非飽和增濕條件下典型黃土濕陷性研究*

劉弋博 陳慧娥 許曉慧 郭浩天 李 慧

(吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，長春 130012，中國)

0 引 言

黃土廣泛分布于我國華北、西北等地。隨著黃土地區(qū)工程建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，修筑在深、厚濕陷性黃土場(chǎng)地上的工程越來越多。由于濕陷性對(duì)工程安全穩(wěn)定的影響較大，因此濕陷性黃土的工程特性、濕陷量計(jì)算及其地基處理已經(jīng)成為21世紀(jì)黃土領(lǐng)域研究的難點(diǎn)與熱點(diǎn)(陳正漢等，2019)。近年來，林瑤(2019)研究了蘭州市彭家坪地區(qū)大厚度濕陷性黃土工程特性，邵生俊等(2013)對(duì)濕陷性黃土隧道的工程性質(zhì)進(jìn)行了研究，楊校輝等(2014)進(jìn)行了大厚度自重濕陷性黃土地基處理深度和濕陷性試驗(yàn)，崔靖俞等(2019)對(duì)西寧地區(qū)不同深度原狀黃土濕陷性及微觀機(jī)理進(jìn)行了探討，王雪浪(2012)對(duì)大厚度濕陷性黃土濕陷變形及地基處理機(jī)理開展了研究。隨著濕陷性黃土工程性質(zhì)研究的進(jìn)行，人們逐步認(rèn)識(shí)到對(duì)其非飽和濕陷性的研究存在不足。由于深厚濕陷性黃土地基浸水后不一定能達(dá)到完全飽和狀態(tài)，因此按照規(guī)范、經(jīng)驗(yàn)以飽和黃土濕陷系數(shù)對(duì)地基變形、地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行計(jì)算、評(píng)估，已不能很好地解決黃土地區(qū)工程建設(shè)存在的問題，所以黃土非飽和增濕變形的研究與計(jì)算就尤為重要。目前，已有學(xué)者對(duì)黃土非飽和濕陷性進(jìn)行了相應(yīng)研究。姚志華等(2014)研究發(fā)現(xiàn)黃土濕陷量的計(jì)算值與其實(shí)測(cè)值之間存在差異，侯曉坤等(2016)提出了黃土非飽和濕陷變形的計(jì)算模型，邵顯顯(2018)、邵顯顯等(2019)對(duì)原狀黃土非飽和增濕變形特性以及壓實(shí)黃土非飽和增濕變形過程及其微觀機(jī)制進(jìn)行了研究，周茗如等(2017)，高英等(2019)，吳光輝等(2016)對(duì)非飽和黃土增濕，減濕變形特性及結(jié)構(gòu)性等方面開展了研究，高帥等(2015)研究了非飽和原狀黃土增濕條件下的力學(xué)特性，高凌霞等(2013)開展了非飽和黃土土水特性與濕陷性關(guān)系的研究。

綜上所述，黃土非飽和濕陷性研究已經(jīng)積累了一定成果，但不同增濕條件下，非飽和黃土內(nèi)部含水率的變化及分布規(guī)律及由其產(chǎn)生的土體濕陷性的時(shí)空演化規(guī)律研究較少。文章以陜西省銅川市黃土為研究對(duì)象，從黃土非飽和增濕角度出發(fā)，對(duì)原狀非飽和黃土土柱進(jìn)行不同目標(biāo)含水率的增濕，研究不同時(shí)間段不同高度下的土柱含水率分布。同時(shí)研究不同增濕目標(biāo)含水率下，時(shí)間及壓力因素對(duì)黃土土柱每層及整體非飽和濕陷特征的綜合影響，從而為黃土非飽和濕陷性的研究及評(píng)價(jià)提供一定的參考及依據(jù)。

1 土樣性質(zhì)及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)土樣取自陜西省銅川市董家河鎮(zhèn)，東經(jīng)34°59′43.04″，北緯108°57′41.9″。通過探槽取土方式進(jìn)行取樣，取樣現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。取土深度1.5～2im，樣品屬于Q3黃土，土質(zhì)稍濕，較為均勻。試樣粒度成分見圖2，黃土試樣粒徑在2～0.075imm間的砂粒含量為16.87%，粒徑在0.075～0.005imm間的粉粒含量為70.27%，粒徑小于0.005imm的黏粒含量為12.86%。土樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

