制样含水率对压实黄土持水及变形特性影响试验研究

李晓敏，穆青翼，丁心安，朱文秀，王艳娥

(1.西安思源学院， 陕西 西安 710038； 2.西安交通大学， 陕西 西安 710049)

在实际工程建设中，作为建筑材料的黄土大多需要经过压实或强夯处理，压实度越高土体压缩性越小。降雨入渗会使压实黄土沿深度方向发生不同程度增湿，土体产生湿陷变形会导致建筑物开裂破坏、边坡失稳。因此，研究压实黄土的持水特性和湿陷性对解决黄土地区工程建设问题具有重要意义[1]。不同的干密度和含水率会产生不同的土粒集合体尺寸和孔隙结构，从而使土体具有不同的持水特性和湿陷变形，不同制样含水率致使土体结构有较大差异，其对压实黄土持水特性及湿陷变形相关影响研究还相对较少。

持水特征曲线是土的含水率与吸力的关系曲线，表征土体在非饱和状态下的持水能力。关于压实黄土持水特性的研究已经取得了较多的成果，影响持水特征曲线的因素包括含水率、干密度、温度、干湿循环作用、应力状态等。赵天宇等[2]测定研究得到了不同循环状态及干密度条件下的压实黄土持水特征曲线，结果显示两者均对黄土的持水特征曲线有显著影响。刘奉银等[3]研究成果表明干密度对压实黄土持水特征曲线的影响主要体现在进气值和残余含水率，对减湿率影响不大。王娟娟等[4]研究成果表明制样时不同含水率对压实黄土的持水特征曲线有较大影响，随着制样含水率逐渐增大至最优含水率，相同试验含水率下基质吸力逐渐增大。穆青翼等[5]通过对比具有相同干密度和含水率的原状黄土和压实黄土持水特征曲线，结果表明压实黄土比原状黄土的进气值大75%，由于原状黄土在现场经历了多次干湿循环导致两者的滞回度变化明显不同。

黄土在一定压力作用下变形稳定，在此基础上增加含水率产生的二次变形称为增湿变形，当土体含水率饱和时对应的变形即为规范定义的湿陷变形，故前者定义范围较后者更为广泛。黄雪峰等[6]研究成果表明，压实黄土总变形量随干密度增大而减小，而增湿变形量对应总变形量占比提高，压缩固结变形量占比减小。陈存礼等[7]研究成果表明，当试验干密度、含水率相同时，制样含水率导致非饱和压实黄土的结构随之变化，且对其压缩特性有较大影响。杨玉生等[8]研究认为初始含水率、压力、干密度及三者的交互作用均显著影响压实黄土的湿陷性，但影响程度不同。王娇等[9]研究表明在相同应力条件下，压实黄土峰值湿陷压力、湿陷性均随吸力呈正相关性。结论表明开展黄土试验，制样含水率显著影响其压实变形特性及持水特性。

本文以延安黄土为研究对象，结合击实曲线，对不同制样含水率但相同干密度的压实土样，增湿或减湿到相同的试验含水率后进行侧限压缩试验，并采用张力计采集压缩过程中的基质吸力值。同时，通过压力板仪试验测定不同制样含水率和干密度下压实黄土持水特征曲线，分析由于制样含水率和干密度不同引起的压实黄土结构性差异对压实黄土持水特性和变形特性的影响。

1 试验概况

1.1 试验黄土物理参数

本研究中所取原状黄土，取土和运输过程中最大限度的减少了土体扰动。依据国家现行标准测定的黄土粒径分布曲线如图1所示，黏粒和粉粒含量分别为17.4%和82.1%，黄土物理性质指标详见表1。通过室内轻型击实试验测定的击实曲线饱和曲线如图2所示，试验测得该土样最优含水率为15.9%，最大干密度为1.831 g/cm3。针对两种干密度的试样(P1和P2)，为表征制备试样含水率的代表性和差异性，分别用D、O、W代表击实曲线干侧、最优含水率、击实曲线湿侧，依次制备6类不同含水率试样，并在图2中标注。

