非飽和黃土浸水后變形特性研究
我國是世界上黃土分布最廣泛的地區(qū)，而且在我國西北地區(qū)黃土地層也是最厚，最完整，分布連續(xù)，非常具有代表性。
由于黃土濕陷變形具有突變性，非連續(xù)性和不可逆性，對工程產(chǎn)生的危害嚴重，其主要原因是對黃土浸水后的變形特性和浸水破壞機理認識不夠。所以有必要對黃土浸水后的變形特性和浸水破壞機理做進一步研究，建立系統(tǒng)的防治措施和設計計算方法，從而減少黃土濕陷對各種工程的危害。
1、研究現(xiàn)狀
經(jīng)研究，影響黃土濕陷性的微觀因素主要有黃土的微觀結構特征、顆粒組成、化學成分；宏觀因素主要有黃土的含水量和上覆壓力大小。
對于微觀因素的研究主要集中在以下幾個方面：通過對骨架顆粒的微觀結構變形分析，認為黃土的濕陷過程就是骨架顆粒的分解和重新排布的過程；而對孔隙的微觀結構變形分析認為黃土的濕陷過程是大孔隙破壞，中孔隙變形，小空隙、微空隙增多，空隙比減小的過程；而對膠結物質(zhì)的微觀結構變化分析認為黃土的濕陷破壞主要是土中骨架顆粒膠結的破壞。在外力作用下，黃土顆粒原先的粒間膠結力遭到破壞，骨架顆粒脫離原先膠結力的約束而重新排列。
對于宏觀因素的研究主要集中在以下幾個方面：對于含水量的研究表明，隨初始水量的增大，結構強度連續(xù)降低，而且在低含水量下的降低幅度遠大于高含水量下的降低幅度;對于上覆應力的研究表明，根據(jù)上覆應力的性質(zhì)可分為自重濕陷性黃土和非自重濕陷性黃土兩類，前者是指那些在自重壓力下浸水濕陷的黃土，這種黃土浸水后對構筑物危害極大，即使本身荷重不大的構筑物（公路、鐵路和機場跑道）受水浸后也會下沉；后者是指在土自重壓力下浸水不發(fā)生濕陷，只有在一定附加荷重下浸水才會濕陷的黃土。
本研究項目是交通部西部黃土課題的延續(xù)，現(xiàn)場試驗目前基本已經(jīng)完成，進行了部分室內(nèi)試驗，已經(jīng)獲得的試驗資料包括：黃土的物理性質(zhì)、力學性質(zhì)、化學成份和粘土礦物成份四項。通過對于已有資料進行分析，確定濕陷系數(shù)與浸水時間、含水量的關系。
2、試驗內(nèi)容
黃土具有特殊的工程性質(zhì)，為了更好的了解黃土的性質(zhì)，做好現(xiàn)場試驗研究，在對黃土路基進行現(xiàn)場試驗研究之前，對所選定的銀古路輔路K13+140~200試驗路段黃土的物理、水理及力學性質(zhì)進行了現(xiàn)場取樣和室內(nèi)土工試驗，共?。督M原狀土樣和３組擾動土樣。本研究是交通部西部黃土課題的延續(xù)。
（1）土的物理性質(zhì)試驗：主要有顆粒分析試驗、天然含水量、天然密度和干密度、比重、孔隙比、飽和度試驗、滲透性試驗和液、塑限等試驗。
（2）土的力學試驗：主要有直接抗剪強度試驗、三軸排水固結試驗、無側限抗壓強度試驗、壓縮試驗。
（3）土的化學成份分析：主要分析了黃土的化學成份。
（4）土的粘土礦物成份分析：主要進行了黃土的Ｘ射線定量分析。
（5）黃土水理性質(zhì)試驗：滲透試驗、濕陷試驗
3、試驗結果及分析
3.1顆粒分析試驗
見表1所示,分別對６組原狀土樣和３組擾動土樣進行了顆粒分析試驗。
表1銀古高速公路輔路K13+140～200顆粒分析試驗
檢測號 15376 15377 15378 15379 15380 15381 15382 15383 15384
