湿陷性黄土增湿变形分析研究

杨耀峰，李 涛，张多宏，丁建兴，张彦洪，贾生海

(1.甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省水利机械化工程有限责任公司，甘肃 兰州 730070)

黄土是指第四纪地质时期的以风力搬运的黄沙沉积物，它常不整合地与基岩接触，没有顺层，含有古土层、钙质结核层，压缩性强，节理垂直，常会形成陡壁[1]。被浸没的土体在覆盖土层的自重作用下，或在覆盖土层自重和附加应力的共同作用下，发生明显的结构破坏而产生附加变形的特征即为湿陷性[2]。将具有湿陷性的黄土称之为湿陷性黄土，而湿陷性黄土是一种特殊的土，其特殊性主要表现在部分黄土遇水后突发湿陷变形。我国学者自20世纪50年代就开始对黄土的湿陷性进行研究。张苏民等[3]通过对西安东郊渭河Ⅲ级阶地，自重Ⅱ-Ⅲ级湿陷性黄土试验，首次提出了“增湿变形”这一概念，并且在此基础上建立了增湿变形的力学模型。刘保健、谢永利等[4]通过对黄土非饱和入渗规律的原位试验得出，在非饱和入渗期，土壤饱和度随时间的变化近似为线性，短期内浅层土壤非饱和入渗时间随土壤深度的变化也近似为线性。姚志华等[5]在通过总结大量的现场浸水试验后，在评价湿陷性和剩余湿陷量的合理控制方面提出了一些新见解。本文在前人对黄土湿陷性研究基础上，总结黄土增湿变形的相关特性以及试验方法，以期对同类试验研究提供借鉴和参考。

1 黄土增湿变形的基本特征

黄土增湿变形是指在一定的压力下，黄土被水浸透后随着含水量和饱和度的增加进而发生显著的附加下沉。肖巧林等[6]采用单轴压缩法对取自甘肃定西的黄土(陕西关中，属Q3原状黄土)进行试验研究，其结果表明，黄土的湿陷变形会随着初始含水量的增加而减小。为了研究黄土的非饱和增湿变形特征，邵显显等[7]在甘肃兰州皋兰山(属Q3马兰黄土)取土试验研究，以扫描电镜试验(SEM)和压汞试验(MIP)为研究方式，在分级的基础上，对不同压实度的黄土开展浸水增湿变形试验，最后提出了压实黄土增湿变形的临界孔隙比。张苏民等[8]和张茂花[9]在不同程度的增湿、减湿条件下，开展原状黄土的压缩试验，结果表明，原状黄土的湿陷系数随含水量成反比，并指出不能认为在所有情况下，湿陷系数都随压力的增大而增大。

对于黄土的变形，还可以分为压缩变形和塌陷变形[6]。由力的作用造成了压缩变形，而湿陷变形则是在水的作用下产生的，在一定压力下的总变形则为这2种变形之和，在此压力水平之前的任何压力水平下的总变形都不会影响该压力水平下的总变形，这也就说明了黄土的总变形与湿陷浸水的路径无关。同样，黄土也可以在不同的压力和水浸泡条件下进行加载、卸载、再加载的方法试验，由此可以得出黄土在一定荷载作用下的总变形不受浸水路径和加载方法的影响。

2 湿陷性黄土试验原理方法研究

有关黄土湿陷性的试验方法已有多种。魏俊伟[10]运用单线法和双线法研究黄土的湿陷性，得出了湿陷性黄土力学参数随着含水量的变化而变化的结论。方祥位等[11]在一维和三维应力状态下，利用固结仪和湿陷三轴仪，研究了陕西蒲城电厂黄土(Q2)的湿陷性，并简单地研究了三轴湿陷试验特性。其中在物理力学性质与湿陷系数的关系方面，员康峰等[12]利用常规压缩仪，在晋南黄土地区研究了压缩模量和湿陷系数随含水率的变化规律。朱凤基等[13]以甘肃庆阳地区为例，从工程地质角度学出发，用回归方程将黄土的湿陷系数与各影响因素之间联系起来。米文静等[14]采用单线法和双线法研究了伊犁黄土的湿陷性，得出伊犁黄土的湿陷性较强，尤其在浅层处更为严重，而此处黄土的湿陷系数与其深度成负相关，并且在不同的深度、压力和初始含水率条件下，它们表现出不同的湿陷性和敏感性。

