国道G310三门峡豫西黄土湿陷特性及其微观分析

2023-07-21赵鑫鑫姜彤赵金玓张俊然

华北水利水电大学学报(自然科学版) 2023年3期

赵鑫鑫, 姜彤, 赵金玓, 张俊然

(华北水利水电大学地球科学与工程学院,河南郑州 450046)

世界上约十分之一的陆地面积被黄土覆盖,我国黄土面积约有 64万km2,主要分布在西北部、华北平原及东北地区南部[1]。在我国西北地区、黄河中游一带,黄土广泛分布的特征较为典型[2]。

黄土的湿陷性是黄土地区独特的工程地质特性,即在天然低含水率下,其强度较高、压缩性较低,一旦浸水会发生强度突降和变形突增[3]。因此,黄土湿陷性引发的工程问题越来越多,主要病害问题是黄土地基湿陷引起的建筑物倾斜、裂缝产生、路基不均匀沉降以及渠道边坡破坏等。围绕黄土湿陷性工程问题,学者们进行了广泛的研究:李永乐[4]总结了豫西黄土工程基本特征和工程地质性质,建立了豫西黄土的地层层序;朱云江等[5]研究了豫西原状黄土抗剪强度的尺寸效应,研究结果表明,在相同垂直压力条件下,大型直剪试验得出的试样抗剪强度低于常规直剪试验得到的,并且这种差异随着垂直压力的增大逐渐变得显著;邵生俊等[6]揭示了黄土结构性参数与应变、含水率、固结应力之间的关系,提出了考虑结构性参数的应力-应变关系,计算所得的应力-应变关系与试验结果有较好的一致性,验证了原状黄土结构性参数描述的合理性和基于结构性参数应力-应变关系的合理性;苗天德等[7]基于黄土微结构突变失稳假说,提出了黄土湿陷变形的一个完整的本构关系;关亮等[8]的研究表明,对于黄土工程,增加路基的压实度可以较好地防止湿陷变形;王娇等[9]的研究表明,在同一净压缩应力下,压实黄土基质吸力越大,湿陷系数越大。此外,苏忍等[10]还通过原位浸水试验研究了大厚度黄土的湿陷性,从宏观角度揭示了黄土遇水后的湿陷机理。

在土体微观试验方面:高国瑞[11]总结了先前研究的黄土湿陷性结构理论,并提出了湿陷性黄土独特的粒状架空结构体系,这种理论体系不仅能充分阐明黄土湿陷变形的机制和黄土湿陷现象的本质,还能对湿陷性黄土进行工程地质分类和评价;穆青翼等[12]利用扫描电镜观察黄土微观结构,从微观角度分析了黄土结构对其持水特性和湿陷性的影响,结果表明,高含水率时(大于18%),原状和压实黄土的湿陷系数差别不大,而在低含水率(16%)时,原状黄土湿陷系数大于压实黄土的;马富丽等[13]对不同黄土样的微观图像进行了分析,研究表明黄土的湿陷性系数随着非饱和孔隙含量的增加而增大;方祥位等[14]研究了不同土层Q2黄土的微观结构,认为骨架颗粒连接形式可分为4类,即直接点接触、直接面接触、间接点接触、间接面接触;蒋明镜等[15]研究了不同应力路径试验前后原状和重塑黄土孔隙分布的变化,结果表明,试验前两种土具有相近孔隙分布的双孔隙结构,两者的15%含水率试样在等含水率试验后孔隙分布接近,两者饱和试样在固结不排水试验后的孔隙分布差异较大。

综上可知,针对黄土的湿陷性研究相对较多,但结合微观试验研究土体微观结构及干密度对黄土湿陷性影响的研究较少。因此,笔者结合国道G310三门峡西至豫陕交界段新建工程,采用固结仪对黄土原状样和不同初始干密度下的重塑样进行湿陷性试验研究。同时,采用压汞仪对黄土原状样和重塑样的微观结构进行对比分析,系统性地研究黄土初始干密度及微观结构对其湿陷性的影响,为相关黄土路基工程的设计和施工提供科学依据。

1 试验土样

本文所用的黄土取自三门峡市距离黄河南岸1.2 km的东上村地下4～5 m处,原状黄土的干密度为1.33 g/cm3,天然含水率为5.1%。根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)[16]测得试样的物理性质指标见表1,粒径级配曲线如图1所示。测试结果表明,所取黄土的粒径范围为0.005～0.075 mm,按照土的分类标准[17]可知,所取黄土属于低液限黏土。

