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(qiáng)度變化，在針對(duì)洛川馬蘭Q3組黃土土層的基本結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)、濕陷性實(shí)驗(yàn)、直剪實(shí)驗(yàn)等一系列實(shí)驗(yàn)中，得到以下實(shí)驗(yàn)結(jié)果：①黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(qū)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(guī)律，重塑土和高載荷條件下的土層表達(dá)在此范圍不顯著。③土層加固對(duì)提升土層的濕陷系數(shù)和抗剪強(qiáng)度有積極意義。

關(guān)鍵詞：黃土;結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;濕陷性;水敏性

中圖分類號(hào)：TU444 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(qū)，將黃土作為建筑物地基的工程實(shí)現(xiàn)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(guān)研究中提出可溶鹽理論、膠體不足理論、毛細(xì)管理論、欠壓密理論、微結(jié)構(gòu)理論等黃土介質(zhì)工程力學(xué)理論。通過對(duì)黃土工程力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行水敏性試驗(yàn)，研究其浸水狀態(tài)下的力學(xué)特征，對(duì)提升黃土基礎(chǔ)地基穩(wěn)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(guó)西北部地區(qū)，以黃土高原及河西走廊地區(qū)的山西、陜西、甘肅等地居多。而黃土基礎(chǔ)的濕陷性問題以及黃土濕陷過程帶來(lái)的結(jié)構(gòu)力學(xué)不穩(wěn)定性，在相關(guān)試驗(yàn)中表現(xiàn)出了水敏性特征。研究不同黃土基礎(chǔ)加固方案，特別是黃土加固策略對(duì)黃土初始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，即通過提升黃土膠結(jié)程度對(duì)黃土基礎(chǔ)的綜合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行有效提升，是當(dāng)前處理黃土基礎(chǔ)的常用途徑。本文研究中通過對(duì)黃土進(jìn)行烘干、碾壓、結(jié)構(gòu)重塑等手段對(duì)黃土結(jié)構(gòu)進(jìn)行重塑，以提升黃土的最大剪應(yīng)力[2]。

試驗(yàn)選擇普遍認(rèn)為濕陷性和水敏性表現(xiàn)顯著的馬蘭黃土進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究，研究其不同擾動(dòng)條件下的強(qiáng)度變化特征曲線，以及不同黃土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度加固方案對(duì)黃土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變化特征曲線的影響，開展相關(guān)試驗(yàn)。以對(duì)黃土地區(qū)的工程活動(dòng)提供數(shù)據(jù)支持。

1 試樣采集與試驗(yàn)結(jié)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(duì)象。該組地層為典型的黃土塬區(qū)沉積堆積地貌，取樣點(diǎn)沉積時(shí)間約248萬(wàn)年，其對(duì)黃土地層形成期的古氣候環(huán)境信息和地層運(yùn)動(dòng)信息的保存相對(duì)完整，當(dāng)前馬蘭黃土已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外黃土地層研究的標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)所需試樣：

（1）測(cè)試土樣基本物理指標(biāo)。

（2）開展?jié)裣菰囼?yàn)獲得土樣的濕陷過程結(jié)構(gòu)力學(xué)特性曲線。

（3）開展直剪試驗(yàn)獲得土樣在不同含水率的條件下的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性曲線。

1.2 基本物理指標(biāo)試驗(yàn)方法

開展多組環(huán)刀試驗(yàn)，測(cè)得土樣平均密度為1.401g/cm3。

開展比重瓶試驗(yàn)，測(cè)得土樣平均比重為2.71。

開展多組含水率試驗(yàn)，測(cè)得土樣的基礎(chǔ)含水率為8.85%。

開展液塑限聯(lián)合試驗(yàn)，記錄3個(gè)不同含水率條件下的圓錐平均下沉深度，每個(gè)含水率條件測(cè)試5個(gè)土樣，采用數(shù)據(jù)擬合法判斷擬合度最高的一組數(shù)據(jù)，繪制其雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下的圓錐入土深度與含水量的關(guān)系曲線圖，如圖1所示。試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)選擇GB/T50123-1999。測(cè)得試樣的黃土液限為29.10%。