圖1 取樣現(xiàn)場(chǎng)

圖2 粒度分布

表1 黃土基本物理性質(zhì)指標(biāo)

利用自制試驗(yàn)裝置，對(duì)原狀典型黃土土樣(柱狀)進(jìn)行增濕試驗(yàn)。試樣尺寸為150imm×150imm×250imm，如圖3a所示。試驗(yàn)裝置尺寸為150imm×150imm×300imm，如圖3b所示。裝置內(nèi)部上方設(shè)自制水槽，為土樣增濕，水槽尺寸為140imm×140imm×40imm。試樣飽和含水率為40%，采用水槽滴水法，將黃土土樣增濕目標(biāo)含水率分別控制為21%，25%，30%。為確定水入滲過程中，土柱內(nèi)部含水率的分布情況，采用高周波含水率測(cè)定儀(如圖3c所示，型號(hào)JK-100，精度0.01%，量程0%～100%)分別在增濕后1ih、3ih、6ih、12ih、24ih量測(cè)土柱不同高度處225imm(第1層)、175imm(第2層)、125imm(第3層)、75imm(第4層)、25imm(第5層)黃土試樣的含水率如圖4a所示。試驗(yàn)土樣共18個(gè)，其中3個(gè)用于含水率分布測(cè)試，另15個(gè)試樣分別于增濕1ih、3ih、6ih、12ih、24ih后，按不同深度分5層取樣，用以進(jìn)行濕陷性實(shí)驗(yàn)。

圖3 試驗(yàn)土樣及設(shè)備

圖4 含水率測(cè)試點(diǎn)及分層取樣

含水率分布試驗(yàn)中，將黃土土柱含水率從初始含水率(14.6%)分別增濕至21%、25%、30%。試驗(yàn)過程中，根據(jù)每個(gè)黃土土柱的質(zhì)量、天然含水率及目標(biāo)含水率計(jì)算增濕所需加水量，并倒入自制打孔水槽中，讓水均勻滴入土柱中。采用掃描深度50imm的高周波含水率測(cè)定儀分別于不同測(cè)試時(shí)間測(cè)定黃土土柱上下5層的質(zhì)量含水率，每個(gè)層面測(cè)量3次取其平均值。

濕陷性試驗(yàn)中，每個(gè)黃土土柱達(dá)到指定增濕時(shí)間后，將增濕后的黃土土柱分5層切取標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀樣，環(huán)刀尺寸為61.8imm×20imm，如圖4b所示。濕陷性試驗(yàn)的增濕目標(biāo)含水率、含水率穩(wěn)定時(shí)間同含水率分布試驗(yàn)。利用每層環(huán)刀的非飽和增濕濕陷變形量換算求出黃土土柱整體增濕變形量，用以確定整個(gè)黃土土柱的非飽和增濕濕陷系數(shù)。非飽和增濕濕陷系數(shù)參考現(xiàn)場(chǎng)雙線法靜載荷試驗(yàn)，通過雙線法進(jìn)行計(jì)算。對(duì)天然土塊上取出的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀樣，在天然含水率狀態(tài)下進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)。對(duì)做完增濕試驗(yàn)的環(huán)刀樣進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)。壓力依次為50ikPa、100ikPa、150ikPa、200ikPa、300ikPa。待每級(jí)壓縮變形穩(wěn)定后再施加下一級(jí)壓力，計(jì)算每級(jí)壓力下變形穩(wěn)定時(shí)環(huán)刀內(nèi)試樣的高度。非飽和增濕濕陷系數(shù)公式如式(1)所示。

(1)

式中：δus為非飽和增濕濕陷系數(shù)；hp為高壓固結(jié)試驗(yàn)中，某級(jí)壓力下天然環(huán)刀試樣受壓變形穩(wěn)定后高度(mm)；h′p為高壓固結(jié)試驗(yàn)中，增濕后土柱取出環(huán)刀試樣在相應(yīng)壓力下受壓變形穩(wěn)定后高度(mm)；h0為環(huán)刀試樣的原始高度(mm)。

2 含水率分布特征

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制土柱不同位置處，增濕過程中含水率隨時(shí)間變化曲線(圖5)。

