湿陷性黄土浸水特性试验分析

张旭强

山西工程科技职业大学（030619）

0 引言

湿陷性黄土分布地域广、性质差异大，和一般的黏性土相比，其内部物质的组成成分和外部的形态特征都不同，是一种特殊的黏性土。在一定的压力下受水浸湿，土体结构迅速破坏，并产生显著附加下沉[1-2]。黄土湿陷的现象是个复杂的过程，湿陷的原因也是岩土界的重要课题，国内外众多专家学者提出各自的理论成果和推理假设，但是直到现在仍未取得一致意见解决所有湿陷现象。

本次试验根据工程实例分析，结合湿陷性黄土湿陷变形特点，通过对湿陷性黄土变含水量条件下的变形性状进行研究，分析黄土湿陷变形与含水量和压力之间的关系。

1 黄土的湿陷原因及机理

关于黄土的湿陷原因，结构学说用微观理论解释黄土湿陷性主要是黄土的结构特征[3-5]，因此与湿陷有关的因素，反映在与结构有关的方面，如结构孔隙、组成颗粒和矿物成分等，这些也体现在各地湿陷性的差异性上，对于同一地区来说，土的物理性质会显著影响湿陷性，尤其比较明显的是两个指标—孔隙比和含水量。

在其他情况相同的条件下，黄土的孔隙比愈大，湿陷性愈强。分析黄土的湿陷过程发现，黄土孔隙的减少主要原因在于粒间孔隙，粒间孔隙类似一种架空体系，它是在颗粒堆积排列时形成的，这些形成的孔隙是否破坏，取决于组成孔隙颗粒间的连接的坚固程度。如孔隙颗粒间的连接为碳酸钙等胶结时，则对于抵抗湿陷变形是有利的，属于稳定结构。另一个方面，天然含水量大小对湿陷性黄土的湿陷性影响也很大，在其他情况相同的条件下，天然含水量的增加会导致黄土的湿陷性减弱；当天然含水量相同时，增湿程度的增加会导致黄土的湿陷变形增大。对非自重湿陷性黄土，天然含水量的大小与浸水饱和后的总变形没有关系。

2 工程实例分析

湿陷性黄土地基在附加压力与土自重压力共同作用下，受水浸湿在附加压力作用的区域产生湿陷。研究表明，湿陷性黄土的湿陷变形与其所受的应力状态有着密切的关系[6]。

陕西省西安市长安区某办公楼发现南部⑦～⑩轴线范围内地基局部沉陷，墙体及楼板出现裂缝，并逐步从1层发展到5层，多为斜向裂缝。地坪有空鼓下陷现象，局部最大沉降量达13.2 cm。为查明事故原因，对工程沉陷区补充岩土工程勘察，见表1和表2，并对工程周围土质含水量检测分析。分析表明:工程事故为浸水湿陷造成，浸水初期即大量下沉，下沉量最高可达1.2 cm/h；湿陷稳定快，浸水24 h即4.1~7.92 cm，浸水3 d即达到6.7~11.88 cm。

表1 补充勘察时探井土样室内试验结果

表2 各层地基土体物理力学性能指标表

建筑物湿陷的影响深度与地基的湿陷起始压力、湿陷类型、基底压力、基底尺寸与形状等有关。建筑物基础面积越大，单位面积压力就越大，而外部荷载作用下湿陷的影响范围就越深。地基的湿陷起始压力值越小，则地基的湿陷影响深度越大。经初步分析，事故原因为有水体下渗，使地基产生湿陷变形，引起地基不均匀沉降，造成安全隐患。本例湿陷起始压力78 kPa，在200 kPa压力下湿陷系数δs=0.094，湿陷性强烈。事故产生时，该建筑物除场地北部局部含水量稍低外，楼体内及楼体外其余部分地基土含水量普遍较大，土质湿软，而且原先地基土经整片垫层法（素土3 m）处理后，剩余湿陷量仍然达159.5 mm，也是地基产生不均匀沉降的原因之一。

对于非自重湿陷性黄土，湿陷起始压力要大于土的饱和自重压力，而且湿陷起始压力会随着深度的增加而增大。土的附加压力随着深度的增加而减小，而当某一深度位置处土的附加压力与自重压力两者之和小于湿陷起始压力时，就不会发生湿陷现象，判定在此深度上部分就是外部荷载湿陷作用的影响范围。

