冀西北地區(qū)濕陷性黃土路基溶陷變形試驗研究

李 雪 飛 常利雲(yún)

(1.河北建筑工程學(xué)院；河北 張家口 075000；2.河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點實驗室，河北 張家口 075000；3.北京冠山博源建筑工程檢測有限公司，北京 延慶 102100)

1 引 言

黃土在我國大部分地區(qū)尤其是西北地區(qū)、冀西北地區(qū)分布甚廣，由于具有特殊的成分和工程性質(zhì)，黃土路基遇水發(fā)生濕陷并且強度會迅速降低，濕陷性黃土路基已經(jīng)成為公路路基建設(shè)最需要關(guān)注的問題之一.冀西北地區(qū)高等級公路建設(shè)起步較晚，對本地區(qū)黃土的性質(zhì)及地質(zhì)結(jié)構(gòu)認(rèn)識較淺，在濕陷性黃土路基的處理方面尚缺乏研究和工程經(jīng)驗，因此有必要對冀西北地區(qū)的濕陷性黃土性質(zhì)指標(biāo)開展研究.

許多學(xué)者對濕陷性黃土的物理特性及工程應(yīng)用進(jìn)行過相關(guān)研究，李帆等[1]通過室內(nèi)試驗對濕陷性黃土的微觀結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行觀察，分析并總結(jié)了影響黃土濕陷性的因素.劉弋博等[2]利用自制的實驗裝置，研究了非飽和曾氏條件下黃土濕陷性特征，研究結(jié)果表明：在低增濕目標(biāo)含水率條件下，增濕時間越短土柱的濕陷系數(shù)就越大，而在高增濕目標(biāo)含水率條件下時間越長濕陷系數(shù)才會增大.李世龍[3]以工程實例為基礎(chǔ)研究了黃土路基的滲流效應(yīng)，分析認(rèn)為：保持黃土的入滲距離不變時，入滲時間隨著黃土干密度的增加而增加，而且黃土內(nèi)水流沿豎向滲流較快，一定程度后會向四周蔓延.張曉等[4]利用建筑再生骨料對濕陷性黃土進(jìn)行改良，并將改良后的黃土進(jìn)行直接剪切試驗，研究結(jié)果表明：改良黃土的最佳含水率與建筑再生骨料呈負(fù)相關(guān)，建筑再生骨料的含水率在40%時為宜.張瑜等[5]通過數(shù)學(xué)分析研究蘭州地區(qū)濕陷性黃土的物理指標(biāo)與黃土濕陷系數(shù)的聯(lián)系，并建立了各個因素的回歸關(guān)系模型與工程現(xiàn)場數(shù)據(jù)比較來驗證其準(zhǔn)確性.濕陷性黃土也會引起隧道的襯砌開裂等病害，基于此張玉偉等[6]以實際工程為依托建立黃土地基浸水模型并監(jiān)測其受力變形特性，進(jìn)一步研究了三軸攪拌樁的參數(shù)變化對地基病害的防治效果.崔靖俞[7]等通過室內(nèi)試驗以配合比為變化因素研究了粉煤灰與水泥符合注漿材料對濕陷性黃土地基的加固效果,研究結(jié)果表明：經(jīng)過該復(fù)合材料加固后的黃土地基的結(jié)石率與抗壓強度明顯提高，黃土地基的承載力顯著增強.

以上對于濕陷性黃土的研究主要是針對于黃土的力學(xué)性能以及結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究，較少對濕陷性黃土的溶陷變形進(jìn)行具體研究分析，本文基于室內(nèi)試驗研究了不同含水率條件下濕陷性黃土隨著荷載的增加其溶陷變形情況，以期為相關(guān)工程提供理論指導(dǎo).

2 試驗方法及方案

2.1 黃土試驗材料

本試驗中黃土土樣是在張家口地區(qū)現(xiàn)挖的土，由于直接取得的土中含有大量的大體積顆粒物，所以在試驗前將試驗土樣過2.5mm的篩.本實驗中用篩分法配合使用密度計來得到該試驗配土的顆粒級配如表1所示.