送樣號 1-⑴ 1-⑵ 2-⑴ 3-⑴ 3-⑵ 4-⑴ A B C
取樣深度 1.0~1.5 1.0~1.5 1.0~1.5 1.0~1.5 1.0~1.5 1.0~1.5 擾動(重塑土) 擾動(重塑土) 擾動 (重塑土)
粒徑0.5~0.25/mm 0 0 0 0 4.3 0 0 1.3 0
粒徑0.25~0.075/mm 1 0 14 0 46 0 18.3 4.7 0
粒徑0.075~0.005mm 34.8 22 63.4 20.3 37.2 91.2 61.3 34.7 73.3
粒徑<0.005/mm 64.2 78 22.6 79.7 12.5 8.8 20.4 59.3 26.7
從顆粒分析試驗可以看出，該處地基土的主要為顆粒均小于0.25 mm的粉狀黃土，粉粒直徑為(0.75~0.005mm），少數(shù)土樣是以粘粒（＜0.005mm）為主的粉質(zhì)粘土或以粉砂粒(0.25~0.075mm)為主的粉砂。從黃土的顆粒分析結果可知，該區(qū)黃土為近源風積為主，顆粒主要為粉粒，含有較多的粉砂粒。
3.2 黃土樣物理性質(zhì)試驗：分別對６組原狀土樣和３組擾動土樣進行了土的物理性質(zhì)試驗。
根據(jù)土的物理性質(zhì)試驗分析可知，該試驗段粉狀黃土的天然含水量一般在10%左右，天然密度1.60~1.71g/cm3，干密度為1.45~158g/cm3，飽和度為32.6~31.9%，天然孔隙比為0.697~0.848，說明該段黃土由于粉粒含量較高，并含有少量粉砂粒，導致黃土具有較大的干密度和較小的孔隙比，并且具有較好的透氣性和透水性，所以該黃土具有較低的天然含水量。
由黃土的稠度分析指標可知，黃土的液限較低，一般為21.2~27.4%，說明該黃土由于粉粒含量較高，在較低的含水量時即可產(chǎn)生液化，導致黃土的濕陷和破壞。所以黃土路基的病害防治應以防水為主，并輔以其它的工程措施。
3.3 濕陷試驗：土樣的濕陷試驗結果見表2。
表2 銀古高速公路輔路K13+140～200黃土的濕陷性試驗
檢測號 15376 15377 15378 15379 15380 15381 15382 15383 15384
送樣號 1-(1) 1-(2) 2-(1) 3-(1) 3-(2) 4-(1) A B C
取樣深度 1.0~1.5 1.0~1.5 1.0~1.5 1.0~1.5 1.0~1.5 1.0~1.5 擾動
(重塑土) 擾動
(重塑土) 擾動
(重塑土)
濕陷系數(shù)
/200kPa 0.008 0 0.054 0 0.031 0.006 0 0 0
濕陷起始
壓力/kPa 25.6 10.1
濕陷試驗表明，只有2-（1） 和3-（2）兩個土樣濕陷較為明顯，為中等濕陷性黃土（濕陷系數(shù)為0.03～0.07之間），其他土樣濕陷性均不明顯。
在對土樣的室內(nèi)研究中，除了對土樣的一般物理性質(zhì)進行試驗外，還對土樣的濕陷性與浸水的關系進行了研究，不僅對試驗路段的黃土進行了研究，還對其它路段的黃土浸水特性進行了對比研究。如黃土的變形量與浸水時間的關系、濕陷量與含水量及飽和度的關系，為土工材料在道路病害中的防治方法提供了依據(jù)。
