金 娟

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714099)

中國約有64萬km2的領(lǐng)土屬于黃土和黃土狀土地。其中，西北地區(qū)黃土地底層較全、發(fā)育較好且最為完整，做好針對原狀黃土的變形特性研究工作對于西北地區(qū)的建設(shè)有著不可替代的重要作用。國內(nèi)學(xué)者對其進(jìn)行了大量的研究，文獻(xiàn)[1]分析了結(jié)構(gòu)性黃土壓縮特性的微觀非連續(xù)變形，文獻(xiàn)[2]研究了補(bǔ)水條件下壓實(shí)黃土的二維凍融變形特性，研究結(jié)果對季節(jié)性凍土地區(qū)壓實(shí)黃土岸坡工程的凍害評價(jià)與防治有重要意義；文獻(xiàn)[3]對真三軸加卸載試驗(yàn)條件下黃土強(qiáng)度變形特性進(jìn)行了研究，以非飽和土三軸儀為主要工具在真三軸條件下，對某型號黃土進(jìn)行了基質(zhì)吸力和凈圍壓不同條件下對黃土強(qiáng)度變形特征影響的試驗(yàn)，提出了考慮凈圍壓、基質(zhì)吸力等條件影響的黃土強(qiáng)度變形特性修正計(jì)算公式，完善了與試驗(yàn)試樣類型相似的土樣增量非線性模型；對于建設(shè)工程來說，為了排除側(cè)向變形對于建設(shè)物的影響，需要通過側(cè)限條件下的凈豎向應(yīng)力作用試驗(yàn)來了解原狀黃土的增濕變形特性，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果來設(shè)計(jì)建設(shè)方案，在提高建設(shè)質(zhì)量的同時維護(hù)好施工安全[4]。

1 側(cè)限條件下原狀黃土的增濕試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)土樣

此次研究所使用的試驗(yàn)土樣為Q3黃土，來自西安市某工程基坑，其物理特性指標(biāo)見表1。

表1 原狀黃土物理性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Physical properties of undisturbed loess

1.2 試驗(yàn)儀器

本次研究中進(jìn)行原狀黃土側(cè)限壓縮試驗(yàn)所使用的儀器為非飽和土直剪儀，該設(shè)備的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 非飽和土直剪儀Fig.1 Unsaturated soil direct shear instrument

1.3 試驗(yàn)方法

取一個飽和陶土板，確保陶土板表面干燥，將濾紙放置于陶土板上方，再將陶土板推入剪切盒并蓋好板蓋。根據(jù)表1中原狀黃土含水量和干密度2項(xiàng)指標(biāo)可以計(jì)算出其初始吸力為175 kPa，將孔隙氣壓設(shè)定為175 kPa，維持豎向變形與排水量穩(wěn)定，打開排水管[5-8]。在試樣排水量穩(wěn)定的情況下，為滿足側(cè)限條件，還需要在試樣上方施加豎向固結(jié)應(yīng)力，等豎向變形和排水量穩(wěn)定后將排水管關(guān)閉，依照實(shí)際飽和度和含水量對試樣實(shí)施增濕處理，在試樣達(dá)到飽和之前持續(xù)采集飽和度、含水量、孔隙比等數(shù)據(jù)[9-11]。

2 側(cè)限條件下原狀黃土的增濕變形特性

在對增濕前原狀黃土試樣施加豎向壓力的過程中，各項(xiàng)物理指標(biāo)見表2。

表2 原狀黃土試樣增濕前的物理性質(zhì)指標(biāo)Tab.2 Physical properties of undisturbed loess samples before humidification

根據(jù)表2可知，在原狀黃土凈豎向應(yīng)力提升的過程中，飽和度與干密度也會隨之增加，孔隙比相應(yīng)降低，但在含水量方面未表現(xiàn)出明顯變化。在孔隙比不斷降低的過程中，原狀黃土試樣的側(cè)限壓縮逐漸增強(qiáng)。在凈豎向應(yīng)力不變的情況下，原狀黃土在分組增濕的過程中，其飽和度和含水量均會發(fā)生一定的改變，進(jìn)而出現(xiàn)增濕濕陷變形。增濕過程中飽和度與孔隙比之間的關(guān)系如圖2所示。

根據(jù)圖2可知，在無應(yīng)力作用的情況下，原狀黃土孔隙比幾乎未出現(xiàn)任何變化，代表濕陷變形主要來自于外部應(yīng)力。在應(yīng)力增濕的情況下，孔隙比—飽和度首先表現(xiàn)為快速下降，后續(xù)下降逐漸平緩，說明試樣初始孔隙與凈豎向應(yīng)力成正比，并且在施加凈豎向應(yīng)力的初始階段，原狀黃土的濕陷變形速度很快，后期孔隙比變化幅度較小。