圖5 不同目標(biāo)含水率土樣各層含水率隨時(shí)間變化曲線

由圖5a可知，目標(biāo)含水率為21%時(shí)，黃土土柱第1層與第2層含水率變化趨勢(shì)相近，隨時(shí)間增加迅速降低。第3層含水率先緩慢增加，3ih后緩慢下降，曲線與前兩層靠攏。第4層含水率緩慢增加，第5層含水率12ih后開始逐漸增加。對(duì)比發(fā)現(xiàn)24ih后前3層含水率分布較均勻，在20%～21%左右，第4、5層含水率相對(duì)較低，為19%左右。低增濕含水率時(shí)，黃土土柱內(nèi)含水率隨時(shí)間呈非均勻分布。

由圖5b可知，目標(biāo)含水率為25%時(shí)，第1層與第2層含水率變化趨勢(shì)基本一致，第3層含水率隨時(shí)間快速增加，6ih后平緩下降并趨于穩(wěn)定。第4層含水率呈速率減小的增長趨勢(shì)。第5層含水率6ih開始逐漸增長向上層靠攏。24ih后前4層含水率分布較為均勻，集中在25%～26%，第5層含水率相對(duì)較低為23.5%。此時(shí)黃土土柱內(nèi)含水率分布開始由非均勻趨向均勻。

由圖5c可知，目標(biāo)含水率為30%時(shí)，黃土土柱第1層含水率隨時(shí)間增加開始較快下降，3ih后開始緩慢下降，趨于穩(wěn)定。第2、3層變化趨勢(shì)大體一致。第2層含水率1ih開始緩慢下降，6ih后基本穩(wěn)定，第3層含水率保持穩(wěn)定。第4層含水率隨時(shí)間緩慢增加，第5層含水率隨時(shí)間快速增加，12ih后趨于穩(wěn)定。對(duì)比發(fā)現(xiàn)目標(biāo)含水率為30%時(shí)，增濕24ih后土柱含水率分布均勻，均在28%～29%之間。表明隨著增濕目標(biāo)含水率的增加，含水率分布趨向均勻。

綜上所述，目標(biāo)增濕含水率不同時(shí)，土體不同位置處的含水率變化趨勢(shì)存在差異。研究所用黃土為粉質(zhì)黏土，土中微小孔隙及大孔隙均有分布(李萍等，2019)。水分在土樣中的入滲過程受非飽和土的土體基質(zhì)吸力及重力共同作用。增濕目標(biāo)含水率較小時(shí)，由于加入水量較少，因此，在增濕初期入滲水量大部分集中于上部表層，且隨著時(shí)間增加緩慢入滲到土樣中部及下部。由于土體含水率較小，試樣中基質(zhì)吸力相對(duì)較大，因此重力對(duì)水的入滲過程影響較小，所以試樣內(nèi)水分分布不均勻(李同錄等，2019)。增濕目標(biāo)含水率增大時(shí)，黃土顆粒間基質(zhì)吸力快速減弱，水受重力作用向下入滲，下層含水率增加速率增大，含水率分布開始趨于均勻，增濕含水率越高，黃土土柱含水率趨向均勻的時(shí)間越短。

3 非飽和濕陷性分析

3.1 土柱非飽和濕陷性演化及分布規(guī)律

基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過計(jì)算可得到黃土土柱不同位置處，在不同增濕含水率、增濕時(shí)間時(shí)的非飽和增濕濕陷系數(shù)。目標(biāo)含水率為21%不同增濕時(shí)間時(shí)土柱各位置非飽和增濕濕陷系數(shù)隨壓力變化規(guī)律如圖6所示。從1ih開始，上3層的非飽和增濕濕陷系數(shù)隨著壓力的增加而逐漸增加，接近上揚(yáng)趨勢(shì)。不同壓力時(shí)，隨時(shí)間的增加，上3層的非飽和增濕濕陷系數(shù)趨于接近，前兩層的非飽和增濕濕陷系數(shù)不斷下降，第3層的非飽和增濕濕陷系數(shù)呈先增加后緩慢下降趨于穩(wěn)定。第4層非飽和增濕濕陷系數(shù)隨著壓力及時(shí)間的增加而逐漸增加。第5層非飽和增濕濕陷系數(shù)在增濕6ih后隨壓力及時(shí)間開始逐漸緩慢增加，并與第4層非飽和增濕濕陷系數(shù)靠攏，表明在非飽和增濕下6ih左右水才滲入最后一層。土體非飽和濕陷特征不均勻。

