人工制备湿陷性黄土湿陷影响因素分析

荣　　露，王　　旭，张延杰，梁庆国（.兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州　730070；2.甘肃省道路桥梁与地下工程重点试验室，甘肃 兰州　730070）

人工制备湿陷性黄土湿陷影响因素分析

荣露1，2，王旭1，张延杰1，梁庆国1
（1.兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州730070；2.甘肃省道路桥梁与地下工程重点试验室，甘肃 兰州730070）

通过人工制备出强湿陷性黄土，对其湿陷性主要影响因素展开分析。试验分析了外荷载、润湿含水率对湿陷系数的影响。研究结果表明:在相同的润湿含水率条件下，随着压力的增加，相似材料的湿陷性逐渐变弱；在相同荷载条件下，湿陷系数随着含水率的增大而减小；当荷载和含水率均发生变化时，人工制备黄土的湿陷变形更加明显。研究成果可用于划分湿陷性黄土的湿陷类型，以及评价黄土的湿陷性和湿陷变形。

湿陷性黄土；人工制备；影响因素；试验研究

黄土是在干旱、半干旱气候条件下形成且在中国分布较广的区域性特殊土，分布面积约64万km2。黄土由于生成的年代、成因、环境、地域以及生成后历史变迁上的差异而具有不同的性质。黄土的湿陷性是其重要的工程特性，其中湿陷性黄土分布面积约占黄土的60%［1-2］。湿陷性黄土在一定压力下受水浸湿后结构迅速破坏而发生显著附加下沉湿陷。

黄土发生湿陷的原因很复杂，其湿陷过程是一个物理化学过程。刘祖典［3］认为湿陷系数是评价黄土地基湿陷性的主要指标，是湿陷性黄土地基分级、预测湿陷量的依据。邵生俊等［4-6］认为黄土的湿陷性与其特殊的介质结构组成有密切联系，如微裂隙结构、大孔隙、颗粒组成、矿物成分等，这种特殊的结构易受浸水与加载作用而发生破坏，进而出现强度弱化、承载力降低等现象，并且认为各个因素之间并非完全独立，而是存在一定的相关性。骆亚生等［7］对黄土在不同湿度状态下的湿陷特性进行了研究，并对含水率、干密度、压力对黄土湿陷性的影响规律以及它们在不同黄土中的表现进行了探讨。叶为民等［8］对初始含水量对湿陷性的影响效果进行了分析探讨，以期能对现场条件下季节性含水量变化对黄土湿陷性的影响进行预测判断。郑建国等［9-10］研究了湿陷性黄土在增湿时强度的变化特性，提出了强度曲面的概念，且通过黄土现场试坑浸水试验揭示了黄土中湿陷土分布不连续对湿陷变形产生的抑制作用是导致湿陷量计算值与实测值差异的重要原因之一。陈开圣等［11］以关中地区黄土为研究对象，对其物质组成及其湿陷性的影响因素应用模糊数学综合评判理论，提出了湿陷性黄土湿陷等级的二级模糊综合评判方法。姚志华等［12-13］在总结大量大型浸水现场试验成果的基础上，对湿陷性评价方法和剩余湿陷量合理控制等问题提出了新认识。

本文通过对人工制备湿陷性黄土的性质进行分析，分析相同外荷载下润湿含水率对湿陷系数的影响，相同含水率下不同外荷载对湿陷系数的影响，以及润湿含水率和外荷载共同作用对湿陷系数的影响，对其湿陷性影响因素展开研究。

1　人工湿陷性黄土物理力学参数分析

1.1人工湿陷性黄土的制备

选取石英粉、砂、膨润土、石膏、工业盐为基本材料，将其烘干后按比例称取然后混合均匀，采用空中自由下落法制备了4组人工湿陷性黄土试样［14］，见表1。

表1　人工制备湿陷性黄土配合比　%

1.2物理力学参数测定

对4组人工制备湿陷性黄土的密度、土粒相对密度、含水率、孔隙比、液塑限等物理参数和黏聚力、内摩擦角、压缩系数等力学参数进行测定。含水率与干密度关系曲线见图1，抗剪强度与压力关系曲线见图2，孔隙比与荷载关系曲线见图3。黄土主要物理力学性能参数见表2。

图1　含水率与干密度关系曲线

图2　抗剪强度与压力关系曲线

图3　孔隙比与荷载关系曲线

1.3黄土相似性分析

通过试验得到上述湿陷性黄土相似材料的主要物理力学参数，并与天然黄土相应参数［15］进行对比。土颗粒相对密度在2.63～2.66，与天然黄土相近。液限在26.3% ～27.7%，塑限在15.1% ～16.7%，塑性指数在10.1～12.6，属中液限黏质土。最大干密度在1.73～1.76 g/cm3，最优含水率在15.5% ～16.4%，与黄土十分接近。黏聚力在42.67～64.24 kPa，内摩擦角在23.51°～28.15°，压缩系数在 0.40～0.45 MPa-1，属中等压缩性土，与黄土很相近。