黃土浸水時間與濕陷變形系數(shù)關系，寧夏黃土的濕陷產(chǎn)生和一般黃土的濕陷性質(zhì)一樣，均為快速形成，但不同地區(qū)由于黃土的顆粒組成和化學成份不同，濕陷產(chǎn)生的速度不同，在西部和北部地區(qū)，由于接近顆粒源區(qū)，顆粒直徑相對較大，并含有較多的可溶鹽類，粒間接觸以點接觸為主，可溶鹽充填，孔隙類型以架空孔隙為主，在受到水浸后，可溶鹽的運移需要一個過程，產(chǎn)生濕陷的速度相對較慢，濕陷變形量也相對較小，大約產(chǎn)生濕陷的過程需要10～20分鐘，而南部和東部地區(qū)黃土，顆粒較細，礦物顆粒多呈片狀，孔隙多為絮狀結構，易被壓縮而產(chǎn)生快速的壓縮變形，導致濕陷的形成，而且濕陷變形量往往較大，產(chǎn)生濕陷的過程較短，一般在幾十秒內(nèi)即形成大范圍的濕陷。
當黃土處于干燥狀態(tài)時，黃土的變形系數(shù)很小；當黃土的含水量增加，變形系數(shù)隨著含水量的增加而明顯增大；當含水量達到一定程度時，含水量增加而變形系數(shù)趨于一穩(wěn)定值；然后隨著黃土的含水量的繼續(xù)增加，到某一極限值后，黃土的含水量增加，變形系數(shù)再次明顯增加。
在黃土的增濕變形過程中，黃土的變形系數(shù)變化經(jīng)歷了兩次快速增加的過程，第一階段即黃土的含水量增加，黃土的變形系數(shù)增大的過程，也即黃土隨著含水量的增加產(chǎn)生濕陷的過程，當黃土的含水量增加到20%左右時，變形系數(shù)不再增加，即濕陷系數(shù)趨于穩(wěn)定或逐漸減小，至含水量增加到25%左右時，黃土的變形量基本穩(wěn)定，濕陷性基本消失。第二階段是當黃土原含水量增加到25%以后，隨著黃土含水量的增加，黃土所產(chǎn)生的變形繼續(xù)增加，即黃土開始產(chǎn)生液化變形，在一定的壓力作用下，黃土顆粒間粘結力消失，產(chǎn)生快速變形而黃土產(chǎn)生結構破壞，呈液態(tài)形式，這是黃土含水量增加產(chǎn)生液化的階段。
當黃土處于干燥狀態(tài)時，黃土的變形系數(shù)很?。划旤S土的飽和度增加，變形系數(shù)隨著飽和度的增加而明顯增大；當含水量達到一定程度時，飽和度增加而變形系數(shù)趨于某一穩(wěn)定值；然后隨著黃土的飽和度的繼續(xù)增加，到某一極限值后，黃土的飽和度增加，變形系數(shù)再次明顯增加。這一規(guī)律與黃土的含水量和變形系數(shù)關系一致。
4、結論
本研究是交通部西部黃土課題的延續(xù)，研究重點濕對試驗數(shù)據(jù)進行整理、分析，從而獲得濕陷變形系數(shù)于浸水時間、含水量之間的關系，得出結論如下：
（1）黃土浸水初期，濕陷變形系數(shù)迅速增加。經(jīng)過10～20分鐘，濕陷變形趨于穩(wěn)定。濕陷變形速度的不同是由于黃土的微觀結構存在差異而造成的。
（2）當含水量較低時，濕陷變形系數(shù)隨含水量的增大而增大；當含水量達到某一定值時，黃土的濕陷變形系數(shù)呈階梯狀增長；當含水量超過25%后，黃土產(chǎn)生液化。
（3）黃土的飽和度和變形系數(shù)關系與黃土的含水量和變形系數(shù)關系一致。