图1 黄土粒径分布曲线

表1 黄土的物理性质指标

图2 黄土击实曲线

1.2 压实土样制备方法

将散土放入烘箱中烘干，碾碎并过2 mm筛，用喷壶喷水使土料达到设定的制样含水率，密封静置24 h后再过2 mm筛，测定土料含水率以确保达到制样含水率(偏差不得超过0.05%)，再静置24 h使土中水分均匀分布。

击实土样制备时，根据图2中设定的干密度和制样含水率计算所需的湿土质量，称重并将湿土一次性均匀击入固结环刀中(截面积=50 cm2，高度=2 cm)，表面用玻璃板压平整，保证击实后的试样高度为2 cm。

每次制备2个击实试样，再通过增湿或减湿使制备好的击实试样分别达到试验含水率14.7%和17.4%。当制样含水率小于试验含水率时，在试样表面用胶头滴管均匀滴水进行增湿；当制样含水率大于试验含水率时，在空气中自然风干。增减湿结束后，密封静置1 d，在此过程中用张力计测定基质吸力，确保吸力稳定后再进行侧限压缩试验。

2 试验设备及方案

2.1 试验设备

本试验中变形特性研究采用WG型单杠杆中压固结仪，并对试验仪器进行了改进，改进后的固结仪示意图如图3所示。在固结仪顶盖上钻孔，并将量程为0 kPa～100 kPa的数字信号张力计和带孔的顶盖粘接牢固，保证受荷时两者共同变形。固结试验过程中采集全过程的吸力值。为满足试样常含水率下的压缩试验条件，对固结盒进行保鲜膜密封处理，并在张力计和保鲜膜周围涂抹凡士林，防止试验过程中试样水分蒸发，另外，在固结盒和环刀的空隙中放入湿纸保持盒内的水分平衡。使用砝码通过加载架进行分级加载，每级荷载下稳定标准为1 h变形量小于0.001 mm(即体变速率小于0.005%/h)。

图3 可量测吸力的固结仪示意图

采用购自于美国Soil Moisture Equipment公司的1500F1型压力板仪开展试验研究，该装置由三个主要部分构成：加压设备、压力室和排水系统，各部分系统之间通过通气管连接。利用轴平移技术对试样进行吸力控制，将试样放于压力室内量程为5 bar的饱和陶土板上，陶土板下水槽通过细软管与外界大气相通。如选取陶土板水槽为基准面，可认定土样中孔隙水压uw=0，通过改变压力室气压ua对试样施加吸力ua-uw。当吸水或脱水稳定后，取出试样称重，计算各级吸力下试样含水率。稳定标准为24 h的含水率变化小于0.04%，通常每级气压下需要6 d～15 d达到稳定，脱湿需要的稳定时间比吸湿更久。本试验对于小吸力(如0.1 kPa)的施加，可通过调节出水水头高度的方式进行小吸力条件下的试样持水特性测试。

2.2 试验方案

为了研究干密度相同时制样含水率对变形特性的影响，根据击实曲线，在干密度ρd=1.76 g/cm3条件下，对三类含水率12.4%、15.9%和19.0%各制备两个试样，再通过增湿或减湿使干密度和制样含水率都相同的两个试样分别达到不同的试验含水率14.7%和17.4%。具体的侧限压缩试验方案如表2所示。本文选用了两个干密度(P1和P2)，分别为ρd=1.76 g/cm3和ρd=1.30 g/cm3(常见原状黄土的干密度)。

对于压力板仪试验，与侧限压缩试验类似，控制干密度分别为1.30 g/cm3和1.76 g/cm3，制样含水率分别为12.4%、15.9%和19.0%，共制备了6个试样，放入压力室中饱和，通过脱湿-吸湿路径测定持水特征曲线。

表2 压实黄土侧限压缩试验方案

3 试验结果及分析

3.1 持水特性试验结果及分析

不同制样含水率和干密度下的压实黄土脱湿-吸湿持水特征曲线见图4，在初始脱湿应力路径中，压实黄土饱和度均随吸力增大而减小。同一干密度下，制样含水率不同获得的持水特征曲线明显不同。如，图4(a)干密度为1.76 g/cm3时，由脱湿曲线根据Vanapalli[10]作图法确定的击实曲线干侧、最优含水率下和击实曲线湿侧制备的三种压实试样的进气值分别为8 kPa、2.5 kPa和24 kPa，即进气值P1-O

