人工制備濕陷性黃土濕陷影響因素分析

榮　　露，王　　旭，張延杰，梁慶國（.蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州　730070；2.甘肅省道路橋梁與地下工程重點試驗室，甘肅 蘭州　730070）

人工制備濕陷性黃土濕陷影響因素分析

榮露1，2，王旭1，張延杰1，梁慶國1
（1.蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州730070；2.甘肅省道路橋梁與地下工程重點試驗室，甘肅 蘭州730070）

通過人工制備出強濕陷性黃土，對其濕陷性主要影響因素展開分析。試驗分析了外荷載、潤濕含水率對濕陷系數的影響。研究結果表明:在相同的潤濕含水率條件下，隨著壓力的增加，相似材料的濕陷性逐漸變弱；在相同荷載條件下，濕陷系數隨著含水率的增大而減小；當荷載和含水率均發生變化時，人工制備黃土的濕陷變形更加明顯。研究成果可用于劃分濕陷性黃土的濕陷類型，以及評價黃土的濕陷性和濕陷變形。

濕陷性黃土；人工制備；影響因素；試驗研究

黃土是在干旱、半干旱氣候條件下形成且在中國分布較廣的區域性特殊土，分布面積約64萬km2。黃土由于生成的年代、成因、環境、地域以及生成后歷史變遷上的差異而具有不同的性質。黃土的濕陷性是其重要的工程特性，其中濕陷性黃土分布面積約占黃土的60%［1-2］。濕陷性黃土在一定壓力下受水浸濕后結構迅速破壞而發生顯著附加下沉濕陷。

黃土發生濕陷的原因很復雜，其濕陷過程是一個物理化學過程。劉祖典［3］認為濕陷系數是評價黃土地基濕陷性的主要指標，是濕陷性黃土地基分級、預測濕陷量的依據。邵生俊等［4-6］認為黃土的濕陷性與其特殊的介質結構組成有密切聯系，如微裂隙結構、大孔隙、顆粒組成、礦物成分等，這種特殊的結構易受浸水與加載作用而發生破壞，進而出現強度弱化、承載力降低等現象，并且認為各個因素之間并非完全獨立，而是存在一定的相關性。駱亞生等［7］對黃土在不同濕度狀態下的濕陷特性進行了研究，并對含水率、干密度、壓力對黃土濕陷性的影響規律以及它們在不同黃土中的表現進行了探討。葉為民等［8］對初始含水量對濕陷性的影響效果進行了分析探討，以期能對現場條件下季節性含水量變化對黃土濕陷性的影響進行預測判斷。鄭建國等［9-10］研究了濕陷性黃土在增濕時強度的變化特性，提出了強度曲面的概念，且通過黃土現場試坑浸水試驗揭示了黃土中濕陷土分布不連續對濕陷變形產生的抑制作用是導致濕陷量計算值與實測值差異的重要原因之一。陳開圣等［11］以關中地區黃土為研究對象，對其物質組成及其濕陷性的影響因素應用模糊數學綜合評判理論，提出了濕陷性黃土濕陷等級的二級模糊綜合評判方法。姚志華等［12-13］在總結大量大型浸水現場試驗成果的基礎上，對濕陷性評價方法和剩余濕陷量合理控制等問題提出了新認識。

本文通過對人工制備濕陷性黃土的性質進行分析，分析相同外荷載下潤濕含水率對濕陷系數的影響，相同含水率下不同外荷載對濕陷系數的影響，以及潤濕含水率和外荷載共同作用對濕陷系數的影響，對其濕陷性影響因素展開研究。

1　人工濕陷性黃土物理力學參數分析

1.1人工濕陷性黃土的制備

選取石英粉、砂、膨潤土、石膏、工業鹽為基本材料，將其烘干后按比例稱取然后混合均勻，采用空中自由下落法制備了4組人工濕陷性黃土試樣［14］，見表1。

表1　人工制備濕陷性黃土配合比　%

1.2物理力學參數測定

對4組人工制備濕陷性黃土的密度、土粒相對密度、含水率、孔隙比、液塑限等物理參數和黏聚力、內摩擦角、壓縮系數等力學參數進行測定。含水率與干密度關系曲線見圖1，抗剪強度與壓力關系曲線見圖2，孔隙比與荷載關系曲線見圖3。黃土主要物理力學性能參數見表2。

圖1　含水率與干密度關系曲線

圖2　抗剪強度與壓力關系曲線

圖3　孔隙比與荷載關系曲線

1.3黃土相似性分析

通過試驗得到上述濕陷性黃土相似材料的主要物理力學參數，并與天然黃土相應參數［15］進行對比。土顆粒相對密度在2.63～2.66，與天然黃土相近。液限在26.3% ～27.7%，塑限在15.1% ～16.7%，塑性指數在10.1～12.6，屬中液限黏質土。最大干密度在1.73～1.76 g/cm3，最優含水率在15.5% ～16.4%，與黃土十分接近。黏聚力在42.67～64.24 kPa，內摩擦角在23.51°～28.15°，壓縮系數在 0.40～0.45 MPa-1，屬中等壓縮性土，與黃土很相近。

