李開超 王慶滿

(機械工業(yè)勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710043)

黃土自重濕陷量室內(nèi)外試驗值差異原因探討

李開超 王慶滿

(機械工業(yè)勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710043)

從室內(nèi)外濕陷試驗應(yīng)力路徑、試驗環(huán)境、浸水飽和度、室內(nèi)試驗土試樣、取樣間隔等方面，分析了造成黃土自重濕陷量計算值和實測值差異的主要因素，得出了一些結(jié)論，為類似問題研究提供了依據(jù)。

濕陷性黃土，自重濕陷量，室內(nèi)外試驗，土樣

0 引言

本文主要從自重濕陷室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗條件差異，以及黃土規(guī)范規(guī)定的自重濕陷量計算公式兩大方面進行分析。

1 室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗條件差異分析

黃土自重濕陷系數(shù)室內(nèi)一般采用側(cè)限壓縮試驗測定，按照2004版黃土規(guī)范[1]規(guī)定。

分析室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗條件，下列幾方面可能是自重濕陷計算值和實測值存在差別的原因：

1)室內(nèi)試驗的土試樣受到擾動。一般采取探井開挖在井壁刻取或鉆機鉆進取土器壓入(打入)采取土試樣，從地下取出土樣過程中，由于土試樣所受應(yīng)力的釋放，將產(chǎn)生一定的體積變化，造成試樣產(chǎn)生一定擾動(損傷)；對于鉆機取土，在取土器壓入(打入)過程中，土樣和取土器側(cè)壁之間產(chǎn)生摩擦力，從而加劇土壤的擾動(壓密或損傷)，這些擾動對土的結(jié)構(gòu)造成一定損傷和改變，進而影響到濕陷系數(shù)的測定。

2)室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗中浸水后土的飽和度存在不同。室內(nèi)試驗中土試樣的體積較小，排水和排氣條件更好，因而在浸水后容易快速達(dá)到相對較大的飽和度；而現(xiàn)場試驗中土體(特別是深部土體)中氣體的排出要經(jīng)過較長的路徑，有些氣體以封閉的形式存在，不與大氣連通，從而造成現(xiàn)場試驗中土體排出氣體相對于室內(nèi)試驗要困難，可能使得土體浸水達(dá)到的飽和度不如室內(nèi)試驗大。

3)取樣間隔不同可能對自重濕陷量的計算值造成影響(土樣代表性問題)。工程上通常間隔1 m～2 m采取土樣測試其自重濕陷系數(shù)，并據(jù)此計算自重濕陷量，其中每個土樣代表的土層厚度為1 m～2 m。但黃土體中往往是濕陷性強弱不同的土單元混雜，因而存在土樣代表性問題，取樣間隔越大，土樣代表性越差，反之則越好。

4)室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗的應(yīng)力路徑和狀態(tài)不同。假定土的側(cè)壓力(靜止土壓力)系數(shù)在試驗過程中維持不變，室內(nèi)試驗和現(xiàn)場相同；土的孔隙氣壓力(ua)均等于大氣壓力(取0 kPa)；以及不考慮室內(nèi)試驗土試樣與環(huán)刀壁間的摩擦作用；室內(nèi)試驗與現(xiàn)場試驗的終止應(yīng)力狀態(tài)同等條件下，試驗過程中的應(yīng)力路徑示意圖見圖1。