干密度为1.30 g/cm3时(图4(b))，制样含水率不同对脱湿速率和残余含水率的影响与图4(a)的规律一致，脱湿速率关系为：击实曲线干侧>最优含水率下>击实曲线湿侧，残余含水率大小关系为：击实曲线干侧<最优含水率下<击实曲线湿侧。击实曲线干侧、最优含水率下和击实曲线湿侧制备的三种压实试样的进气值分别为5 kPa、1.9 kPa和6.5 kPa，即进气值表现为：P2-O

图4 压实黄土持水特征曲线

值得注意的是，图4(b)进行初始脱湿路径时，三种压实试样初始状态的饱和度并未达到100%，而是接近90%。经历脱湿-吸湿路径后重新回到0.1 kPa吸力时，三种试样的饱和度也都未返回到饱和度90%的初始状态，而是在80%～85%之间，且制样含水率越大，返回到0.1 kPa吸力时的饱和度越低。吸湿时水分先进入小孔隙，再逐渐包围大孔隙中的气进入大孔隙，而干密度较小的试样中存在相对较多的大孔隙，大孔隙中的气难以完全排出，可能形成封闭气泡，导致土样在0.1 kPa吸力时不能达到100%饱和。此外，疏松试样中孔隙通道的差异比密实试样中更显著，因此瓶颈效应对干密度较小的土样影响更大，可能导致经历脱湿-吸湿循环后试样的饱和度低于初始状态的饱和度。

在脱湿-吸湿这一循环路径下，压实黄土持水特征曲线均显示了不同程度的滞回效应。本文利用Lu等[14]的滞回度定义，得到了六种不同吸力水平下持水特征曲线滞回度，结果如图5所示。

从图中可以看出，这六种试样的滞回度随吸力的增大而增大，在10 kPa～20 kPa吸力时滞回度达到峰值，之后滞回度随吸力增大而逐渐减小。为进一步分析，压实黄土的滞回度与吸力的关系可大致分为3段：①当吸力小于3 kPa时，同一制样含水率下，干密度较小的试样具有更大的滞回度，且在最优含水率下制备的压实试样(P1-O、P2-O)的滞回度大于同一干密度下在击实曲线干侧(P1-D、P2-D)或湿侧(P1-W、P2-W)制备试样的滞回度。②当吸力大于3 kPa小于100 kPa时，压实试样均具有相对较高的滞回度，其中，在击实曲线干侧制备的两种试样(P1-D、P2-D)的滞回度较接近，在最优含水率下和击实曲线湿侧制备的试样均为干密度较小时滞回度较大，且滞回度差异明显。③当吸力大于100 kPa时，试样滞回度基本一致，这是由于吸力较大时土颗粒间的毛细作用降低，进而主导持水特征曲线的能力减弱，土体表面吸附作用提高。由于本研究中压实黄土矿物组成、粒径分布一致，故其控制吸力的吸附作用也一致。因此，不同干密度不同制样含水率的压实黄土滞回度在吸力较大时差别较小。

图5 压实黄土持水特征曲线滞回度

3.2 侧限压缩试验结果及分析

干密度1.76 g/cm3时压实黄土侧限压缩试验测定的e-lgp曲线及基质吸力变化如图6所示，可以看出：

(1) 干密度和试验含水率一定时，压缩性随制样含水率增大而增大，即P1-D-W1>P1-O-W1>P1-W-W1，P1-D-W2>P1-O-W2>P1-W-W2。但影响程度不同，制样含水率在击实曲线干侧和最优含水率下压缩性差异较小，而制样含水率位于击实曲线湿侧时试样的压缩性明显增大。

