含水率變化對伊犁黃土變形和剪切特性的影響

莫騰飛，郭敏霞，婁宗科，郜穎超

(西北農林科技大學水利與建筑工程學院,陜西 楊凌712100)

新疆伊犁地區差別較大的季節性降水使得黃土中含水率變化較大。黃土中含水率的不同使得地面產生不均勻沉降，剪切破壞，進而造成修筑在其上的渠道發生破壞。伊犁地區分布有大面積的濕陷性黃土，若渠道發生破壞，黃土中占優勢的架空排列使得該地區更易發生濕陷變形，造成進一步的破壞[1]。因此，研究含水率對伊犁黃土變形和剪切特性的影響能夠有效的預防黃土的濕陷變形，減輕渠道的破壞。

擬建的阿克達拉水電站，是調整北疆電網結構和促進少數民族地區經濟發展的重要工程。該工程所在地區分布有大面積的濕陷性黃土，結構松散，含水率一般在5.6%～27.6%之間。黃土段占渠線總長的50%，包括風積原生黃土層段和洪坡積次生黃土層段。若該工程黃土段因含水率的變化產生較大不均勻沉降，必會使渠道發生剪切破壞，而該地區的濕陷性黃土使得渠道破壞進一步發展。本文將結合阿克達拉水電站渠道工程項目，對伊犁地區黃土特性進行研究。

關于新疆伊犁黃土的研究，張愛軍[2]等結合阿克達拉水電站渠道工程的特點，提出了渠道工程的黃土渠基濕陷性評價方法。張婉[3]等主要研究了含水率和密度對黃土濕陷系數的影響。陳佳攻[4]主要研究了含水率，干密度，上覆壓力對重塑黃土壓縮變形和濕陷變形特性的影響，這些研究主要集中在對伊犁黃土濕陷性的研究上[5]，對伊犁黃土變形和剪切特性研究的較少。關于黃土變形和剪切特性的研究，太俊[6]對不同含水率下的重塑黃土的抗剪強度進行了研究，楊坪[7]，吳民暉[8]等研究了含水率對重塑黃土變形特性的影響。陳存禮等[9]對黃土的結構性與增濕變形之間的關系進行了研究。本文在前人研究的基礎上，結合擬建的阿克達拉水電站渠道工程項目，選用伊犁重塑黃土和原狀黃土，探討含水率變化對伊犁黃土變形和剪切特性的影響。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗所用土樣均取自新疆伊犁地區，包括重塑黃土、原狀黃土。其中原狀黃土包括原生黃土、次生黃土、現場大型浸水試驗所取的黃土。原狀黃土取樣位置位于渠道中心線旁，且3種土樣取樣位置在同一條軸線上。其中次生黃土取樣位置為黃土沖溝底部，該沖溝曾長期受水流浸濕，所取土樣用于代表次生黃土性能。

1.2 試樣及制備

試驗儀器：應變控制式直剪儀。

試樣的制備：①擾動土試樣制備(擊樣法)：根據試驗要求的干密度和含水率計算土樣質量，將土樣放入預先裝好的環刀內，并固定在地板上的擊實器內，采用擊實法將土樣擊入環刀內。②原狀土試樣制備(環刀削樣法)：用切土刀將土樣削成稍大于環刀直徑的土柱，然后將環刀向下壓，削去多余土并修平，邊壓邊削，直到土樣伸出環刀為止。削去兩端多余部分，整平兩端，表1為本試驗所制土樣的基本物理性質指標。

表1 土樣基本物理性質指標Tab.1 The physical parameters of soil samples

1.3 試驗方法

試驗嚴格遵守SL237-1999 土工試驗規程[10]，采用固結快剪的方法，壓縮試驗和直剪試驗先后進行，每組直剪試驗之前，加壓穩定后均讀出相應壓力下的變形量，從而得出相應的孔隙比，計算相應的壓縮模量。由于渠道工程黃土段渠道的挖深、填高深度不等，下層黃土層所受的上覆壓力也不同。因此，結合濕陷性黃土地區建筑規范[11]，選取的垂直壓力分別為100、200、300、400 kPa。每組試樣分別在4臺儀器上完成，分別施加100、200、300、400 kPa的壓力，加壓穩定后讀出沉降量，每種含水率進行一組試驗。壓縮試驗結束后進行直剪試驗，拔去固定銷，當測力計指針開始走時，打開秒表開始計時，每15 s讀一次測力計讀數。剪切結束后，開啟倒擋，移去垂直壓力,框架,鋼珠，加壓蓋板等，取出試樣。試樣的抗剪強度取各級壓力下變形量為4 mm所對應的強度或應力-應變關系曲線的峰值強度。繪制不同垂直壓力同試樣的抗剪強度關系曲線，得到伊犁黃土的內摩擦角和凝聚力值。

2 試驗結果分析

2.1 壓縮試驗

圖1和圖2是不同含水率條件下干密度為1.45 g/cm3重塑黃土的e～P曲線及Es～w曲線。

圖1 不同含水率下重塑黃土孔隙比與垂直壓力的關系曲線Fig.1 Relation curves of vertical pressure and void ratio with different moisture content of the remolded loess

