毛愛迪

(中鐵十九局集團房地產開發(fā)有限公司，遼寧 遼陽 111000)

0 引言

黃土在我國西北地區(qū)廣泛分布，常被用作主要的填筑材料，由于其粉土和黏粒含量較高，通常表現(xiàn)為透水性差、黏聚力大的特性。近年來隨著黃土高原地區(qū)的建設規(guī)模以及治理強度不斷增大，已經取得了明顯的成效，黃河流域水土流失逐步減少。然而，在取得一些治理成效的同時，由于黃土濕陷性的特點，在經過干燥、濕潤循環(huán)作用下會產生裂縫和局部塌陷等破壞，導致土體大量流失，農作物產量下降，機械化生產效率降低，最終對生態(tài)環(huán)境以及農業(yè)生產活動造成嚴重威脅。

國內外學者通過大量室內試驗，從微觀結構的角度去解釋干燥—濕潤循環(huán)過程對黃土性質的影響。袁志輝等[1]測量了不同干濕循環(huán)條件下的黃土單軸拉伸強度發(fā)現(xiàn)，含水率不變時，干濕循環(huán)次數的增加會使土的抗拉強度減小，到一定次數后趨于不變。王飛等[2]對比了不同壓實度下的黃土在干濕循環(huán)后的濕陷系數，指出當壓實度為90%時，提高壓實度對于黃土濕陷變形特征的影響較小。葉萬軍等[3]利用CT掃描成像技術得出黃土在干濕循環(huán)后內部孔隙的發(fā)展規(guī)律，結果表明當土體內部某處的抗拉強度小于其拉應力時，土體就會產生裂隙。胡長明等[4]對黃土填方邊坡進行了穩(wěn)定性有限元分析，探究了在干濕循環(huán)作用下邊坡土體強度劣化規(guī)律，為邊坡災害檢測提供了理論參考。劉宏泰等[5]通過室內三軸壓縮和滲透試驗,認為重塑黃土的抗剪強度指標均隨著干濕循環(huán)次數的遞增呈減小趨勢,且最終土體結構會重新達到平衡點,黃土的抗剪強度逐漸趨于穩(wěn)定。賀強[6]對黏性土進行了不同干密度和顆粒級配的室內滲透破壞試驗，分析了不同因素對合肥地區(qū)黏土層滲透破壞臨界坡降的影響。

綜上可知，目前針對黃土的研究主要集中在強度和滲透特性兩個方面，而實際的工程條件更為復雜，工程的各種不利因素往往不是單一出現(xiàn)的。在周期性降雨地區(qū)，遇到填挖方工程，土料就會同時受到干濕循環(huán)、滲透作用以及填挖交界區(qū)三種不利影響。目前的研究關于對多重不利影響條件下的黃土性質變化規(guī)律研究較少。本試驗主要研究在干濕循環(huán)條件作用下黃土填挖方交界區(qū)的裂縫產生與發(fā)展規(guī)律，以及在兩種不利因素影響下的黃土滲透系數變化規(guī)律，對實際工程中可能出現(xiàn)的復雜工況有一定的指導意義。

1 試驗部分

1.1 試樣制備

試驗用土取自陜西延安某工地，將取回的土樣放置陰涼處，自然風干半年以上。試驗前需將土樣進行磨細處理，測定其基本物理性質，見表1。

表1 土樣的基本物理性質

本文采用環(huán)刀法制備不同壓實度土樣，見圖1。為了體現(xiàn)黃土填挖方交界面的工程特點，本文設計一種新的制樣方法。首先預制一個半圓柱形狀有機玻璃塊，將其放入環(huán)刀內，在另一側放入制備好的土樣，用千斤頂進行壓實，然后將有機玻璃塊取出，再次填充土樣并壓實，通過控制第二次填充土樣質量來控制壓實度，以此近似模擬黃土填挖方交界面特點。

圖1 試樣制備方法

為了驗證本文制樣方法的可行性，除不同壓實度的試樣外，本文還制備了單一壓實度試樣，具體壓實方案見表2。

表2 不同壓實度試驗方案

1.2 干濕循環(huán)試驗方案

本文干濕循環(huán)設置為0～7次，土的含水率控制為15.5%。為防止土中水分蒸發(fā)，制備好的土樣采用保鮮膜密封，靜置24 h備用。土樣第一次經歷干濕循環(huán)之前的初始含水率為15.5%，然后直接將土樣放入真空飽和裝置中抽氣飽和，飽和過程視為濕循環(huán)過程，待到滲透系數測定結束后將土樣進行烘干，烘干過程即為干燥過程。此時土樣完成一次干濕循環(huán)過程，后續(xù)的循環(huán)重復上述過程即可。

試驗采用烘箱干燥的方式，考慮到溫度過高會破壞黃土內部結構，故將烘箱溫度設置在60 ℃，烘干時間為48 h。為了精確控制含水率下限，在正式開始前做預備試驗，先制作兩個最優(yōu)含水率15.5%的土樣，待到真空飽和裝置內充分飽和后放入烘箱烘干后測定其含水率，結果顯示含水率在2%左右。因此，本試驗將含水率下限定為2%，上限為飽和含水率15.5%，試樣經過真空飽和4 h后即進行滲透系數測定試驗。