根据《湿陷性黄土地区建筑规范》GB 50025—2018，自重湿陷量整理如下:（15 +17）=28.8 mm<70 mm，为非湿陷性场地；湿陷量的计算考虑基底埋深1.5 m，mm，按湿陷性黄土地基的湿陷等级判别为Ⅱ级（中等）。在非自重湿陷性黄土场地，对于丙类建筑物，地基处理厚度不宜小于2 m，且下部未处理湿陷性黄土层的湿陷起始压力值不宜小于100 kPa。

工程实践表明，在上部结构荷载作用下，湿陷性黄土地基会产生竖向变形和水平位移。在天然状态下作用于土体时，由于土的天然含水量低，土体的结构强度此时会较大，静止侧压力系数相对较小，因而对基础下土体向四周的挤出会有所限制，此时土体的竖向压缩变形会造成基础的沉降。但是当地基被水浸湿以后，静止侧压力系数会有明显的变化，一般会从天然状态下的0.12～0.23增加到0.65～0.94，因而会造成水平附加压力显著地增加，此时地基土体结构遭到明显破坏，抗剪强度降低很大，侧向限制大大地减弱。在这些因素的影响下，使得地基土体在湿陷变化的同时产生了大量的侧向挤出，从而导致湿陷量的增大。

3 湿陷性黄土浸水特性试验

现行规范《湿陷性黄土地区建筑规范》GB 50025—2018和目前岩土工程界对于湿陷起始压力值的判定的观点是相同的，即按室内压缩试验结果确定时，在湿陷性黄土在饱和浸水条件下，当湿陷系数达到0.015时所对应的压力。在某一特定压力作用下，湿陷起始含水量是指湿陷系数达到0.015时所对应的含水量。由于上述工程实例中存在着人为因素、水文地质等情况,因此湿陷起始压力值和湿陷起始含水量并不一定就是湿陷情况发生湿陷性黄土所对应的特征值。特殊情况下，在基底压力下的非饱和浸水作用也会产生附加下沉变形，有时这种附加下沉变形也可能达到在工程意义上的相对明显的程度，并且这种工程意义上的相对明显的程度也恰恰反映出并不是任何情况下湿陷系数达到0.015都是最合适的划分标准的界限值。

3.1 试验方案

在湿陷性黄土地区，由于地基含水量的增大引起建筑物、构筑物倾斜的事故不断发生。地基含水量的增大的原因是多方面的，主要体现在人类活动的无序组织和不合理的安排上，如挖填方施工、地面建筑物、构筑物建造密度增大等原因而改变原有地面的排水条件、蒸发方式、地下渗流方向等情况的出现。以往对黄土湿陷性的研究的方向主要集中在完全浸水饱和状态下的湿陷变形，而对浸水增湿的过程分析，尤其增湿到某一含水量下的湿陷变形的研究很少，其实对于完全浸水饱和的湿陷变形来讲，其只是属于浸水增湿变形的一种特殊情况而已。现阶段，对于完全浸水饱和状态下的湿陷黄土变形的研究已经不能满足实际需要，这是由于在施工期间和运营期间地基土中的含水量常常会发生变化。

关于增湿变形，张苏民、郑建国等人用增湿软化模型模仿湿陷性黄土在含水量变化情况下的软化特性[7]，研究探索湿陷性黄土在增湿过程中的力学性质。也有工程学者用室内试验的方式在湿陷性黄土变含水量情况下，研究分析黄土增湿时的变形变化规律，并结合试验时生成曲线解释变形分界压力和变形分界含水量的概念。在此基础上，通过本次试验对湿陷性黄土变含水量条件下的变形性状进行研究，分析黄土湿陷变形与含水量和压力之间的关系[8]。

此次变含水量情况下的压缩试验采用试样两组，按照预湿的方法，在不同的含水量下对土样进行预湿，压缩试验设备为高压固结仪，分析研究试验数据，得到在不同含水量情况下黄土湿陷变形的变化规律。

