濕陷性黃土浸水特性試驗分析

張旭強

山西工程科技職業大學（030619）

0 引言

濕陷性黃土分布地域廣、性質差異大，和一般的黏性土相比，其內部物質的組成成分和外部的形態特征都不同，是一種特殊的黏性土。在一定的壓力下受水浸濕，土體結構迅速破壞，并產生顯著附加下沉[1-2]。黃土濕陷的現象是個復雜的過程，濕陷的原因也是巖土界的重要課題，國內外眾多專家學者提出各自的理論成果和推理假設，但是直到現在仍未取得一致意見解決所有濕陷現象。

本次試驗根據工程實例分析，結合濕陷性黃土濕陷變形特點，通過對濕陷性黃土變含水量條件下的變形性狀進行研究，分析黃土濕陷變形與含水量和壓力之間的關系。

1 黃土的濕陷原因及機理

關于黃土的濕陷原因，結構學說用微觀理論解釋黃土濕陷性主要是黃土的結構特征[3-5]，因此與濕陷有關的因素，反映在與結構有關的方面，如結構孔隙、組成顆粒和礦物成分等，這些也體現在各地濕陷性的差異性上，對于同一地區來說，土的物理性質會顯著影響濕陷性，尤其比較明顯的是兩個指標—孔隙比和含水量。

在其他情況相同的條件下，黃土的孔隙比愈大，濕陷性愈強。分析黃土的濕陷過程發現，黃土孔隙的減少主要原因在于粒間孔隙，粒間孔隙類似一種架空體系，它是在顆粒堆積排列時形成的，這些形成的孔隙是否破壞，取決于組成孔隙顆粒間的連接的堅固程度。如孔隙顆粒間的連接為碳酸鈣等膠結時，則對于抵抗濕陷變形是有利的，屬于穩定結構。另一個方面，天然含水量大小對濕陷性黃土的濕陷性影響也很大，在其他情況相同的條件下，天然含水量的增加會導致黃土的濕陷性減弱；當天然含水量相同時，增濕程度的增加會導致黃土的濕陷變形增大。對非自重濕陷性黃土，天然含水量的大小與浸水飽和后的總變形沒有關系。

2 工程實例分析

濕陷性黃土地基在附加壓力與土自重壓力共同作用下，受水浸濕在附加壓力作用的區域產生濕陷。研究表明，濕陷性黃土的濕陷變形與其所受的應力狀態有著密切的關系[6]。

陜西省西安市長安區某辦公樓發現南部⑦～⑩軸線范圍內地基局部沉陷，墻體及樓板出現裂縫，并逐步從1層發展到5層，多為斜向裂縫。地坪有空鼓下陷現象，局部最大沉降量達13.2 cm。為查明事故原因，對工程沉陷區補充巖土工程勘察，見表1和表2，并對工程周圍土質含水量檢測分析。分析表明:工程事故為浸水濕陷造成，浸水初期即大量下沉，下沉量最高可達1.2 cm/h；濕陷穩定快，浸水24 h即4.1~7.92 cm，浸水3 d即達到6.7~11.88 cm。

表1 補充勘察時探井土樣室內試驗結果

表2 各層地基土體物理力學性能指標表

建筑物濕陷的影響深度與地基的濕陷起始壓力、濕陷類型、基底壓力、基底尺寸與形狀等有關。建筑物基礎面積越大，單位面積壓力就越大，而外部荷載作用下濕陷的影響范圍就越深。地基的濕陷起始壓力值越小，則地基的濕陷影響深度越大。經初步分析，事故原因為有水體下滲，使地基產生濕陷變形，引起地基不均勻沉降，造成安全隱患。本例濕陷起始壓力78 kPa，在200 kPa壓力下濕陷系數δs=0.094，濕陷性強烈。事故產生時，該建筑物除場地北部局部含水量稍低外，樓體內及樓體外其余部分地基土含水量普遍較大，土質濕軟，而且原先地基土經整片墊層法（素土3 m）處理后，剩余濕陷量仍然達159.5 mm，也是地基產生不均勻沉降的原因之一。

對于非自重濕陷性黃土，濕陷起始壓力要大于土的飽和自重壓力，而且濕陷起始壓力會隨著深度的增加而增大。土的附加壓力隨著深度的增加而減小，而當某一深度位置處土的附加壓力與自重壓力兩者之和小于濕陷起始壓力時，就不會發生濕陷現象，判定在此深度上部分就是外部荷載濕陷作用的影響范圍。

