淺談黃土濕陷的機理研究

(青海大學(xué)土木工程學(xué)院　青海　西寧　810016)

一、前言

(一)研究的背景及意義

濕陷性黃土屬于第四紀(jì)沉積物，在天然濕度下，其壓縮性較低，結(jié)構(gòu)強度較高；受水浸濕后，在土體自重應(yīng)力或自重應(yīng)力與外部附加應(yīng)力共同作用下，強度會降低。在濕陷性黃土地區(qū)，地基土遇水浸濕后產(chǎn)生下沉，造成房屋建筑產(chǎn)生裂縫，道路沉降變形，邊坡不穩(wěn)定，山體滑坡等等均與黃土的濕陷有關(guān)系，這些由于黃土濕陷性引起的事故往往是重大事故，導(dǎo)致巨大的損失。當(dāng)土體中殘余的強度不足以抵抗土體中的結(jié)構(gòu)應(yīng)力時，土體結(jié)構(gòu)迅速破壞，并發(fā)生顯著的沉陷。在我國，濕陷性黃土占黃土總面積多達3/4。在濕陷性黃土地區(qū)，地基土遇水浸濕后產(chǎn)生下沉，造成房屋建筑產(chǎn)生裂縫，道路下沉破壞等均與黃土的濕陷有關(guān)系，這些由于黃土濕陷性引起的事故往往是重大事故，導(dǎo)致巨大的損失。近年來，隨著西部大開發(fā)和“一帶一路”戰(zhàn)略和城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略的綜合實施，黃土地區(qū)建筑物越來越多、其規(guī)模也越來越大，而目前較常用的地基處理方法(包括強夯法和擠密法等)一般只能消除基底下10—15m 地基土的濕陷性，當(dāng)基底下的濕陷性黃土層大于 15m 時，往往采用樁基穿透濕陷性黃土層予以處理，但費用較高。因而深入研究非飽和黃土濕陷產(chǎn)生機理，對于預(yù)測路基工程和建筑工程因濕陷性而產(chǎn)生的安全問題及優(yōu)化地基處理等均具有重要的學(xué)術(shù)意義和工程實踐價值。

(二)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

黃土遇水濕陷是其典型的最重要的工程地質(zhì)特性，黃土的濕陷性研究始于上世紀(jì)50年代，孫建中等多位土力學(xué)專家撰寫過黃土浸水之后發(fā)生沉降的現(xiàn)象,并定義為該現(xiàn)象為黃土濕陷性現(xiàn)象,因而,濕陷性為黃土的特有的遇水沉降性質(zhì),黃土濕陷特性由此進入了研究篇章。仔細(xì)分析關(guān)于黃土的濕陷性研究歷史，可知，濕陷性研究可歸結(jié)于黃土的內(nèi)外因素共同決定：外因是黃土的應(yīng)力路徑和水，內(nèi)因是黃土的物性(初始含水量,密度)，二者的共同作用。國內(nèi)外學(xué)者研究土水特性及濕陷性質(zhì)的機理也是基于此為出發(fā)點研究的。關(guān)于不飽和黃土的濕陷性研究，早期主要集中于濕陷成因和時代，然后得出了一些學(xué)說：欠壓密說、膠體不足說、易溶鹽說、水膜楔入說等，但是這些學(xué)說從物理學(xué)、物理化學(xué)、地質(zhì)學(xué)等單方面解釋濕陷性，卻不能從機理上從分解釋黃土濕陷現(xiàn)象和原因。

