陷性黄土隧道的工程性质进行了研究，杨校辉等(2014)进行了大厚度自重湿陷性黄土地基处理深度和湿陷性试验，崔靖俞等(2019)对西宁地区不同深度原状黄土湿陷性及微观机理进行了探讨，王雪浪(2012)对大厚度湿陷性黄土湿陷变形及地基处理机理开展了研究。随着湿陷性黄土工程性质研究的进行，人们逐步认识到对其非饱和湿陷性的研究存在不足。由于深厚湿陷性黄土地基浸水后不一定能达到完全饱和状态，因此按照规范、经验以饱和黄土湿陷系数对地基变形、地质灾害进行计算、评估，已不能很好地解决黄土地区工程建设存在的问题，所以黄土非饱和增湿变形的研究与计算就尤为重要。目前，已有学者对黄土非饱和湿陷性进行了相应研究。姚志华等(2014)研究发现黄土湿陷量的计算值与其实测值之间存在差异，侯晓坤等(2016)提出了黄土非饱和湿陷变形的计算模型，邵显显(2018)、邵显显等(2019)对原状黄土非饱和增湿变形特性以及压实黄土非饱和增湿变形过程及其微观机制进行了研究，周茗如等(2017)，高英等(2019)，吴光辉等(2016)对非饱和黄土增湿，减湿变形特性及结构性等方面开展了研究，高帅等(2015)研究了非饱和原状黄土增湿条件下的力学特性，高凌霞等(2013)开展了非饱和黄土土水特性与湿陷性关系的研究。

综上所述，黄土非饱和湿陷性研究已经积累了一定成果，但不同增湿条件下，非饱和黄土内部含水率的变化及分布规律及由其产生的土体湿陷性的时空演化规律研究较少。文章以陕西省铜川市黄土为研究对象，从黄土非饱和增湿角度出发，对原状非饱和黄土土柱进行不同目标含水率的增湿，研究不同时间段不同高度下的土柱含水率分布。同时研究不同增湿目标含水率下，时间及压力因素对黄土土柱每层及整体非饱和湿陷特征的综合影响，从而为黄土非饱和湿陷性的研究及评价提供一定的参考及依据。

1 土样性质及试验方法

试验土样取自陕西省铜川市董家河镇，东经34°59′43.04″，北纬108°57′41.9″。通过探槽取土方式进行取样，取样现场如图1所示。取土深度1.5～2im，样品属于Q3黄土，土质稍湿，较为均匀。试样粒度成分见图2，黄土试样粒径在2～0.075imm间的砂粒含量为16.87%，粒径在0.075～0.005imm间的粉粒含量为70.27%，粒径小于0.005imm的黏粒含量为12.86%。土样基本物理性质指标如表1所示。

图1 取样现场

图2 粒度分布

表1 黄土基本物理性质指标

利用自制试验装置，对原状典型黄土土样(柱状)进行增湿试验。试样尺寸为150imm×150imm×250imm，如图3a所示。试验装置尺寸为150imm×150imm×300imm，如图3b所示。装置内部上方设自制水槽，为土样增湿，水槽尺寸为140imm×140imm×40imm。试样饱和含水率为40%，采用水槽滴水法，将黄土土样增湿目标含水率分别控制为21%，25%，30%。为确定水入渗过程中，土柱内部含水率的分布情况，采用高周波含水率测定仪(如图3c所示，型号JK-100，精度0.01%，量程0%～100%)分别在增湿后1ih、3ih、6ih、12ih、24ih量测土柱不同高度处225imm(第1层)、175imm(第2层)、125imm(第3层)、75imm(第4层)、25imm(第5层)黄土试样的含水率如图4a所示。试验土样共18个，其中3个用于含水率分布测试，另15个试样分别于增湿1ih、3ih、6ih、12ih、24ih后，按不同深度分5层取样，用以进行湿陷性实验。

