三门峡黄土湿陷特性及其与结构强度的关系

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(1.同济大学 岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092；2.国网河南省电力公司经济技术研究院，郑州 450052)

1 研究背景

非饱和黄土常具有明显的湿陷性，是干旱、半干旱地区工程建设中经常遇到的问题土。河南三门峡地区广泛分布湿陷性黄土，在该地区修建大型输电线路杆塔，黄土湿陷性会对塔基产生不良影响。塔基湿陷性黄土遇水发生崩解、湿陷，将导致输电线杆塔出现不同程度的倾斜、变形、构件破坏甚至倒塔事故，严重影响输电线路的安全运行。为了对三门峡地区湿陷性黄土塔基提出安全、经济且合理的建设方案，亟待对其黄土发生湿陷的规律和机理开展研究。

黄土在世界范围内的分布十分广泛，包括我国、法国、俄罗斯、泰国等国家，以及北美和欧洲等地区。国内外学者针对世界各地的黄土湿陷变形特性开展了大量的研究工作[1-5]，包括黄土的湿陷机理、影响因素和湿陷特性等。关于黄土湿陷变形的原因与机理，有黏聚力降低或消失假说、纯黏性胶结物破坏假说、黏土粒膨胀假说、土颗粒间的抗剪强度突然降低假说等。湿陷机理均说明黄土湿陷是力与水共同作用的结果，超过结构强度的压力使黄土结构破坏，是产生湿陷变形的主导因素，而水使黄土结构软化，是产生湿陷变形的必要条件[6-8]。

高压力时湿陷性强，低压力时湿陷性弱[9]。但压力与湿陷性之间并非只是简单的单调增函数关系。当压力足够大时，湿陷系数将降低，甚至<0.015以至趋近于0。张茂花[6]从压缩变形和湿陷变形的角度解释这种情形：黄土的变形主要由压缩变形和湿陷变形组成。过大的压力会使土压密，使得压缩变形将占总变形量相当大的一部分，于是土的湿陷变形相对减弱甚至完全消失。

随着初始含水率减小，黄土湿陷性呈增强趋势[3-4]。即在同一压力下初始含水率越低，相应的湿陷系数越大；而初始含水率越接近饱和含水率，相应的湿陷系数也越低。骆亚生等[7]从黄土的结构性方面解释了这种情形：在含水率低时，黄土若能维持其结构强度，则压缩变形有限，存在很大的潜在压缩空间，一旦浸水，湿陷变形很大。在含水率较高时，结构强度迅速降低，承受压力时黄土压缩变形量已经很大，而浸水时湿陷变形量相应要小得多，因此其湿陷系数也迅速降低。

这些研究成果主要基于试验现象的定性描述，定量研究相对较少。本文拟从竖向压力和初始含水率的角度，定量分析两者对黄土湿陷性的影响规律。另外，国内外研究通过单线法和双线法，描述了黄土的湿陷特性，但是对湿陷特性随含水率变化解释不明确、不充分。本文尝试从“结构强度”方面解释黄土的湿陷系数随含水率的变化。

2 试验黄土及其基本物理特性

本文试验采用取自河南三门峡地区的原状黄土。该黄土呈浅黄色，接触呈粉性，表观多孔，含水率较低。

2.1 基本物理特性参数

试验黄土的基本物理特性参数如表1所示，塑性指数较小，天然干密度较低，孔隙比较大。

表1 试验黄土基本物理特性参数Table 1 Basic physical properties of soil sample

图1为三门峡原状黄土的颗粒粒径分布曲线，其中砂粒(>75 μm)含量为2%，黏粒(<5 μm)为5%，粉粒(5～75 μm)为93%；其不均匀系数Cu为2.3，曲率系数Cc为0.6，表明该黄土为级配不良的均匀土。因该黄土粒组主要为粉粒，且塑性指数为8.5，可判定为粉土[10]。

图1三门峡黄土的粒径分布曲线
Fig.1CurveofgrainsizedistributionofSanmenxialoess

2.2 矿物成分

通过X射线衍射(XRD)试验测定三门峡黄土的矿物成分组成(表2、表3)。矿物成分的定性定量分析结果显示，该黄土主要是由石英和斜长石组成，在21%的黏土成分中主要含有伊蒙(伊利石-蒙脱石)混层及少量的伊利石和高岭石。

表2 三门峡黄土矿物成分(全岩部分)Table 2 Mineral composition of Sanmenxia loess(rock part) %

表3 三门峡黄土矿物成分(黏土部分)Table 3 Mineral composition of Sanmenxia loess(clay part) %

2.3 土-水特征曲线

土-水特征曲线是非饱和土吸力和含水率之间的关系曲线。当含水率随吸力变化时，它是对土壤持水能力的一种度量[11]。采用气相法和渗析法控制吸力，测得三门峡黄土的土-水特征曲线(图2)。由图2可见，进气值约为20 kPa，残余饱和度约为23.3%，对应的残余含水率约为9%，残余含水率对应的吸力值为150 kPa。