由于黃土濕陷變形具有突變性，非連續(xù)性和不可逆性，對工程產(chǎn)生的危害嚴重，其主要原因是對黃土浸水后的變形特性和浸水破壞機理認識不夠。所以有必要對黃土浸水后的變形特性和浸水破壞機理做進一步研究，建立系統(tǒng)的防治措施和設計計算方法，從而減少黃土濕陷對各種工程的危害。
1、研究現(xiàn)狀
經(jīng)研究，影響黃土濕陷性的微觀因素主要有黃土的微觀結構特征、顆粒組成、化學成分；宏觀因素主要有黃土的含水量和上覆壓力大小。
對于微觀因素的研究主要集中在以下幾個方面：通過對骨架顆粒的微觀結構變形分析，認為黃土的濕陷過程就是骨架顆粒的分解和重新排布的過程；而對孔隙的微觀結構變形分析認為黃土的濕陷過程是大孔隙破壞，中孔隙變形，小空隙、微空隙增多，空隙比減小的過程；而對膠結物質(zhì)的微觀結構變化分析認為黃土的濕陷破壞主要是土中骨架顆粒膠結的破壞。在外力作用下，黃土顆粒原先的粒間膠結力遭到破壞，骨架顆粒脫離原先膠結力的約束而重新排列。
對于宏觀因素的研究主要集中在以下幾個方面：對于含水量的研究表明，隨初始水量的增大，結構強度連續(xù)降低，而且在低含水量下的降低幅度遠大于高含水量下的降低幅度;對于上覆應力的研究表明，根據(jù)上覆應力的性質(zhì)可分為自重濕陷性黃土和非自重濕陷性黃土兩類，前者是指那些在自重壓力下浸水濕陷的黃土，這種黃土浸水后對構筑物危害極大，即使本身荷重不大的構筑物（公路、鐵路和機場跑道）受水浸后也會下沉；后者是指在土自重壓力下浸水不發(fā)生濕陷，只有在一定附加荷重下浸水才會濕陷的黃土。
本研究項目是交通部西部黃土課題的延續(xù)，現(xiàn)場試驗目前基本已經(jīng)完成，進行了部分室內(nèi)試驗，已經(jīng)獲得的試驗資料包括：黃土的物理性質(zhì)、力學性質(zhì)、化學成份和粘土礦物成份四項。通過對于已有資料進行分析，確定濕陷系數(shù)與浸水時間、含水量的關系。
2、試驗內(nèi)容
黃土具有特殊的工程性質(zhì)，為了更好的了解黃土的性質(zhì)，做好現(xiàn)場試驗研究，在對黃土路基進行現(xiàn)場試驗研究之前，對所選定的銀古路輔路K13+140~200試驗路段黃土的物理、水理及力學性質(zhì)進行了現(xiàn)場取樣和室內(nèi)土工試驗，共?。督M原狀土樣和３組擾動土樣。本研究是交通部西部黃土課題的延續(xù)。
（1）土的物理性質(zhì)試驗：主要有顆粒分析試驗、天然含水量、天然密度和干密度、比重、孔隙比、飽和度試驗、滲透性試驗和液、塑限等試驗。
（2）土的力學試驗：主要有直接抗剪強度試驗、三軸排水固結試驗、無側限抗壓強度試驗、壓縮試驗。
（3）土的化學成份分析：主要分析了黃土的化學成份。
（4）土的粘土礦物成份分析：主要進行了黃土的Ｘ射線定量分析。
（5）黃土水理性質(zhì)試驗：滲透試驗、濕陷試驗
3、試驗結果及分析
3.1顆粒分析試驗
見表1所示,分別對６組原狀土樣和３組擾動土樣進行了顆粒分析試驗。
表1銀古高速公路輔路K13+140～200顆粒分析試驗
檢測號 15376 15377 15378 15379 15380 15381 15382 15383 15384
送樣號 1-⑴ 1-⑵ 2-⑴ 3-⑴ 3-⑵ 4-⑴ A B C
取樣深度 1.0~1.5 1.0~1.5 1.0~1.5 1.0~1.5 1.0~1.5 1.0~1.5 擾動(重塑土) 擾動(重塑土) 擾動 (重塑土)
