太原黃土的靜力變形特性試驗(yàn)研究

閻鳳翔

黃土為第四紀(jì)沉積物，一般有肉眼可見的大孔隙，廣泛分布于我國的中西部地區(qū)。黃土的靜力變形可分為兩種:一種是由于力的作用產(chǎn)生變形，即壓縮變形;另一種是水的作用產(chǎn)生變形，即濕陷變形[1]。黃土的濕陷變形量大，發(fā)展迅速又不均勻，往往使建筑物發(fā)生嚴(yán)重變形甚至破壞。大量的研究證明，水對黃土靜力變形特性的影響非常明顯。本次試驗(yàn)通過研究不同含水量條件下黃土的靜力變形特性，為解決黃土地基的變形問題提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

試樣取自太原，屬第四紀(jì)晚更新世(Q3)黃土。取土深度6.0 m左右，呈黃褐色，土質(zhì)均勻，結(jié)構(gòu)松散，用肉眼可以看到垂直柱狀大孔隙，各種物理力學(xué)指標(biāo)見表1。采用文獻(xiàn)[2]建議的“水膜轉(zhuǎn)移法”和“自然風(fēng)干法”配置了六種含水量的試樣，含水量分別為 5%，10%，15%，20%，25%，30%。采用雙線法測定黃土的濕陷變形，黃土壓縮試驗(yàn)參照GB/T 50123-1999土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[3]規(guī)定的方法進(jìn)行。

表1 太原黃土的物理力學(xué)指標(biāo)

2 試驗(yàn)成果與分析

2.1 黃土的濕陷變形

2.1.1 δs—p曲線隨含水量變化規(guī)律

考察圖1曲線族，可以看出δs—p曲線隨含水量變化的三個(gè)規(guī)律:

1)隨著含水量的增大，δs—p曲線的峰值明顯降低，表現(xiàn)出濕陷變形最大值隨含水量增加而減小的趨勢。

2)隨著含水量的增大，δs—p曲線峰值所對應(yīng)的壓力值p有左移的趨勢，它表明，對于同一結(jié)構(gòu)的土，含水量越高，達(dá)到濕陷最大值所需的壓力值越小。

3)在整個(gè)曲線族中，試樣的 δs—p曲線位置隨含水量增大而依次降低，含水量的大小決定了它在曲線族中的位置。對于同一級壓力，含水量越大，δs越小，這種逐漸變化的過程可以認(rèn)為是連續(xù)的。

2.1.2 δs—w曲線隨壓力變化的規(guī)律

觀察圖2曲線族可以發(fā)現(xiàn)δs—w曲線隨壓力變化的兩個(gè)規(guī)律:1)δs—w曲線的變化趨勢大致為一條斜率小于零的直線，如圖2所示。也就是說在同一壓力下濕陷系數(shù)δs隨含水量的增加而減小，而且在塑限含水量以前減小的趨勢(減小了70%以上)要比塑限含水量以后(30%以下)大。2)δs—w曲線的位置隨壓力的增大而依次遞升，在壓力為200 kPa以前距離較大，以后距離較小;δs—w曲線形態(tài)隨壓力的減小而越見平滑。

黃土的濕陷現(xiàn)象是由于水和力的共同作用使黃土的微結(jié)構(gòu)喪失穩(wěn)定造成的。黃土在受水浸濕后，構(gòu)成黃土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的骨架間的連接(點(diǎn)接觸和面膠結(jié))必然會受到削弱，但還沒有完全喪失，小壓力不足以破壞架空孔隙結(jié)構(gòu)，所以δs剛開始變化很小;當(dāng)壓力超過一定界值時(shí)，原有的微結(jié)構(gòu)在水和力的共同作用下破壞，δs開始迅速發(fā)展;隨著壓力的繼續(xù)增加，壓縮變形繼續(xù)增大，而黃土微結(jié)構(gòu)變化中對濕陷有利和不利的因素達(dá)到某種均衡狀態(tài)，δs開始下降;但由于多孔隙的原結(jié)構(gòu)已被水和力共同破壞，δs最后仍維持一個(gè)較大的數(shù)值。

原狀黃土的起始含水量越高，其吸水勢越小，受水浸濕對其結(jié)構(gòu)的影響也越小。表現(xiàn)為隨著含水量的增大，δs—p曲線的峰值明顯降低，在曲線族的位置下降。

濕陷是水和力的共同作用，黃土受水浸濕后仍殘留有一定的強(qiáng)度，只有當(dāng)力的作用破壞了原有的結(jié)構(gòu)后，濕陷才會發(fā)生。如圖2所示，當(dāng)壓力為50 kPa曲線接近一條水平線，證明壓力很小時(shí)，試件幾乎沒有發(fā)生濕陷變形。