如圖1a)所示現(xiàn)場試驗土體中的某位置土，現(xiàn)場試坑浸水試驗過程中其應(yīng)力路徑為A→B→C→D，其中A點為浸水前的應(yīng)力狀態(tài)，由于是非飽和土，其孔隙水壓力(uw)為負(fù)值，存在基質(zhì)吸力；當(dāng)土體被水浸泡后，上覆土含水率增大，導(dǎo)致球應(yīng)力(p)和偏應(yīng)力(q)的增加，負(fù)孔隙水壓力逐漸減小，當(dāng)孔隙水壓力正好為零時對應(yīng)B點；由于受土層滲透系數(shù)的影響(一般下部土體的滲透系數(shù)更小)，隨著浸水的繼續(xù)，孔隙水壓力可能變?yōu)檎?，對?yīng)圖中C點；停水后，孔隙水壓力消散，伴隨孔隙水的部分流失，孔隙水壓力再次變?yōu)榱?，從C點到D點，球應(yīng)力和偏應(yīng)力有微弱減小，D點時具有更大的有效應(yīng)力。反觀室內(nèi)試驗試樣的應(yīng)力路徑(見圖1b))，其應(yīng)力路徑為A→B′→C′→D，其中A點與圖1a)中A點相同，通過探井或鉆機取土(不考慮鉆孔機具對土樣的壓密作用)，從地面下取出土樣時，原來作用于土樣上的覆蓋壓力和水平法向壓力沒有了，因而土樣出現(xiàn)膨脹趨勢，這種膨脹由于土中的基質(zhì)吸力的增加或孔隙水壓力的進一步下降而得到遏制，應(yīng)力狀態(tài)由點A變化到點B′；濕陷試驗土試樣在浸水前加壓過程中，應(yīng)力狀態(tài)由點B′變化到點C′，由于土體積發(fā)生一定變化，基質(zhì)吸力也會有所變化，總應(yīng)力狀態(tài)對應(yīng)現(xiàn)場試驗的D點；浸水前加壓穩(wěn)定后，對試樣浸水，基質(zhì)吸力減小為零，應(yīng)力狀態(tài)從點C′變化到點D，該過程由于基質(zhì)吸力的減小，C′點的有效應(yīng)力要大于D點。綜上，室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗土的應(yīng)力路徑是存在較大差別的，大量研究已表明應(yīng)力路徑的差異對土的變形特性是具有明顯影響的；這種應(yīng)力路徑對變形特性的影響程度還和土性有關(guān)，和原有的應(yīng)力歷史有關(guān)，即土體沉積過程中從圖1中的坐標(biāo)原點(o點)變化到A點，存在多種應(yīng)力路徑，不同的o點至A點應(yīng)力路徑，前述的室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗應(yīng)力路徑差異對試驗結(jié)果的影響也存在不同。

2 自重濕陷量計算公式的有關(guān)探討

自重濕陷量的計算公式理應(yīng)按“濕陷性黃土規(guī)范(1966年版)”中的公式計算，但由于前述的室內(nèi)試驗與現(xiàn)場試驗條件的差異，經(jīng)工程實踐，該公式計算出的自重濕陷量與實際存在較大的出入，總體上對濕陷性較強的黃土場地，計算值低估了實際發(fā)生的濕陷量，而對濕陷性較弱的黃土場地，則高估了實際發(fā)生的濕陷量。在可預(yù)見的未來，通過提高黃土取樣技術(shù)和試驗技術(shù)來解決該問題不切實際，即使出現(xiàn)相關(guān)技術(shù)，也可能由于較為復(fù)雜而難以在工程大量推廣使用。如關(guān)于土試樣與環(huán)刀側(cè)壁存在摩擦作用的影響，原則上可以通過三軸K0固結(jié)濕陷試驗來加以改善，但由于試驗較為復(fù)雜，并未在工程中大量實施。較切合實際的處理方式仍為采用“工程師”的辦法，即在該公式計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，根據(jù)工程經(jīng)驗乘以特定的修正系數(shù)，來減小自重濕陷量計算值與實測值之間的差異。“濕陷性黃土規(guī)范(1990年版)”中的計算公式反映了一定歷史時期的工程實踐經(jīng)驗和認(rèn)識水平，近十余年來，結(jié)合西部地區(qū)的工程建設(shè)，又進行了一定數(shù)量的現(xiàn)場浸水試驗，浸水試坑面積更大，地層結(jié)構(gòu)更多樣，測試和分析手段更豐富，在一定程度上提高了對黃土的認(rèn)識水平，反思自重濕陷量計算公式，存在一些值得探討的地方。