粒徑0.5~0.25/mm 0 0 0 0 4.3 0 0 1.3 0
粒徑0.25~0.075/mm 1 0 14 0 46 0 18.3 4.7 0
粒徑0.075~0.005mm 34.8 22 63.4 20.3 37.2 91.2 61.3 34.7 73.3
粒徑<0.005/mm 64.2 78 22.6 79.7 12.5 8.8 20.4 59.3 26.7
從顆粒分析試驗可以看出，該處地基土的主要為顆粒均小于0.25 mm的粉狀黃土，粉粒直徑為(0.75~0.005mm），少數(shù)土樣是以粘粒（＜0.005mm）為主的粉質(zhì)粘土或以粉砂粒(0.25~0.075mm)為主的粉砂。從黃土的顆粒分析結果可知，該區(qū)黃土為近源風積為主，顆粒主要為粉粒，含有較多的粉砂粒。
3.2 黃土樣物理性質(zhì)試驗：分別對６組原狀土樣和３組擾動土樣進行了土的物理性質(zhì)試驗。
根據(jù)土的物理性質(zhì)試驗分析可知，該試驗段粉狀黃土的天然含水量一般在10%左右，天然密度1.60~1.71g/cm3，干密度為1.45~158g/cm3，飽和度為32.6~31.9%，天然孔隙比為0.697~0.848，說明該段黃土由于粉粒含量較高，并含有少量粉砂粒，導致黃土具有較大的干密度和較小的孔隙比，并且具有較好的透氣性和透水性，所以該黃土具有較低的天然含水量。
由黃土的稠度分析指標可知，黃土的液限較低，一般為21.2~27.4%，說明該黃土由于粉粒含量較高，在較低的含水量時即可產(chǎn)生液化，導致黃土的濕陷和破壞。所以黃土路基的病害防治應以防水為主，并輔以其它的工程措施。
3.3 濕陷試驗：土樣的濕陷試驗結果見表2。
表2 銀古高速公路輔路K13+140～200黃土的濕陷性試驗
檢測號 15376 15377 15378 15379 15380 15381 15382 15383 15384
送樣號 1-(1) 1-(2) 2-(1) 3-(1) 3-(2) 4-(1) A B C
取樣深度 1.0~1.5 1.0~1.5 1.0~1.5 1.0~1.5 1.0~1.5 1.0~1.5 擾動
(重塑土) 擾動
(重塑土) 擾動
(重塑土)
濕陷系數(shù)
/200kPa 0.008 0 0.054 0 0.031 0.006 0 0 0
濕陷起始
壓力/kPa 25.6 10.1
濕陷試驗表明，只有2-（1） 和3-（2）兩個土樣濕陷較為明顯，為中等濕陷性黃土（濕陷系數(shù)為0.03～0.07之間），其他土樣濕陷性均不明顯。
在對土樣的室內(nèi)研究中，除了對土樣的一般物理性質(zhì)進行試驗外，還對土樣的濕陷性與浸水的關系進行了研究，不僅對試驗路段的黃土進行了研究，還對其它路段的黃土浸水特性進行了對比研究。如黃土的變形量與浸水時間的關系、濕陷量與含水量及飽和度的關系，為土工材料在道路病害中的防治方法提供了依據(jù)。