图2三门峡黄土的土-水特征曲线
Fig.2SoilandwatercharacteristiccurveofSanmenxialoess

3 黄土湿陷性试验

黄土湿陷性试验常采用单线法和双线法。本文针对不同初始含水率的试样，采用这2种方法开展三门峡黄土的湿陷性试验。

湿陷性黄土地区建筑规范(GB 50025—2004)[12]指出，测定湿陷系数的试验压力，对于基底下10 m以内的土层应用200 kPa。在三门峡湿陷性黄土地区修建输电线路塔基，主要是针对基底下10 m以内具有湿陷性的黄土土层进行地基处理，比如强夯法、挤密法或者预浸水法。假设上覆土重度γ=20 kN/m3，则10 m以内土层附加应力不超过200 kPa。所以，此次试验计算湿陷系数的压力p取值为200 kPa。

3.1 试样制备

为了模拟黄土在自然环境中土的含水率状态[3]，也为了方便切制原状黄土试样，试验首先将黄土块的含水率w控制在17.8%，待黄土块达到该控制含水率附近时，将其切削至试验尺寸(高20 mm，直径61.8 mm)。

初始含水率的控制，是将试样放置在实验室中风干一定时间(w0<17.8%)或通过针管均匀滴水(w0>17.8%)，在干燥皿中密封静置，使土中水分充分均匀。

初始含水率分为5种，分别为4.6%，7.9%，11.7%，17.8%，20.2%。每种初始含水率试样均制样3个，一共制15个试样。然后将15个试样分为2组：其中一组为5个试样，进行单线法试验；另一组为10个试样，进行双线法试验。

3.2 试验方法与步骤

3.2.1 单线法

先将试样装入单杠杆固结仪，再分级加载至200 kPa，同时测量土样在各级荷载下的压缩变形；待压缩变形稳定后，浸水饱和，同时测量土样湿陷变形。按上述步骤分别对5种不同初始含水率的土样进行单线法湿陷试验。

3.2.2 双线法

双线法试验时，需准备初始含水率和干密度相同的A，B两个试样。

对于A试样，先分级加载至400 kPa，再分级卸荷至50 kPa，最后再分级加载至800 kPa，待压缩变形稳定为止。由于试验周期较长，用湿度接近的毛巾裹住压力室，以维持试样初始含水率不变。

对于B试样，先加第一级荷载(12.5 kPa)，待下沉稳定后浸水饱和，至湿陷变形稳定，再同前文A试样过程一样，完成加载、卸载和再加载的过程。不同的是，整个过程使B试样一直处于浸水饱和状态。

3.3 试验结果及湿陷等级评价

图3是单线法和双线法确定的湿陷性曲线。

由图3可见，饱和试样湿陷性曲线和保持含水率不变试样的湿陷性曲线分别用空心和实心圆点连接，它们组合起来表示双线法的试验结果，按式(1)计算200 kPa压力下的湿陷系数δs,d。

(1)

式中：hp为保持含水率不变的试样A加至200 kPa压力时，下沉稳定后的高度(mm)；hp1为饱和试样B加至200 kPa压力时，下沉稳定后的高度(mm)；h0为试样原始高度(mm)，此处取20 mm。

试样逐级加压至200 kPa稳定后，浸水饱和，得到的湿陷性曲线用菱形连接，它表示单线法试验结果，按式(2)计算200 kPa压力下的湿陷系数δs,s。

(2)

式中：h1为保持初始含水率的试样加压至200 kPa时，下沉稳定后的高度(mm)；h2为上述加压稳定后的试样在浸水饱和作用下，附加下沉稳定后的高度(mm)。

通过式(1)和式(2)，计算得到三门峡黄土的湿陷系数，见表4。

图3单线法和双线法确定的试样湿陷性曲线
Fig.3Curvesofcollapsibilityofloesssamplesdeterminedbysingle-lineanddouble-linetests

4 黄土湿陷特性分析

由3.3节试验结果和湿陷系数可以看出，黄土的湿陷性受到试样竖向压力和初始含水率的影响，以下着重从这2个因素进行深入分析，并从结构强度的角度解释黄土湿陷特性。

4.1 竖向压力对湿陷特性的影响

图4为黄土不同竖向压力下的湿陷系数。由图4进一步得到黄土在不同含水率情况下的湿陷增强区间和湿陷减弱区间，见表5。

图4 不同竖向压力下的湿陷系数Fig.4 Collapsibility coefficient of loessunder different vertical pressures

由图4和表5可知，压力与湿陷系数间并非只是简单的单调增函数关系。当黄土在湿陷增强区间时，竖向压力越大，则湿陷性越大；当黄土在湿陷减弱区间时，竖向压力越大，湿陷性反而减弱。