1)關(guān)于濕陷與非濕陷性土的界限?，F(xiàn)行黃土規(guī)范(2004年版)規(guī)定濕陷系數(shù)小于0.015的黃土定為非濕陷性黃土，反之則定義為濕陷性黃土。亦即將0.015作為黃土濕陷與非濕陷的界限。該界限在理論和工程應(yīng)用中都有一定意義。

根據(jù)非飽和土力學(xué)的觀點，任何非飽和土的抗剪強度采用雙應(yīng)力狀態(tài)變量的Frelund公式可表示為[2]：

τf=c′+(σ-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb

(1)

其中，c′為有效粘聚力；(σ-ua)為破壞面上的凈法向應(yīng)力；ua為破壞面上的孔隙氣壓力；φ′為與凈法向應(yīng)力狀態(tài)變量(σ-ua)有關(guān)的內(nèi)摩擦角；(ua-uw)為破壞時在破壞面上的基質(zhì)吸力；φb為抗剪強度隨基質(zhì)吸力(ua-uw)而增加的速率。扈勝霞等[3]對陜西銅川某黃土采用非飽和土直剪儀試驗得到有效粘聚力為16 kPa，φ′=25.9°，φb=19.4°。

式(1)反映了對非飽和土均存在浸水增濕后的顆粒間聯(lián)接軟化，基質(zhì)吸力減小和吸附強度降低的現(xiàn)象；對應(yīng)一定壓力下的室內(nèi)濕陷壓縮試驗，由于浸水后顆粒間聯(lián)接的軟化，對非濕陷土的其他非飽和土也往往會產(chǎn)生一定的附加下沉，只是附加下沉的強弱程度有所不同。在工程設(shè)計中，按照濕陷思路和按浸水軟化后的承載力與變形參數(shù)進行地基基礎(chǔ)設(shè)計，其結(jié)果也往往具有明顯區(qū)別的，因而需要將濕陷性土與非濕陷性土加以界定，以便確定工程設(shè)計的思路，濕陷性系數(shù)可作為界定的一個參數(shù)。

黃土規(guī)范(2004版)中將濕陷系數(shù)0.015作為濕陷性黃土和非濕陷性黃土的界限，是從解決工程應(yīng)用中的實際問題方面考慮的，可以看成是調(diào)節(jié)濕陷量計算值與實測值差異的一個工程經(jīng)驗值。

從四版不同時期的黃土規(guī)范規(guī)定可以看出，濕陷性黃土與非濕陷性黃土的這個經(jīng)驗界限值是在變化的，1966年版黃土規(guī)范中規(guī)定的界限值是0.020，在計算濕陷量(原稱為“假定濕陷量”)時，濕陷系數(shù)小于0.020的土層不參與累計，但在計算自重濕陷量時不論自重濕陷系數(shù)大小均需計入；至1978年版黃土規(guī)范，才將界限值規(guī)定到0.015，不論是在計算濕陷量還是在計算自重濕陷量時，濕陷系數(shù)小于0.015的土層都不參與累計。正如文獻[4]所述，“事實上在確定0.015這個界限值時，也并非絕對，如西部偏于0.010、東部偏于0.020，又如淺部比較敏感、深部比較遲鈍”。從以往完成的浸水試驗可以看出，早期的現(xiàn)場試坑浸水試驗浸水坑的尺寸較小，試坑邊長或直徑一般小于12 m，因此早期的現(xiàn)場試驗主要反映地面下12 m深度內(nèi)的自重濕陷情況，這個深度一般是Q3黃土的分布深度，因此濕陷系數(shù)0.015這個經(jīng)驗性的界限值，應(yīng)該主要針對的是Q3黃土，對沉積時代不同的Q2黃土，這個界限值未必適用，應(yīng)根據(jù)近年來更大尺寸的現(xiàn)場試坑浸水試驗結(jié)果結(jié)合室內(nèi)試驗結(jié)果重新界定。