2 試驗結果分析

2.1 干濕循環(huán)后裂縫分析

第1次干濕循環(huán)后土樣的裂縫發(fā)展情況見圖2。經歷1次干濕循環(huán)后，土樣2-8整體與滲透環(huán)刀脫離，不同壓實度交界面處產生了長度達34.866 mm的主裂縫，最大寬度0.129 mm，裂縫從中間向兩側延伸，但未延伸至環(huán)刀邊緣；主裂縫周圍土顆粒呈凹凸不平狀態(tài)，這是因為壓實過程中交界面周圍存在表面浮土，經過干濕循環(huán)后浮土顆粒流失，從而導致試樣表面不平整；距離主裂縫兩側10 mm處產生了2條微裂縫，裂縫寬度均小于0.1 mm。土樣6-6大部分區(qū)域與滲透環(huán)刀脫離，不同壓實度交界面處產生了長度達36.223 mm的主裂縫，裂縫從中間向兩側延伸，但未延伸至環(huán)刀邊緣；靠近滲透環(huán)刀邊緣處有小部分土顆粒流失，附近的土樣表面呈凹凸不平的狀態(tài)，在環(huán)刀邊緣處產生了1條微小裂縫。重塑土樣6出現(xiàn)一條幾乎貫通的細裂縫，長度達50.125 mm，與環(huán)刀邊緣脫離，表面有輕微的土顆粒流失現(xiàn)象，相對于其他試樣較平整。第1次干濕循環(huán)裂縫的統(tǒng)計結果見表3。

圖2 第1次干濕循環(huán)后裂縫發(fā)展情況

表3 不同干濕循環(huán)次數裂縫統(tǒng)計結果

第7次干濕循環(huán)的裂縫發(fā)展情況見圖3。經歷7次干濕循環(huán)后，土樣2-8的土顆粒流失現(xiàn)象已基本達到穩(wěn)定狀態(tài)，周圍浮土塊表面的洞狀孔隙也并未有明顯增加，不同壓實度交界面處主裂縫完成了橫向貫通，周圍發(fā)育的環(huán)狀裂縫最大寬度增加至42.760 mm，表面土體結構已基本被破壞。土樣6-6表面土顆粒流失現(xiàn)象已基本達到穩(wěn)定，不同壓實度交界面處原有的主裂縫也完成了橫向貫通，周圍形成的完整環(huán)狀裂縫進一步擴寬，并伴隨著大量微裂縫的產生，表面土體結構已基本被破壞。重塑土樣6表面土顆粒流失現(xiàn)象已基本達到穩(wěn)定，不同壓實度交界面處原有的主裂縫未有明顯變化，周圍浮土塊在水的浸泡后與環(huán)刀周圍粘連部分增加。第7次干濕循環(huán)的裂縫具體數據見表3。

圖3 第7次干濕循環(huán)后裂縫發(fā)展情況

為了更加直觀地對比分析不同干濕循環(huán)次數下土樣的裂縫發(fā)育情況，根據試驗數據，繪制不同試驗條件下主裂縫長度、主裂縫面積隨干濕循環(huán)次數的分布曲線，見圖4～5。由圖4可知，隨著干濕循環(huán)次數的逐漸增加，不同壓實度土樣的主裂縫長度均呈逐漸遞增變化趨勢，且壓實度越高，同一干濕循環(huán)次數下的主裂縫越長。由圖5可知，隨著干濕循環(huán)次數的逐漸增加，不同壓實度土樣的主裂縫面積同樣呈逐漸遞增變化趨勢，且壓實度越高，同一干濕循環(huán)次數下的主裂縫面積越大。圖4～5中曲線的波動情況原因可能是由于制樣過程中壓實不均導致的，但整體上還是表現(xiàn)為單調變化趨勢。

圖4 主裂縫長度分布曲線

圖5 主裂縫面積分布曲線

2.2 干濕循環(huán)后滲透系數分析

試驗共測定了20個土樣從第0次到第6次循環(huán)后的滲透系數，見表4。土樣2-8、6-6和重塑6的滲透系數變化曲線如圖6所示。

圖6 滲透系數分布曲線

表4 土樣滲透系數 單位：×10-5 cm/s

由圖6可知，隨著干濕循環(huán)次數的逐漸增加，不同壓實度土樣的滲透系數變化規(guī)律有所差異。當壓實度較小時，第1次干濕循環(huán)后滲透系數會有一個明顯的減小過程，部分試樣出現(xiàn)了量級上的變化，然后趨于穩(wěn)定。當壓實度較大時，滲透系數在第1次干濕循環(huán)后減小，但減幅較小，均在同一量級上變化。反觀一次壓實的對照組試樣，其滲透系數在很小的范圍內波動且無量級變化，波動也無明顯的規(guī)律。這是因為制樣時交界面處存在較多孔隙，在測定無循環(huán)的滲透系數時土樣不同壓實度接觸面未受到擾動，循環(huán)一次后接觸面處孔隙被細土顆粒填充，接觸面局部愈合而導致滲透系數的減小，循環(huán)到兩次后接觸面部分愈合，對滲透系數的影響較小，而土樣內部結構逐漸破壞，從而導致滲透系數逐漸增長，也說明此時土體內部結構的破壞基本達到穩(wěn)定。

3 結論

(1) 隨著干濕循環(huán)次數的逐漸增加，不同壓實度土樣的主裂縫長度均呈逐漸遞增變化趨勢，且壓實度越高，同一干濕循環(huán)次數下的主裂縫越長。

(2) 隨著干濕循環(huán)次數的逐漸增加，不同壓實度土樣的主裂縫面積同樣呈逐漸遞增變化趨勢，且壓實度越高，同一干濕循環(huán)次數下的主裂縫面積越大。

(3) 存在交界面的試樣滲透系數隨著循環(huán)次數的增加呈現(xiàn)先減小、后增大至穩(wěn)定的趨勢，一次壓實的對照組試樣在滲透系數的變化上應該與已知規(guī)律相符合，即隨著循環(huán)次數的增加，滲透系數緩慢增大。對于高壓實度的純重塑土，干濕循環(huán)對于滲透系數的影響并不是很大。