分析得出4組人工制備強濕陷性黃土與天然黃土物理力學參數滿足相似條件，可以用黃土相似材料代替黃土進行模型試驗。

表2　人工制備濕陷性黃土物理力學參數

2　人工濕陷性黃土濕陷系數影響因素分析

對人工制備濕陷性黃土進行濕陷試驗時，影響濕陷系數的外部因素主要是上部荷載和含水率，因此選取4組人工制備濕陷性黃土中性質最接近天然黃土的S-1組，對濕陷系數影響因素展開分析。

2.1荷載對濕陷系數的影響

采用空中自由下落法制備5個環刀試樣，使用噴霧法對試樣潤濕，即在制樣時，在制備材料剛剛落滿環刀時，使用噴霧器在試樣上噴灑一層水霧。根據不同的含水率，在試驗前計算出所需要噴灑水的質量，以保證水的質量準確。由于水的作用會使試樣的高度下降，這時可以均勻地篩一層烘干的相似材料在試樣上方，以保證試樣的最終高度與環刀相同。使用噴霧法得到的潤濕試樣見圖4。人工制備濕陷性黃土在不同的潤濕含水率條件下，濕陷系數隨荷載的變化曲線見圖5。

分析圖5可以得出，當荷載＜30 kPa時，不同含水率的相似材料所對應的荷載與濕陷系數關系曲線基本重合。當人工制備濕陷性黃土處于干燥狀態下，濕陷系數隨著荷載的增加而增大，且在荷載＜50 kPa時濕陷系數急劇陡增。當人工制備濕陷性黃土被潤濕后，濕陷系數整體隨著潤濕含水率的增大而減小。在同一含水率條件下，濕陷系數隨著荷載的增加先增大后減小。峰值濕陷系數所對應的荷載是峰值濕陷荷載，在峰值濕陷荷載出現之前，濕陷系數隨著荷載的增加而顯著增大；在峰值濕陷荷載出現以后，濕陷系數隨著荷載的增加而緩慢減小；且峰值荷載隨著含水率的增大而逐漸減少。將濕陷系數的差值定義為濕陷差（Δδs），在相同潤濕含水率條件下，隨著荷載的增加Δδs逐漸減小。這說明在一定的含水率條件下，隨著垂直壓力的持續增加，相似材料的濕陷性逐漸變弱，即濕陷敏感度降低。

圖4　潤濕后的試樣

圖5　不同潤濕含水率下荷載與濕陷系數關系曲線

2.2含水率對濕陷系數的影響

對于人工制備濕陷性黃土，影響其濕陷系數的主要外部因素除了荷載還有含水率。對S-1組人工制備濕陷性黃土施加不同垂直壓力，得到潤濕含水率與濕陷系數關系曲線，見圖6。

圖6　不同壓力下含水率與濕陷系數關系曲線

分析圖6可以得出，在不同的外荷載條件下人工制備濕陷性黃土濕陷系數均隨含水率增大而逐漸減小，且荷載越大關系曲線越相似。在潤濕含水率較小（ω＜2%）時，人工制備濕陷性黃土的浸水荷載越大，對應的濕陷系數也越大；在潤濕含水率較大（ω＞21%）時，人工制備濕陷性黃土浸水荷載越小，對應的濕陷系數越大。當潤濕含水率繼續增大時，不同荷載作用下的濕陷系數趨于同一值。當荷載＜100 kPa時，隨著含水率的增大，濕陷系數的減小速率是先快再慢后快；而當荷載＞100 kPa時，隨著含水率的增大，濕陷系數的減小速率是先慢再快后慢。

2.3濕陷變形曲面分析

黃土相似材料濕陷系數（δs）的變化是不同荷載（σ）和不同含水率（ω）共同影響的結果，且含水率的變化對濕陷系數影響更大。通過荷載與潤濕含水率的多種組合，可以得到不同的荷載潤濕路徑。荷載潤濕路徑集合可形成ω-σ-δs曲面，由此分析含水率與荷載共同變化對黃土相似材料濕陷系數的影響。濕陷系數變化曲面可以反映出黃土相似材料在荷載與含水率共同影響下，相似材料的加荷變形和潤濕變形發展過程。當含水率為0時，荷載的變化對濕陷系數影響很小；當含水率為0～7.61%時，含水率變化對濕陷系數的影響要比荷載變化對濕陷系數的影響更顯著；當含水率為7.61% ～18.73%時，荷載變化對濕陷系數的影響要比含水率變化對濕陷系數的影響更明顯；當含水率＞18.73%時，濕陷系數對荷載變化和含水率變化逐漸不敏感。

