黃土的結構強度和濕陷性之間的關系

謝瀟賈國龍

黃土的結構強度和濕陷性之間的關系

謝瀟1，2，3，4，賈國龍5

（1.陜西省土地工程建設集團有限責任公司，陜西 西安 710075；2.陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710075；3.自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室，陜西 西安 710075；4.陜西省土地整治工程技術研究中心，西安 710075； 5.青海省有色第四地質勘查院，青海 西寧 810000）

濕陷性是黃土的一大力學特性，黃土濕陷變形發生在其浸水后，發展較快，量也很大，對工程建設有嚴重的影響。濕陷性的產生究其原因是黃土結構性突然破壞。目前對于黃土的結構性和濕陷性的研究已取得了一定的進展。闡述了黃土結構強度的概念，在以往研究成果的基礎上將黃土的結構強度與濕陷性聯系起來，從黃土的結構特性出發，對黃土的濕陷性和濕陷規律進行了分析。

黃土；濕陷性；結構強度；建筑破壞

1 引言

中國濕陷性黃土的分布面積廣泛，在濕陷性黃土地區由于黃土濕陷性而造成的建筑破壞和工程事故有很多，由此造成的損失巨大。黃土的濕陷性是黃土在自重或者外荷作用下，浸水后結構迅速破壞發生突然沉陷的性質?！皾裣菪浴币辉~一方面反映了該現象的主要表現，另一方面又說明了這種沉陷與與其他沉陷的不同之處——產生的原因是浸水。 從黃土的濕陷性的定義可以看出，黃土發生濕陷是其結構突然被破壞，因而從結構層面上來研究黃土的濕陷性是十分必要的。

2 黃土的結構性和結構強度

土的結構性是指構成土體骨架的顆粒及其集合體以及骨架顆粒之間孔隙的尺寸、形態、排列方式及聯結等的綜合特點[1]。由此可以看出土的結構性包括土體骨架及其之間空間的幾何特征，及考慮到土力學角度的顆粒之間的聯結特征?？紫兑彩欠从愁w粒排列的一個方面，土的結構性包括土中顆粒的排列特征（幾何特征）和聯結特征（力學特征）兩個方面的內容。土體的宏觀力學特性本質上來說都是取決于土的結構性。土的結構性在一定程度上可以反映顆粒粒度、密集程度及濕度3個因素的作用。

對于非飽和黃土來說，其結構強度[2]是在生成過程中由膠結物質所形成的聯結強度，是結構性黏土特有的，伴隨土體結構的而生成或者消失的。黃土多分布在干旱半干旱的氣候條件下，由此其主體骨架主要由較粗的粉粒組成，這些主體骨架中間主要是架空結構。而在骨架顆粒連接點處的半徑更小的粘膠微粒及可溶鹽等則形成膠結連接，這種連接強度即為非飽和黃土的結構強度。

黃土具有水敏性，由于其特殊的結構使得黃土對水的作用敏感。當黃土的含水率提升時，可溶鹽逐漸溶解，膠結物質產生松馳作用，膠結物的聯結能力削弱，最終引起結構強度的降低。

黃土結構性方面的研究成果很多[3]，對黃土的結構性研究有黃土的顯微結構方面[4-6]、結構力學研究模型方面[7-8]和黃土結構性的力學試驗方面[9]的研究。土結構性研究的歷史向人們展示了一個對土結構性逐漸認識的過程。它經歷了一個從認識土結構性的重要性并對土的微結構形態初步進行定性研究，到深入認識微結構形態，尋求定量表示的方法，并初步認識土顆粒的聯結特性在土結構性中的重要地位，再到逐漸形成結構性的完整概念，并對結構要素定量化研究，最后到研究土結構性的綜合定量描述的過程。