图3 试验土样及设备

图4 含水率测试点及分层取样

含水率分布试验中，将黄土土柱含水率从初始含水率(14.6%)分别增湿至21%、25%、30%。试验过程中，根据每个黄土土柱的质量、天然含水率及目标含水率计算增湿所需加水量，并倒入自制打孔水槽中，让水均匀滴入土柱中。采用扫描深度50imm的高周波含水率测定仪分别于不同测试时间测定黄土土柱上下5层的质量含水率，每个层面测量3次取其平均值。

湿陷性试验中，每个黄土土柱达到指定增湿时间后，将增湿后的黄土土柱分5层切取标准环刀样，环刀尺寸为61.8imm×20imm，如图4b所示。湿陷性试验的增湿目标含水率、含水率稳定时间同含水率分布试验。利用每层环刀的非饱和增湿湿陷变形量换算求出黄土土柱整体增湿变形量，用以确定整个黄土土柱的非饱和增湿湿陷系数。非饱和增湿湿陷系数参考现场双线法静载荷试验，通过双线法进行计算。对天然土块上取出的标准环刀样，在天然含水率状态下进行固结试验。对做完增湿试验的环刀样进行固结试验。压力依次为50ikPa、100ikPa、150ikPa、200ikPa、300ikPa。待每级压缩变形稳定后再施加下一级压力，计算每级压力下变形稳定时环刀内试样的高度。非饱和增湿湿陷系数公式如式(1)所示。

(1)

式中：δus为非饱和增湿湿陷系数；hp为高压固结试验中，某级压力下天然环刀试样受压变形稳定后高度(mm)；h′p为高压固结试验中，增湿后土柱取出环刀试样在相应压力下受压变形稳定后高度(mm)；h0为环刀试样的原始高度(mm)。

2 含水率分布特征

根据试验数据绘制土柱不同位置处，增湿过程中含水率随时间变化曲线(图5)。

图5 不同目标含水率土样各层含水率随时间变化曲线

由图5a可知，目标含水率为21%时，黄土土柱第1层与第2层含水率变化趋势相近，随时间增加迅速降低。第3层含水率先缓慢增加，3ih后缓慢下降，曲线与前两层靠拢。第4层含水率缓慢增加，第5层含水率12ih后开始逐渐增加。对比发现24ih后前3层含水率分布较均匀，在20%～21%左右，第4、5层含水率相对较低，为19%左右。低增湿含水率时，黄土土柱内含水率随时间呈非均匀分布。

由图5b可知，目标含水率为25%时，第1层与第2层含水率变化趋势基本一致，第3层含水率随时间快速增加，6ih后平缓下降并趋于稳定。第4层含水率呈速率减小的增长趋势。第5层含水率6ih开始逐渐增长向上层靠拢。24ih后前4层含水率分布较为均匀，集中在25%～26%，第5层含水率相对较低为23.5%。此时黄土土柱内含水率分布开始由非均匀趋向均匀。

由图5c可知，目标含水率为30%时，黄土土柱第1层含水率随时间增加开始较快下降，3ih后开始缓慢下降，趋于稳定。第2、3层变化趋势大体一致。第2层含水率1ih开始缓慢下降，6ih后基本稳定，第3层含水率保持稳定。第4层含水率随时间缓慢增加，第5层含水率随时间快速增加，12ih后趋于稳定。对比发现目标含水率为30%时，增湿24ih后土柱含水率分布均匀，均在28%～29%之间。表明随着增湿目标含水率的增加，含水率分布趋向均匀。

综上所述，目标增湿含水率不同时，土体不同位置处的含水率变化趋势存在差异。研究所用黄土为粉质黏土，土中微小孔隙及大孔隙均有分布(李萍等，2019)。水分在土样中的入渗过程受非饱和土的土体基质吸力及重力共同作用。增湿目标含水率较小时，由于加入水量较少，因此，在增湿初期入渗水量大部分集中于上部表层，且随着时间增加缓慢入渗到土样中部及下部。由于土体含水率较小，试样中基质吸力相对较大，因此重力对水的入渗过程影响较小，所以试样内水分分布不均匀(李同录等，2019)。增湿目标含水率增大时，黄土颗粒间基质吸力快速减弱，水受重力作用向下入渗，下层含水率增加速率增大，含水率分布开始趋于均匀，增湿含水率越高，黄土土柱含水率趋向均匀的时间越短。

