试样厚度对室内测定黄土湿陷性指标的影响

王丽琴, 刘 鑫, 王 正, 李 仑, 狄圣杰, 李凯宇

(1. 西安理工大学 西北旱区生态水利国家重点实验室, 陕西 西安 710048;2. 西安理工大学 土木建筑工程学院, 陕西 西安 710048;3. 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司, 陕西 西安 710065)

0 引言

黄土是一种具有特殊结构性的土,在浸水的条件下,有的黄土会表现出湿陷性。现行标准[1]中黄土的湿陷性评价方法主要有两种,一种是室内湿陷试验的评价方法,另一种是现场试坑浸水试验的评价方法。分析黄土场地或地基的湿陷性时,一般沿深度方向每间隔1～2 m取土样进行室内湿陷试验,根据所得的湿陷系数和自重湿陷系数按照规范方法计算其湿陷量和自重湿陷量,评价其湿陷性。对规范规定需进行或有条件进行现场试坑浸水试验的,需进一步结合现场实测值对其湿陷性进行评价。

很多实例表明室内湿陷试验与现场试坑浸水试验两种方法应用于同一工程场地的湿陷性评价结果存在差异[2-7]。一般认为,现场试验的结果更能反映黄土湿陷性的真实情况。然而,不是所有的工程都具备进行现场浸水试验的条件,难以广泛应用到工程建设中[8]。室内试验模拟的条件和现场试验在应力条件、浸水条件、黄土湿陷性、地层结构分布、黄土结构性等诸多方面存在差异[7]。因此,为提高室内试验的准确性,需尽可能从不同角度研究影响室内湿陷试验结果的因素。郑建国等[9]从黄土湿陷性分布不连续方面研究了对其湿陷变形的影响;刘弋博等[10]分析了黄土试样内部含水率的变化及分布规律对其湿陷性的影响;本文从室内试验中试样厚薄的角度研究对黄土湿陷性指标的影响。

目前,室内湿陷试验采用的土样厚度仅为2 cm,其室内试验结果代表了与之相应的均匀黄土层的湿陷性,这与实际土层黄土湿陷性的非均匀性[7]、不连续性[9]有一定的差异,使其不足以代表取土深度间隔范围内的黄土。另外,在制备试样时,不可避免地扰动了原状黄土的结构[7],从而影响试验中黄土湿陷性的表现。若增加试样的厚度,是否会改变室内湿陷试验的结果,以往并未给出确切结论,因而有必要对比研究试样厚度对室内所测黄土湿陷性指标的影响。为此,本文采用双线法湿陷试验,对同一深度的黄土,利用高压固结仪与改造后的固结仪,取厚度分别为2 cm和8 cm的试样(以下分别简称2 cm试样、8 cm试样)进行湿陷试验,对比两者的结果,分析截面积相同但厚度不同试样的室内湿陷试验结果存在的差异。

1 室内湿陷试验

1.1 试验用土

本文室内湿陷试验所用的Q3、Q2黄土取自西安地铁4号线南段,位于黄土一级台塬区,试验场地深35 m范围内地层由晚更新世(Q3)黄土和中更新世(Q2)黄土组成。晚更新世(Q3)黄土层厚约11 m,其中Q3黄土层厚约8 m,Q3古土壤层厚约3 m;下部为中更新世(Q2)黄土,其中第一层Q2黄土厚约9 m,第一层Q2古土壤(俗称红二条)厚约5 m,第二层Q2黄土厚约6 m,第二层Q2古土壤厚约4 m。地下水位埋藏较深,约在地面下40 m左右。试验在地面以下20 m深度范围内间隔1m取样,为避免采样对黄土的过多扰动,采用人工探井法在现场不同深度取样,最大限度地保持土样为原状。取样过程及包装严格按照规程[11]要求操作。场地不同深度黄土的基本物性指标见表1。

表1 黄土的基本物性指标

1.2 试验仪器的改造

为进行8 cm试样的湿陷试验,加高了原有高压固结仪的固结容器及加压框架,并加工了8 cm高度的环刀及土样护环,如图1所示。

图1 仪器的改造Fig.1 Improvement of instrument

1.3 试验方案

对同一深度的黄土,利用传统的2 cm环刀与前述加高的8 cm环刀分别切取两个天然含水量状态下的原状土样,其截面尺寸均为50 cm2。试验仪器采用高压固结仪及改造后的高压固结仪,进行双线法湿陷试验。试验压力分别为:12.5、25、50、100、200、300、400、600、800、1 000、1 200、1 600 kPa。在实际试验过程中,由于百分表量程的限制,上述压力不一定全部进行。压缩稳定标准为每小时下沉量不超过0.005 mm。

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

根据不同深度原状黄土2 cm与8 cm试样双线法湿陷试验记录的各压力下变形稳定后的压缩量,按标准[1]计算各压力下相应的湿陷系数δs,绘制其湿陷系数δs随压力p的变化曲线。由于同类土层中曲线类似,为减少篇幅,本文仅列出部分曲线,见图2。图中水平虚线为湿陷系数δs=0.015的分界线。

2.2 试验结果分析

由图2可以看出:不同深度土层2 cm、8 cm试样的双线法湿陷试验得到的湿陷系数δs随压力p的变化曲线,均表现为随压力p的增大,湿陷系数δs先增大后减小存在峰值的特点。在压力较小时,黄土的湿陷系数随压力的增大而增大;当压力达到一定程度时,湿陷系数达到峰值(此时的压力本文称为湿陷峰值压力);之后,随压力的进一步增大,湿陷系数开始逐渐减小。说明压力在达到湿陷峰值压力前,土体虽被逐渐压密,但在浸水饱和后,其压缩性增加较大,故仍表现出较大的湿陷性;但压力达到湿陷峰值压力后,黄土已被压密到一定程度,此时随着压力的增大,土体进一步被压密,浸水对其压缩性的影响逐渐减小,因此其湿陷性逐渐减弱,湿陷系数逐渐减小。

