基于低荷載下的黃土濕陷性試驗設計分析

張曉

摘 要：研究低載荷條件下表的黃土土層濕陷性和抗剪強度變化，在針對洛川馬蘭Q3組黃土土層的基本結構力學實驗、濕陷性實驗、直剪實驗等一系列實驗中，得到以下實驗結果：①黃土的結構強度隨含水率的增加而降低，原狀土、重塑土、加固土的下降曲線斜率變化有所不同，但在6%～12%含水率區間上，其水敏性最為劇烈。②低載荷條件下，原狀土符合含水率在9%附近是土壤濕陷性最大的規律，重塑土和高載荷條件下的土層表達在此范圍不顯著。③土層加固對提升土層的濕陷系數和抗剪強度有積極意義。

關鍵詞：黃土;結構強度;濕陷性;水敏性

中圖分類號：TU444 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）06-0111-05

Abstract：The changes of collapsibility and shear strength of loess soil layer under low load condition were studied. In a series of experiments on the basic structural mechanics experiment， collapsibility experiment and direct shear test of the Luochuan Malan Q3 loess soil layer， the following experimental results were obtained： ①the structural strength of loess decreased with the increase of water content， and the slope of decline curve of undisturbed soil， remolded soil and reinforced soil varies somewhat， but in the range of 6%～12% water content， the water sensitivity is the most severe. ②Under the condition of low load， undisturbed soil conforms to the rule of maximum soil collapsibility when the moisture content is around 9%， while the expression of soil layer under remolded soil and high load condition is not significant.③Soil reinforcement has a positive significance to improve the collapsibility coefficient and shear strength of soil layer.

Key words：loess; structural strength; collapsibility; water sensitivity

0 引言

濕陷性黃土地區，將黃土作為建筑物地基的工程實現模式仍不能避免，為解決濕陷性黃土地基持力不足的問題，相關研究中提出可溶鹽理論、膠體不足理論、毛細管理論、欠壓密理論、微結構理論等黃土介質工程力學理論。通過對黃土工程力學性質進行水敏性試驗，研究其浸水狀態下的力學特征，對提升黃土基礎地基穩定性有積極意義[1]。

而黃土地層作為淺層第四系地層的分布特征多集中在我國西北部地區，以黃土高原及河西走廊地區的山西、陜西、甘肅等地居多。而黃土基礎的濕陷性問題以及黃土濕陷過程帶來的結構力學不穩定性，在相關試驗中表現出了水敏性特征。研究不同黃土基礎加固方案，特別是黃土加固策略對黃土初始結構強度的影響，即通過提升黃土膠結程度對黃土基礎的綜合結構強度進行有效提升，是當前處理黃土基礎的常用途徑。本文研究中通過對黃土進行烘干、碾壓、結構重塑等手段對黃土結構進行重塑，以提升黃土的最大剪應力[2]。

試驗選擇普遍認為濕陷性和水敏性表現顯著的馬蘭黃土進行相關試驗研究，研究其不同擾動條件下的強度變化特征曲線，以及不同黃土結構強度加固方案對黃土結構強度變化特征曲線的影響，開展相關試驗。以對黃土地區的工程活動提供數據支持。

1 試樣采集與試驗結果

1.1 黃土試樣的選擇

選擇陜西省延安市洛川縣馬蘭組Q3地表黃土作為研究對象。該組地層為典型的黃土塬區沉積堆積地貌，取樣點沉積時間約248萬年，其對黃土地層形成期的古氣候環境信息和地層運動信息的保存相對完整，當前馬蘭黃土已經成為國內外黃土地層研究的標準地層剖面，即“洛川黃土-古土壤剖面”。[3]