我國的張長城，丁冰，章靜[1]等人采用單線法和雙線法對不同壓力下黃土的濕陷性進行了分析研究，得出在上覆壓力600kpa范圍內(nèi),濕陷系數(shù)隨壓力的增加而增加；許領(lǐng)，戴福初[2]，邵生俊，楊春鳴[3]，申永慶[4]及長安大學(xué)的侯曉坤[5]，陳陽[6]，劉茹[7].等人通過室內(nèi)試驗研究了影響洛陽地區(qū)黃土濕陷的主要因素及其濕陷機理；姚志華[8]，武小鵬[9]，黃雪峰，楊校輝[10]等人通過濕陷性黃土現(xiàn)場浸水試驗，指出了現(xiàn)行規(guī)范中濕陷性判定、地基處理厚度、剩余濕陷量及停水標(biāo)準(zhǔn)等方面存在的問題并給出了相應(yīng)建議同時揭示了黃土濕陷的原因；陳陽，李喜安[11]，張豫川[12]，高凌霞，欒茂田，楊慶[13]等人從微觀角度綜合分析了黃土濕陷的成因機理；王萌[14]對西寧地區(qū)非飽和黃土做了強度特性試驗及SWCC 試驗研究，從宏觀和微觀解釋了黃土濕陷的原因；劉瑞強[15]，徐海[16]，侯建[17]，胡曉明[18]，王小兵[19]，李開清[20]等人對不同的濕陷性黃土地質(zhì)情況提出了具體的地基處理方法。謝婉麗，王延壽[21]在回顧早期黃土濕陷機理研究成果的基礎(chǔ)上，概述了黃土濕陷機理的發(fā)展歷程，通過工程實例研究提出了當(dāng)前黃土濕陷機理發(fā)展中存在的問題,并對其發(fā)展趨勢進行了分析。

二、對黃土的濕陷性研究所采用的試驗方法

(一)非飽和黃土的濕陷性室內(nèi)研究

首先，黃土的基本物理力學(xué)指標(biāo)的試驗方法。比重試驗采用比重瓶法；干密pd=p/(1+w)含水率可用烘干法或燃燒法測得。

土由可塑狀態(tài)轉(zhuǎn)到流動狀態(tài)的界限含水率稱為液限，可采用錐式液限儀來測定塑限可采用搓條法測定。滲透試驗采用常水頭法測定滲透系數(shù)K。

土體壓縮系數(shù)是描述土體壓縮性大小的物理量，被定義為壓縮試驗所得e-p曲線上某一壓力段的割線的斜率。

濕陷系數(shù)是評價黃土濕陷性的一個重要指標(biāo)，濕陷系數(shù)按δs=(hp-h’p)/h0求算，式中：hp為保持天然含水率和結(jié)構(gòu)的試樣，加壓至一定壓力下沉穩(wěn)定后的高度(cm)；h’p為上述加壓穩(wěn)定后的土樣在浸水作用下,下沉穩(wěn)定后的高度(cm)；h0為土樣的原始高度(cm)。

室內(nèi)浸水壓縮試驗測定黃土濕陷系數(shù)的方法主要有雙線法和單線法，其主要區(qū)別是浸水和加荷程序不同。

單線法試驗：單線法試驗是對試驗土樣分級加荷至規(guī)定壓力，下沉穩(wěn)定后，試樣浸水飽和，附加下沉穩(wěn)定，試驗終止。通過附加下沉量與試樣原始高度之比計算濕陷系數(shù)。

雙線法試驗：將下逐級施加垂直壓力，至目標(biāo)壓力終止，觀測分級沉降量。同時，將另一組天然狀態(tài)土樣，在土樣浸水飽和的狀態(tài)下，逐級施加垂直壓力，至目標(biāo)壓力終止，分級觀測沉降量。計算各級壓力下的濕陷系數(shù)，并繪制曲線。

(二)現(xiàn)場基坑浸水試驗

試驗方法：

武小鵬[9]進行了現(xiàn)場浸水試驗,選取了青海樂都縣某地為基坑場地，基坑直徑為25米，在現(xiàn)場浸水試驗開始前，在每個試驗場地人工開挖兩個探井(探井深度穿透整個濕陷性黃土層)對試驗場地進行了精細(xì)勘查，在勘察過程中按1米間距人工取原狀樣進行室內(nèi)試，對比分析室內(nèi)試驗與現(xiàn)場試坑浸水試驗實測的自重濕陷性黃土下限深度的定量關(guān)系，定量分析其差異形成機理，提出基于室內(nèi)試驗準(zhǔn)確獲取濕陷性黃土下限深度，然后以現(xiàn)場基坑試驗為依據(jù)作出累計濕陷量曲線。主要試驗結(jié)論：