1.3 濕陷試驗(yàn)方法

使用原狀土試樣和重塑土試樣，采用對(duì)比法開展?jié)裣菰囼?yàn)，并測(cè)試兩種試樣在不同含水率條件下的濕陷試驗(yàn)表現(xiàn)。兩種土樣條件下，按照3%、6%、9%、12%、15%共5個(gè)含水率梯度，其中9%含水量接近于土層自然含水率8.85%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1及表2所示[4]。

1.4 直剪實(shí)驗(yàn)

在上述分組方法的基礎(chǔ)上開展直剪實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果考察不同土試樣形式和不同含水率，實(shí)驗(yàn)采用的載荷壓力值為50kPa，以更貼近建筑建成后的實(shí)際土樣上覆建筑物的自重載荷，其直剪數(shù)據(jù)結(jié)果如表3所示[5]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(yīng)變特征曲線如圖2所示，不同含水率條件下重塑土試樣應(yīng)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(yīng)力峰值的出現(xiàn)位置越接近于大應(yīng)變位置，即出現(xiàn)統(tǒng)計(jì)函數(shù)峰值右移。說(shuō)明含水率與試樣破壞形式有關(guān)，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(xiàn)不如原狀土試樣的此種表現(xiàn)顯著，考察土層沉積規(guī)律，因?yàn)橹厮芡林械哪z連結(jié)構(gòu)表現(xiàn)較弱，毛細(xì)結(jié)構(gòu)發(fā)育不顯著，綜合導(dǎo)致其土層結(jié)構(gòu)沒有完全形成并引起其土層應(yīng)力作用尚未形成的機(jī)理。所以，對(duì)洛川馬蘭Q3組黃土來(lái)說(shuō)，通過后期加固土壤的方式有助于對(duì)其初始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行強(qiáng)化，包括土壤夯實(shí)等加固手段[6]。

不同含水率條件下的土層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)比曲線如圖4所示。

圖4中，黃土土層強(qiáng)化過程對(duì)土試樣的含水率-強(qiáng)度變化曲線的變化趨勢(shì)并無(wú)影響，原狀土、重塑土、強(qiáng)化土均隨著含水率增加而剪切強(qiáng)度顯著降低。隨著含水率增大，原狀土初始剪切強(qiáng)度較大但含水率超過6%時(shí)，其剪切強(qiáng)度顯著降低，該趨勢(shì)一直持續(xù)到含水率達(dá)到12%前后。而重塑土該趨勢(shì)幾乎按照直線分布。觀察強(qiáng)化土和原狀土的變化規(guī)律，其剪切強(qiáng)度變化劇烈趨勢(shì)均出現(xiàn)在6%～12%含水率的條件下，分析其原因，主要來(lái)自土層中的易溶鹽組分和膠結(jié)物組分在此含水量下表現(xiàn)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(dāng)土壤含水率超過9%時(shí)，其濕陷系數(shù)在不同載荷條件下均發(fā)生較陡的下降沿，特別是隨著載荷量降低，在50kPa條件下發(fā)生的下降沿最陡。即可認(rèn)為，原狀土試樣條件下，土壤含水率與上部載荷量對(duì)黃土濕陷系數(shù)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(shù)在3%～9%含水率的條件下出現(xiàn)較陡下降沿，100kPa及150kPa頂部載荷的濕陷系數(shù)在3%～6%含水率條件下出現(xiàn)較陡下降沿。與原狀土相比，重塑土在含水率超過9%時(shí)并未出現(xiàn)顯著下降沿，其濕陷系數(shù)下降沿出現(xiàn)在小于9%含水率的條件下。

2.3 水敏性分析

原狀土的相關(guān)實(shí)驗(yàn)中，含水率在9%附近，即在天然含水率附近時(shí)，試樣的濕陷性最大，但在重塑土相關(guān)實(shí)驗(yàn)中，該數(shù)據(jù)特征并不顯著。圖7展示了試驗(yàn)中5個(gè)標(biāo)識(shí)含水率梯度上的濕陷性與加固結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)曲線。

