黃土濕陷性的影響因素試驗

劉鑫宇 翟 晶

（中國礦業(yè)大學銀川學院，寧夏 銀川 750011）

0 引言

黃土是第四紀在干旱及半干旱氣候下形成的一種新生的地殼表層沉積物，特別是馬蘭黃土Q3和次生黃土Q2，因其沉積年代較新，具有強烈的濕陷性——因土富含多種可溶性的易溶鹽,當土體浸水后,水溶解碳酸鹽微晶膠結物使其成為水膠溶液,水膠溶液在土體破壞過程中加速顆粒位移,使膠結作用力迅速消失,土結構骨架遭到破壞【1】,出現(xiàn)突然的下沉現(xiàn)象。造成建筑結構及交通工程的沉降、開裂乃至損毀。

我國是世界上黃土分布面積最廣（64104km2）、厚度最大（最大厚度約410m）、成因類型最復雜、地層層序最完整的國家。其集中分布于黃河中、上游的甘、青、寧、陜及山西、河南等省【2】。本文試驗土樣選取干旱—半干旱地區(qū)的寧夏固原市土樣，其黃土含水量相對不高，地層分布穩(wěn)定，具有很好的代表性。寧夏地區(qū)的黃土與其他地方的黃土力學性質(zhì)上有很大差異，其顆粒以點接觸為主，空隙度高，粒徑相對較大，容易發(fā)生自重濕陷，土體在無附加荷載下即發(fā)生受水后的土體結構破壞。本文通過在小應力狀態(tài)下，以初始含水量、干密度、自重壓力為變化因素，應用固結試驗方法，對寧夏黃土進行濕陷性分析，得出各因素間的關系，進而分析黃土的作用機理。

1 試驗方法及步驟

1.1 正交試驗理論

正交試驗也可以稱作正交設計，該方法在試驗中會涉及到非常多的因素。它可以借助于現(xiàn)有的規(guī)范化的正交表進行試驗，拿到試驗數(shù)據(jù)以后再通過相應的數(shù)理統(tǒng)計方法加以處理，最后得到結論。其優(yōu)勢在于可以在眾多的試驗條件當中找到有著很強代表性的少量試驗方案【3】,對于這部分試驗方案加以處理研究，得到最佳的方案或者是最好的生產(chǎn)條件，而且也能得出優(yōu)于試驗結果自身的諸多相關因素信息。

表1 正交試驗因素水平設計表

1.2 試驗步驟

（1）試樣制備。本次試驗材料取自寧夏固原黃土。多數(shù)處于硬塑狀態(tài)，顏色為黃褐色。本試驗以含水量、干密度、自重壓力為變化因素，設計一個3 水平3因素的正交試驗方案。正交試驗因素水平如表1所示，利用spss 軟件進行設計。按照設計方案，將采集好的土樣與蒸餾水拌均，并用環(huán)刀對其進行每組為3 個的試樣制備。制備完畢后放入保濕瓶靜置3d，以使土樣結構達到一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

（2）操作步驟。首先施加所需超載壓力，待土樣變形穩(wěn)定后將超載卸除，待其回彈穩(wěn)定，再施加自重壓力至變形穩(wěn)定，記錄百分表的讀數(shù)，向水槽中加水至滿，到濕陷變形穩(wěn)定時，再次記錄百分表讀數(shù)。

（3）濕陷系數(shù)δs 計算

將實驗每一組得出的數(shù)據(jù)利用GB50015-2004《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》中濕陷系數(shù)δs 計算公式算出，計算公式如1-1 所示：

式中hp—保持天然濕度和結構的試樣，加至一定壓力時，下沉穩(wěn)定后的高度（mm）；

h’p—上述加壓穩(wěn)定后的試樣，在浸水（飽和）作用下，附加下沉穩(wěn)定后的高度（mm）；

ho—試樣的原始高度（mm）。

2 試驗結果與作用機理分析

2.1 正交試驗結果

正交試驗表及試驗結果如表2所示。

表1 正交試驗結果表

2.2 正交試驗結果分析

本文是在小應力作用下設計的多因素等水平的正交試驗方案。將含水量、干密度、自重壓力做了極差分析。極差分析圖如圖4所示。通過極差分析，可以看出三個因素對黃土濕陷系數(shù)的綜合影響。然后又分別將三個因素的平均值與濕陷系數(shù)做出關系曲線圖。如圖1～圖3所示。

圖1 δs—w 的關系曲線圖

圖2 δs—ρd 的關系曲線圖

圖3 δs—p0 的關系曲線圖

圖4 濕陷系數(shù)極差分析圖

從圖1和圖2可以看出，樣品的濕陷系數(shù)隨著含水量和干密度的增加而減小。又圖3可知，試樣的濕陷系數(shù)隨著自重壓力的增大而增大，并且存在線性關系。由極差分析圖圖4可知：研究的三因素對濕陷系數(shù)影響效果大小的順序為含水量、干密度、自重壓力，含水量是影響黃土濕陷性的重要因素【4】。

3 作用機理

（1）初始含水量:一是黃土當中的可溶性鹽類物質(zhì)遇水會發(fā)生溶解，這樣不同顆粒之間所具有的膠結作用會降低;二是在土顆粒表面會形成水膜，膜的厚度不斷增加，導致摩擦力降低，粘粒變得更軟,粘結吸附效果就會下降,面對荷載力就會出現(xiàn)錯位滑動以及滑移【3】。所以，剛開始的水含量越高，那么在荷載作用下，土體就會更加密實，之后遇水所發(fā)生的濕陷沉降會更小,濕陷系數(shù)也會下降。

（2）干密度:土體的干密度值越大，說明土體越緊密,強度值就會跟高,這樣團粒與顆粒相互間的孔隙也會更小,當遇水浸泡以后，顆粒之間不容易發(fā)生滑移,這樣就會降低濕陷系數(shù)。

（3）自重壓力:當壓力值在持續(xù)增加時，骨架顆粒出現(xiàn)破裂的概率會越小，黃土結構機會更加穩(wěn)定。如果土體壓縮固結不明顯，那么土體就不容易壓實，這樣孔隙也不會太大變化,因為浸水而發(fā)生的濕陷也會越明顯。

4 結論

對于上述研究內(nèi)容進行分析總結以后，能夠得到下述結論。

(1) 當初始的含水量、干密度值變大時，濕陷系數(shù)就會慢慢減小。當應力不大時，在自重壓力變大的過程中，濕陷系數(shù)也會慢慢變大,二者呈現(xiàn)正相關的關系。【5】

(2)可以對不同因素對于濕陷系數(shù)所具有的作用效果進行排序，依次是初始含水量、干密度以及自重壓力。從中可以看出初始含水量對于黃土濕陷性的作用最為突出。

(3)當應力比較小時，初始壓力增加，濕陷系數(shù)也會隨著增加；當應力比較大時，初始壓力增加，濕陷系數(shù)反而會隨之降低。

(4)對于寧夏黃土濕陷性所具有的這些特征，可優(yōu)先選擇強夯法以及擠密樁法,提高黃土含水量，降低少部分或者是所有黃土的濕陷性，必然會有更加顯著的成效。