侧限条件下原状黄土的增湿变形特性研究

2021-05-07金娟

能源与环保 2021年4期

金娟

(陕西铁路工程职业技术学院，陕西渭南 714099)

中国约有64万km2的领土属于黄土和黄土状土地。其中，西北地区黄土地底层较全、发育较好且最为完整，做好针对原状黄土的变形特性研究工作对于西北地区的建设有着不可替代的重要作用。国内学者对其进行了大量的研究，文献[1]分析了结构性黄土压缩特性的微观非连续变形，文献[2]研究了补水条件下压实黄土的二维冻融变形特性，研究结果对季节性冻土地区压实黄土岸坡工程的冻害评价与防治有重要意义；文献[3]对真三轴加卸载试验条件下黄土强度变形特性进行了研究，以非饱和土三轴仪为主要工具在真三轴条件下，对某型号黄土进行了基质吸力和净围压不同条件下对黄土强度变形特征影响的试验，提出了考虑净围压、基质吸力等条件影响的黄土强度变形特性修正计算公式，完善了与试验试样类型相似的土样增量非线性模型；对于建设工程来说，为了排除侧向变形对于建设物的影响，需要通过侧限条件下的净竖向应力作用试验来了解原状黄土的增湿变形特性，并根据试验结果来设计建设方案，在提高建设质量的同时维护好施工安全[4]。

1 侧限条件下原状黄土的增湿试验

1.1 试验土样

此次研究所使用的试验土样为Q3黄土，来自西安市某工程基坑，其物理特性指标见表1。

表1 原状黄土物理性质指标Tab.1 Physical properties of undisturbed loess

1.2 试验仪器

本次研究中进行原状黄土侧限压缩试验所使用的仪器为非饱和土直剪仪，该设备的具体结构如图1所示。

图1 非饱和土直剪仪Fig.1 Unsaturated soil direct shear instrument

1.3 试验方法

取一个饱和陶土板，确保陶土板表面干燥，将滤纸放置于陶土板上方，再将陶土板推入剪切盒并盖好板盖。根据表1中原状黄土含水量和干密度2项指标可以计算出其初始吸力为175 kPa，将孔隙气压设定为175 kPa，维持竖向变形与排水量稳定，打开排水管[5-8]。在试样排水量稳定的情况下，为满足侧限条件，还需要在试样上方施加竖向固结应力，等竖向变形和排水量稳定后将排水管关闭，依照实际饱和度和含水量对试样实施增湿处理，在试样达到饱和之前持续采集饱和度、含水量、孔隙比等数据[9-11]。

2 侧限条件下原状黄土的增湿变形特性

在对增湿前原状黄土试样施加竖向压力的过程中，各项物理指标见表2。

表2 原状黄土试样增湿前的物理性质指标Tab.2 Physical properties of undisturbed loess samples before humidification

根据表2可知，在原状黄土净竖向应力提升的过程中，饱和度与干密度也会随之增加，孔隙比相应降低，但在含水量方面未表现出明显变化。在孔隙比不断降低的过程中，原状黄土试样的侧限压缩逐渐增强。在净竖向应力不变的情况下，原状黄土在分组增湿的过程中，其饱和度和含水量均会发生一定的改变，进而出现增湿湿陷变形。增湿过程中饱和度与孔隙比之间的关系如图2所示。

根据图2可知，在无应力作用的情况下，原状黄土孔隙比几乎未出现任何变化，代表湿陷变形主要来自于外部应力。在应力增湿的情况下，孔隙比—饱和度首先表现为快速下降，后续下降逐渐平缓，说明试样初始孔隙与净竖向应力成正比，并且在施加净竖向应力的初始阶段，原状黄土的湿陷变形速度很快，后期孔隙比变化幅度较小。

研究通过孔隙比与(吸力+应力)/应力之间的关系来描述应力与孔隙比之间的变化规律，二者之间的关系如图3所示。

图3 原状黄土境湿变形特性孔隙比—应力曲线Fig.3 Porosity ratio-stress curve of wet deformation characteristics of undisturbed loess

由图3可知，在净竖向应力高于245 kPa的情况下，孔隙比—应力曲线由平缓上升、快速上升和平缓上升3个部分组成，在竖向应力为50 kPa的情况下，孔隙比—应力曲线几乎与无应力增湿相重合，说明原状黄土在该状况下未出现湿陷变形。在固结应力不断增加的过程中，孔隙比—应力曲线逐渐向上发展，后期基本稳定，说明原状黄土试样受净竖向应力的结构性影响十分明显。在净竖向应力低于200 kPa的情况下，原状黄土在孔隙比—应力曲线发展初期表现出了较大的吸力，在实施增湿处理的过程中，孔隙比变化并不明显，原状黄土受增湿的影响较小，而在持续进行增湿处理的过程中，吸力快速下降，致使试样表现出十分显著的湿陷变形，直至原状黄土试样达到饱和后，孔隙比才达到稳定状态。

此次研究将原状黄土增湿且施加净向应力状态下的吸力—孔隙比曲线的斜率记为λs，在对原状黄土不断施加净竖向应力的过程中，λs与应力之间的关系[12-14]如图4所示。

图4 原状黄土增湿过程中的λs—应力曲线Fig.4 λs-stress curve of undisturbed loess during humidification

根据图4可知，原状黄土在λs—应力曲线在净竖向应力为200 kPa时达到斜率最大，表明在增湿过程中，原状黄土试样在净竖向应力为200 kPa的情况下，孔隙比下降得最快。

研究通过竖向变形的方式对不同净竖向应力下原状黄土的湿陷系数进行计算[15-20]，列出原状黄土在应力增湿过程中的孔隙比、增湿后干密度与湿陷系数等各项压缩湿陷指标，具体结果见表2，同时绘制出湿陷系数与应力之间的关系曲线，具体结果见表3。根据表3和图5可知，在应力增湿作用下，原状黄土湿陷系数呈现先升后降的特点，在净竖向应力达到400 kPa的情况下，湿陷系数达到0.086，处于最高水平。在竖向应力不断提升的过程中，原状黄土的孔隙比随之降低，干密度随之上升。

表3 原状黄土应力增湿状态下的各项湿陷指标Tab.3 Various collapsibility indexes of undisturbed loess under stress humidification

图5 原状黄土增湿过程中的湿陷系数—应力曲线Fig.5 Collapsibility-stress curve of undisturbed loess during humidification

经实验研究发现，增湿过程中的原状黄土试样净竖向压力为400 kPa的情况下达到最高湿陷系数，高英等[8]针对西安地区黄土增湿变形特性进行分析时，通过常含水量侧限压缩与控制吸力排水侧限压缩试验发现，原状黄土样本在增湿过程中，当施加400 kPa的净竖向压力时，试样的湿陷系数约为0.09，研究与该结论基本一致。