表1 试样基本物理性质指标

图1 黄土的颗粒分析曲线

2 试验方案

2.1 试样制备

对于原状土样,利用环刀直接从现场取回的土块中削制得到。对于重塑土样,为了与原状样进行对比试验,首先将取回来的土样风干并过2 mm标准筛,然后将过筛后的干土与水混合,使重塑样的含水率w与原状样的天然含水率保持一致(w=5.1%)。将配制好的湿土放入密封袋中密封保存48 h,使干土与水混合均匀。制备重塑试样时,控制初始干密度ρd与原状试样的保持一致(ρd=1.33 g/cm3),采用千斤顶静压法压实,同时制备初始干密度分别为1.4、1.5、1.6 g/cm3的重塑试样以研究不同初始干密度对黄土湿陷性的影响。试样直径和高度分别为6.18、2.00 cm。

2.2 黄土湿陷性试验方案

试验共分为5组,分别对原状样以及4种不同初始干密度的重塑样进行试验。采用WG型单杠杆双联固结仪,试验前对仪器进行校准并测试仪器的变形量,以提高后续数据处理的可靠性。本试验采用双线法,同一初始干密度下的土样取两个环刀样,一个浸水,一个不浸水。试验中采用的竖向应力分别为12.5、50、100、200、300、400、800 kPa。不浸水试样在其初始含水率下分级加荷,直至最后一级荷载且变形稳定后,结束试验;浸水试样在第二级荷载变形稳定后浸水,在浸水饱和时分级加荷,直至最后一级荷载且变形稳定后,试验结束。各级应力下变形稳定的标准为每小时变形量不超过0.01 mm。

根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)[16],某级应力下湿陷性系数δs按式(1)计算:

(1)

式中:δs为湿陷性系数;hp为某一级应力下,试样变形稳定后的高度,mm;h′p为某一级应力下,试样浸水湿陷变形稳定后的高度,mm。

2.3 微观试验方案

2.3.1 微观试验设备及原理

压汞试验是测量土样微观结构的一种重要手段,主要用于测量土样的孔隙大小及其分布。本研究采用美国麦克公司生产的Auto Pore IV 9600全自动压汞仪测试黄土原状样和不同干密度重塑样的微观结构。压汞法的试验原理是假设土样的孔隙都是圆柱形,汞具有非浸润性,因此不会流入固体孔隙。在低压下,汞先进入较大孔隙,随着压力的增大再逐渐进入微孔隙中。通过进汞体积量推算孔隙分布情况,孔隙大小可根据进汞压力确定。圆柱形孔隙注入液体所需压力大小可按Washburn 公式[18]计算:

(2)

式中:P为进汞压力;d为孔径;Tm为汞的表面张力;θm为接触角。20 ℃时,Tm为 0.485 N/m,θm为140°。

2.3.2 微观试验步骤

为了从微观角度分析黄土原状样和不同干密度重塑样的湿陷机理,本研究制备了黄土原状样和不同初始干密度重塑样共5个。将制备好的试样放入装有液氮的盒中快速冷却2～3 min,然后将装有试样的液氮盒快速放置在抽真空装置中,抽真空24 h后,取出试样,放置于冷冻干燥机中,继续抽真空24 h。通过抽真空使试样中的水直接升华为气体,从而使试样干燥,然后进行压汞试验。

3 试验结果与分析

3.1 湿陷性试验结果与分析

黄土原状样和不同初始干密度重塑样的e-lgp曲线如图2所示。由图2可知:①对于未浸水试样,同一初始含水率下,试样的初始孔隙比随初始干密度的增加逐渐降低,随着竖向应力的增加,试样孔隙比变化幅度随干密度的增加逐渐减小。在压缩屈服前,初始干密度对试样e-lgp曲线影响不大,不同初始干密度试样的压缩曲线近似平行;在压缩屈服后,初始干密度越大,孔隙比变化越不显著。这表明初始干密度越大的试样,其密实度越高,压缩性越低,抵抗变形的能力越强。然而,对比初始干密度均为1.33 g/cm3的黄土原状样和重塑样的e-lgp曲线可知,原状样的初始孔隙比高于重塑样的,这归因于原状样天然的结构性,但二者孔隙比随竖向应力的变化趋势相同。②对于浸水试样,在第二级荷载(50 kPa)变形稳定浸水后,随着竖向应力的增大,均产生不同程度的湿陷变形,且随着试样初始干密度的增加其变形量减小。然而,对于初始干密度为1.60 g/cm3的重塑样,浸水对其变形影响不大,且浸水后孔隙比有略微增大的趋势。