(1)由曲線可知自重濕陷性黃土層下限深度是明確且唯一的。

(2)自重濕陷性黃土深部濕陷要經(jīng)歷一個發(fā)展演變過程。浸水后淺部土層首先發(fā)生自重濕陷，隨著浸水時間的延長和水分的逐漸入滲，濕陷深度才逐漸向深部擴展。

(3)一般浸水，黃土濕陷性沿深度的變化趨勢為濕陷性土層的中部濕陷性較為強烈。

(三)從微觀結(jié)構(gòu)研究非飽和黃土的濕陷機理

現(xiàn)在對于黃土的微觀結(jié)構(gòu)的定量分析可以采用PCAS 系統(tǒng)[14]，其主要功能是進行顆粒、孔隙和裂隙圖像的自動識別、幾何定量和統(tǒng)計分析。通過濕陷前后的數(shù)值對比及圖形對比，來綜合分析探究黃土濕陷性的機理。

黃土濕陷的過程中膠結(jié)物隨著骨架顆粒的滑移而散布于顆粒或孔隙之間，一些不穩(wěn)定的團粒結(jié)構(gòu)被肢解，孔隙中被大量的黏粒物質(zhì)所填充，使得連通性大大降低，而穩(wěn)定的團粒結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔隙僅發(fā)生了變形而不被破壞。在外荷載和水的共同作用下，黃土的結(jié)構(gòu)強度發(fā)生突變、不可逆變小而產(chǎn)生的變形，說明黃土的濕陷變形實質(zhì)就是一種特殊的塑性變形。

(四)對黃土濕陷的討論

(1)黃土在天然狀態(tài)下，其內(nèi)部的膠結(jié)物在骨架顆粒的接觸部位，當(dāng)黃土遇水之后，在外部壓力和水化的共同作用下，黃土土體內(nèi)部發(fā)生一系列復(fù)雜的物理化學(xué)變化，顆粒與顆粒間的部分物質(zhì)和黏土礦物被軟化，原有的骨架顆粒排列順序被打亂并重新排列，顆粒與顆粒間的孔隙改變，土體趨于密實。

(2)在外部壓力和水化的共同作用下，黃土的結(jié)構(gòu)性強度發(fā)生了突變而產(chǎn)生變形，說明黃土的濕陷變形可以認(rèn)為是一種特殊的塑性變形。土體內(nèi)部分顆粒與顆粒間的相對滑移導(dǎo)致其顆粒間發(fā)生應(yīng)力重分布，而其他顆粒的連續(xù)滑移使得土體形狀發(fā)生了變化，最終導(dǎo)致黃土發(fā)生濕陷。(3)綜合濕陷性研究成果可歸納出黃土濕陷是內(nèi)外因素共同決定的：外因主要包括黃土的應(yīng)力路徑和水，內(nèi)因包括黃土的初始含水量和密度。

三、結(jié)語

(1)雖然國內(nèi)外對黃土濕陷都做了不少機理的研究，但是對于建立能夠合理描述黃土工程中不飽和黃土潛蝕濕陷破壞過程的本構(gòu)模型還沒有完成，當(dāng)我們能夠建立黃土濕陷的數(shù)值模型后，我們就可以運用該模型直觀的對黃土工程的安全及穩(wěn)定性進行評估和預(yù)測，預(yù)測結(jié)果具有直觀性和易接受性，這為防災(zāi)減災(zāi)和水土保持提供了必要的理論依據(jù)。

(2)隨著對濕陷性黃土的作用機理研究，對于濕陷性黃土地基的處理也會提供重要依據(jù)。也可以在現(xiàn)有的地基處理的基礎(chǔ)上，分析濕陷的主要原因探究黃土地基處理的新方法、新工藝，具有重要的經(jīng)濟價值。

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