(2) 压缩曲线中弹性段和塑性段的交点定义为屈服应力。但由于图6非线性转变并不明显，且击实曲线干侧和最优含水率下的e-lgp曲线很接近，利用Casagrande方法在e-lgp曲线中确定的屈服应力误差较大，因此，根据Umar和Sadrekarimi[15]的建议，本文采用Oikawa方法在双对数压缩曲线(lge-lgp)上确定压实黄土的屈服应力效果更好。试验含水率为14.7%时，12.4%、15.9%和19.0%制样含水率时屈服应力分别为160 kPa、265 kPa和200 kPa；试验含水率为17.4%时，12.4%、15.9%和19.0%制样含水率时屈服应力分别为150 kPa、250 kPa和180 kPa。可以看出，干密度和试验含水率恒定时，最优含水率下压实试样的屈服应力相对较大，而制样含水率过低(击实曲线干侧)或过高(击实曲线湿侧)试样屈服应力都会降低。干密度和制样含水率恒定时，试验含水率不同对屈服应力的影响很小，这可能是由于14.7%和17.4%试验含水率差别较小且试样干密度较大，数据点分布范围较窄。

图6 干密度为1.76 g/cm3的压实黄土侧限压缩试验结果

(3) 每一级荷载下，确定变形稳定和张力计读数稳定后开始加载。随着荷载增加，测得的基质吸力先保持基本稳定后逐渐降低，荷载增加到屈服应力附近也可能发生吸力突然掉落，最终基质吸力值都接近0 kPa(饱和度已接近或达到100%)。

干密度1.30 g/cm3时压实黄土侧限压缩试验测定的e-lgp曲线及基质吸力变化如图7所示。干密度和试验含水率一定时，仍然是最优含水率附近的压实试样屈服应力最大，击实曲线干侧和湿侧制样得到的屈服应力较低但比较接近，这和1.76 g/cm3干密度时得到的结论相同。此外，当试验含水率、干密度一定时，制样含水率致使黄土颗粒间结构性发生改变，此类变化对试样弹性压缩变形阶段的影响相对较小，当荷载超过屈服应力结构开始发生破坏后，不同制样含水率的e-lgp曲线试验点差异明显，即制样含水率引起的结构性变化对弹塑性变形阶段的影响较大。在试验含水率较高时(图7(b))测得的基质吸力相对稳定，而试验含水率较低时，试样P2-D-W1和P2-W-W1的基质吸力在屈服应力附近快速降低至接近10 kPa。

图7 干密度为1.30 g/cm3的压实黄土侧限压缩试验结果

此外，卸载时e-lgp呈现线性关系，回弹直线的斜率称为回弹指数。图6和图7中的回弹直线段基本平行，计算的回弹指数在0.006～0.007范围内，可见制样含水率、试验含水率及干密度对压实土样的回弹指数影响很小，回弹指数与土本身的性质有关。

为了进一步定量分析制样含水率和干密度对压实黄土屈服特性的影响，图8绘制了不同制样含水率、试验含水率和干密度下的压实黄土屈服应力。从图中可以看出：①干密度对压实黄土屈服应力有很大影响，干密度从1.76 g/cm3减小到1.30 g/cm3(P1-W1→P2-W1、P1-W2→P2-W2)，土体压缩性显著增大，屈服应力显著减小。②同一干密度和试验含水率下，制样含水率为最优含水率时压实黄土屈服应力最大，以最优含水率为基准，制样含水率增大或减小都会导致屈服应力减小，且制样含水率减小时屈服应力的减小程度更大一些。③同一干密度和制样含水率下，随着试验含水率从14.7%增大至17.4%(P1-W1→P1-W2、P2-W1→P2-W2)，屈服应力减小。这是由于随着试验含水率增加，试样中颗粒间孔隙被水填充，非饱和土中存在的毛细弯液面现象和情况减少，而毛细弯液面的张力有约束土颗粒结构的作用，非饱和逐步过渡至饱和将导致试样发生压缩屈服所需的荷载作用逐步减小，即屈服应力减小。

