潘 蕾， 張遠芳， 陳敬知， 張運海

(新疆農(nóng)業(yè)大學 水利與土木工程學院， 新疆 烏魯木齊 830052)

1 研究背景

對于黃土結(jié)構性的認知最早始于其特殊的濕陷性，為研究濕陷的形成機制，國內(nèi)外學者對各地區(qū)黃土做了大量研究工作，分別提出了相應的濕陷機理。縱觀各濕陷機理，其假定成立的前提都是黃土特有的“低密度，大孔隙”的結(jié)構特性，在此特定條件下，土體才會發(fā)生結(jié)構破壞和較大的變形。因此，對黃土結(jié)構性的認知途徑基本從“大孔隙、架空結(jié)構的失穩(wěn)破壞”出發(fā)，從多個角度進行黃土結(jié)構性的論述，而其中最直接有效地反映結(jié)構性變化的物理指標應為孔隙比，因孔隙比可以從宏觀上對土體骨架的排列狀態(tài)進行真實地量化反映。

我國學者從變形的角度已建立了諸多黃土結(jié)構參數(shù)模型，并對黃土結(jié)構性進行了量化的表達，極大地加深了對黃土結(jié)構性的認知程度。謝定義等[1]在20世紀末提出了“綜合結(jié)構勢”，通過對比不同狀態(tài)下土樣的壓縮變形量得到結(jié)構性參數(shù)；田堪良等[2]通過壓縮變形量差值的對比，得出“靜力強度勢參數(shù)”并區(qū)分了聯(lián)結(jié)強度和摩擦強度；陳存禮等[3]通過壓縮曲線得到結(jié)構屈服應力，并建立了e-lnp的函數(shù)關系式。黨進謙等[4]對含水量與黃土結(jié)構強度的關系進行了分析。王麗琴等[5]、邵生俊等[6]在得到構度的基礎上，得出以孔隙比為變量的結(jié)構屈服應力表達式。劉海松等[7]在大量資料的基礎上，對黃土結(jié)構強度與濕陷性的關系進行了分析。周茗如等[8]討論了濕陷系數(shù)與壓力、初始含水率、初始結(jié)構強度的關系。高凌霞等[9]通過電鏡掃描分析了不同含水率與固結(jié)壓力對濕陷性的影響差異；胡仲有等[10]對不同地區(qū)黃土的結(jié)構性和濕陷性進行了對比分析，發(fā)現(xiàn)在超過一定壓力后，結(jié)構性參數(shù)與濕陷系數(shù)隨含水率的變化規(guī)律一致。陳存禮等[11-12]根據(jù)孔隙比定義了一個定量結(jié)構性參數(shù)，認為濕陷系數(shù)受結(jié)構性影響的規(guī)律是相同的。

2 試驗基本情況

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆昌吉市北部(44°20′42″N，87°20′43″E,平均海拔高度554 m)，地處天山北麓、準格爾盆地南緣，整個地勢由南向北呈階梯狀下降，南北高差超過4 000 m，南部主要為山地，中部為沖積平原，北部沙漠屬古爾班通古特大沙漠一部分，沙丘為固定和半固定型，丘間地勢平坦。該地屬中溫帶區(qū)，為典型的溫帶大陸性干旱氣候，降水主要出現(xiàn)在春夏兩季，南部山區(qū)氣候特征明顯，北部區(qū)域沙漠性氣候特征顯著，故研究區(qū)極其干燥缺水。

2.2 試驗土樣

試驗土樣于2017年6月下旬采集，取自研究區(qū)內(nèi)一處新建構筑物地基，該地6月份地下水埋深約25～30 m，20 m深度范圍內(nèi)為黃土層或類黃土層，土層呈淡黃色無層理結(jié)構，柱狀節(jié)理發(fā)育，經(jīng)取樣觀察發(fā)現(xiàn)，4 m內(nèi)土層中原生閉合斜節(jié)理占主要部分。原地表層由雜草、紅柳等灌木覆蓋，故土體表層1～2 m內(nèi)根系發(fā)育，3 m內(nèi)土層分布肉眼可見大孔隙，多為樹根腐爛后的根洞和蟲孔，直徑可達14～16 mm。