試樣取樣選馬蘭組Q3原狀土樣和重塑土樣，取樣埋深2.0～2.2m，提供以下試驗所需試樣：

（1）測試土樣基本物理指標。

（2）開展濕陷試驗獲得土樣的濕陷過程結構力學特性曲線。

（3）開展直剪試驗獲得土樣在不同含水率的條件下的結構力學特性曲線。

1.2 基本物理指標試驗方法

開展多組環刀試驗，測得土樣平均密度為1.401g/cm3。

開展比重瓶試驗，測得土樣平均比重為2.71。

開展多組含水率試驗，測得土樣的基礎含水率為8.85%。

開展液塑限聯合試驗，記錄3個不同含水率條件下的圓錐平均下沉深度，每個含水率條件測試5個土樣，采用數據擬合法判斷擬合度最高的一組數據，繪制其雙對數坐標系下的圓錐入土深度與含水量的關系曲線圖，如圖1所示。試驗標準選擇GB/T50123-1999。測得試樣的黃土液限為29.10%。

1.3 濕陷試驗方法

使用原狀土試樣和重塑土試樣，采用對比法開展濕陷試驗，并測試兩種試樣在不同含水率條件下的濕陷試驗表現。兩種土樣條件下，按照3%、6%、9%、12%、15%共5個含水率梯度，其中9%含水量接近于土層自然含水率8.85%。實驗結果如表1及表2所示[4]。

1.4 直剪實驗

在上述分組方法的基礎上開展直剪實驗，實驗結果考察不同土試樣形式和不同含水率，實驗采用的載荷壓力值為50kPa，以更貼近建筑建成后的實際土樣上覆建筑物的自重載荷，其直剪數據結果如表3所示[5]。

2 試驗結果與討論

2.1 結構強度分析

50kPa上覆載荷壓力條件下，獲得不同含水率條件下的原狀土試樣應變特征曲線如圖2所示，不同含水率條件下重塑土試樣應變特征曲線如圖3所示。

圖2與圖3中，含水率越高的試樣，其剪應力峰值的出現位置越接近于大應變位置，即出現統計函數峰值右移。說明含水率與試樣破壞形式有關，此處，含水率偏低的試樣偏向脆性破壞形式，含水量高的試樣偏向塑性破壞形式。重塑土試樣的此種表現不如原狀土試樣的此種表現顯著，考察土層沉積規律，因為重塑土中的膠連結構表現較弱，毛細結構發育不顯著，綜合導致其土層結構沒有完全形成并引起其土層應力作用尚未形成的機理。所以，對洛川馬蘭Q3組黃土來說，通過后期加固土壤的方式有助于對其初始結構強度進行強化，包括土壤夯實等加固手段[6]。

不同含水率條件下的土層結構強度對比曲線如圖4所示。

圖4中，黃土土層強化過程對土試樣的含水率-強度變化曲線的變化趨勢并無影響，原狀土、重塑土、強化土均隨著含水率增加而剪切強度顯著降低。隨著含水率增大，原狀土初始剪切強度較大但含水率超過6%時，其剪切強度顯著降低，該趨勢一直持續到含水率達到12%前后。而重塑土該趨勢幾乎按照直線分布。觀察強化土和原狀土的變化規律，其剪切強度變化劇烈趨勢均出現在6%～12%含水率的條件下，分析其原因，主要來自土層中的易溶鹽組分和膠結物組分在此含水量下表現活躍，即水敏性增加。

2.2 濕陷性分析

原狀土與重塑土在不同載荷條件下的濕陷性特征如圖5及圖6所示。

圖5中，當土壤含水率超過9%時，其濕陷系數在不同載荷條件下均發生較陡的下降沿，特別是隨著載荷量降低，在50kPa條件下發生的下降沿最陡。即可認為，原狀土試樣條件下，土壤含水率與上部載荷量對黃土濕陷系數有顯著影響。

圖6中，重塑土試樣條件下，50kPa頂部載荷的濕陷系數在3%～9%含水率的條件下出現較陡下降沿，100kPa及150kPa頂部載荷的濕陷系數在3%～6%含水率條件下出現較陡下降沿。與原狀土相比，重塑土在含水率超過9%時并未出現顯著下降沿，其濕陷系數下降沿出現在小于9%含水率的條件下。

