濕陷性黃土固結(jié)試驗(yàn)與雙線法試驗(yàn)探討

包得祥 王寶成 虎居峰

（甘肅暢隴公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究院，甘肅 蘭州 730030）

1 概述

1.1 濕陷性黃土

濕陷性黃土是第四紀(jì)時(shí)期形成的黃色粉狀沉積物，蘭州地區(qū)分布的濕陷性黃土主要為Q3馬蘭黃土和Q41 次生黃土，局部地區(qū)為新近堆積黃土，具有如下特點(diǎn)：

1）顏色呈黃色或褐黃色、垂直節(jié)理發(fā)育，聯(lián)結(jié)較強(qiáng)不抗水，大孔性明顯，孔隙比大（0.8-1.1），含水率小（4%～10%）；

2）結(jié)構(gòu)上以粉粒（0.005-0.05mm）為主，約占總土量的60%～75%左右，含有大量的碳酸鹽、硫酸鹽和氯化物等可溶鹽類，易溶鹽、中溶鹽和有機(jī)質(zhì)含量較少，親水性較弱；

3）水理性敏感，浸濕后強(qiáng)度聯(lián)結(jié)減弱，含水率提高顯著，濕陷起始?jí)毫Φ停?-5MPa），具有自重濕陷性（δzs≥0.015）且強(qiáng)濕陷性程度強(qiáng)（δs≥0.07）。

1.2 固結(jié)試驗(yàn)

固結(jié)試驗(yàn)是基于Terzaghi 的單項(xiàng)固結(jié)理論，飽和土體（固、液兩相）在側(cè)限條件下，隨著垂直單項(xiàng)力的持續(xù)作用，土體中超靜孔隙水壓力逐漸消散，有效應(yīng)力逐漸增長(zhǎng)，土體體積不斷壓縮的過(guò)程。試驗(yàn)指標(biāo)為孔隙水壓力及土體應(yīng)力。

本文論述的研究對(duì)象為非飽和土體（固、液、氣三項(xiàng)），由于固結(jié)試驗(yàn)無(wú)法測(cè)定孔隙氣壓力，故本文主要就非飽和土的一維壓縮特性進(jìn)行探討，主要測(cè)定壓縮系數(shù)av及壓縮模量Es，不做固結(jié)系數(shù)研究。

1.3 濕陷性試驗(yàn)

黃土濕陷性的測(cè)定指標(biāo)主要為：濕陷系數(shù)δs、溶濾變形系數(shù)δwt、濕陷起始?jí)毫sh，自重濕陷系數(shù)δzs，其中溶濾變形系數(shù)δwt在測(cè)定時(shí)的試樣穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為每3d 變形量不大于0.01mm，在需要做大量土樣試驗(yàn)時(shí)耗時(shí)久、效率低，工程適用性較差。當(dāng)有必做要求時(shí)，為提高工作效率，可選用代表性試樣進(jìn)行試驗(yàn)，作為整體試樣的數(shù)據(jù)參考。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于黃土濕陷性測(cè)定方法普遍采用單線法及雙線法：?jiǎn)尉€法試驗(yàn)要求試樣組數(shù)為5 組，而對(duì)于黃土而言，因垂直裂隙發(fā)育、結(jié)構(gòu)松散等特點(diǎn)，黃土的均一性不能保證，致使統(tǒng)一深度的5 組試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在很大差異，數(shù)據(jù)離散性較大；雙線法的濕陷性試驗(yàn)要求試樣組數(shù)為2 組，對(duì)于試樣的均一性控制較容易，試驗(yàn)結(jié)果的規(guī)律性良好，便于數(shù)據(jù)的處理。又由于試驗(yàn)方法簡(jiǎn)單，工作量少，對(duì)比性強(qiáng)等特點(diǎn)，尤其適用于大量試樣的工程性試驗(yàn)。

對(duì)于雙線法試驗(yàn)中濕陷性系數(shù)δs偏大而濕陷起始?jí)毫sh偏小的情況，采用浸水條件下最后一級(jí)荷載的土體濕陷系數(shù)δ2與天然條件下最后一級(jí)荷載施加完成后浸水的濕陷系數(shù)δ1相互校核，最終求得黃土的濕陷系數(shù)δs。