表1 黃土顆粒分析

2.2 擊實試驗方案及方法

擊實試驗主使用儀器主要包括電熱鼓風(fēng)干燥箱、數(shù)控多功能電動擊實儀以及多功能電動液壓脫模器等，其中電熱鼓風(fēng)干燥箱的型號為x101-4，電源380v，電熱功率是6kW，大小尺寸是800×800×1000mm，該設(shè)備作用主要是將試驗用土內(nèi)的水分蒸發(fā)，讓其保持干燥狀態(tài)，以滿足試驗需要.試驗過程中該設(shè)備溫度會調(diào)為105℃，并保持恒定不變；數(shù)控多功能電動擊實儀的型號SKDJ-1型，電動功率370W，錘擊次數(shù)：29次/分，工作電壓220V，50Hz；多功能電動液壓脫模器的型號為LD178，工作電壓AC380V，脫模高度250mm，上升速度0-100mm.該設(shè)備作用主要是應(yīng)用在試件的制作過程中，用來壓制模具和脫去模具，完成試件的成型工作.

土工擊實試驗即模擬現(xiàn)場夯實原理，通過室內(nèi)試驗確定所需的最優(yōu)含水率和最大干密度.試驗步驟如下：首先通過烘干、加水拌和配得的理論含水率分別保持為6%、8%、10%、12%、14%的素土悶料12h，12h以后，分五次加入擊實桶中，每次加入擊實筒中的土的質(zhì)量保持相同，每層擊實27次，然后進(jìn)行下一次填料，擊實，直至擊實五次結(jié)束，用刮土刀將擊實筒表面多余的土體移除，直至土體表面與擊實筒上表面平行，擊實完成后稱其質(zhì)量并用脫模器將試件脫出，取試塊土芯測得實際含水率.

2.3 溶陷試驗方案及方法

溶陷試驗主要采用單杠桿固結(jié)儀如圖1～圖2所示，通過在吊桿加壓從而達(dá)到對黃土表面的壓強作用.如表2所示，溶陷試驗采用單一變量法，其中工況1為對照組，工況2～工況5為實驗組.試驗利用單杠桿固結(jié)儀進(jìn)行，待試驗裝置及土樣安裝完畢后施加荷載，依次為50kPa、100kPa以及200kPa，在每次施加荷載之后每隔兩小時讀數(shù)一次直至數(shù)據(jù)穩(wěn)定后在施加下一級荷載.當(dāng)施加200kPa的荷載沉降量穩(wěn)定時將試驗土樣浸水，待沉降量穩(wěn)定后施加繼續(xù)施加下一級荷載.

圖1 單杠桿固結(jié)儀 圖2 融陷試驗儀器

表2 不同荷載下黃土試驗工況表

3 試驗結(jié)果分析

3.1 濕陷性黃土擊實特性

圖3為黃土的擊實試驗的結(jié)果，其中橫坐標(biāo)表示濕陷性黃土的實際含水率，縱坐標(biāo)為相應(yīng)實際含水率土樣的干密度.由圖3可以看出，隨著含水率的增加，濕陷性黃土的干密度先增大后減小，存在一個峰值，這個峰值就是濕陷性黃土的最大干密度，對應(yīng)的含水率為最優(yōu)含水率.由圖3可知，濕陷性黃土的最大干密度為1.891g/cm3，對應(yīng)的最佳含水率為11.73%.

圖3 黃土的擊實特性曲線圖 圖4 濕陷性黃土溶陷變形分析圖

3.2 濕陷性黃土融陷試驗結(jié)果與分析

由圖4可以看出，當(dāng)施加的荷載相同時，試驗土樣的沉降量與其含水率呈正相關(guān).當(dāng)五組土樣加在至50kPa時，試驗土樣的沉降量產(chǎn)生顯著變化，繼續(xù)加載至100kPa、200kPa時土樣的沉降量繼續(xù)增大但增長速率趨于平緩.待土樣加載至200kPa沉降量穩(wěn)定后，加水至浸沒試樣，曲線中的沉降量表現(xiàn)為一個明顯抬升狀態(tài)，分析原因為試驗土樣浸水后土體與水分在壓力下充分結(jié)合至密實狀態(tài)，故沉降量顯著增大.繼續(xù)加載至300kPa時，土樣的沉降量表現(xiàn)為繼續(xù)增大的狀態(tài)但增長速率明顯降低.

4 結(jié) 論

本文通過室內(nèi)杠桿固結(jié)試驗研究了不同含水率條件下濕陷性黃土隨著荷載的增加其溶陷變形情況，可以得出以下結(jié)論.

(1)相同加載條件下濕陷性黃土隨著含水率增加，沉降量隨之增大.

(2)當(dāng)濕陷性黃土的含水率一定時，黃土的沉降量隨荷載的增大而增大，試驗土樣在浸水后其沉降量顯著增大.

(3)當(dāng)上覆荷載加載至最大并且穩(wěn)定后，濕陷性黃土的沉降量也隨之穩(wěn)定.