圖2 不同壓力范圍下壓縮模量與含水率的關系曲線Fig.2 Relation curves of moisture content and compression modulus with different pressure range

由圖1的e～P曲線可以看出：隨垂直壓力的增大，伊犁黃土的孔隙比逐漸減小，但含水率的不同造成孔隙比的變化存在差異。隨著含水率的增大，孔隙比的降幅逐漸增大，當垂直壓力為400 kPa時，降幅分別為6.7%、14.6%、20.5%、36.0%。產生上述現象可以解釋為:黃土土體中存在大量孔隙，隨著垂直壓力的增大，黃土中水和氣體逐漸排出，造成孔隙比的逐漸減小[12]。隨著含水率的增大,黃土顆粒周圍變厚的水膜溶解了膠結物質，造成聯結強度降低，孔隙比降幅變大[13]。

由圖2的Es～w曲線可以看出：隨著含水率的增大，壓縮模量逐漸減小。壓力較小時，減幅不大，但當壓力較大時如300～400 kPa時，微微增加含水率就使得壓縮模量陡減。這說明對于低密度低含水率的伊犁黃土，存在一個含水敏感區間，這個含水敏感區間就在含水率為7%～12%之間。當含水率較小，壓力較大時，增大含水率會導致壓縮模量顯著降低。這一結果也揭示了該地區另一已經建成運行的渠道工程，先后有兩處突然發生破壞的原因，即：當壓力較大時，由于極個別地方發生滲漏，含水率的增加使得黃土顆粒之間的聯結強度迅速被破壞，接觸點之間發生斷裂或錯動，造成壓縮模量的驟降；當含水率繼續增大后，黃土顆粒間的聯結強度進而遭到破壞，壓縮模量從初始的110 MPa降至2.0 MPa。

結合新疆地區的渠道工程地基處理措施[14,15]，對于挖方渠道常采用強夯法處理濕陷性黃土地基。夯前對渠基灑水增濕，再通過重錘夯實增加黃土的密實度。伊犁地區黃土的初始含水率一般在7.2%～11.8%之間，由上述分析可知，增加含水率可以有效降低該地區黃土的壓縮模量，減輕變形對渠道的危害。

由圖3壓力范圍在300～400 kPa時的Es～w曲線可以看出：相同含水率條件下，重塑黃土的壓縮模量>原生黃土>次生黃土>浸水試驗后的黃土；當含水率較大時，重塑`黃土和原狀黃土壓縮模量差別不大。上述現象說明：原生黃土的結構性>次生黃土>浸水試驗后的黃土。原生黃土主要由風積作用形成，結構性強；次生黃土受到水的沖擊搬運侵蝕作用，結構性破壞較多；而浸水試驗后的黃土則完全被水侵蝕過，結構性被破壞較前者充分，故壓縮模量最小。同原狀黃土相比，重塑黃土干密度大，土質均勻，沒有多余雜質，故壓縮模量較大。

圖3 不同種類黃土壓縮模量與含水率的關系曲線Fig.3 Relation curves of moisture content and compression modulus of different loess types

2.2 直剪試驗

圖4為垂直壓力為400 kPa時不同含水率條件下伊犁重塑黃土的抗剪強度和剪切位移關系曲線。圖5為飽和度為40%時不同種類原狀黃土的抗剪強度和剪切位移關系曲線。

圖4 不同含水率條件下重塑黃土抗剪強度與剪切位移的關系曲線Fig.4 Relation curves of shearing strength and displacement with different moisture content of the remolded loess

圖5 不同種類黃土抗剪強度與剪切位移的關系曲線Fig.5 Relation curves of stress and strain of different loess types

由圖4可知：隨著剪切位移的增大，抗剪強度逐漸增加，最后趨于穩定值，應力-應變性質近似于弱硬化型塑性破壞[16]。含水率越大，相同剪切位移條件下的抗剪強度越小。由圖5可以看出：相同應變條件下，原生黃土的抗剪強度>次生黃土的抗剪強度>浸水試驗后黃土的抗剪強度。

不同含水率條件下，不同種類黃土的抗剪強度指標試驗結果見表2、圖6和圖7所示。

由圖6可知：隨著含水率的增大，伊犁黃土的凝聚力逐漸降低。取飽和度增大到100%時凝聚力的變化量占初始凝聚力的百分比作為凝聚力的降幅,原生黃土，次生黃土，浸水試驗后的黃土，重塑黃土的凝聚力降幅分別為66.3%，57.1%，81.3%，76.0%；原生黃土的凝聚力>次生黃土的凝聚力>浸水試驗后的黃土的凝聚力。由圖7可知：隨著含水率增大，伊犁黃土的內摩擦角變化不大。