應(yīng)該指出，固結(jié)試驗(yàn)中的壓縮部分與濕陷性試驗(yàn)的根本矛盾相同，即變形壓力與變形阻力的矛盾。但二者的變形含義有所不同，壓縮變形是黃土在保持含水率不變的情況下，由于荷載作用產(chǎn)生的垂直變形，是所有土體的共同特性；濕陷變形是黃土在荷載和浸水共同作用下，由于膠結(jié)結(jié)構(gòu)破壞產(chǎn)生的顯著濕陷變形，是濕陷性黃土獨(dú)有的特性。

2 兩種試驗(yàn)在試驗(yàn)方法上的統(tǒng)一

2.1 黃土快速壓縮試驗(yàn)

黃土快速壓縮試驗(yàn)為固結(jié)試驗(yàn)的一部分，是一種快速處理測(cè)定大量土樣壓縮指標(biāo)的方法。具體做法為每級(jí)荷載條件下固結(jié)1h，最后一級(jí)荷載固結(jié)24h。主要針對(duì)非飽和土體，進(jìn)行壓縮系數(shù)av和壓縮模量Es的確定。在確定試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)引入大于1 的校正系數(shù)K進(jìn)行變形量的修正。

依據(jù)規(guī)范要求，在試驗(yàn)儀器檢查無(wú)誤，試樣放入壓縮容器后，首先進(jìn)行預(yù)壓，預(yù)壓值為1.0kPa，使固結(jié)儀各部分緊密接觸。荷載序列為50、100、200、300、400（kPa），且最后一級(jí)荷載不小于400kPa。有時(shí)根據(jù)土的軟硬程度，第一級(jí)荷載可考慮用25kPa[1]。蘭州地區(qū)黃土由于含水率較低、土質(zhì)較硬，且結(jié)合大量黃土壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，蘭州地區(qū)黃土在進(jìn)行土體壓縮性試驗(yàn)時(shí)，第一級(jí)荷載宜采用50kPa。穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為每小時(shí)變形量不大于0.01mm

依據(jù)土體三大物理性質(zhì)試驗(yàn)指標(biāo)：含水率ω、比重Gs、濕密度ρ，通過(guò)計(jì)算得出土體的天然孔隙比e0，即試驗(yàn)開始時(shí)的孔隙比，然后依據(jù)校正系數(shù)K 計(jì)算各級(jí)荷載的校正變形量Δhi，最后通過(guò)計(jì)算各級(jí)荷載下的單位沉降量Si及各級(jí)荷載下試樣穩(wěn)定后的孔隙比ei，確定某一荷載范圍內(nèi)的壓力系數(shù)αυ及壓縮模量Es。各計(jì)算公式如下：

上列各式中：

(hn)T—400kPa 荷載條件下24h 后的穩(wěn)定變形量；

(hn)t—400kPa 荷載條件下1h 后的變形量；

∑Δhi—某一級(jí)荷載下的總變形量（mm）；

h0—試樣的起始高度，規(guī)范要求為20mm；

ei—某一荷載下壓縮穩(wěn)定后的孔隙比，精確至0.01；

av—壓縮系數(shù)（kPa-1），精確至0.01；

pi—某一荷載值（kPa）。

2.2 雙線法濕陷試驗(yàn)

雙線法濕陷試驗(yàn)是在同一土樣筒中，切取2 組環(huán)刀試樣，1 組在天然濕度下按約定荷載等級(jí)進(jìn)行加載，加至最后一級(jí)荷載穩(wěn)定后繼續(xù)進(jìn)行浸水穩(wěn)定（第1 組試樣）；另1 組試樣在天然濕度下按約定荷載等級(jí)進(jìn)行第一級(jí)加載，穩(wěn)定后在第一級(jí)荷載條件下浸水，再分級(jí)加載穩(wěn)定，直至最后一級(jí)荷載穩(wěn)定，加載過(guò)程中試樣一直處于浸水狀態(tài)（第2 組試樣）。

通過(guò)上述試驗(yàn)過(guò)程可以看出：濕陷性試驗(yàn)的第1 組試樣試驗(yàn)過(guò)程類似于土體固結(jié)試驗(yàn)中的壓縮土體試驗(yàn)；第2組試樣試驗(yàn)過(guò)程類似于飽和土體的固結(jié)試驗(yàn)。