2.3 水敏性分析

原狀土的相關實驗中，含水率在9%附近，即在天然含水率附近時，試樣的濕陷性最大，但在重塑土相關實驗中，該數據特征并不顯著。圖7展示了試驗中5個標識含水率梯度上的濕陷性與加固結構強度對應曲線。

圖7中，9%含水率條件下，后期加固的土層結構強度曲線斜率最大，表明此時加固土層的水敏性最高。在臨近的6%含水率和12%含水率對應的曲線斜率僅次于9%含水率條件。在低載荷條件下，原狀土的大孔隙及土層的不均勻性使其在低載荷條件下的水敏性出現不一致表現。主要表現在50kPa頂部載荷條件下土層水敏性特性表達曲線幾乎為直線，即認為其水敏性幾乎為0?？梢哉J為隨著土體內部的空隙分布、膠結物分布、可溶鹽分布等條件的差異性，導致土層水敏性的變化。在高載荷條件下，如150kPa和200kPa的頂部載荷條件，試樣的水敏性表達并不顯著。可見高載荷條件下，土層的裂隙結構被充分破壞，其膠狀物、可溶鹽的水敏性物理過程也被抑制，土層的濕陷性表現更接近于加固土的濕陷性表現[7-8]。

圖8中，50kPa載荷條件下，原狀土與重塑土的濕陷系數差值變化趨勢與上述分析中的土壤水敏性產生機制一致，即一定比率的含水量使土壤膠結物和可溶鹽的活性得到激發。而原狀土與加固土的差值表現，與上述表現有巨大差異[9]。但兩個曲線的數據特異點均發生在9%含水率上下，可認為自然含水率（9%）附近土層獲得最大水敏性的穩定表現，重塑試樣后期加固結構對土層的空隙進行充分破壞和消除的過程，會使其起始壓力基本實現隨含水率增大而線性增大[10]。

3 總結

上述實驗分析了洛川縣馬蘭Q3組黃土地層的濕陷性和水敏性以及相關特性引起的土壤工程結構力學變化規律。發現從宏觀表現分析，其后期加固結構強度存在以下規律：

（1）黃土土層的后期加固過程對其剪切強度的貢獻遠大于其初始結構強度，即對土層進行后期加固存在結構力學的積極理論意義。

（2）含水率6%～12%區間內，后期加固結構強度的水敏性表達較為強烈，而采用合理的加固策略，可以讓此水敏性表達對結構強度的影響壓縮到最低。

（3）隨著土層含水率增加，土層結構強度會隨之降低，土層加固策略可以使該降低斜率得到一定控制，但無法抑制此趨勢。

（4）土層的穩定性隨著上覆載荷的增加而有所增加，在低載荷條件下，土層的加固過程對土層穩定性的作用更加重要，所以在低載荷條件下，應更重視土層的加固策略。

參考文獻

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[8]Agriculture - Sugarcane Crops; Researchers from Sao Paulo State University （UNESP） Provide Details of New Studies and Findings in the Area of Sugarcane Crops （Spatial Variation of Soil Carbon Stability In Sugarcane Crops， Central-south of Brazil）[J]. Agriculture Week，2020.

[9]Agriculture - Sugarcane Crops.Researchers from Sao Paulo State University （UNESP） Provide Details of New Studies and Findings in the Area of Sugarcane Crops （Spatial Variation of Soil Carbon Stability In Sugarcane Crops， Central-south of Brazil）[J].Agriculture Week，2020.

[10]Adnan Mustafa，Xu Minggang，Syed Atizaz Ali Shah，et al.Soil aggregation and soil aggregate stability regulate organic carbon and nitrogen storage in a red soil of southern China[J]. Journal of Environmental Management，2020，270.