太原黄土的静力变形特性试验研究

阎凤翔

黄土为第四纪沉积物，一般有肉眼可见的大孔隙，广泛分布于我国的中西部地区。黄土的静力变形可分为两种:一种是由于力的作用产生变形，即压缩变形;另一种是水的作用产生变形，即湿陷变形[1]。黄土的湿陷变形量大，发展迅速又不均匀，往往使建筑物发生严重变形甚至破坏。大量的研究证明，水对黄土静力变形特性的影响非常明显。本次试验通过研究不同含水量条件下黄土的静力变形特性，为解决黄土地基的变形问题提供理论依据。

1 试验方案

试样取自太原，属第四纪晚更新世(Q3)黄土。取土深度6.0 m左右，呈黄褐色，土质均匀，结构松散，用肉眼可以看到垂直柱状大孔隙，各种物理力学指标见表1。采用文献[2]建议的“水膜转移法”和“自然风干法”配置了六种含水量的试样，含水量分别为 5%，10%，15%，20%，25%，30%。采用双线法测定黄土的湿陷变形，黄土压缩试验参照GB/T 50123-1999土工试验标准[3]规定的方法进行。

表1 太原黄土的物理力学指标

2 试验成果与分析

2.1 黄土的湿陷变形

2.1.1 δs—p曲线随含水量变化规律

考察图1曲线族，可以看出δs—p曲线随含水量变化的三个规律:

1)随着含水量的增大，δs—p曲线的峰值明显降低，表现出湿陷变形最大值随含水量增加而减小的趋势。

2)随着含水量的增大，δs—p曲线峰值所对应的压力值p有左移的趋势，它表明，对于同一结构的土，含水量越高，达到湿陷最大值所需的压力值越小。

3)在整个曲线族中，试样的 δs—p曲线位置随含水量增大而依次降低，含水量的大小决定了它在曲线族中的位置。对于同一级压力，含水量越大，δs越小，这种逐渐变化的过程可以认为是连续的。

2.1.2 δs—w曲线随压力变化的规律

观察图2曲线族可以发现δs—w曲线随压力变化的两个规律:1)δs—w曲线的变化趋势大致为一条斜率小于零的直线，如图2所示。也就是说在同一压力下湿陷系数δs随含水量的增加而减小，而且在塑限含水量以前减小的趋势(减小了70%以上)要比塑限含水量以后(30%以下)大。2)δs—w曲线的位置随压力的增大而依次递升，在压力为200 kPa以前距离较大，以后距离较小;δs—w曲线形态随压力的减小而越见平滑。

黄土的湿陷现象是由于水和力的共同作用使黄土的微结构丧失稳定造成的。黄土在受水浸湿后，构成黄土结构强度的骨架间的连接(点接触和面胶结)必然会受到削弱，但还没有完全丧失，小压力不足以破坏架空孔隙结构，所以δs刚开始变化很小;当压力超过一定界值时，原有的微结构在水和力的共同作用下破坏，δs开始迅速发展;随着压力的继续增加，压缩变形继续增大，而黄土微结构变化中对湿陷有利和不利的因素达到某种均衡状态，δs开始下降;但由于多孔隙的原结构已被水和力共同破坏，δs最后仍维持一个较大的数值。

原状黄土的起始含水量越高，其吸水势越小，受水浸湿对其结构的影响也越小。表现为随着含水量的增大，δs—p曲线的峰值明显降低，在曲线族的位置下降。

湿陷是水和力的共同作用，黄土受水浸湿后仍残留有一定的强度，只有当力的作用破坏了原有的结构后，湿陷才会发生。如图2所示，当压力为50 kPa曲线接近一条水平线，证明压力很小时，试件几乎没有发生湿陷变形。

2.1.3 湿陷起始压力

湿陷起始压力是指黄土在受水浸湿后开始产生湿陷时的相应压力，从实质上说，应相当于土受水浸湿后的残余结构强度。浸水后，当外界压力在土颗粒间引起剪应力小于土的残余结构强度时，土中只发生压密变形，而没有湿陷变形。工程实践中一般取δs=0.015所对应的压力作为湿陷起始压力值。

从图3中可以看出太原黄土的湿陷起始压力随含水量的增大而增大，Psh—w曲线逼近于线性函数。这一试验结果说明黄土的起始含水量越大，受水浸湿后的残留强度也大。这可能是因为高含水量的黄土原先受到水的影响后，重新调整形成新的微观结构，对水的侵入不太敏感。低含水量的黄土对水的作用敏感的多，水浸湿后原有强度大大降低，结构迅速被破坏。

2.2 黄土的压缩变形

1)压缩曲线随含水量变化的规律。随含水量的增大，压缩曲线的位置依次升高，曲线的直线段斜率增大。在同一级压力下压缩变形随含水量的增大而增大，与湿陷正好相反。2)压缩变形和压力的关系。压缩变形和压力的关系可近似认为是直线关系，其倾斜方向与δs—w相反，随压力的增大，曲线位置依次升高，斜率逐渐变大。对于同一含水量压力越大变形越大。

不同于湿陷变形，压缩变形主要是由于力对土体的作用。用结构学说解释[5]:外荷传递到连接点的应力一般可以分解成切向力(T)和法向力(P)。当 T/P的值大于粒间摩擦系数(μ)，则颗粒间就产生相对移动。但加荷后连接点的滑移并不是同时发生的，外荷每增加一级就有一些连接点发生移动，但在整个结构体系没有失去稳定之前，这些连接点的破坏和移动只产生少量变形。这是因为移动的颗粒到达新的位置和其他颗粒重新接触，从而增加了颗粒的配位数，使得连接点上的 T/P＜μ，所以变形逐渐停止，强度也有所发展。继续加荷到变形明显增大，此时黄土结构中的架空孔隙部分被破坏，构成架空孔隙的颗粒填充到架空孔隙的空腔中。如果进一步加荷将使所有架空孔隙都破坏，导致黄土结构的彻底重建(原孔隙结构失稳破坏后又形成较稳定的结构)。此时，即使应力增加的幅度较大，发生失稳破坏的孔隙体积却越来越小，反映在变形曲线上就是应变随应力增长变缓的第三阶段。

同一含水量下，压力越大，移动颗粒数越多，压缩变形越大。

同一级压力下，含水量越大，颗粒间的摩擦系数μ越小，压缩变形越大。

3 结语

从上文的论述中可以看出，含水量不同则黄土的静力变形性质会有很大的不同;随着含水量的增加，湿陷变形量减小而压缩变形量增加。含水量是众多物理指标中比孔隙比、密度更为重要的一个参数。因此，对黄土力学特性的研究应该重视水(起始含水量、浸湿含水量)的作用，以及水与力作用的不同组合路径。在消除湿陷性的地基处理过程中应注意含水量的控制，适当增加含水量，会减小湿陷变形同时土体更容易被压密。

[1] 曾国红.含水量增加时湿陷性黄土变形特性研究[D].太原:太原工业大学硕士论文，1993.

[2] 骆亚生.中国典型黄土动力特性及其参数的试验分析[D].西安:西安理工大学硕士学位论文，2000.

[3] GB/T 50123-1999，土工试验方法标准[S].

[4] 沈妤蔚，周金龙.静动法(STATNTAMIC)桩基检测的分析方法[J].山西建筑，2009，35(4):129-130.

[5] 高国瑞.我国黄土湿陷性质的形成研究[J].南京建筑工程学院学报，1994(2):1-8.