圖7中，9%含水率條件下，后期加固的土層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度曲線斜率最大，表明此時(shí)加固土層的水敏性最高。在臨近的6%含水率和12%含水率對(duì)應(yīng)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(xiàn)不一致表現(xiàn)。主要表現(xiàn)在50kPa頂部載荷條件下土層水敏性特性表達(dá)曲線幾乎為直線，即認(rèn)為其水敏性幾乎為0?？梢哉J(rèn)為隨著土體內(nèi)部的空隙分布、膠結(jié)物分布、可溶鹽分布等條件的差異性，導(dǎo)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(dá)并不顯著。可見高載荷條件下，土層的裂隙結(jié)構(gòu)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(xiàn)更接近于加固土的濕陷性表現(xiàn)[7-8]。

圖8中，50kPa載荷條件下，原狀土與重塑土的濕陷系數(shù)差值變化趨勢(shì)與上述分析中的土壤水敏性產(chǎn)生機(jī)制一致，即一定比率的含水量使土壤膠結(jié)物和可溶鹽的活性得到激發(fā)。而原狀土與加固土的差值表現(xiàn)，與上述表現(xiàn)有巨大差異[9]。但兩個(gè)曲線的數(shù)據(jù)特異點(diǎn)均發(fā)生在9%含水率上下，可認(rèn)為自然含水率（9%）附近土層獲得最大水敏性的穩(wěn)定表現(xiàn)，重塑試樣后期加固結(jié)構(gòu)對(duì)土層的空隙進(jìn)行充分破壞和消除的過程，會(huì)使其起始?jí)毫緦?shí)現(xiàn)隨含水率增大而線性增大[10]。

3 總結(jié)

上述實(shí)驗(yàn)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(guān)特性引起的土壤工程結(jié)構(gòu)力學(xué)變化規(guī)律。發(fā)現(xiàn)從宏觀表現(xiàn)分析，其后期加固結(jié)構(gòu)強(qiáng)度存在以下規(guī)律：

（1）黃土土層的后期加固過程對(duì)其剪切強(qiáng)度的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于其初始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，即對(duì)土層進(jìn)行后期加固存在結(jié)構(gòu)力學(xué)的積極理論意義。

（2）含水率6%～12%區(qū)間內(nèi)，后期加固結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的水敏性表達(dá)較為強(qiáng)烈，而采用合理的加固策略，可以讓此水敏性表達(dá)對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響壓縮到最低。

（3）隨著土層含水率增加，土層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度會(huì)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(wú)法抑制此趨勢(shì)。

（4）土層的穩(wěn)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(duì)土層穩(wěn)定性的作用更加重要，所以在低載荷條件下，應(yīng)更重視土層的加固策略。

參考文獻(xiàn)

[1]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.

[2]Li，Geng，Xiao，Liu.Soil organic matter and glomalin-related soil protein contents do not explain soil aggregate stability after freeze-thaw cycles at contrasting soil moisture contents[J].Archives of Agronomy and Soil Science，2020，66（11）： 1497-1508.

[3]Junya Li，Xiaoliang Yuan，Le Ge，et al.Rhizosphere effects promote soil aggregate stability and associated organic carbon sequestration in rocky areas of desertification[J].Agriculture， Ecosystems & Environment，2020，304.

[4]Liang Xueying，Rengasamy Pichu，Smernik Ronald，et al.Does the high potassium content in recycled winery wastewater used for irrigation pose risks to soil structural stability？[J]. Agricultural Water Management，2021，243.

[5]Ernest Afriyie，Ann Verdoodt，Abdul M. Mouazen.Estimation of aggregate stability of some soils in the loam belt of Belgium using mid-infrared spectroscopy[J].Science of the Total Environment，2020，744.

[6]Yiguo Ran，Maohua Ma，Yan Liu，et al.Hydrological stress regimes regulate effects of binding agents on soil aggregate stability in the riparian zones[J]. Catena，2021，196.

[7]Environmental Management.New Environmental Management Study Findings Have Been Reported by Researchers at Chinese Academy of Agricultural Sciences （Soil aggregation and soil aggregate stability regulate organic carbon and nitrogen storage in a red soil of southern China）[J]. Ecology Environment & Conservation，2020.

[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.