根據《濕陷性黃土地區建筑規范》GB 50025—2018，自重濕陷量整理如下:（15 +17）=28.8 mm<70 mm，為非濕陷性場地；濕陷量的計算考慮基底埋深1.5 m，mm，按濕陷性黃土地基的濕陷等級判別為Ⅱ級（中等）。在非自重濕陷性黃土場地，對于丙類建筑物，地基處理厚度不宜小于2 m，且下部未處理濕陷性黃土層的濕陷起始壓力值不宜小于100 kPa。

工程實踐表明，在上部結構荷載作用下，濕陷性黃土地基會產生豎向變形和水平位移。在天然狀態下作用于土體時，由于土的天然含水量低，土體的結構強度此時會較大，靜止側壓力系數相對較小，因而對基礎下土體向四周的擠出會有所限制，此時土體的豎向壓縮變形會造成基礎的沉降。但是當地基被水浸濕以后，靜止側壓力系數會有明顯的變化，一般會從天然狀態下的0.12～0.23增加到0.65～0.94，因而會造成水平附加壓力顯著地增加，此時地基土體結構遭到明顯破壞，抗剪強度降低很大，側向限制大大地減弱。在這些因素的影響下，使得地基土體在濕陷變化的同時產生了大量的側向擠出，從而導致濕陷量的增大。

3 濕陷性黃土浸水特性試驗

現行規范《濕陷性黃土地區建筑規范》GB 50025—2018和目前巖土工程界對于濕陷起始壓力值的判定的觀點是相同的，即按室內壓縮試驗結果確定時，在濕陷性黃土在飽和浸水條件下，當濕陷系數達到0.015時所對應的壓力。在某一特定壓力作用下，濕陷起始含水量是指濕陷系數達到0.015時所對應的含水量。由于上述工程實例中存在著人為因素、水文地質等情況,因此濕陷起始壓力值和濕陷起始含水量并不一定就是濕陷情況發生濕陷性黃土所對應的特征值。特殊情況下，在基底壓力下的非飽和浸水作用也會產生附加下沉變形，有時這種附加下沉變形也可能達到在工程意義上的相對明顯的程度，并且這種工程意義上的相對明顯的程度也恰恰反映出并不是任何情況下濕陷系數達到0.015都是最合適的劃分標準的界限值。

3.1 試驗方案

在濕陷性黃土地區，由于地基含水量的增大引起建筑物、構筑物傾斜的事故不斷發生。地基含水量的增大的原因是多方面的，主要體現在人類活動的無序組織和不合理的安排上，如挖填方施工、地面建筑物、構筑物建造密度增大等原因而改變原有地面的排水條件、蒸發方式、地下滲流方向等情況的出現。以往對黃土濕陷性的研究的方向主要集中在完全浸水飽和狀態下的濕陷變形，而對浸水增濕的過程分析，尤其增濕到某一含水量下的濕陷變形的研究很少，其實對于完全浸水飽和的濕陷變形來講，其只是屬于浸水增濕變形的一種特殊情況而已。現階段，對于完全浸水飽和狀態下的濕陷黃土變形的研究已經不能滿足實際需要，這是由于在施工期間和運營期間地基土中的含水量常常會發生變化。

關于增濕變形，張蘇民、鄭建國等人用增濕軟化模型模仿濕陷性黃土在含水量變化情況下的軟化特性[7]，研究探索濕陷性黃土在增濕過程中的力學性質。也有工程學者用室內試驗的方式在濕陷性黃土變含水量情況下，研究分析黃土增濕時的變形變化規律，并結合試驗時生成曲線解釋變形分界壓力和變形分界含水量的概念。在此基礎上，通過本次試驗對濕陷性黃土變含水量條件下的變形性狀進行研究，分析黃土濕陷變形與含水量和壓力之間的關系[8]。

此次變含水量情況下的壓縮試驗采用試樣兩組，按照預濕的方法，在不同的含水量下對土樣進行預濕，壓縮試驗設備為高壓固結儀，分析研究試驗數據，得到在不同含水量情況下黃土濕陷變形的變化規律。