所以在三门峡黄土地区修建大型输电线路塔基，需要关注竖向压力对湿陷性的影响。如果上覆荷载介于湿陷增强区间时，应该减轻上覆荷载，以减弱黄土湿陷性。

4.2 初始含水率对湿陷特性的影响

依据湿陷性黄土地区建筑规范(GB 50025—2004)[12]，黄土的湿陷性应按室内浸水(饱和)压缩试验在一定压力下测定的湿陷系数δs进行判定。当湿陷系数δs<1.5%时，应定为非湿陷性黄土；当湿陷系数δs≥1.5%时，应定为湿陷性黄土。

湿陷黄土的湿陷程度，可根据湿陷系数δs值的大小进行划分，见表6。进而可对三门峡黄土湿陷等级进行评价。

表6 黄土湿陷性评价准则Table 6 Criterion of evaluating the collapsibility grade of loess

表7为采用单线法和双线法得到的三门峡黄土湿陷系数和湿陷等级评价结果。

已知三门峡黄土的塑限为18.6%，当含水率为17.8%～20.2%时，即含水率在塑限附近变化时，黄土的湿陷等级出现强烈变化，从湿陷性强烈变成湿陷性轻微。

图5是使用单线法和双线法确定的不同初始含水率黄土试样的湿陷系数。由图5同样可知，三门峡黄土湿陷系数在塑限附近时，湿陷等级从强烈湿陷变为轻微湿陷。所以，塑限附近的含水率是黄土湿陷性强弱的分界点。当初始含水率小于塑限(18.6%)时，黄土湿陷性较强；当初始含水率接近或者大于塑限(18.6%)时，黄土湿陷性则迅速减弱。

图5单线法和双线法确定的不同初始含水率下的黄土湿陷系数
Fig.5Collapsibilitycoefficientofloesswithdifferentinitialwatercontentsdeterminedbysingle-lineanddouble-linetests

因三门峡黄土存在较强湿陷性，所以在该地区修建大型输电线路塔基，要格外关注现场季节和降雨变化对土体初始含水率的影响，以及对黄土湿陷性产生的影响。当雨季来临时，应定期监控黄土地基土的含水率变化情况，要做好排水导水措施，要严密监控地基沉降变化，尤其是不均匀沉降，以确保工程安全。

4.3 黄土结构强度及湿陷性的讨论

图6为含水率分别为4.6%，7.9%，11.7%，17.8%，20.2%，38.5%(饱和)试样的压缩曲线。由图6进一步得到不同含水率试样的结构强度，见表8。

图6 不同含水率试样的压缩曲线Fig.6 Curves of compression of loess sampleswith different water contents

图7 单线法确定的湿陷系数随含水率变化示意图 Fig.7 Variation of collapsibility coefficient against water content by single-line test

单线法和双线法确定的湿陷系数随初始含水率变化规律是一致的，以单线法为例，见图7。由图7可见，初始含水率与湿陷系数之间关系呈现出2个阶段，即在黄土结构强度为200 kPa(对应的含水率为10%)附近出现明显的转折点。这一点可从黄土的结构强度方面做出解释：黄土的变形主要由压缩变形和湿陷变形组成。在含水率<10%时，黄土能维持其结构强度200 kPa，其压缩变形有限，则存在很大的潜在压缩空间，一旦浸水，湿陷变形很大。在含水率>10%时，结构强度迅速降低，承受压力时压缩变形量已经很大，而浸水时湿陷变形量相对要小得多，因此其湿陷系数也迅速降低。

5 结 论

本文针对河南三门峡黄土区域修建大型输电线路杆塔时黄土湿陷性会对塔基产生不良影响的问题，通过单线法和双线法等湿陷性试验，讨论了竖向压力和初始含水率对黄土湿陷性的影响，并着重从结构强度的角度解释了黄土湿陷特性。主要得出以下结论：

(1)竖向压力与湿陷系数间并非只是简单的单调增函数关系，而存在湿陷增强区间和湿陷减弱区间。当竖向压力在湿陷增强区间时，压力越大，则湿陷性越大；当竖向压力在湿陷减弱区间时，压力越大，湿陷性反而减弱。

(2)塑限附近的含水率(18.6%)是黄土湿陷性强弱的分界点。当初始含水率小于塑限时，湿陷性较强。当初始含水率接近或大于塑限时，湿陷性减弱。

(3)初始含水率与湿陷系数之间的关系呈现出2个阶段，即在黄土结构强度为200 kPa(对应的含水率为10%)附近出现明显的转折点。在含水率>10%时，结构强度迅速降低，承受压力时压缩变形量已经很大，而浸水时湿陷变形量相对要小得多，因此其湿陷系数也迅速降低。

(编辑：罗 娟)