图2 不同干密度黄土的e-lgp曲线

为了定量分析黄土原状样和不同初始干密度重塑样的湿陷变形,根据式(1)计算其湿陷性系数,图3为黄土原状样和不同初始干密度下重塑样的湿陷性系数与竖向应力的关系曲线。由图3可知:随着竖向应力的增加,试样的湿陷性系数逐渐增大,且初始干密度越大,其湿陷性系数随应力变化越不明显;试样初始干密度为1.33～1.40 g/cm3时,其湿陷性系数有明显的上升趋势。黄土原状样的湿陷性系数高于同一干密度下重塑样的。初始干密度为1.50 g/cm3时,其湿陷性系数上升趋势较缓慢;初始干密度为1.60 g/cm3时,其湿陷性可忽略不计。由此表明,同一干密度下黄土原状样的湿陷性大于重塑样的,且重塑黄土的湿陷性随着干密度的增大而降低。因此,黄土地区施工时应严格控制地基的密实度,避免发生湿陷而造成破坏。

图3 湿陷性系数与竖向应力的关系

根据土工试验规范[16]可知,湿陷性系数等于0.015时所对应的竖向应力为湿陷起始应力。由图3确定的黄土原状样和不同初始干密度重塑样的湿陷起始应力见表2。干密度为1.33 g/cm3的黄土原状样和重塑样的湿陷起始应力均小于50 kPa,说明此干密度下试样较容易发生湿陷,且原状样的湿陷起始应力高于同一干密度下重塑样的。对于黄土重塑样,初始干密度越大,试样的湿陷起始应力也越大。当干密度为1.60 g/cm3时,不同竖向应力下试样的湿陷性系数均小于0.015,表明在此干密度下试样不发生湿陷。由此可见,干密度越小,试样越容易发生湿陷。

表2 湿陷起始应力

3.2 压汞试验数据分析

图4为黄土原状样及不同干密度重塑样的累计汞压入体积量曲线。从图4中可以看出,随着干密度的增大,黄土重塑样的累计汞压入体积曲线整体向下移动,这说明当试样干密度从1.33 g/cm3增加到1.60 g/cm3时,土体中总体孔隙量在减少。然而,对于黄土原状样,其累计汞压入体积曲线明显高于同一干密度(1.33 g/cm3)重塑土样的,这归因于原状样天然的孔隙结构,使其总体孔隙量高于颗粒相对均匀的重塑样的。

图4 试样的累计汞压入体积量曲线

图5为黄土原状样、不同初始干密度下重塑样的孔隙直径和孔隙体积分布密度关系曲线。由图5可知,黄土原状样及初始干密度分别为1.33、1.40、1.50、1.60 g/cm3的重塑样孔径分布曲线均呈单峰状,其主要分布孔径分别为9.0、13.9、11.3、7.2、3.9 μm。KODIKARA J等[19]将土体内部孔隙划分为:粒间孔隙(0.004～1 μm)、聚积体内孔隙(1～30 μm)、聚积体外孔隙(10～1 000 μm)。由此可知,黄土原状样和不同初始干密度的重塑样主要存在聚积体内孔隙。

图5 试样孔径与孔隙体积分布密度关系曲线

根据《湿陷性黄土地区建筑规范》[20]可知,湿陷性黄土的湿陷程度可根据湿陷性系数进行划分:当0.015≤δs>0.030时,为轻微湿陷;当0.030≤δs>0.070时,为中等湿陷;当δs≥0.070时,为强烈湿陷。由此判断:当竖向应力为800 kPa时,黄土原状样及初始干密度为1.33、1.40 g/cm3的重塑样湿陷性系数分别为0.19、0.14、0.10(图3),具有强烈湿陷性,且其对应的孔径主要分布在9.0、13.9、11.3 μm(图5);初始干密度为1.50 g/cm3重塑样的湿陷性系数为0.05(图3),具有中等湿陷性,且其对应的孔径主要分布在7.2 μm(图5)。根据表1黄土颗粒分析数据可知,其粒径主要为5～75 μm,由此可知,黄土原状样及低干密度重塑样内部的大部分孔隙尺寸大于其颗粒尺寸,试样内部呈架空结构。因此,当干密度较小时,黄土的湿陷性较大;当干密度达到1.60 g/cm3时,试样在竖向应力为800 kPa下的湿陷性系数为0,其对应的孔径主要分布在3.9 μm,试样内部的大部分孔隙尺寸要小于其颗粒尺寸。且从图2可知,初始干密度为1.60 g/cm3的试样在浸水和不浸水情况下的孔隙比变化不大。由此可知:当黄土中存在架空结构(低干密度)时,其湿陷性较大;反之,湿陷性较小。换句话讲,低干密度试样的湿陷程度更为明显。