非飽和黃土土水特性與濕陷性關系分析

高凌霞，欒茂田，覃麗坤

(1.大連民族學院土木建筑工程學院，遼寧大連116605;2.大連理工大學土木水利學院巖土工程研究所，遼寧大連116024)

黃土是在干旱半干旱氣候條件下形成的一種第四紀沉積物，它往往是非飽和的，而且具有濕陷性，即在常應力情況下，浸水或者隨著含水量的增加，體積大幅度減小的特性。增濕引起的變形或者濕陷，是黃土具有亞穩結構的典型體現［1］。濕陷性在定量上的不可忽視性和在定性上的急速發展性，是影響其上建筑物穩定性的一大突變問題［2］。對濕陷性的研究，前人做了大量的工作，并取得了豐碩的成果。目前，對濕陷性黃土的研究，主要建立在土處于飽和狀態時，在常規壓縮儀中測試濕陷變形。然而，大量的室內外試驗表明，土的濕陷決非在飽和時或吸力為零時才發生，而是由含水量，更準切地說是隨吸力的變化情況引起的［3-5］。因此，根據目前非飽和土力學的概念，要更好地描述土的濕陷變形，還需考慮凈法向應力、基質吸力，這樣才更有利于認識土的濕陷過程。

土水特征曲線被廣泛用來表征土的含水量與吸力的關系，是分析土的滲流、抗剪強度及體變問題時的關鍵要素，因此被認為是描述非飽和土性狀最重要的因素。除了可以描述土中水的滯后現象之外，還被廣泛地用來預測土的一些性質。如非飽和水的滲透系數、抗剪強度等［6-7］。許多學者試圖用數學公式表示土水特性曲線。在眾多的數學公式中，Fredlund and van Genuchten模型在巖土工程界得到廣泛的應用［8-9］。然而，很少有文獻報道，把土水特征曲線和土的濕陷性聯系起來進行的研究。

本文針對取自相同地點的原狀黃土，利用壓力板儀測試了土水特征曲線，利用非飽和土三軸儀(GDS)測試了濕陷變形。通過二者的結合，利用土水特征曲線間接得出了不同含水量時土的吸力與濕陷性的關系，對非飽和黃土濕陷性的研究開辟新的思路具有一定的意義。

1 試驗方案

1.1 試驗土樣

試驗用土取自陜西洛川，采用探井取樣，取樣深度為2.6 m，為Q3黃土。土的基本物理性質指標見表1。

表1 土的物理性質指標

1.2 試驗方案

1.2.1 土水特征試驗

土水特征曲線可用壓力板儀來測量，壓力板儀的構造如圖1。其工作原理為:土樣與只透水不透氣的高進氣值陶土板密切接觸，排水管與大氣聯通，因此孔隙水壓力與大氣壓力相等。在壓力室內施加不同的氣壓值可以得到不同的基質吸力。實際上，在施加氣壓的時候采用了軸平移技術。

1.2.2 濕陷變形試驗

非飽和土濕陷變形試驗利用非飽和土三軸儀(GDS)測試得到。

圖1 壓力板工作原理示意圖

土樣首先加濕飽和以釋放基質吸力，飽和試樣先在各向等壓力下固結。固結完成后，給試樣施加200 kPa的基質吸力，等吸力平衡后再依施加200 kPa的基質吸力，等吸力平衡后再依次施加凈法向應力50，100，200和400 kPa。在每級凈法向應力作用下，允許試樣變形達到平衡，然后施加下一次荷載。以后逐級減小吸力100，50，25，10，0 kPa。測試相應的濕陷變形。

濕陷變形計算式為

式中，ΔHi為土樣濕陷后的高度變化量，H0i為增濕前或吸力減小前土樣的高度。

2 結果與討論

2.1 濕陷變形

初始吸力為200 kPa，在凈法向應力為50，100，200，400 kPa時的濕陷變形曲線如圖2。

圖2 非飽和黃土壓縮曲線及濕陷變形

濕陷變形指的是吸力從200 kPa減小到0時土樣的體積變化。在凈法向應力為100 kPa時土樣的濕陷量最大，也就是說隨著壓力的變化，土的濕陷存在峰值，這是非飽和黃土濕陷性的特點。