圖6 目標(biāo)含水率為21%不同增濕時(shí)間時(shí)土柱各位置非飽和增濕濕陷系數(shù)隨壓力變化曲線

目標(biāo)含水率為25%不同增濕時(shí)間時(shí)土柱各位置非飽和增濕濕陷系數(shù)隨壓力變化曲線如圖7所示。從1ih開始，上4層土樣非飽和增濕濕陷系數(shù)隨著壓力的增加而逐漸增加，呈上揚(yáng)趨勢(shì)。隨時(shí)間的不斷增加，上4層的非飽和增濕濕陷系數(shù)慢慢接近，前兩層的非飽和增濕濕陷系數(shù)不斷下降，第3層的非飽和增濕濕陷系數(shù)呈先增加后緩慢下降變穩(wěn)定的趨勢(shì)。增濕初期，第4層非飽和增濕濕陷系數(shù)隨著壓力緩慢增加，增濕6ih后增長速率加快。第5層土樣非飽和增濕濕陷系數(shù)在增濕6ih后隨壓力及時(shí)間開始逐漸緩慢增加，與前4層靠近。表明當(dāng)目標(biāo)含水率為25%時(shí)，增濕6ih后水才滲入最后一層。與目標(biāo)含水率21%相比，目標(biāo)含水率為25%時(shí)，第5層非飽和增濕濕陷系數(shù)有較大增加，隨著時(shí)間變化，5層非飽和增濕濕陷系數(shù)不斷接近，但第1層與第5層非飽和濕陷系數(shù)仍存在較大差異，土體非飽和濕陷特征仍不均勻。

圖7 目標(biāo)含水率為25%增濕不同時(shí)間時(shí)土柱各位置處非飽和增濕濕陷系數(shù)隨壓力變化曲線

目標(biāo)含水率為30%不同增濕時(shí)間土柱各位置非飽和增濕濕陷系數(shù)隨壓力變化規(guī)律如圖8所示。從1ih開始，前4層非飽和增濕濕陷系數(shù)隨著壓力的增加而逐漸增加，呈上揚(yáng)趨勢(shì)。第5層增濕3ih后非飽和濕陷系數(shù)隨壓力增加而增加，增長速率越來越快。隨時(shí)間不斷增加，5層土柱的非飽和增濕濕陷系數(shù)慢慢接近，前兩層的非飽和增濕濕陷系數(shù)不斷下降，通過圖像觀察，第3層的非飽和增濕濕陷系數(shù)數(shù)值在一定范圍內(nèi)波動(dòng)(50ikPa下系數(shù)均在0.91左右，100ikPa下系數(shù)均在1.57左右，200ikPa下系數(shù)均在2.8左右)最終趨于穩(wěn)定。第4層、第5層非飽和增濕濕陷系數(shù)向前3層靠攏的速度越來越快，最終5層土樣的非飽和濕陷系數(shù)數(shù)值接近。與目標(biāo)含水率21%、25%相比，目標(biāo)含水率為30%時(shí)，各土層的非飽和增濕濕陷系數(shù)數(shù)值明顯增加，隨著時(shí)間變化，土柱不同位置處非飽和增濕濕陷系數(shù)接近與增長趨勢(shì)更加明顯，增濕24ih后系數(shù)圖像出現(xiàn)重疊。第1層與第5層數(shù)值差減小，土體的非飽和濕陷特征趨于均勻分布。

圖8 目標(biāo)含水率為30%增濕不同時(shí)間時(shí)土柱各位置處非飽和增濕濕陷系數(shù)隨壓力變化曲線

試驗(yàn)結(jié)果表明，不同增濕目標(biāo)含水率及增濕時(shí)間條件下，土樣各位置處的非飽和濕陷特征不同。低增濕含水率下由于黃土土柱含水率分布不均勻，土柱上層含水率相較下層高，黃土結(jié)構(gòu)破壞程度相較于下層大，因此上層取出的環(huán)刀樣受壓變形量遠(yuǎn)高于下層結(jié)構(gòu)較好的環(huán)刀樣，且隨著壓力增高，變形量隨著含水率增加呈折線增長，導(dǎo)致黃土土柱上、下層增濕濕陷系數(shù)差異明顯。隨著增濕含水率的增加，黃土土柱含水率分布趨向均勻，黃土上下層結(jié)構(gòu)破壞程度差距縮小，上下層環(huán)刀樣變形量差減小，黃土土柱各層的非飽和增濕濕陷系數(shù)靠攏且增長趨勢(shì)相同。