分析得出4组人工制备强湿陷性黄土与天然黄土物理力学参数满足相似条件，可以用黄土相似材料代替黄土进行模型试验。

表2　人工制备湿陷性黄土物理力学参数

2　人工湿陷性黄土湿陷系数影响因素分析

对人工制备湿陷性黄土进行湿陷试验时，影响湿陷系数的外部因素主要是上部荷载和含水率，因此选取4组人工制备湿陷性黄土中性质最接近天然黄土的S-1组，对湿陷系数影响因素展开分析。

2.1荷载对湿陷系数的影响

采用空中自由下落法制备5个环刀试样，使用喷雾法对试样润湿，即在制样时，在制备材料刚刚落满环刀时，使用喷雾器在试样上喷洒一层水雾。根据不同的含水率，在试验前计算出所需要喷洒水的质量，以保证水的质量准确。由于水的作用会使试样的高度下降，这时可以均匀地筛一层烘干的相似材料在试样上方，以保证试样的最终高度与环刀相同。使用喷雾法得到的润湿试样见图4。人工制备湿陷性黄土在不同的润湿含水率条件下，湿陷系数随荷载的变化曲线见图5。

分析图5可以得出，当荷载＜30 kPa时，不同含水率的相似材料所对应的荷载与湿陷系数关系曲线基本重合。当人工制备湿陷性黄土处于干燥状态下，湿陷系数随着荷载的增加而增大，且在荷载＜50 kPa时湿陷系数急剧陡增。当人工制备湿陷性黄土被润湿后，湿陷系数整体随着润湿含水率的增大而减小。在同一含水率条件下，湿陷系数随着荷载的增加先增大后减小。峰值湿陷系数所对应的荷载是峰值湿陷荷载，在峰值湿陷荷载出现之前，湿陷系数随着荷载的增加而显著增大；在峰值湿陷荷载出现以后，湿陷系数随着荷载的增加而缓慢减小；且峰值荷载随着含水率的增大而逐渐减少。将湿陷系数的差值定义为湿陷差（Δδs），在相同润湿含水率条件下，随着荷载的增加Δδs逐渐减小。这说明在一定的含水率条件下，随着垂直压力的持续增加，相似材料的湿陷性逐渐变弱，即湿陷敏感度降低。

图4　润湿后的试样

图5　不同润湿含水率下荷载与湿陷系数关系曲线

2.2含水率对湿陷系数的影响

对于人工制备湿陷性黄土，影响其湿陷系数的主要外部因素除了荷载还有含水率。对S-1组人工制备湿陷性黄土施加不同垂直压力，得到润湿含水率与湿陷系数关系曲线，见图6。

图6　不同压力下含水率与湿陷系数关系曲线

分析图6可以得出，在不同的外荷载条件下人工制备湿陷性黄土湿陷系数均随含水率增大而逐渐减小，且荷载越大关系曲线越相似。在润湿含水率较小（ω＜2%）时，人工制备湿陷性黄土的浸水荷载越大，对应的湿陷系数也越大；在润湿含水率较大（ω＞21%）时，人工制备湿陷性黄土浸水荷载越小，对应的湿陷系数越大。当润湿含水率继续增大时，不同荷载作用下的湿陷系数趋于同一值。当荷载＜100 kPa时，随着含水率的增大，湿陷系数的减小速率是先快再慢后快；而当荷载＞100 kPa时，随着含水率的增大，湿陷系数的减小速率是先慢再快后慢。

2.3湿陷变形曲面分析

黄土相似材料湿陷系数（δs）的变化是不同荷载（σ）和不同含水率（ω）共同影响的结果，且含水率的变化对湿陷系数影响更大。通过荷载与润湿含水率的多种组合，可以得到不同的荷载润湿路径。荷载润湿路径集合可形成ω-σ-δs曲面，由此分析含水率与荷载共同变化对黄土相似材料湿陷系数的影响。湿陷系数变化曲面可以反映出黄土相似材料在荷载与含水率共同影响下，相似材料的加荷变形和润湿变形发展过程。当含水率为0时，荷载的变化对湿陷系数影响很小；当含水率为0～7.61%时，含水率变化对湿陷系数的影响要比荷载变化对湿陷系数的影响更显著；当含水率为7.61% ～18.73%时，荷载变化对湿陷系数的影响要比含水率变化对湿陷系数的影响更明显；当含水率＞18.73%时，湿陷系数对荷载变化和含水率变化逐渐不敏感。