3　結論

1）采用空中自由下落法制備的濕陷性黃土相似材料具有和天然黃土相似的濕陷性。相似材料濕陷系數的變化是外荷載和潤濕含水率共同影響的結果，且含水率的變化對濕陷系數的影響更大。當荷載和含水率均發生變化時，人工黃土的濕陷變形更加明顯。

2）當人工制備濕陷性黃土處于干燥狀態時，濕陷系數對荷載的變化不敏感。在含水率大小相同的條件下，濕陷系數隨著荷載的增加先增大后減小，即會出現峰值濕陷系數。在一定的含水率條件下，隨著垂直壓力的持續增加，相似材料的濕陷敏感度會降低。

3）在相同荷載條件下，濕陷系數隨著含水率的增大而減小。潤濕含水率較小（ω＜2%）時，浸水荷載越大對應的濕陷系數越大；潤濕含水率較大（ω＞21%）時，浸水荷載越大對應的濕陷系數越小。

［1］謝定義.試論我國黃土力學研究中的若干新趨向［J］.巖土工程學報，2001，23（1）：3-13.

［2］劉祖典.黃土力學與工程［M］.西安：陜西科學技術出版社，1997.

［3］劉祖典.影響黃土濕陷系數因素的分析［J］.工程勘察，1994（5）：6-11.

［4］邵生俊，李彥興，周飛飛.濕陷性黃土結構損傷演化特性［J］.巖石力學與工程學報，2004，23（24）：4161-4165.

［5］邵生俊，龍吉勇，楊生，等.濕陷性黃土結構性變形特性分析［J］.巖土力學，2006，27（10）：1668-1672.

［6］邵生俊，楊春鳴，馬秀婷，等.黃土的獨立物性指標及其與濕陷性參數的相關性分析［J］.巖土力學，2013，34（增2）：27-34.

［7］駱亞生，謝定義，邢義川.原狀黃土的地區濕陷特性及其潛在濕陷率［J］.西北農林科技大學學報（自然科學版），2002，30（5）：90-95.

［8］葉為民，崔玉軍，黃雨，等.黃土的濕陷性及其評價準則［J］.巖石力學與工程學報，2006，25（3）：551-556.

［9］鄭建國，張蘇民.濕陷性黃土在增濕時的強度特性［J］.水文地質工程地質，1989（2）：6-10.

［10］鄭建國，鄧國華，劉爭宏，等.黃土濕陷性分布不連續對濕陷變形的影響研究［J］.巖土工程學報，2015，37（1）：165-170.

［11］陳開圣，彭小平.關中地區黃土的濕陷特性研究［J］.水文地質工程地質，2005，32（1）：37-40.

［12］姚志華，黃雪峰，陳正漢，等.蘭州地區大厚度自重濕陷性黃土場地浸水試驗綜合觀測研究［J］.巖土工程學報，2012，34（1）：65-74.

［13］姚志華，黃雪峰，陳正漢，等.關于黃土濕陷性評價和剩余濕陷量的新認識［J］.巖土力學，2014，35（4）：998-1006.

［14］張延杰，王旭，梁慶國，等.濕陷性黃土模型試驗相似材料的研制［J］.巖石力學與工程學報，2013，32（增2）：4019-4024.

［15］工程地質手冊編委會.工程地質手冊［M］.4版.北京：中國建筑工業出版社，2007.

（責任審編趙其文）

Analysis of Influential Factors Related to Collapsibility of Artificially Prepared Collapsible Loess

RONG Lu1，2，WANG Xu1，ZHANG Yanjie1，LIANG Qingguo1
（1.School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu 730070，China；2.Key Laboratory of Road&Bridge and Underground Engineering of Gansu Province，Lanzhou Gansu 730070，China）

T hrough the artificiallypreparation of strong collapsible loess，the maininfluential factors of its collapsibility were analyzed.T he effects of external load and moisture content on the collapsibility coefficient were tested.T he results show that with the same moisture content，the collapsibility of similar specimens is weakened with the increase of loading，while with the same loading，the increase of moisture content brings down the collapsibility coefficient.If the twofactors varysimultaneously，the collapsible deformationinducedbecomes increasingly noticeable，which can be applied to the classification of collapsible loess and to the analysis of collapsibility and collapsible deformation.

Collapsible loess；Artificially preparation；Influential factors；Experimental study

榮露（1991— ），男，碩士研究生。

TU444

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.07.21

1003-1995（2016）07-0084-04

2016-01-11；

2016-04-01

國家自然科學基金（41262010）；長江學者和創新團隊發展計劃（IRT1139）