土的濕陷系數與吸力的關系如圖3。凈法向應力為50 kPa，吸力從200減小到25 kPa時，土樣基本沒有濕陷變形。而吸力從25 kPa變到0時土樣的濕陷量最大。另外，當土樣的凈法向力為400 kPa，吸力小于100 kPa時，濕陷開始發展。說明土在吸力減小到一定值時才出現濕陷，隨后濕陷系數開始迅速地增加。這一性狀與其土水特性密切相關。

圖3 濕陷系數與吸力的關系

2.2 土水特性曲線

凈法向應力分別在0，50，100，400 kPa 作用下非飽和黃土的土水特征曲線如圖4。從圖4中可以看出，曲線的起始點均不相同，由此反應了黃土加載及增濕時對體積變化的影響。各曲線的其他部分也比較相似。

凈法向應力為0的曲線為原狀黃土的土水特性曲線，從圖4中可以看到，在降飽和區，吸力的較小變化意味著含水量的較大變化，即隨著含水量的增大，濕陷將增加，因為改變吸力需要較大的含水量。

不同凈法向應力作用下，吸力變化相同，但濕陷應變并不相同(如圖3)。這一差別與土水特性的變化有關，因為土在不同的加載及增濕情況下體積發生了不同的變化。土的粒徑成分、孔隙大小以及應力狀態將影響土的特性曲線的形狀，土經不同凈法向應力固結和增濕，宏觀孔隙的變化會影響土水特性。

2.3 濕陷變形與土水特性關系

從圖3可以看到，在凈法向應力為50 kPa下增濕時，吸力從200 kPa降到25 kPa時，土樣基本沒有發生濕陷，濕陷主要發生在吸力從10 kPa降到0 kPa這一階段。在凈法向應力為400 kPa下增濕時，吸力變化引起漸進的濕陷變形，或者說濕陷變形較為均勻。

同樣還可以看到，當吸力低于臨界值時，濕陷應變快速增加。較大的濕陷變形與土水特征曲線的降飽和區有關(如圖3)。有理由推測這一臨界值與殘余吸力有關。由試驗結果可知，增濕的濕陷是允許進入土中水的量的函數。顯然，水量受基質吸力或土水特性的控制。對土濕陷變形模式的分析表明，它符合土水特性曲線的模式(Fredlund and van Genuchten模型)，因此，可以用與土水特性曲線相似的模型來預測土的濕陷系數。

3 結論

本文通過對洛川原狀黃土分別進行了土水特性及濕陷性試驗研究，得出如下結論:

(1)在吸力減小的情況下，非飽和黃土發生漸進濕陷變形。隨著吸力的減小，濕陷應變趨于增加，當吸力減小至某一臨界值時，濕陷變形顯著增大，當吸力為零時達到最大值。不同凈法向應力作用下，吸力臨界值不同。在凈法向應力為50 kPa時，吸力臨界值為10 kPa;凈法向應力為100，200和400 kPa時，吸力臨界值為70 kPa;凈法向應力為100 kPa時，其濕陷量最大，濕陷存在峰值壓力。

(3)在土水特性曲線的降飽和區，隨著含水量的增大，即吸力的減少，出現明顯的濕陷變形，出現濕陷變形時的吸力臨界值與土水特性曲線的殘余吸力有關。

(4)非飽和原狀黃土濕陷系數與吸力的關系模式與土水特性模式類似，因此累積的濕陷應變可以用土水特征曲線類似的方程和吸力建立聯系。這樣就可以考慮吸力與凈法向應力對濕陷性的影響，能夠更全面地了解黃土的濕陷變形特性。

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