黃土浸水時間與濕陷變形系數(shù)關系，寧夏黃土的濕陷產(chǎn)生和一般黃土的濕陷性質(zhì)一樣，均為快速形成，但不同地區(qū)由于黃土的顆粒組成和化學成份不同，濕陷產(chǎn)生的速度不同，在西部和北部地區(qū)，由于接近顆粒源區(qū)，顆粒直徑相對較大，并含有較多的可溶鹽類，粒間接觸以點接觸為主，可溶鹽充填，孔隙類型以架空孔隙為主，在受到水浸后，可溶鹽的運移需要一個過程，產(chǎn)生濕陷的速度相對較慢，濕陷變形量也相對較小，大約產(chǎn)生濕陷的過程需要10～20分鐘，而南部和東部地區(qū)黃土，顆粒較細，礦物顆粒多呈片狀，孔隙多為絮狀結構，易被壓縮而產(chǎn)生快速的壓縮變形，導致濕陷的形成，而且濕陷變形量往往較大，產(chǎn)生濕陷的過程較短，一般在幾十秒內(nèi)即形成大范圍的濕陷。
當黃土處于干燥狀態(tài)時，黃土的變形系數(shù)很小；當黃土的含水量增加，變形系數(shù)隨著含水量的增加而明顯增大；當含水量達到一定程度時，含水量增加而變形系數(shù)趨于一穩(wěn)定值；然后隨著黃土的含水量的繼續(xù)增加，到某一極限值后，黃土的含水量增加，變形系數(shù)再次明顯增加。
在黃土的增濕變形過程中，黃土的變形系數(shù)變化經(jīng)歷了兩次快速增加的過程，第一階段即黃土的含水量增加，黃土的變形系數(shù)增大的過程，也即黃土隨著含水量的增加產(chǎn)生濕陷的過程，當黃土的含水量增加到20%左右時，變形系數(shù)不再增加，即濕陷系數(shù)趨于穩(wěn)定或逐漸減小，至含水量增加到25%左右時，黃土的變形量基本穩(wěn)定，濕陷性基本消失。第二階段是當黃土原含水量增加到25%以后，隨著黃土含水量的增加，黃土所產(chǎn)生的變形繼續(xù)增加，即黃土開始產(chǎn)生液化變形，在一定的壓力作用下，黃土顆粒間粘結力消失，產(chǎn)生快速變形而黃土產(chǎn)生結構破壞，呈液態(tài)形式，這是黃土含水量增加產(chǎn)生液化的階段。
當黃土處于干燥狀態(tài)時，黃土的變形系數(shù)很?。划旤S土的飽和度增加，變形系數(shù)隨著飽和度的增加而明顯增大；當含水量達到一定程度時，飽和度增加而變形系數(shù)趨于某一穩(wěn)定值；然后隨著黃土的飽和度的繼續(xù)增加，到某一極限值后，黃土的飽和度增加，變形系數(shù)再次明顯增加。這一規(guī)律與黃土的含水量和變形系數(shù)關系一致。
4、結論
本研究是交通部西部黃土課題的延續(xù)，研究重點濕對試驗數(shù)據(jù)進行整理、分析，從而獲得濕陷變形系數(shù)于浸水時間、含水量之間的關系，得出結論如下：
（1）黃土浸水初期，濕陷變形系數(shù)迅速增加。經(jīng)過10～20分鐘，濕陷變形趨于穩(wěn)定。濕陷變形速度的不同是由于黃土的微觀結構存在差異而造成的。
（2）當含水量較低時，濕陷變形系數(shù)隨含水量的增大而增大；當含水量達到某一定值時，黃土的濕陷變形系數(shù)呈階梯狀增長；當含水量超過25%后，黃土產(chǎn)生液化。
（3）黃土的飽和度和變形系數(shù)關系與黃土的含水量和變形系數(shù)關系一致。
本文標簽：非飽和黃土浸水后變形特性研究
* 由于無法獲得聯(lián)系方式等原因，本網(wǎng)使用的文字及圖片的作品報酬未能及時支付，在此深表歉意，請《非飽和黃土浸水后變形特性研究》相關權利人與機電之家網(wǎng)取得聯(lián)系。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
VIP公司推薦
|
|
|
|
|
|
|
|