研究通過孔隙比與(吸力+應(yīng)力)/應(yīng)力之間的關(guān)系來描述應(yīng)力與孔隙比之間的變化規(guī)律，二者之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 原狀黃土境濕變形特性孔隙比—應(yīng)力曲線Fig.3 Porosity ratio-stress curve of wet deformation characteristics of undisturbed loess

由圖3可知，在凈豎向應(yīng)力高于245 kPa的情況下，孔隙比—應(yīng)力曲線由平緩上升、快速上升和平緩上升3個部分組成，在豎向應(yīng)力為50 kPa的情況下，孔隙比—應(yīng)力曲線幾乎與無應(yīng)力增濕相重合，說明原狀黃土在該狀況下未出現(xiàn)濕陷變形。在固結(jié)應(yīng)力不斷增加的過程中，孔隙比—應(yīng)力曲線逐漸向上發(fā)展，后期基本穩(wěn)定，說明原狀黃土試樣受凈豎向應(yīng)力的結(jié)構(gòu)性影響十分明顯。在凈豎向應(yīng)力低于200 kPa的情況下，原狀黃土在孔隙比—應(yīng)力曲線發(fā)展初期表現(xiàn)出了較大的吸力，在實(shí)施增濕處理的過程中，孔隙比變化并不明顯，原狀黃土受增濕的影響較小，而在持續(xù)進(jìn)行增濕處理的過程中，吸力快速下降，致使試樣表現(xiàn)出十分顯著的濕陷變形，直至原狀黃土試樣達(dá)到飽和后，孔隙比才達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

此次研究將原狀黃土增濕且施加凈向應(yīng)力狀態(tài)下的吸力—孔隙比曲線的斜率記為λs，在對原狀黃土不斷施加凈豎向應(yīng)力的過程中，λs與應(yīng)力之間的關(guān)系[12-14]如圖4所示。

圖4 原狀黃土增濕過程中的λs—應(yīng)力曲線Fig.4 λs-stress curve of undisturbed loess during humidification

根據(jù)圖4可知，原狀黃土在λs—應(yīng)力曲線在凈豎向應(yīng)力為200 kPa時達(dá)到斜率最大，表明在增濕過程中，原狀黃土試樣在凈豎向應(yīng)力為200 kPa的情況下，孔隙比下降得最快。

研究通過豎向變形的方式對不同凈豎向應(yīng)力下原狀黃土的濕陷系數(shù)進(jìn)行計(jì)算[15-20]，列出原狀黃土在應(yīng)力增濕過程中的孔隙比、增濕后干密度與濕陷系數(shù)等各項(xiàng)壓縮濕陷指標(biāo)，具體結(jié)果見表2，同時繪制出濕陷系數(shù)與應(yīng)力之間的關(guān)系曲線，具體結(jié)果見表3。根據(jù)表3和圖5可知，在應(yīng)力增濕作用下，原狀黃土濕陷系數(shù)呈現(xiàn)先升后降的特點(diǎn)，在凈豎向應(yīng)力達(dá)到400 kPa的情況下，濕陷系數(shù)達(dá)到0.086，處于最高水平。在豎向應(yīng)力不斷提升的過程中，原狀黃土的孔隙比隨之降低，干密度隨之上升。

表3 原狀黃土應(yīng)力增濕狀態(tài)下的各項(xiàng)濕陷指標(biāo)Tab.3 Various collapsibility indexes of undisturbed loess under stress humidification

圖5 原狀黃土增濕過程中的濕陷系數(shù)—應(yīng)力曲線Fig.5 Collapsibility-stress curve of undisturbed loess during humidification

經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，增濕過程中的原狀黃土試樣凈豎向壓力為400 kPa的情況下達(dá)到最高濕陷系數(shù)，高英等[8]針對西安地區(qū)黃土增濕變形特性進(jìn)行分析時，通過常含水量側(cè)限壓縮與控制吸力排水側(cè)限壓縮試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，原狀黃土樣本在增濕過程中，當(dāng)施加400 kPa的凈豎向壓力時，試樣的濕陷系數(shù)約為0.09，研究與該結(jié)論基本一致。

3 結(jié)語

本文在對原狀黃土進(jìn)行增濕處理的基礎(chǔ)上，通過不斷施加凈豎向應(yīng)力的方式，結(jié)合孔隙比、飽和度以及濕陷系數(shù)等指標(biāo)對側(cè)限條件下原狀黃土的增濕變形特性進(jìn)行了分析。在未來的研究工作中，還需要進(jìn)一步加強(qiáng)原狀黃土在直接剪切應(yīng)力條件下的土水特征、剪變形特性以及濕壓特征分析，更深層次地探究原狀黃土的物理特性。