2.1 单轴湿陷变形试验

在单轴湿陷变形试验中，通过单线法和双线法来确定湿陷性系数[15]。但由于浸水和加载过程的不同，湿陷性的产生和发展也存在差异。单线法是对土样先施加递增的压力使其压缩稳定，最后浸水至完全饱和，可以直接得出湿陷系数，更符合实际情况。双线法是土体在饱和下加荷载，土体会随着荷载的不断增大而慢慢破坏，通过此方法测得的湿陷系数一般偏大。张威[16]以新疆伊犁河流域的重塑黄土为研究对象，采用双线法进行室内压缩试验，得出当黄土饱和度提高时，湿陷性系数将增大，而当增湿含水率提高后，敏感度反而会降低。张茂花等[17]在增湿和减湿条件下，采用单、双线法对原状黄土(Q3)进行单轴试验，结果表明，试验方法的不同引起湿陷系数与压力的关系曲线也不同。

单轴湿陷变形试验还存在一个问题，即在试验(尤其是单线法)的过程中使用了较多的土样，由此产生的最大问题就是土质的不均匀性，且在制样过程中会增加工作量，影响试验结果的准确性，因此，该情况下分析研究出来的规律与土体实际性质会有所不同。

2.2 三轴湿化试验

常规三轴试验是测试土样变形特性最基本、最简单的方法之一，可以通过测量试验过程中排水管排出的水量和渗透管渗入土体的水量来确定体积的变化规律。而三轴湿化试验是在一定围压下的固结稳定后，在一定的固结应力状态下，样品浸泡以一个恒定的水从底部样本产生润湿变形并达到一个新的稳定状态，即湿化稳定[18]。邢义川等[19]以陕西张桥黄土为例进行了增湿变形试验，最后得出，在增湿过程中黄土的应力应变曲线变化规律是不相同的。李加贵等[20]通过在控制吸力的条件下，采用应力控制式三轴仪和湿陷性三轴仪，研究原状黄土(Q3)的浸水和湿陷特性试验，结果表明，在相同的吸力作用下，有效净围压较大的湿陷体的应变也较大，当吸力较大时，随着净围压的增大，湿陷变形量也随之增大。冯志焱等[21]在不同含水量下进行三轴试验，研究原状黄土与重塑黄土的相关特性，结果表明，在三轴试验剪切过程中，黄土的吸力随应变的变化而变化，而重塑黄土的吸力大小和变化特性与原状黄土大致相同。

2.3 原位浸水试验

原位浸水试验是评价黄土湿陷性最可靠的方法。其主要特点就是样本量大，忽略了边界对试验结果的影响，因此，它在一定程度上反映了增湿对原状黄土结构的影响。然而，在所有测定黄土湿陷性的方法当中，它是最昂贵、也是最复杂的，因此，它更适用于高层建筑、高速铁路等一些复杂的、重要的岩土工程的施工[22]。为了研究城市轨道交通地下结构中形成的大厚度湿陷性黄土，苏忍等[23]以兰州地铁3号线一期工程——陡道沟站为例，通过场地地面浸水试验，研究了既有黄土地层的湿陷变形特性，其结果表明场地内黄土的湿陷系数与黄土的深度成反比。樊珂奇[24]在实地调查我国某铁路沿线的黄土基础上，结合多学科的理论和方法，研究黄土工程特性和高边坡稳定性，并提出了“黄土工程特性指数”的概念。罗晓锋等[25]通过现场浸水试验的方式对新建的银川-西安高速公路进行研究，结果表明，黄土湿陷速率呈现出“慢-快-慢-稳定”的变化特点。

