摘要:文章從黃土的物質(zhì)組成、土體結(jié)構(gòu)特征出發(fā),分析了引起非飽和黃土濕陷的內(nèi)因和外因,總結(jié)了土層埋深及外力大小對濕陷性的影響和濕陷性的變化規(guī)律,提出了工程建設(shè)中消除或限制濕陷性發(fā)生的工程措施。

關(guān)鍵詞:非飽和黃土;濕陷機(jī)理;濕陷系數(shù);工程措施;黃土顆粒

中圖分類號:U416文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1009-2374(2009)10-0185-02

黃土指的是在干燥氣候條件下形成的具有多孔性、垂直節(jié)理的黃色粉性土;濕陷性黃土是指在自重壓力或自重壓力與附加壓力作用下,經(jīng)充分浸水后土體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞,有顯著附加沉陷現(xiàn)象的非飽和黃土。

濕陷是黃土區(qū)別于其他類土的一個非常重要的力學(xué)特性指標(biāo),它與黃土的微觀結(jié)構(gòu)、礦物組分、孔隙比、含水量及壓應(yīng)力等因素有關(guān),通常用濕陷系數(shù)、濕陷起始壓力等來反應(yīng)黃土的濕陷變形特征。

由于濕陷性黃土的濕陷特性,故在濕陷性黃土區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)時(shí),根據(jù)建筑物的重要性級別和對沉降的敏感性、地基受水浸濕的可能性大小,對建筑物結(jié)構(gòu)和地基必須采取以地基處理為主的綜合性工程處理措施,來防止地基失穩(wěn)和建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的事故發(fā)生。

一、黃土的濕陷機(jī)理

黃土的顆粒組成基本上是由<0.25mm的顆粒組成,以0.1mm～0.01mm的顆粒占主導(dǎo)地位,粉粒(0.05mm～0.005mm)含量在不同地區(qū)和不同時(shí)代的黃土中有所不同,其含量達(dá)50%以上,甚至達(dá)60%～70%,且多以0.05mm～0.01mm的粗粉粒居多,砂粒(>0.05mm)含量一般<20%,且主要為0.1mm～0.05mm的微砂,粘粒(<0.005mm)較少,平均含量約15%。

在礦物成分上黃土主要由碎屑礦物、粘土礦物及自生礦物組成,以碎屑礦物為主(約75%以上),主要為石英、長石和云母,其次有輝石、角閃石、綠簾石、綠泥石、磁鐵礦等;粘土礦物主要是伊利石、蒙脫石、高嶺石等。此外,在黃土中含有較多的水溶鹽,呈固態(tài)或半固態(tài)分布在各種顆粒的表面。

在干旱、少雨的氣候條件下,土體中的水分不斷蒸發(fā),土體處于非飽和狀態(tài),其中的大量易溶鹽析出,呈微晶狀態(tài)附著在顆粒表面,形成膠結(jié)物產(chǎn)生固化凝聚力,使單個土?；蚣：退樾冀M成的骨架顆粒相互連接形成粒狀架空結(jié)構(gòu)體系,從而阻止了土體的自重壓密作用,便形成了以粗粉粒為主體骨架的多空隙結(jié)構(gòu)、低濕度的欠壓密狀態(tài)的土體。

骨架顆粒構(gòu)成黃土的架空結(jié)構(gòu)體系,且以點(diǎn)接觸或半膠結(jié)的形式存在,它的形態(tài)和連接形式直接影響結(jié)構(gòu)體系的膠結(jié)強(qiáng)度,排列方式?jīng)Q定著結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性。

黃土在形成時(shí),靠顆粒間的摩擦或在少量水分的作用下略有連接,因水分的蒸發(fā)使土粒彼此靠近體積收縮,膠體、鹽分、結(jié)合水集中在較細(xì)顆粒周圍,顆粒間的分子引力以及結(jié)合水和毛細(xì)水的連接力也逐漸增大,增強(qiáng)了土粒之間抵抗滑移的能力,故非飽和黃土在天然狀態(tài)有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