3.2 土柱整體非飽和濕陷特征

將不同增濕目標(biāo)含水率、不同增濕時(shí)間條件下黃土土柱每層取出的環(huán)刀試樣在每級(jí)壓力下的增濕變形量(按高度計(jì)算成土柱)進(jìn)行疊加，可得黃土土柱整體增濕變形量，由此減去原狀環(huán)刀試樣在每級(jí)壓力下的變形量(按高度計(jì)算成土柱)，并結(jié)合土柱原始高度，就可得到不同增濕條件下土柱整體的非飽和增濕濕陷系數(shù)，如圖9所示。

圖9 不同目標(biāo)含水率各增濕時(shí)間時(shí)土柱的非飽和增濕濕陷系數(shù)隨壓力變化曲線

不同增濕含水率及時(shí)間下，隨著壓力的增加，黃土土柱的非飽和增濕濕陷系數(shù)不斷增加，且增長速率加快，曲線部分呈折線上升。低增濕含水率下，黃土土柱的非飽和增濕濕陷系數(shù)隨著時(shí)間的增加而下降。增濕1ih系數(shù)最大，增濕24ih時(shí)系數(shù)最小。目標(biāo)含水率增至25%時(shí)，相比增濕至21%的土柱，非飽和增濕濕陷系數(shù)在不同試驗(yàn)壓力下隨時(shí)間的增加呈逐步增大趨勢(shì)。目標(biāo)含水率為30%時(shí)，增濕1ih非飽和增濕濕陷系數(shù)最小，增濕24ih系數(shù)最大。隨著增濕含水率的增加，黃土土柱的非飽和增濕濕陷系數(shù)隨時(shí)間的增加而增大且增大趨勢(shì)愈發(fā)明顯。由于黃土土柱中水的變化是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，黃土土柱濕陷也呈一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過程。低增濕含水率時(shí)土柱中水分布不均勻，上層高含水率黃土內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞遠(yuǎn)大于下層，導(dǎo)致黃土土柱整體受壓變形量主要取決于上層，因此時(shí)間越短土柱增濕濕陷系數(shù)越大。隨著增濕含水率的增加，黃土土柱含水率分布趨于均勻，上下層內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞差縮小，黃土土柱整體受壓變形量不再取決于上層而是整體，黃土土柱增濕濕陷系數(shù)隨時(shí)間增加而增加。由此可見，黃土土柱的濕陷受增濕水量、時(shí)間及壓力控制明顯。

4 結(jié) 論

通過自制試驗(yàn)裝置，對(duì)原狀典型黃土土柱進(jìn)行非飽和增濕，對(duì)增濕過程中土體含水率分布及增濕后土體的濕陷性特征進(jìn)行分析，可得如下結(jié)論：

(1)土體不同位置處的含水率變化趨勢(shì)存在差異性，目標(biāo)增濕含水率越高，黃土土柱含水率趨向均勻的時(shí)間越短。

(2)隨增濕含水率的增加，黃土土柱每層的增濕濕陷系數(shù)增長速度加快，底層與上層系數(shù)數(shù)值靠攏，黃土土柱整體增濕濕陷系數(shù)也越大，且隨著壓力的增加呈增大趨勢(shì)。

(3)由于黃土中毛細(xì)力及基質(zhì)吸力的作用，導(dǎo)致隨著時(shí)間的增加，低含水率增濕至24ih，土柱中含水率分布仍不均勻，而高含水率增濕至24ih，土柱中含水率分布趨向均勻。隨增濕含水率的增加，非飽和增濕濕陷系數(shù)差值縮小，并向一個(gè)區(qū)間值靠攏，增濕開始由非均勻轉(zhuǎn)向均勻，且達(dá)到均勻的時(shí)間縮短。

(4)不同含水率增濕不同時(shí)間的原狀黃土土柱非飽和增濕濕陷系數(shù)存在較大差異，黃土場(chǎng)地建設(shè)評(píng)價(jià)濕陷性需考慮增濕時(shí)間、壓力及含水率對(duì)黃土場(chǎng)地的綜合影響。