3 從結構方面出發解釋黃土的濕陷性

引起黃土發生濕陷的因素有黃土自身的結構、外界荷載和水的作用，前者是內因，后兩者屬于外因，是黃土濕陷性的誘發因素。

黃土的結構是影響黃土濕陷性的最本質性的因素。侯曉坤[10]通過對黑方臺黃土濕陷前后試樣的細觀結構圖像觀察和孔隙統計分析得出，濕陷變形穩定后，隨著含水率的提高，凝塊狀顆粒增多，百分數最大的孔徑逐漸減小，微孔隙增多。對黃土濕陷性貢獻較大的主要是黃土中的大孔隙和中孔隙。劉海松等[11]對西安-禹門口高速公路富平試驗路段的原狀黃土以及浸水濕陷后黃土進行了電鏡掃描研究，通過分析得出，土樣浸水后，土體架空的以點接觸處為主的礦物碎屑顆?；蚣ｐそY物被軟化、溶解，同時，顆粒之間連接也被軟化、破壞，使土顆?？偟倪B接強度減弱，使顆粒分散；顆粒表面的礦物質成分由于水的作用，溶解或滑落到土體中的大孔隙、中孔隙內，進一步降低了黃土的結構強度，使土體結構發生破壞，形成濕陷。黃土濕陷性的發生過程實質上是黃土結構強度迅速降低的過程。胡再強等[12]通過三軸浸水試驗及掃描電子顯微分析，闡明了黃土的濕陷性同其結構性及應力狀態之間的關系。

在影響黃土濕陷性的外因方面，黃土浸水后產生的濕陷量大小與其受到的荷載作用大小和含水率大小關系密切，幾乎成比例關系。荷載的大小決定了濕陷量的大小，初始含水率的高低決定土體壓縮產生的變形和濕陷產生的變形之間的比例關系。如果黃土的初始含水率接近或者達到飽和，黃土顆粒排列變化隨時間的增加已趨于穩定，土體孔隙的減小也基本完成，土體顆粒以及各種膠結的破壞早已完成，其對應的結構強度很小，此時黃土的結構對水的敏感程度就會降低，黃土的濕陷隨含水率的變化程度很小[6]。當初始含水率相同或相近時，黃土的濕陷系數會隨著結構強度的增大而減小。其原因是含水率相同時，黃土的初始結構形式以及孔隙和膠結物質等一系列變化都很相似。這種狀態下，結構強度對浸水后土體顆粒含量變化、結構破壞以及孔隙的填充等將發揮最大的作用，結構強度越大，土體顆粒的連接以及膠結強度等也越大，水對黃土結構的影響就越小，遇水后的濕陷變形必然越小。

4 結論與思考

本文總結了前人對黃土的結構性和結構強度的研究，通過一系列的資料研究分析了黃土的濕陷性與黃土的結構強度的關系：黃土的結構強度對黃土的濕陷性有著非常直接的影響，在初始含水率相同的情況下，黃土的濕陷系數會隨著結構強度的增大而減??；初始含水率越高黃土的結構強度越低，濕陷系數也越小；對黃土濕陷性有貢獻的主要是黃土中的大孔隙和中孔隙，大孔隙和中孔隙越多，濕陷系數越大。黃土的濕陷性實際是十分復雜的物理、化學和力學過程，受到多種因素的影響，是土內部固有的特殊因素和外界適當條件共同作用的結果。隨著濕陷性黃土地區工程建設的不斷發展，深入研究黃土濕陷性的形成機理，正確評價黃土的濕陷性，合理控制黃土的濕陷變形，對黃土地區工程建設有著極為重要的意義。在研究黃土的結構性和濕陷性之間的關系時，還應對圖像分析軟件做進一步的完善，對黃土的微結構特征進行更加詳細的統計和分析，同時還應當結合黃土形成的地質歷史和環境條件對黃土的結構性做更進一步的研究，從而得到更加完善的結論。

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TU444

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.14.028

2095－6835（2020）14－0075－02

謝瀟（1992—），女，陜西西安人，碩士，助理工程師，主要從事巖土工程研究。

〔編輯：張思楠〕