3　结论

1）采用空中自由下落法制备的湿陷性黄土相似材料具有和天然黄土相似的湿陷性。相似材料湿陷系数的变化是外荷载和润湿含水率共同影响的结果，且含水率的变化对湿陷系数的影响更大。当荷载和含水率均发生变化时，人工黄土的湿陷变形更加明显。

2）当人工制备湿陷性黄土处于干燥状态时，湿陷系数对荷载的变化不敏感。在含水率大小相同的条件下，湿陷系数随着荷载的增加先增大后减小，即会出现峰值湿陷系数。在一定的含水率条件下，随着垂直压力的持续增加，相似材料的湿陷敏感度会降低。

3）在相同荷载条件下，湿陷系数随着含水率的增大而减小。润湿含水率较小（ω＜2%）时，浸水荷载越大对应的湿陷系数越大；润湿含水率较大（ω＞21%）时，浸水荷载越大对应的湿陷系数越小。

［1］谢定义.试论我国黄土力学研究中的若干新趋向［J］.岩土工程学报，2001，23（1）：3-13.

［2］刘祖典.黄土力学与工程［M］.西安：陕西科学技术出版社，1997.

［3］刘祖典.影响黄土湿陷系数因素的分析［J］.工程勘察，1994（5）：6-11.

［4］邵生俊，李彦兴，周飞飞.湿陷性黄土结构损伤演化特性［J］.岩石力学与工程学报，2004，23（24）：4161-4165.

［5］邵生俊，龙吉勇，杨生，等.湿陷性黄土结构性变形特性分析［J］.岩土力学，2006，27（10）：1668-1672.

［6］邵生俊，杨春鸣，马秀婷，等.黄土的独立物性指标及其与湿陷性参数的相关性分析［J］.岩土力学，2013，34（增2）：27-34.

［7］骆亚生，谢定义，邢义川.原状黄土的地区湿陷特性及其潜在湿陷率［J］.西北农林科技大学学报（自然科学版），2002，30（5）：90-95.

［8］叶为民，崔玉军，黄雨，等.黄土的湿陷性及其评价准则［J］.岩石力学与工程学报，2006，25（3）：551-556.

［9］郑建国，张苏民.湿陷性黄土在增湿时的强度特性［J］.水文地质工程地质，1989（2）：6-10.

［10］郑建国，邓国华，刘争宏，等.黄土湿陷性分布不连续对湿陷变形的影响研究［J］.岩土工程学报，2015，37（1）：165-170.

［11］陈开圣，彭小平.关中地区黄土的湿陷特性研究［J］.水文地质工程地质，2005，32（1）：37-40.

［12］姚志华，黄雪峰，陈正汉，等.兰州地区大厚度自重湿陷性黄土场地浸水试验综合观测研究［J］.岩土工程学报，2012，34（1）：65-74.

［13］姚志华，黄雪峰，陈正汉，等.关于黄土湿陷性评价和剩余湿陷量的新认识［J］.岩土力学，2014，35（4）：998-1006.

［14］张延杰，王旭，梁庆国，等.湿陷性黄土模型试验相似材料的研制［J］.岩石力学与工程学报，2013，32（增2）：4019-4024.

［15］工程地质手册编委会.工程地质手册［M］.4版.北京：中国建筑工业出版社，2007.

（责任审编赵其文）

Analysis of Influential Factors Related to Collapsibility of Artificially Prepared Collapsible Loess

RONG Lu1，2，WANG Xu1，ZHANG Yanjie1，LIANG Qingguo1
（1.School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu 730070，China；2.Key Laboratory of Road&Bridge and Underground Engineering of Gansu Province，Lanzhou Gansu 730070，China）

T hrough the artificiallypreparation of strong collapsible loess，the maininfluential factors of its collapsibility were analyzed.T he effects of external load and moisture content on the collapsibility coefficient were tested.T he results show that with the same moisture content，the collapsibility of similar specimens is weakened with the increase of loading，while with the same loading，the increase of moisture content brings down the collapsibility coefficient.If the twofactors varysimultaneously，the collapsible deformationinducedbecomes increasingly noticeable，which can be applied to the classification of collapsible loess and to the analysis of collapsibility and collapsible deformation.

Collapsible loess；Artificially preparation；Influential factors；Experimental study

荣露（1991— ），男，硕士研究生。

TU444

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.07.21

1003-1995（2016）07-0084-04

2016-01-11；

2016-04-01

国家自然科学基金（41262010）；长江学者和创新团队发展计划（IRT1139）