2.1.3 濕陷起始壓力

濕陷起始壓力是指黃土在受水浸濕后開始產(chǎn)生濕陷時(shí)的相應(yīng)壓力，從實(shí)質(zhì)上說，應(yīng)相當(dāng)于土受水浸濕后的殘余結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。浸水后，當(dāng)外界壓力在土顆粒間引起剪應(yīng)力小于土的殘余結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)，土中只發(fā)生壓密變形，而沒有濕陷變形。工程實(shí)踐中一般取δs=0.015所對應(yīng)的壓力作為濕陷起始壓力值。

從圖3中可以看出太原黃土的濕陷起始壓力隨含水量的增大而增大，Psh—w曲線逼近于線性函數(shù)。這一試驗(yàn)結(jié)果說明黃土的起始含水量越大，受水浸濕后的殘留強(qiáng)度也大。這可能是因?yàn)楦吆康狞S土原先受到水的影響后，重新調(diào)整形成新的微觀結(jié)構(gòu)，對水的侵入不太敏感。低含水量的黃土對水的作用敏感的多，水浸濕后原有強(qiáng)度大大降低，結(jié)構(gòu)迅速被破壞。

2.2 黃土的壓縮變形

1)壓縮曲線隨含水量變化的規(guī)律。隨含水量的增大，壓縮曲線的位置依次升高，曲線的直線段斜率增大。在同一級壓力下壓縮變形隨含水量的增大而增大，與濕陷正好相反。2)壓縮變形和壓力的關(guān)系。壓縮變形和壓力的關(guān)系可近似認(rèn)為是直線關(guān)系，其傾斜方向與δs—w相反，隨壓力的增大，曲線位置依次升高，斜率逐漸變大。對于同一含水量壓力越大變形越大。

不同于濕陷變形，壓縮變形主要是由于力對土體的作用。用結(jié)構(gòu)學(xué)說解釋[5]:外荷傳遞到連接點(diǎn)的應(yīng)力一般可以分解成切向力(T)和法向力(P)。當(dāng) T/P的值大于粒間摩擦系數(shù)(μ)，則顆粒間就產(chǎn)生相對移動。但加荷后連接點(diǎn)的滑移并不是同時(shí)發(fā)生的，外荷每增加一級就有一些連接點(diǎn)發(fā)生移動，但在整個(gè)結(jié)構(gòu)體系沒有失去穩(wěn)定之前，這些連接點(diǎn)的破壞和移動只產(chǎn)生少量變形。這是因?yàn)橐苿拥念w粒到達(dá)新的位置和其他顆粒重新接觸，從而增加了顆粒的配位數(shù)，使得連接點(diǎn)上的 T/P＜μ，所以變形逐漸停止，強(qiáng)度也有所發(fā)展。繼續(xù)加荷到變形明顯增大，此時(shí)黃土結(jié)構(gòu)中的架空孔隙部分被破壞，構(gòu)成架空孔隙的顆粒填充到架空孔隙的空腔中。如果進(jìn)一步加荷將使所有架空孔隙都破壞，導(dǎo)致黃土結(jié)構(gòu)的徹底重建(原孔隙結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞后又形成較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu))。此時(shí)，即使應(yīng)力增加的幅度較大，發(fā)生失穩(wěn)破壞的孔隙體積卻越來越小，反映在變形曲線上就是應(yīng)變隨應(yīng)力增長變緩的第三階段。

同一含水量下，壓力越大，移動顆粒數(shù)越多，壓縮變形越大。

同一級壓力下，含水量越大，顆粒間的摩擦系數(shù)μ越小，壓縮變形越大。

3 結(jié)語

從上文的論述中可以看出，含水量不同則黃土的靜力變形性質(zhì)會有很大的不同;隨著含水量的增加，濕陷變形量減小而壓縮變形量增加。含水量是眾多物理指標(biāo)中比孔隙比、密度更為重要的一個(gè)參數(shù)。因此，對黃土力學(xué)特性的研究應(yīng)該重視水(起始含水量、浸濕含水量)的作用，以及水與力作用的不同組合路徑。在消除濕陷性的地基處理過程中應(yīng)注意含水量的控制，適當(dāng)增加含水量，會減小濕陷變形同時(shí)土體更容易被壓密。

[1] 曾國紅.含水量增加時(shí)濕陷性黃土變形特性研究[D].太原:太原工業(yè)大學(xué)碩士論文，1993.

[2] 駱亞生.中國典型黃土動力特性及其參數(shù)的試驗(yàn)分析[D].西安:西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2000.

[3] GB/T 50123-1999，土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4] 沈妤蔚，周金龍.靜動法(STATNTAMIC)樁基檢測的分析方法[J].山西建筑，2009，35(4):129-130.

[5] 高國瑞.我國黃土濕陷性質(zhì)的形成研究[J].南京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，1994(2):1-8.