3 黄土湿陷性判定

湿陷性黄土在我国广泛分布，主要分布在山西、陕西、甘肃多数地区以及河南西部。通过大量工程实例和试验研究得出，黄土按照性质可分为湿陷性黄土和非湿陷性黄土，而湿陷性黄土对于工程建设生产有着很大的影响，因此，如何判定黄土是否为湿陷性黄土显得格外重要。

对于黄土性质的判定，则依据现行国家标准GB 50025—2004《湿陷性黄土地区建筑规范》的相关规定[26]，采用湿陷系数δs来判定，δs则通过室内浸水压缩试验测得。当δs<0.015时，为非湿陷性黄土；当δs≥0.015时，则为湿陷性黄土。

对于湿陷系数δs，则按以下公式计算：

(1)

计算湿陷系数时，当基底压力不大于300kPa时，基底处的竖向压力在10m内的土层采用200kPa；当10m以下土层不大于非湿陷性土层顶部时采用覆盖层的饱和自重土压力(若超过300kPa，仍采用300kPa)；当基础底面压力超过300kPa时，按采用实际压力计算。

4 工程应用

在实际工程中，由于湿陷性黄土的特殊性，给工程建筑物带来了不可言喻的隐患，而增湿变形是造成地表面不均匀沉降的根本原因，也是对上层建筑最严重的危害。自20世纪80年代以来，一些原位试验，如静力触探试验[27]、圆锥动力触探试验(DPT)[28]、旁压试验(PMT)[29]等均被用于估算黄土的湿陷性上，这些原位试验均可以克服现场浸水试验和室内试验取样时对土壤的干扰等问题和困难。在我国工程建设中，应用黄土建设工程的事例有很多。许魁[30]以黄渭高速公路为例，采用ABAQUS有限元软件研究了过湿黄土路基的压实度在一定范围内的应变及位移规律，得出了路基的沉降变形随含水率的增加而增大的结论。张爱军等[31]针对新疆大型引水渠道工程，在增湿变形的基础上，提出了渠道工程的湿陷性评价方法。武小鹏、赵永虎等[32]以郑西(郑州-西安)高速铁路(Q3大厚度湿陷性黄土)为例，采用数理统计和理论分析等方法，研究了马兰黄土的湿陷系数与其基本物理力学指标之间的关系，并在此基础上提出了适用于工程中评价黄土湿陷性的新方法。王江荣等[33]对兰州某高速公路附近金城公园的路基边坡进行研究，采用有限元软件Midas计算了边坡在暴雨条件下的相关参数，得出该地区的路基边坡处于基本稳定状态。

湿陷性黄土是一种非饱和的欠压实土，在自然状态下，土体的含水率和压缩性会较低，但其强度较高，然而，当土体被浸水时，其强度会大幅度下降，若在附加压力或黄土自身的重力与附加压力共同作用下，就会引起湿陷变形，而这种变形的特点就是沉降量大，下降速度快，对建筑物(构筑物)危害极大[34]。因此，在实际工程中，要充分了解黄土的相关性质和特点，及时有效地采取相关措施，这样不仅可以避免工程事故的发生，提高工程的安全性，还可以减少不必要的损失。

5 结语

(1)湿陷性是黄土的主要特性之一，本文在研究诸多试验成果基础上，对黄土的湿陷性从基本特性、试验原理、判定方法以及工程应用方面作出了总结和分析，分析结果表明，黄土的湿陷性变形与初始含水量成反比；在单轴湿陷变形试验中，可通过单线法和双线法来确定湿陷性系数。

(2)黄土对实际生产有很大的影响，因此，在进行相关工程施工的过程中，我们应清楚地掌握黄土的湿陷性，充分了解其相关性质和特点，避免发生工程事故，减少非必要的损失。而对于工程技术人员来说，更应加强对黄土湿陷性的分析和研究，以提高对湿陷性黄土的工程评价，并采取有效措施处理黄土的不良特性，从而实现合理应用和规范使用。