黏性土的抗剪強度與土顆粒間的凝聚力、內摩擦角有關。黨進謙[17]指出，凝聚力由原始凝聚力，加固凝聚力和吸附凝聚力組成。含水率的改變主要影響了加固凝聚力和吸附凝聚力。加固凝聚力由粗顆粒接觸點處的鹽晶膠膜形成，當黃土中含水率增大時，顆粒周圍的鹽晶膠膜被溶解，顆粒之間的聯結強度逐漸被削弱，造成凝聚力的降低。吸附凝聚力由基質吸力和毛細作用形成，含水率的增大削弱了土顆粒間的基質吸力和毛細作用。盧肇鈞[18]指出,黃土內摩擦角主要取決于土中的礦物成分，含水率變化對內摩擦角的影響不大，Δφ一般不超過±2°。本次試驗結果亦表明，隨著含水率的增大，原狀黃土和重塑黃土的φ值變化均未超過±2°。因此，含水率變化對抗剪強度的影響主要是由凝聚力造成的。

表2 不同含水率條件下，不同種類黃土抗剪強度指標Tab.2 The shear strength parameters of different loesstypes under different moisture content

圖6 不同種類黃土凝聚力與含水率的關系曲線Fig.6 Relation curves of cohesion and moisture content with different loess types

圖7 不同種類黃土內摩擦角與含水率的關系曲線Fig.7 Relation curves of internal frictional angle and moisture content with different loess types

同原生黃土相比，次生黃土、浸水試驗后的黃土抗剪強度較小，次生黃土試樣雖然干密度較原生黃土大，但由于結構性差，故不同含水率條件下凝聚力均小于原生黃土的凝聚力，抗剪強度也較小。浸水試驗使得黃土顆粒加固凝聚力、吸附凝聚力大部分被破壞，而內摩擦角變化不大，造成抗剪強度減小。重塑黃土同原狀黃土凝聚力和內摩擦角的變化趨勢大致相同，但重塑黃土的干密度較大，土樣均勻，造成內摩擦角較大。

3 結 語

(1)隨含水率的增大，相同垂直壓力條件下伊犁地區黃土的孔隙比逐漸減小，壓縮模量逐漸降低，抗剪強度逐漸減小。含水率對抗剪強度的影響主要是由凝聚力的改變造成的。黃土結構性的存在使得浸水試驗后黃土的壓縮模量<次生黃土<原生黃土；原生黃土的抗剪強度>次生黃土>浸水試驗后的黃土。

(2)低密度低含水率的伊犁黃土存在一個7%～12%的含水敏感區間，在這個含水區間，含水率稍稍增加就會導致壓縮模量顯著降低。因此，新疆地區修筑渠道在碾壓夯實增加干密度的同時，灑水增大含水率也是使變形和強度特性穩定的有效舉措。

□

參考文獻：

[1] 劉祖典.黃土力學與工程[M]. 西安：陜西科學技術出版社, 1997.

[2] 張愛軍,邢義川,汪海濤,等.基于增濕變形的渠道工程黃土渠基濕陷性評價方法[J].水利學報,2017,48(1):41-51,60.

[3] 張 婉,張愛軍,陳佳玫,等.含水率和密度對伊犁黃土濕陷系數的影響[J].西北農林科技大學學報(自然科學版),2017,(5):211-220.

[4] 陳佳玫.伊犁重塑黃土增濕變形特性研究[D]. 陜西楊凌：西北農林科技大學,2016.

[5] 陳 軍,張仲靚,穆志江.新疆伊犁某引水工程黃土濕陷性及工程處理措施[J].中國水運(下半月),2009,9(4):144-145.

[6] 太 俊. 非飽和黃土剪切特性的試驗研究[J].土工基礎,2016,30(3):391-394.

[7] 楊 坪,吳民暉,許德鮮.含水率對重塑黃土的變形特性影響的實驗研究[J].工程地質學報,2015,(6):1 066-1 071.

[8] 吳民暉,許德鮮,祝學文. 不同含水率重塑黃土變形特性分析[J].路基工程,2015,(1):55-59.

[9] 陳存禮,高 鵬,胡再強.黃土的增濕變形特性及其與結構性的關系[J].巖石力學與工程學報,2006,(7):1 352-1 360.

[10] SL237-1999，土工試驗規程[S].

[11] GB 50025-2004，濕陷性黃土地區建筑規范[S].

[12] 黨進謙,程建軍.土力學與地基基礎[M].北京：中國農業出版社, 2013.

[13] 高 越.咸陽黃土結構性影響因素研究[D]. 長春：吉林大學,2016.

[14] 顏新榮,明 義,張新霞,等.新疆西部渠道工程黃土濕陷性及工程處理措施[J].西部探礦工程,2008,(12):18-21.

[15] 陳雯龍.預浸水法在渠道非自重濕陷性黃土基礎處理中的應用[J].水利科技與經濟,2011,17(1):89-91.

[16] 劉祖典. 陜西黃土的變形特性[C]∥ 中國土木工程學會第四屆土力學及基礎工程學術會議論文選集.中國土木工程學會,1983.

[17] 黨進謙. 非飽和黃土的強度和變形[C]∥中國巖石力學與工程學會第七次學術大會論文集.巖石力學新進展與西部開發中的巖土工程問題. 中國巖石力學與工程學會,2002.

[18] 盧肇鈞. 黏性土抗剪強度研究的現狀與展望[J].土木工程學報,1999,(4):3-9.