當(dāng)土體受到水的浸濕作用后,膠結(jié)物被軟化變凝膠為溶膠、易溶的微晶鹽發(fā)生溶解,結(jié)合水膜增厚楔入顆粒之間,使結(jié)合水的連接消失,膠結(jié)連接部分被破壞,水連接減弱,引起骨架強(qiáng)度的降低,連接點(diǎn)發(fā)生破壞失穩(wěn),土體在上覆土層的自重壓力或在自重壓力與附加壓力共同作用下,造成土體的原始結(jié)構(gòu)體系被破壞、土體強(qiáng)度突然下降,其結(jié)構(gòu)體系迅速遭到破壞,土粒向大空隙發(fā)生滑移而減小粒間孔隙,達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)的過程就形成了附加沉陷的結(jié)果。

土體遇水浸濕時(shí)之所以在一定壓力下產(chǎn)生濕陷,還在于干旱氣候條件下,無論是風(fēng)成堆積還是坡洪殘積形成的黃土層,在其形成過程中,不具備充分的壓力和適宜的濕度,使土體處于欠壓密的結(jié)構(gòu)狀態(tài),遇水后其土粒發(fā)生位移,進(jìn)行勢能消散和重新排列,使土體產(chǎn)生新的壓密過程而引起濕陷。

所以,非飽和黃土的結(jié)構(gòu)特征和物質(zhì)成分是產(chǎn)生濕陷的內(nèi)在原因,受水的浸濕和荷載作用是產(chǎn)生濕陷的外因。

二、濕陷性的判定

濕陷系數(shù)(δs)為單位厚度土層由于浸水在規(guī)定壓力產(chǎn)生的濕陷量,它定量地反應(yīng)了黃土的濕陷程度。

濕陷系數(shù)的測定是室內(nèi)對現(xiàn)場采集的不擾動樣在一定壓力下進(jìn)行壓縮試驗(yàn)取得的,計(jì)算式為:

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式中:h0——土樣的原始高度(cm);

hp——天然狀態(tài)的土樣,加壓至一定壓力時(shí),壓縮穩(wěn)定后的高度(cm);

hp′——上述加壓穩(wěn)定后的土樣,在浸水作用下,到達(dá)穩(wěn)定后的高度(cm)。

當(dāng)δs<0.015時(shí)為非濕陷性黃土;當(dāng)δs≥0.015時(shí)為濕陷性黃土。δs=0.015時(shí)所對應(yīng)的壓力為濕陷起始壓力(psh)。若濕陷起始壓力(psh)小于上覆土的飽和自重壓力而引起濕陷時(shí),則稱為自重濕陷性黃土;若濕陷起始壓力(psh)大于上覆土的飽和自重壓力而發(fā)生濕陷時(shí),則稱為非自重濕陷性黃土。

三、濕陷性的變化規(guī)律

壓縮試驗(yàn)結(jié)果如下:

1.濕陷性與天然孔隙比、天然含水量和粘粒含量有關(guān),孔隙比越大,或粘粒含量與含水量越小濕陷性越強(qiáng),反之濕陷性越弱;飽和度大于80%的黃土其濕陷性消失。

2.濕陷性與土體的埋深有關(guān),不同深度土樣的壓縮量和濕陷系數(shù)都隨壓應(yīng)力的增加呈正相關(guān)變化,當(dāng)壓應(yīng)力增大到一定程度后,則隨著壓應(yīng)力的增加呈負(fù)相關(guān)變化,在浸水狀態(tài)下的表現(xiàn)更為顯著。

3.無論土樣浸水與否,在相同荷載作用下,非飽和黃土的壓縮量和濕陷能力隨深度的增加而呈逐漸減小趨勢。

4.濕陷性與外加壓力有關(guān),隨著壓力的增大,濕陷系數(shù)也隨之增大;當(dāng)壓應(yīng)力達(dá)到濕陷起始壓應(yīng)力,即濕陷系數(shù)δs =0.015時(shí),黃土的濕陷開始;當(dāng)壓應(yīng)力增至某一值時(shí),濕陷系數(shù)達(dá)到最大值,即黃土的濕陷勢達(dá)到了最大釋放,之后隨壓應(yīng)力的增加濕陷性反而減小,濕陷系數(shù)返回到0.015時(shí),其濕陷性終結(jié),繼續(xù)增大壓應(yīng)力,則濕陷系數(shù)將小于0.015,黃土的濕陷性消除。

