冀西北地区湿陷性黄土路基溶陷变形试验研究

李 雪 飞 常利雲

(1.河北建筑工程学院；河北 张家口 075000；2.河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室，河北 张家口 075000；3.北京冠山博源建筑工程检测有限公司，北京 延庆 102100)

1 引 言

黄土在我国大部分地区尤其是西北地区、冀西北地区分布甚广，由于具有特殊的成分和工程性质，黄土路基遇水发生湿陷并且强度会迅速降低，湿陷性黄土路基已经成为公路路基建设最需要关注的问题之一.冀西北地区高等级公路建设起步较晚，对本地区黄土的性质及地质结构认识较浅，在湿陷性黄土路基的处理方面尚缺乏研究和工程经验，因此有必要对冀西北地区的湿陷性黄土性质指标开展研究.

许多学者对湿陷性黄土的物理特性及工程应用进行过相关研究，李帆等[1]通过室内试验对湿陷性黄土的微观结构特征进行观察，分析并总结了影响黄土湿陷性的因素.刘弋博等[2]利用自制的实验装置，研究了非饱和曾氏条件下黄土湿陷性特征，研究结果表明：在低增湿目标含水率条件下，增湿时间越短土柱的湿陷系数就越大，而在高增湿目标含水率条件下时间越长湿陷系数才会增大.李世龙[3]以工程实例为基础研究了黄土路基的渗流效应，分析认为：保持黄土的入渗距离不变时，入渗时间随着黄土干密度的增加而增加，而且黄土内水流沿竖向渗流较快，一定程度后会向四周蔓延.张晓等[4]利用建筑再生骨料对湿陷性黄土进行改良，并将改良后的黄土进行直接剪切试验，研究结果表明：改良黄土的最佳含水率与建筑再生骨料呈负相关，建筑再生骨料的含水率在40%时为宜.张瑜等[5]通过数学分析研究兰州地区湿陷性黄土的物理指标与黄土湿陷系数的联系，并建立了各个因素的回归关系模型与工程现场数据比较来验证其准确性.湿陷性黄土也会引起隧道的衬砌开裂等病害，基于此张玉伟等[6]以实际工程为依托建立黄土地基浸水模型并监测其受力变形特性，进一步研究了三轴搅拌桩的参数变化对地基病害的防治效果.崔靖俞[7]等通过室内试验以配合比为变化因素研究了粉煤灰与水泥符合注浆材料对湿陷性黄土地基的加固效果,研究结果表明：经过该复合材料加固后的黄土地基的结石率与抗压强度明显提高，黄土地基的承载力显著增强.

以上对于湿陷性黄土的研究主要是针对于黄土的力学性能以及结构参数的研究，较少对湿陷性黄土的溶陷变形进行具体研究分析，本文基于室内试验研究了不同含水率条件下湿陷性黄土随着荷载的增加其溶陷变形情况，以期为相关工程提供理论指导.

2 试验方法及方案

2.1 黄土试验材料

本试验中黄土土样是在张家口地区现挖的土，由于直接取得的土中含有大量的大体积颗粒物，所以在试验前将试验土样过2.5mm的筛.本实验中用筛分法配合使用密度计来得到该试验配土的颗粒级配如表1所示.

表1 黄土颗粒分析

2.2 击实试验方案及方法

击实试验主使用仪器主要包括电热鼓风干燥箱、数控多功能电动击实仪以及多功能电动液压脱模器等，其中电热鼓风干燥箱的型号为x101-4，电源380v，电热功率是6kW，大小尺寸是800×800×1000mm，该设备作用主要是将试验用土内的水分蒸发，让其保持干燥状态，以满足试验需要.试验过程中该设备温度会调为105℃，并保持恒定不变；数控多功能电动击实仪的型号SKDJ-1型，电动功率370W，锤击次数：29次/分，工作电压220V，50Hz；多功能电动液压脱模器的型号为LD178，工作电压AC380V，脱模高度250mm，上升速度0-100mm.该设备作用主要是应用在试件的制作过程中，用来压制模具和脱去模具，完成试件的成型工作.

土工击实试验即模拟现场夯实原理，通过室内试验确定所需的最优含水率和最大干密度.试验步骤如下：首先通过烘干、加水拌和配得的理论含水率分别保持为6%、8%、10%、12%、14%的素土闷料12h，12h以后，分五次加入击实桶中，每次加入击实筒中的土的质量保持相同，每层击实27次，然后进行下一次填料，击实，直至击实五次结束，用刮土刀将击实筒表面多余的土体移除，直至土体表面与击实筒上表面平行，击实完成后称其质量并用脱模器将试件脱出，取试块土芯测得实际含水率.

2.3 溶陷试验方案及方法

溶陷试验主要采用单杠杆固结仪如图1～图2所示，通过在吊杆加压从而达到对黄土表面的压强作用.如表2所示，溶陷试验采用单一变量法，其中工况1为对照组，工况2～工况5为实验组.试验利用单杠杆固结仪进行，待试验装置及土样安装完毕后施加荷载，依次为50kPa、100kPa以及200kPa，在每次施加荷载之后每隔两小时读数一次直至数据稳定后在施加下一级荷载.当施加200kPa的荷载沉降量稳定时将试验土样浸水，待沉降量稳定后施加继续施加下一级荷载.

图1 单杠杆固结仪 图2 融陷试验仪器

表2 不同荷载下黄土试验工况表

3 试验结果分析

3.1 湿陷性黄土击实特性

图3为黄土的击实试验的结果，其中横坐标表示湿陷性黄土的实际含水率，纵坐标为相应实际含水率土样的干密度.由图3可以看出，随着含水率的增加，湿陷性黄土的干密度先增大后减小，存在一个峰值，这个峰值就是湿陷性黄土的最大干密度，对应的含水率为最优含水率.由图3可知，湿陷性黄土的最大干密度为1.891g/cm3，对应的最佳含水率为11.73%.

图3 黄土的击实特性曲线图 图4 湿陷性黄土溶陷变形分析图

3.2 湿陷性黄土融陷试验结果与分析

由图4可以看出，当施加的荷载相同时，试验土样的沉降量与其含水率呈正相关.当五组土样加在至50kPa时，试验土样的沉降量产生显著变化，继续加载至100kPa、200kPa时土样的沉降量继续增大但增长速率趋于平缓.待土样加载至200kPa沉降量稳定后，加水至浸没试样，曲线中的沉降量表现为一个明显抬升状态，分析原因为试验土样浸水后土体与水分在压力下充分结合至密实状态，故沉降量显著增大.继续加载至300kPa时，土样的沉降量表现为继续增大的状态但增长速率明显降低.

4 结 论

本文通过室内杠杆固结试验研究了不同含水率条件下湿陷性黄土随着荷载的增加其溶陷变形情况，可以得出以下结论.

(1)相同加载条件下湿陷性黄土随着含水率增加，沉降量随之增大.

(2)当湿陷性黄土的含水率一定时，黄土的沉降量随荷载的增大而增大，试验土样在浸水后其沉降量显著增大.

(3)当上覆荷载加载至最大并且稳定后，湿陷性黄土的沉降量也随之稳定.