3 非饱和湿陷性分析

3.1 土柱非饱和湿陷性演化及分布规律

基于试验数据通过计算可得到黄土土柱不同位置处，在不同增湿含水率、增湿时间时的非饱和增湿湿陷系数。目标含水率为21%不同增湿时间时土柱各位置非饱和增湿湿陷系数随压力变化规律如图6所示。从1ih开始，上3层的非饱和增湿湿陷系数随着压力的增加而逐渐增加，接近上扬趋势。不同压力时，随时间的增加，上3层的非饱和增湿湿陷系数趋于接近，前两层的非饱和增湿湿陷系数不断下降，第3层的非饱和增湿湿陷系数呈先增加后缓慢下降趋于稳定。第4层非饱和增湿湿陷系数随着压力及时间的增加而逐渐增加。第5层非饱和增湿湿陷系数在增湿6ih后随压力及时间开始逐渐缓慢增加，并与第4层非饱和增湿湿陷系数靠拢，表明在非饱和增湿下6ih左右水才渗入最后一层。土体非饱和湿陷特征不均匀。

图6 目标含水率为21%不同增湿时间时土柱各位置非饱和增湿湿陷系数随压力变化曲线

目标含水率为25%不同增湿时间时土柱各位置非饱和增湿湿陷系数随压力变化曲线如图7所示。从1ih开始，上4层土样非饱和增湿湿陷系数随着压力的增加而逐渐增加，呈上扬趋势。随时间的不断增加，上4层的非饱和增湿湿陷系数慢慢接近，前两层的非饱和增湿湿陷系数不断下降，第3层的非饱和增湿湿陷系数呈先增加后缓慢下降变稳定的趋势。增湿初期，第4层非饱和增湿湿陷系数随着压力缓慢增加，增湿6ih后增长速率加快。第5层土样非饱和增湿湿陷系数在增湿6ih后随压力及时间开始逐渐缓慢增加，与前4层靠近。表明当目标含水率为25%时，增湿6ih后水才渗入最后一层。与目标含水率21%相比，目标含水率为25%时，第5层非饱和增湿湿陷系数有较大增加，随着时间变化，5层非饱和增湿湿陷系数不断接近，但第1层与第5层非饱和湿陷系数仍存在较大差异，土体非饱和湿陷特征仍不均匀。

图7 目标含水率为25%增湿不同时间时土柱各位置处非饱和增湿湿陷系数随压力变化曲线

目标含水率为30%不同增湿时间土柱各位置非饱和增湿湿陷系数随压力变化规律如图8所示。从1ih开始，前4层非饱和增湿湿陷系数随着压力的增加而逐渐增加，呈上扬趋势。第5层增湿3ih后非饱和湿陷系数随压力增加而增加，增长速率越来越快。随时间不断增加，5层土柱的非饱和增湿湿陷系数慢慢接近，前两层的非饱和增湿湿陷系数不断下降，通过图像观察，第3层的非饱和增湿湿陷系数数值在一定范围内波动(50ikPa下系数均在0.91左右，100ikPa下系数均在1.57左右，200ikPa下系数均在2.8左右)最终趋于稳定。第4层、第5层非饱和增湿湿陷系数向前3层靠拢的速度越来越快，最终5层土样的非饱和湿陷系数数值接近。与目标含水率21%、25%相比，目标含水率为30%时，各土层的非饱和增湿湿陷系数数值明显增加，随着时间变化，土柱不同位置处非饱和增湿湿陷系数接近与增长趋势更加明显，增湿24ih后系数图像出现重叠。第1层与第5层数值差减小，土体的非饱和湿陷特征趋于均匀分布。