由此可知,濕陷系數(shù)與壓應(yīng)力之間并非呈單調(diào)函數(shù)關(guān)系,只有當(dāng)壓應(yīng)力超過濕陷起始壓力而又不大于濕陷終止壓應(yīng)力時(shí),土體在飽和浸水狀態(tài)下才會產(chǎn)生濕陷變形。

產(chǎn)生上述規(guī)律性變化的原因在于:非飽和黃土的特殊土體結(jié)構(gòu)。外力作用不足以破壞其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)時(shí),濕陷系數(shù)隨壓力的增大而增大;當(dāng)外力增大到濕陷起始壓力后,土體經(jīng)過一定的壓密變形,孔隙結(jié)構(gòu)開始破壞,其濕陷性才表現(xiàn)出來;當(dāng)外力達(dá)到一定數(shù)值后,黃土的原始孔隙結(jié)構(gòu)完全被破壞,土體達(dá)到密實(shí)狀態(tài),勢能得到充分釋放,濕陷系數(shù)就逐漸減小,最終失去產(chǎn)生濕陷性的內(nèi)因而不具有濕陷性。

四、處理濕陷性的工程措施

黃土的濕陷類別、濕陷等級和分布厚度,以巖土勘察的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù),通過經(jīng)濟(jì)的、技術(shù)的等諸多因素的分析,確定適合特定環(huán)境、特定工程的地基處理方案,確保地基土處理后其承載力和變形幅度滿足工程建設(shè)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求。

(一) 地基處理措施

從濕陷性黃土的結(jié)構(gòu)特性出發(fā),采用合適的地基處理方案以改變或破壞其土體結(jié)構(gòu)體系,達(dá)到消除或部分消除地基土的濕陷性,保障建筑物安全和正常使用的工程措施,通常采用的方法有灰土墊層法、灰土擠密法、砂卵(礫)石墊層法、強(qiáng)夯法、基樁法、預(yù)浸水法和電化學(xué)法等,不一一列舉。

(二) 防水措施

從改善引起黃土濕陷性的條件出發(fā),防止和限制其濕陷性的產(chǎn)生。在地面排水、場地排水、建筑物周邊防水等方面作好防排水措施,阻斷降水和生活用水滲入浸濕地基土。

(三) 建筑措施

在上述兩種措施的基礎(chǔ)上,力求簡單的建筑平面布置、加強(qiáng)其整體結(jié)構(gòu)的剛度,在適當(dāng)位置布設(shè)沉降縫,減小不均勻沉降對建筑物的影響,使建筑物自身有調(diào)節(jié)地基濕陷變形的條件。

在工程建設(shè)中,通過調(diào)整基礎(chǔ)形式,選擇合適的地基壓應(yīng)力,盡量使基底壓應(yīng)力小于濕陷起始壓應(yīng)力,或者大于濕陷終止壓應(yīng)力,減小濕陷對于工程建設(shè)帶來的不利影響。

總之,無論采取何種措施,根本的目的在于通過改善非飽和黃土發(fā)生濕陷的內(nèi)外因條件,達(dá)到減小或消除濕陷的產(chǎn)生結(jié)果,保障建(構(gòu))筑物的安全和正常運(yùn)行。

五、結(jié)語

1.非飽和黃土的結(jié)構(gòu)特征和物質(zhì)成分是產(chǎn)生濕陷的內(nèi)在原因,受水的浸濕和荷載作用是產(chǎn)生濕陷的外因。

2.非飽和黃土濕陷性的大小與孔隙比、含水量有關(guān),孔隙比越大或含水量越小濕陷性越強(qiáng),飽和狀態(tài)下無濕陷性。

3.濕陷性與外力有關(guān),外力越大濕陷量也越大,但當(dāng)外力超過某一數(shù)值后,濕陷量逐漸減小,最終失去濕陷性。

4.通過以地基處理為主的綜合工程處理措施,可以達(dá)到限制和改善濕陷發(fā)生的工程目的。

參考文獻(xiàn)

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[2]王佳,白曉紅,王梅,楊晶.黃土濕陷性試驗(yàn)研究[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,(3).

作者簡介:高維征(1962-),男,陜西乾縣人,河南省有色金屬地礦局六大隊(duì)工程師,研究方向:巖土工程和礦區(qū)水工環(huán)。