图2 湿陷系数δs随压力p的变化曲线Fig.2 Variation curves of collapsibility coefficient with pressure

对比图2中2 cm试样和8 cm试样双线法湿陷系数随压力的变化曲线可以看出:在压力较小时,不论是Q3黄土、Q3古土壤,还是Q2黄土,2 cm和8 cm试样双线法得到的湿陷系数相差不大,变化趋势基本相同,但在多数情况下,2 cm试样所得的湿陷系数略大于8 cm试样所得的湿陷系数;随着压力的增大,8 cm试样所得的湿陷系数增长较快,在大于一定压力后超过了2 cm试样所得的湿陷系数,在曲线上表现为两曲线的交叉。8 cm试样对应的曲线峰值点大致位于2 cm试样曲线峰值点的右上方,说明试样越厚,峰值湿陷系数越大,且对应的压力越大。从图2不同深度湿陷系数随压力变化曲线的对比还可以看出:相应土层湿陷性较小时,2 cm试样与8 cm试样所得的曲线相差不大,但当相应土层湿陷性较大时,两曲线相差较大,8 cm试样对应的曲线位置要高的多。以上充分说明,在压力较小时,室内试验试样的厚度对试验结果的影响不大,但压力较大尤其是土体的湿陷性较强时,影响较大。

按标准[1]规定:测定湿陷系数δs的压力,当基底压力小于300 kPa时,基底以下10 m以内取200 kPa,10 m以下应用其上覆土的饱和自重压力;当基底压力不小于300 kPa时,宜用实际基底压力与上覆土的饱和自重压力中的大值。本文分析时假定基底压力小于300 kPa。据此得1～20 m深度范围内,2 cm试样与8 cm试样湿陷系数随深度变化曲线见图3;自重湿陷系数随深度变化曲线见图4。湿陷起始压力与饱和自重应力随深度变化曲线见图5。

从图3和图4可以看出:Q3黄土的湿陷性明显大于Q3古土壤和Q2黄土,而Q3古土壤的湿陷性小于Q2黄土。对比2 cm与8 cm试样所测得的湿陷系数及自重湿陷系数可以看出:2 cm试样和8 cm试样所得出的湿陷系数及自重湿陷系数在大小上会有一定的差异,但在整体趋势上较为一致。整体上看,Q3古土壤的湿陷性最弱,Q3黄土的湿陷性最强,Q2黄土的湿陷性居中。在Q3黄土深度范围内,8 cm试样所测得的湿陷系数基本上比2 cm试样所测得的大,且两者差异也大;而在湿陷性较弱的Q3古土壤和Q2黄土中,总体上来讲,8 cm试样测得的相应系数较2 cm试样测得的小些。表现为:当土层湿陷性较强,湿陷系数较大时,两种厚度土样测得的湿陷系数的差异较大,反之差异较小。初步判断,利用室内试验对场地进行湿陷性评价时,场地的湿陷性越强,则试验试样的厚度对试验结果的影响越大。

图3 不同深度黄土湿陷系数δsFig.3 Collapsibility coefficient δs of loess at different depths

图4 不同深度黄土自重湿陷系数δzsFig.4 Self-weight collapsibility coefficient δzs of loess at different depths

从图5可以看出:8 cm试样比2 cm试样所得的湿陷起始压力在不同地质时代土层中的变化规律更明显。Q3黄土的湿陷起始压力明显小于Q3古土壤和Q2黄土,而Q3古土壤的湿陷起始压力略大于Q2黄土,也说明了古土壤的湿陷性最弱,Q3黄土的湿陷性最强,Q2黄土的湿陷性居中。在Q3黄土中,8 cm试样所得的湿陷起始压力大部分小于2 cm试样所得的值;在Q3古土壤和Q2黄土中,8 cm比2 cm试样所得的湿陷起始压力基本上均较大,同样说明了Q3黄土的湿陷性明显大于Q3古土壤和Q2黄土,这个规律与实际场地湿陷量主要来自Q3黄土层的实践是一致的。

图5 不同深度黄土湿陷起始压力Fig.5 Initial collapse pressure of loess at different depths

3 结语

本文通过常规及改造的室内高压固结仪,针对西安地铁4号线某黄土场地不同深度的黄土,进行了厚度分别为2 cm与8 cm的黄土试样双线法室内湿陷性试验,分析得到了以下主要结论:

(1) 土层湿陷性较小时,不同厚度试样所得的湿陷系数随压力的变化曲线相差不大。

(2) 土层湿陷性较大时,在压力较小情况下,不同厚度试样室内湿陷性试验得到的湿陷系数相差不大,变化趋势基本相同,但随着压力的增大,8 cm试样所得的湿陷系数增长较快,甚至会远大于2 cm试样所得的湿陷系数;试样越厚,峰值湿陷系数越大,且对应的压力越大。说明在压力较小时,室内试验试样的厚度对试验结果的影响不大,但压力较大时影响较大。

(3) 当土层湿陷性较强时,试验厚度对室内试验所得的湿陷系数及自重湿陷系数的影响大。Q3黄土的湿陷性明显大于Q3古土壤和Q2黄土,因此,试样的厚度对室内测定Q3黄土湿陷系数的影响最大。

本文仅对比了西安地铁4号线某场地黄土采用2 cm及8 cm厚度试样的室内湿陷试验结果,所得结论是否适用于其他场地,需在今后的试验中针对更多场地开展相应试验并进行分析研究。