2)關(guān)于不連續(xù)濕陷土的濕陷量計算。在進行自重濕陷量計算時，黃土規(guī)范中的計算公式均是將分層自重濕陷量計算結(jié)果進行簡單的疊加。而實際上自然界中的濕陷性黃土體，濕陷系數(shù)大小混雜，濕陷程度強弱混雜，甚至濕陷性土單元與非濕陷性土單元混雜，當(dāng)浸水發(fā)生濕陷時，必然會引起應(yīng)力重新分布，使得濕陷性強的土單元承擔(dān)的上覆自重壓力部分分擔(dān)到弱的土單元上，從而引起濕陷性強的土單元更少發(fā)生濕陷沉降，濕陷性弱的土單元更多的發(fā)生濕陷沉降，因而現(xiàn)場試驗體現(xiàn)的是綜合的效果。

3 結(jié)語

1)分析了室內(nèi)外濕陷試驗應(yīng)力路徑差異，試驗環(huán)境差異，浸水飽和度差異；室內(nèi)試驗土試樣受擾動，取樣間隔(試樣代表性)等多因素均可能是造成自重濕陷量計算值和實測值差異的原因。

2)室內(nèi)土工試驗經(jīng)歷卸載再加載，在應(yīng)力路徑和試驗環(huán)境等方面與現(xiàn)場實際存在差別，實質(zhì)上既繼承又削弱了土的種類、地層結(jié)構(gòu)、沉積環(huán)境、成因時代、應(yīng)力歷史、埋藏深度等因素與浸水濕陷的聯(lián)系。

3)室內(nèi)自重濕陷量計算是將分層自重濕陷量計算結(jié)果進行簡單的疊加，自然界中的濕陷性黃土體，濕陷系數(shù)大小混雜，濕陷程度強弱混雜，當(dāng)浸水發(fā)生時引起應(yīng)力重新分布，使得濕陷性強的土單元承擔(dān)的上覆自重壓力部分分擔(dān)到弱的土單元上，從而引起濕陷性強的土單元更少發(fā)生濕陷沉降，濕陷性弱的土單元更多的發(fā)生濕陷沉降，因而現(xiàn)場試驗體現(xiàn)的是綜合的效果。

4)黃土規(guī)范是在對濕陷性黃土不斷認(rèn)識之上進行修訂的，近年來現(xiàn)場試驗研究表明，濕陷系數(shù)0.015對Q3黃土比較適用，其對Q2黃土的適用性還有待進一步的深入研究。

[1] GB 50025—2004，濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范[S].

[2] Fredlund D G.,Rahardjo H.Soil mechanics for unsaturated soils[M].New York:John Wiley & Sons.INC.1993.

[3] 扈勝霞,周云東,陳正漢.非飽和原狀黃土強度特性的試驗研究[J].巖土力學(xué),2005,26(4):660-663,672.

[4] DB 62/T25—3060—2012，大厚度濕陷性黃土場地工程處理技術(shù)規(guī)程[S].

Discussion on the causes of the discrepancy between the internal and external test values of self-weight loess collapsibility content

Li Kaichao Wang Qingman

(ChinaJKInstituteofEngineeringInvestigationandDesignCo,Xi’an710043,China)

Starting from aspects of internal and external collapsibility experimental stress path, experimental environment, flooding saturation, internal experimental soil samples and sampling interval, the paper analyzes major different factors of self-weight loose collapsibility content calculation value and measured value, and obtains some conclusions, which has provided some guidance for studying similar issues.

collapsible loose, self-weight collapsibility content, interior and exterior experiment, soil sample

1009-6825(2017)03-0047-02

2016-11-20

李開超(1983- )，男，碩士，工程師

TU411

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