图8 目标含水率为30%增湿不同时间时土柱各位置处非饱和增湿湿陷系数随压力变化曲线

试验结果表明，不同增湿目标含水率及增湿时间条件下，土样各位置处的非饱和湿陷特征不同。低增湿含水率下由于黄土土柱含水率分布不均匀，土柱上层含水率相较下层高，黄土结构破坏程度相较于下层大，因此上层取出的环刀样受压变形量远高于下层结构较好的环刀样，且随着压力增高，变形量随着含水率增加呈折线增长，导致黄土土柱上、下层增湿湿陷系数差异明显。随着增湿含水率的增加，黄土土柱含水率分布趋向均匀，黄土上下层结构破坏程度差距缩小，上下层环刀样变形量差减小，黄土土柱各层的非饱和增湿湿陷系数靠拢且增长趋势相同。

3.2 土柱整体非饱和湿陷特征

将不同增湿目标含水率、不同增湿时间条件下黄土土柱每层取出的环刀试样在每级压力下的增湿变形量(按高度计算成土柱)进行叠加，可得黄土土柱整体增湿变形量，由此减去原状环刀试样在每级压力下的变形量(按高度计算成土柱)，并结合土柱原始高度，就可得到不同增湿条件下土柱整体的非饱和增湿湿陷系数，如图9所示。

图9 不同目标含水率各增湿时间时土柱的非饱和增湿湿陷系数随压力变化曲线

不同增湿含水率及时间下，随着压力的增加，黄土土柱的非饱和增湿湿陷系数不断增加，且增长速率加快，曲线部分呈折线上升。低增湿含水率下，黄土土柱的非饱和增湿湿陷系数随着时间的增加而下降。增湿1ih系数最大，增湿24ih时系数最小。目标含水率增至25%时，相比增湿至21%的土柱，非饱和增湿湿陷系数在不同试验压力下随时间的增加呈逐步增大趋势。目标含水率为30%时，增湿1ih非饱和增湿湿陷系数最小，增湿24ih系数最大。随着增湿含水率的增加，黄土土柱的非饱和增湿湿陷系数随时间的增加而增大且增大趋势愈发明显。由于黄土土柱中水的变化是一个动态过程，黄土土柱湿陷也呈一个动态变化过程。低增湿含水率时土柱中水分布不均匀，上层高含水率黄土内部结构破坏远大于下层，导致黄土土柱整体受压变形量主要取决于上层，因此时间越短土柱增湿湿陷系数越大。随着增湿含水率的增加，黄土土柱含水率分布趋于均匀，上下层内部结构破坏差缩小，黄土土柱整体受压变形量不再取决于上层而是整体，黄土土柱增湿湿陷系数随时间增加而增加。由此可见，黄土土柱的湿陷受增湿水量、时间及压力控制明显。

4 结 论

通过自制试验装置，对原状典型黄土土柱进行非饱和增湿，对增湿过程中土体含水率分布及增湿后土体的湿陷性特征进行分析，可得如下结论：

(1)土体不同位置处的含水率变化趋势存在差异性，目标增湿含水率越高，黄土土柱含水率趋向均匀的时间越短。

(2)随增湿含水率的增加，黄土土柱每层的增湿湿陷系数增长速度加快，底层与上层系数数值靠拢，黄土土柱整体增湿湿陷系数也越大，且随着压力的增加呈增大趋势。

(3)由于黄土中毛细力及基质吸力的作用，导致随着时间的增加，低含水率增湿至24ih，土柱中含水率分布仍不均匀，而高含水率增湿至24ih，土柱中含水率分布趋向均匀。随增湿含水率的增加，非饱和增湿湿陷系数差值缩小，并向一个区间值靠拢，增湿开始由非均匀转向均匀，且达到均匀的时间缩短。

(4)不同含水率增湿不同时间的原状黄土土柱非饱和增湿湿陷系数存在较大差异，黄土场地建设评价湿陷性需考虑增湿时间、压力及含水率对黄土场地的综合影响。