參考規(guī)范要求，對(duì)于無(wú)特殊要求的建筑物，其荷載序列為50、100、150、200、300（注：當(dāng)飽和自重壓大于300kPa 時(shí)，采用300kPa 作為土體飽和自重壓）。穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為每小時(shí)變形量不大于0.01mm（除溶濾變形系數(shù)）[1]。

其各自的荷載序列如下表所示：

表1 壓縮試驗(yàn)與濕陷試驗(yàn)荷載序列表

表2 調(diào)整后的壓縮濕陷試驗(yàn)荷載序列表

從表1、表2可以看出，當(dāng)選用調(diào)整后的試驗(yàn)荷載時(shí)，可以同時(shí)滿足壓縮試驗(yàn)與濕陷性試驗(yàn)的要求，壓縮試驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)的計(jì)算范圍為第1 組荷載序列中的50、100、150、200、300、400（kPa），截止最后一級(jí)荷載條件下試樣達(dá)穩(wěn)定后加水前。

在進(jìn)行濕陷性試驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)計(jì)算時(shí)，比較表1與表2的加載序列可以得出，二者不同點(diǎn)僅為在300kPa 或400kPa 作用下加水的問(wèn)題，這對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果是無(wú)影響的。相關(guān)規(guī)范的黃土濕陷性試驗(yàn)部分中荷載序列也從300kPa擴(kuò)大到了400kPa[2-3]。

通過(guò)以上分析可以得出，黃土的濕陷性試驗(yàn)與固結(jié)試驗(yàn)，雖然在變形本質(zhì)上兩者完全不同，但是在做法上可以進(jìn)行統(tǒng)一，即一個(gè)試驗(yàn)兩種結(jié)果。這將大大縮減試驗(yàn)時(shí)間，提高工作效率，對(duì)于試樣量較大時(shí)此種方法尤為適用。

3 基于土變形曲線的雙線法結(jié)果校正

根據(jù)天然條件下土體的壓縮曲線及黃土在浸水條件下的附加沉陷曲線，可以得到黃土在天然壓縮、雙線法試驗(yàn)及單線法試驗(yàn)的變形曲線，如圖1所示。

圖1 濕陷性黃土壓力變形曲線

由圖1可得如下關(guān)系：

式中，S0為P 壓力下天然土體的沉降量；S1為P 壓力下單線法試驗(yàn)的濕陷量；S2為雙線法試驗(yàn)的附加沉陷量；a、b分別為直線方程的斜率與截距[3]。

由單、雙線法濕陷系數(shù)定義，有

式中，h0為試樣起始高度，20mm。

令K為試樣在P壓力下的修正系數(shù)，即

由式（1）、（2）、（3）得修正系數(shù)，

當(dāng)P P=1時(shí)，K=1；當(dāng)P P=2時(shí)，

其中，δ1、δ2分別為第1、2 組試樣最后一級(jí)荷載穩(wěn)定后測(cè)得的濕陷系數(shù)，K值介于0.5～1.5 之間。

綜上所述，試樣在雙線法試驗(yàn)條件下最終修正后求得的濕陷系數(shù)為

式中，δsi為各級(jí)荷載條件下按濕陷系數(shù)定義求得的濕陷系數(shù)；Δδsi為對(duì)應(yīng)等級(jí)荷載條件下經(jīng)修正后求得的濕陷系數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

1）分別對(duì)黃土類土體的固結(jié)試驗(yàn)與濕陷性試驗(yàn)進(jìn)行討論，指出二者的相同點(diǎn)與不同點(diǎn)。

2）通過(guò)荷載等級(jí)的比較分析，建議采用包括壓縮試驗(yàn)在內(nèi)的綜合雙線法進(jìn)行黃土的濕陷性試驗(yàn)，可以大幅度縮減試驗(yàn)時(shí)間，提高工作效率，并給出建議的荷載等級(jí)及具體做法。

3）通過(guò)兩組試樣最后一級(jí)荷載下的濕陷系數(shù)之比，修正了土樣的最終濕陷系數(shù)，提高了雙線法試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，使其與單線法數(shù)據(jù)更接近。