3.2 試樣的制備

在天然含水量下，試樣按《土工試驗方法標準》GBT 50123—2019的要求制作。按照需要達到的含水量值對土樣增濕，首先計算出需要加入的水量，然后用滴管容器均勻地滴在土試樣的表面，對于土試樣，環刀取好后保留兩端余土，也就是在不要削平的狀態下滴水處理，然后連同環刀一起埋在天然土體中，24 h保持自重壓力時的氣壓狀態，為了促進水分滲透，使滴水分布更均勻，放置土樣在30℃密閉容器24 h，按公式計算出需要添加的水量Mω為:

式中:M——自然狀態土的質量；w0——天然含水量；w1——要求達到的含水量。

試驗時削平試樣的兩端，利用切削得到的余土測量計算試樣含水量。試驗中為檢驗和對比試驗結果，采用三組試驗數據分析，列表實測值和估算值見表3，通過計算還可以得到三組試樣實測值和估算值的誤差區間。試樣取自陜西省西安市。

表3 試驗用土含水量增濕效果檢驗實測（%）

3.3 浸水下土樣濕陷變形隨含水量變化分析

黃土浸水濕陷下產生變形，通過整理室內不同條件下土樣的單軸壓縮試驗數據，分析濕陷變形隨含水量的變化關系，繪制黃土濕陷變形與含水量的關系曲線，探討試驗曲線的變化規律，如圖1所示。

圖1 濕陷變形與含水量的關系

分析濕陷變形隨含水量的變化關系曲線，同一壓力下，當含水量處在比較小的數值時，濕陷變形隨著壓力的增大而增大，但含水量的增大帶來濕陷變形量增長緩慢，即曲線相對平緩，在含水量相同的情況下，不同壓力下的濕陷變形沒有明顯的變化，關系曲線幾乎重合在一起，說明在初期的變化中，濕陷變形量和壓力沒有太大的關系，這一階段為不敏感變形段。當含水量處在比較大的數值時，濕陷變形隨著壓力的增大而增大，含水量的增大卻帶來濕陷變形量的顯著增長，也就是曲線陡然升高，在含水量相同的情況下，不同壓力下的濕陷變形有了明顯差別，此例出現曲線交叉，具體原因還有待于進一步驗證，在這一時段內，壓力大的明顯濕陷變形量變大，但壓力小的更早出現峰值，即更早產生比較大濕陷量，這一階段為敏感變形段。峰值過后，隨著含水量的繼續增大，濕陷變形量開始衰減，相同含水量下，壓力大的濕陷變形量大，壓力小的濕陷變形量小，但不同壓力的下降階段的曲線斜率差別不大。分析圖中曲線的規律:各條曲線組都存在相對平緩、陡升、衰減三個階段。所以根據曲線變化可以將黃土濕陷變形階段劃分為三個階段:第一階段為不敏感變形段，相對平緩上升的變形—含水量關系曲線顯示該區段濕陷性黃土含水量的增大，濕陷變形增大平緩；第二階段為敏感變形段，變形陡然增加的變形—含水量關系曲線顯示該階段濕陷性黃土含水量的增大，濕陷變形其也陡增；第三階段為變形衰減階段，該階段的曲線顯示隨著含水量的進一步增加，濕陷性黃土逐漸達到飽和狀態，濕陷變形衰減直至變形消失。

4 小結

濕陷性黃土地基在附加壓力與土自重壓力共同作用下，受水浸濕在附加壓力作用的區域產生濕陷。通過工程實例分析并結合室內試驗對黃土的濕陷性作如下探討:

1）分析黃土的濕陷原因和機理對于研究其濕陷問題有重要的意義，同時研究濕陷性黃土浸水特性對工程的影響，具有實際意義。

2）工程實踐表明，在上部結構荷載作用下，濕陷性黃土地基會產生豎向變形和水平位移。當地基被水浸濕以后，靜止側壓力系數會有明顯的變化，因而會造成水平附加壓力顯著地增加，此時地基土體結構遭到明顯破壞，抗剪強度降低很大，側向限制大大地減弱。在這些因素的影響下，使得地基土體在濕陷變化的同時產生了大量的側向擠出，從而導致濕陷量的增大。

3）整理室內不同條件下黃土土樣的單軸壓縮試驗數值，繪制出黃土濕陷變形量與含水量的關系曲線；對不同含水量下的濕陷變形與含水量的關系曲線圖的分析表明:各條曲線組都存在相對平緩、陡升、衰減三個階段。