黄土湿陷系数与浸水对其力学性质的影响之间的关系初探

郅军超

（山西水利水电勘测设计研究院，山西太原030024）

黄土是第四纪时期形成的一种特殊堆积物。在我国，第四系黄土主要分布在甘肃的陇东、陇西，陕西的关中、陕北，山西的晋西、晋北，河南地区，河北北部、西部，山东西部和宁夏—陕西区、河西走廊、内蒙中部—辽西、新疆—青海边缘等地区。由于地质条件和岩土特征的不同，黄土的结构性和物理力学性质也具有比较明显的地域性规律[1]。本文主要通过分析万家寨引黄工程北干线工程区湿陷性黄土的物理力学指标和湿陷性系数，初步探讨其相关性。

湿陷系数是黄土湿陷变形特征的重要指标之一，大量的试验结果和黄土的湿陷变形特征表明，土工参数间常常包含一定的相关性。但由于黄土的组成复杂，种类繁多，试验结果的离散性很大，再者，在土工试验过程中难以消除试验误差，试图从土的工程性质方面对土的力学性质的变化和浸水湿陷系数之间做严格的理论分析较困难，只能借助试验数据，探求分析两者之间的相互关系，归纳其数理关系。对评估湿陷性黄土对工程建设的危害性会有新的认识，尤其是对可能出现湿陷的水利工程场地及建筑物地基的处理有较好的参考价值。

1 黄土物理力学性质

原状湿陷性黄土具有较强的初始特性，属于典型的非饱和土，低干密度、低含水率、高孔隙率、强度高，同时具有较强的抗剪强度，但受水浸湿后，尤其达到饱和状态时，极具湿陷性，强度和抗剪性能锐减[2]。本文分析工程区黄土位于山西晋北地区，该区域黄土为淡黄色，疏松多孔，无层理，颗粒均匀。由试验成果知其含水率为3.1%～18.5%；天然密度为1.33～1.57 g/cm3；干密度为 1.25～1.56 g/cm3；孔隙比为 0.725～1.152；塑性指数7.9～12.3，岩性定名为低液限粉土；天然状态压缩系数（av1-2）为 0.04～1.53 MPa-1，压缩模量（Es1-2）为 1.41～50.85 MPa，多具低～中等压缩性，部分土层具高压缩性；饱和状态下压缩系数（av1-2）为 0.1～1.17 MPa-1，压缩模量（Es1-2）为1.61～17.02 MPa，具中等～高压缩性。饱和快剪凝聚力（c）2.5～40.7 kPa，内摩擦角（φ）14.3°～27.2°；渗透系数 0.143×10-4～4.01×10-4cm/s，具弱透水性。

2 试验指标的选取

黄土的湿陷量与其所受压力大小有关。所以《湿陷性黄土地区建筑规范》（GBJ25-90）规定：黄土的湿陷性，按室内压缩试验在一定压力值P（试验中P值取200 kPa）下测定的湿陷系数δs判定。

土的抗剪强度是土体中某一受剪面上抵抗破坏时的最大剪应力。本文分析根据库仑定律，土的抗剪强度可表达为：τf＝C＋σtgφ（试验中 σ 值取 200 kPa）为了更好地反映土样的实际情况，选择三轴压缩试验来研究剪切的力学指标。

3 湿陷性黄土的浸水试验结果

3.1 试验方法

土样为引黄工程北干线耿庄水库工程区竖井原状土样，岩性为第四系上更新统洪积低液限粉土。首先，测得土样在200 kPa压力下的湿陷系数δs；然后在天然状态下和浸水后，分别测得土样不固结不排水剪切（UU）试验中凝聚力和内摩擦角的变化。

3.2 试验结果

利用土的抗剪强度表达式，计算得到天然状态下土的抗剪强度τUU和浸水后土的抗剪强度τUU饱，湿陷性黄土的浸水试验结果见表1。

表1 湿陷性黄土的浸水试验结果表

取其浸水后土样的抗剪强度变化值为Δτ（即Δτ＝τUU－τUU饱），对各竖井土样试验结果进行整理，得到湿陷系数与抗剪强度变化的关系表见表2。

表2 湿陷系数与抗剪强度变化的关系表

以湿陷系数δs为横座标，以抗剪强度变化Δτ为纵座标，作图并采用简单线性回归法进行线性拟合得到关系曲线，为了转化为线性回归，线性方程参数a、b采用试算求解，逐步寻求相关性最好、系数最合理的一组，见图1。

图1 抗剪强度随湿陷系数的变化关系

根据图1，得到抗剪强度随湿陷系数的变化关系的经验公式：

3.3 经验公式计算值与实测值的比较

利用先前得到的经验公式，计算得到浸水前后抗剪强度的变化，从表3中可以看到，表3统计了10个点处的浸水后计算Δτ的变化值，与实测值相比，计算得到的值与试验实测值的最大误差约12%。

表3 抗前强度变化计算值与实测值的对比结果表

3.4 经验公式的实践意义

从表1及表2可以看出，天然状态下，湿陷性黄土的抗剪强度为92.68～156.30 kPa，平均值为117.91 kPa；浸水后，其抗剪强度为16.38～75.54 kPa，平均值为38.39 kPa。浸水使湿陷性黄土抗剪强度变化54.9～109.7 kPa，其抗剪强度有较大的变化，严重影响土体的稳定性。

利用经验公式，可估算出浸水后土体抗剪强度的变化，初步掌握其抗剪强度变化，充分考虑工程建筑物的安全性，可有效地避免由浸水引起土体稳定性降低而造成的事故。

4 结论

（1）浸水会改变湿陷性黄土的力学性质，而其机理与湿陷性机理的相似性，使研究它们之关的联系成为了可能。

（2）通过实验，我们得到抗剪强度随湿陷系数的变化关系的经验公式，计算结果与实测结果较为近似。但该试验数据仅是一工程区域内收到所取土样的试验分析结果，公式的应用还有一定的局限性。

（3）浸水后，湿陷性黄土的力学性质会发生较大的变化，研究这种变化，对于在力学指标不足的情况下重新评估湿陷性黄土对工程建设的危害，尤其是水利工程将有着一定意义，同时可为工程设计提供一定参考。

［1］胡燕妮，米海珍.兰州大厚度黄土湿陷系数的影响因素［J］.兰州理工大学学报，2009，35（1）.

［2］朱元青，陈正汉.原状Q3黄土在加载和湿陷过程中细观结构动态演化的CT-三轴试验研究［J］.岩土工程学报，2009，31（8）.