3.2 试样的制备

在天然含水量下，试样按《土工试验方法标准》GBT 50123—2019的要求制作。按照需要达到的含水量值对土样增湿，首先计算出需要加入的水量，然后用滴管容器均匀地滴在土试样的表面，对于土试样，环刀取好后保留两端余土，也就是在不要削平的状态下滴水处理，然后连同环刀一起埋在天然土体中，24 h保持自重压力时的气压状态，为了促进水分渗透，使滴水分布更均匀，放置土样在30℃密闭容器24 h，按公式计算出需要添加的水量Mω为:

式中:M——自然状态土的质量；w0——天然含水量；w1——要求达到的含水量。

试验时削平试样的两端，利用切削得到的余土测量计算试样含水量。试验中为检验和对比试验结果，采用三组试验数据分析，列表实测值和估算值见表3，通过计算还可以得到三组试样实测值和估算值的误差区间。试样取自陕西省西安市。

表3 试验用土含水量增湿效果检验实测（%）

3.3 浸水下土样湿陷变形随含水量变化分析

黄土浸水湿陷下产生变形，通过整理室内不同条件下土样的单轴压缩试验数据，分析湿陷变形随含水量的变化关系，绘制黄土湿陷变形与含水量的关系曲线，探讨试验曲线的变化规律，如图1所示。

图1 湿陷变形与含水量的关系

分析湿陷变形随含水量的变化关系曲线，同一压力下，当含水量处在比较小的数值时，湿陷变形随着压力的增大而增大，但含水量的增大带来湿陷变形量增长缓慢，即曲线相对平缓，在含水量相同的情况下，不同压力下的湿陷变形没有明显的变化，关系曲线几乎重合在一起，说明在初期的变化中，湿陷变形量和压力没有太大的关系，这一阶段为不敏感变形段。当含水量处在比较大的数值时，湿陷变形随着压力的增大而增大，含水量的增大却带来湿陷变形量的显著增长，也就是曲线陡然升高，在含水量相同的情况下，不同压力下的湿陷变形有了明显差别，此例出现曲线交叉，具体原因还有待于进一步验证，在这一时段内，压力大的明显湿陷变形量变大，但压力小的更早出现峰值，即更早产生比较大湿陷量，这一阶段为敏感变形段。峰值过后，随着含水量的继续增大，湿陷变形量开始衰减，相同含水量下，压力大的湿陷变形量大，压力小的湿陷变形量小，但不同压力的下降阶段的曲线斜率差别不大。分析图中曲线的规律:各条曲线组都存在相对平缓、陡升、衰减三个阶段。所以根据曲线变化可以将黄土湿陷变形阶段划分为三个阶段:第一阶段为不敏感变形段，相对平缓上升的变形—含水量关系曲线显示该区段湿陷性黄土含水量的增大，湿陷变形增大平缓；第二阶段为敏感变形段，变形陡然增加的变形—含水量关系曲线显示该阶段湿陷性黄土含水量的增大，湿陷变形其也陡增；第三阶段为变形衰减阶段，该阶段的曲线显示随着含水量的进一步增加，湿陷性黄土逐渐达到饱和状态，湿陷变形衰减直至变形消失。

4 小结

湿陷性黄土地基在附加压力与土自重压力共同作用下，受水浸湿在附加压力作用的区域产生湿陷。通过工程实例分析并结合室内试验对黄土的湿陷性作如下探讨:

1）分析黄土的湿陷原因和机理对于研究其湿陷问题有重要的意义，同时研究湿陷性黄土浸水特性对工程的影响，具有实际意义。

2）工程实践表明，在上部结构荷载作用下，湿陷性黄土地基会产生竖向变形和水平位移。当地基被水浸湿以后，静止侧压力系数会有明显的变化，因而会造成水平附加压力显著地增加，此时地基土体结构遭到明显破坏，抗剪强度降低很大，侧向限制大大地减弱。在这些因素的影响下，使得地基土体在湿陷变化的同时产生了大量的侧向挤出，从而导致湿陷量的增大。

3）整理室内不同条件下黄土土样的单轴压缩试验数值，绘制出黄土湿陷变形量与含水量的关系曲线；对不同含水量下的湿陷变形与含水量的关系曲线图的分析表明:各条曲线组都存在相对平缓、陡升、衰减三个阶段。