图8 不同含水率和干密度下压实黄土屈服应力

同一级荷载下完全相同的两个试样(仅试验含水率不同：14.7%和17.4%)，变形稳定后的高度差值与初始高度的比值为增湿变形系数。图9给出了两个干密度下压实黄土增湿变形系数随制样含水率和竖向应力的变化结果。在96%压实度(干密度1.76 g/cm3)下，200 kPa竖向应力时对应的压实试样P1-D-W2、P1-O-W2和P1-W-W1的饱和度已达到100%，因此图9(a)的竖向应力只比较到200 kPa；在71%压实度(干密度1.30 g/cm3)下，400 kPa竖向应力时对应的压实试样P2-D-W2、P2-O-W2和P2-W-W2的饱和度在82%～99%，即接近饱和，因此图9(b)的竖向应力比较到400 kPa。从图9中可以看出：①干密度从1.76 g/cm3减小到1.30 g/cm3(即从96%压实度减小到71%压实度)，增湿变形系数增大了10倍左右。因此，降低密实度会显著增大黄土的增湿变形。②同一干密度下，在最优含水率下击实的压实试样增湿变形相对最大，在击实曲线干侧击实比在湿侧击实更能降低增湿变形系数,增湿变形主要来自土中吸力的减小和浸水导致的胶结力破坏。根据不同制样含水率和干密度的持水特征曲线可知，在击实曲线干侧制备的试样的脱湿速率明显大于湿侧或最优含水率下制备试样的脱湿速率，即饱和度(试验含水率)增加相同程度，击实曲线干侧试样的吸力减小程度最低，这可能导致干侧制样的增湿变形小于湿侧或最优含水率下。至于在最优含水率下产生最大的增湿变形，这可能与黄土结构性不同导致试样浸水时胶结力破坏引起结构变形的程度不同有关。③制样含水率为最优含水率时，竖向应力改变对增湿变形的影响最为明显，随着制样含水率越来越偏离最优含水率(击实曲线干侧或湿侧)，竖向应力改变对增湿变形的影响会越来越小。

图9 不同制样含水率和竖向应力下压实黄土增湿变形系数

3.3 基质吸力测量值的比较

由于压力板仪和张力计测量基质吸力的原理都是基于轴平移技术，为分析张力计测量的吸力结果是否准确，本研究将侧限压缩试验中未加载前张力计测得的初始基质吸力值在图4的压实黄土脱湿持水特征曲线上进行标注，结果如图10所示。可以看出，在相同的干密度和相同的制样含水率下，张力计测得的不同试验含水率(14.7%和17.4%)的基质吸力值都基本位于相应试样的脱湿持水特征曲线上，两者吻合的很好，这验证了张力计量测结果的准确性。其中，值得注意的是，压实试样P1-W-W1和P2-W-W1张力计测定的基质吸力值偏离P1-W和P2-W脱湿持水特征曲线较远，这是由于在14.72%试验含水率下P1-W-W1和P2-W-W1试样的实际基质吸力已超过100 kPa，超过了张力计的量程范围。

图10 压实黄土基质吸力测量值对比

4 结 论

本文结合击实曲线，研究了压实黄土制样含水率、干密度对其变形及持水特性的影响，得出的主要结论如下：

(1) 同一制样含水率下，干密度越小，土样越疏松，进气值越小。同一干密度下，在最优含水率下制备的压实试样的进气值最小，在击实曲线湿侧制备的试样的进气值最大，在干侧制备试样的进气值介于两者之间。其次，制样含水率在击实曲线干侧制备的试样脱湿速率最快，相应的残余含水率最低，其次为最优含水率下制备的试样，在湿侧制备的试样脱湿速率最慢，残余含水率最高。

(2) 同一制样含水率下，干密度越小，压实黄土的平均滞回度越大。当吸力小于3 kPa时，在最优含水率下制备试样的滞回度大于同一干密度下在击实曲线干侧或湿侧制备试样的滞回度；当吸力大于3 kPa小于100 kPa时，压实试样均具有相对较高的滞回度，其中在最优含水率下和击实曲线湿侧制备试样的滞回度差异较明显。

(3) 在最优含水率下压实试样的屈服应力相对较大，而制样含水率过低(击实曲线干侧)或过高(击实曲线湿侧)屈服应力都会导致屈服应力减小，且击实曲线干侧屈服应力的减小程度更大一些。

(4) 压实度从96%减小到71%，增湿变形系数增大10倍，说明降低密实度会显著增大黄土的增湿变形。同一干密度下，在最优含水率下击实的试样增湿变形相对最大，在击实曲线干侧击实比在湿侧击实更能减小增湿变形。