試驗土樣共分為2組，分別取自4 m以內(nèi)不同埋深的土層，根據(jù)土工試驗規(guī)范[13]對土樣的基本物理參數(shù)進行了測定，如表1所示。試驗測得土體的塑性指數(shù)約介于9～10之間，采用朱慕仁[14]所提出的根據(jù)塑性指數(shù)的分類方法，可進一步將試驗土體劃分為輕砂質(zhì)粉黃土。根據(jù)顆分試驗結(jié)果顯示，兩組的砂粒占比相同，黏粒含量(d≤0.005 mm) 分別為18%、17%，粉粒含量(0.05

表1 黃土基本參數(shù)

2.3 試驗方法

本次試驗主要從濕陷系數(shù)變化的角度對黃土體宏觀結(jié)構進行分析，試驗方法為常規(guī)的黃土濕陷性試驗，試驗變量為土體初始含水率。試驗在控制同組內(nèi)重塑土樣與原狀土樣干密度相同的條件下，分別對A、B兩組的原狀黃土和重塑黃土進行増濕、減濕下的濕陷性試驗，初始含水率階梯設置分別為3%、8%、13%、18%、23%，濕陷試驗采用雙線法進行。

3 濕陷系數(shù)與黃土宏觀結(jié)構

3.1 濕陷系數(shù)對結(jié)構性詮釋

濕陷系數(shù)δs是指單位厚度的土樣所產(chǎn)生的濕陷變形，是判定黃土濕陷性的定量指標，由室內(nèi)壓縮試驗測定[15]，可用孔隙比進行表達[16]：

(1)

式中：h0為初始土樣厚度，mm；e0為初始孔隙比；Δhs為浸水飽和與原含水率試樣壓縮量差值，mm；hp為某壓力下原含水試樣壓縮曲線縱坐標，mm；hpb為某壓力下飽和試樣壓縮曲線縱坐標，mm；ePb,i為飽和試樣在某級荷載壓縮后的孔隙比；ep,i為原含水試樣某級荷載壓縮后的孔隙比。

公式(1)給出了孔隙比的變化率和濕陷系數(shù)之間的關系，式中的孔隙比由3部分組成：初始孔隙比以及某級荷載下浸水飽和土樣孔隙比、某級荷載下原含水率土樣孔隙比。對于初始干密度相同的同一組土樣，初始孔隙比e0為常數(shù)，則1/(1+e0)表示的是初始狀態(tài)下土顆粒的分布，且一般認為土顆粒不具有壓縮性，則濕陷系數(shù)的變化僅來自于2種工況在不同荷載下土體孔隙比的差異，孔隙比雖不能直接反映黃土中“開放的亞穩(wěn)態(tài)架空結(jié)構”，但在宏觀上可以對土體的結(jié)構狀態(tài)加以體現(xiàn)。如上文所述，濕陷系數(shù)在工程中已有較成熟的實踐經(jīng)驗，且濕陷系數(shù)與孔隙比存在上述關系，在此將孔隙比替換為濕陷系數(shù)，可以利用濕陷系數(shù)對黃土結(jié)構性進行描述。

對此，從靜力勢能的角度出發(fā)對黃土結(jié)構性進行解讀：濕陷系數(shù)表示了壓力和浸水飽和共同作用下產(chǎn)生的額外附加變形量，則額外附加變形量是指土體在抵抗相同外力時，由于浸水飽和作用導致土體結(jié)構性的削弱或喪失的結(jié)果；同時濕陷系數(shù)是指單位厚度土樣所產(chǎn)生的濕陷變形，故濕陷系數(shù)表征了單位厚度原含水率土體與飽和土體之間浸水飽和作用產(chǎn)生的結(jié)構性差異，這種差異是對土體宏觀結(jié)構變化上的表達。

3.2 濕陷系數(shù)對土體宏觀結(jié)構的表達

對A、B兩組的原狀樣和重塑樣進行増濕、減濕下的濕陷性試驗，試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 濕陷系數(shù)曲線

原狀黃土和重塑黃土都表現(xiàn)出隨初始含水率的增大濕陷系數(shù)逐漸減小的特征。分析現(xiàn)象產(chǎn)生的原因：當含水率較低時土體粒間水膜較薄，水膜的潤滑作用對粒間摩擦力和黏聚力的影響弱，則土體結(jié)構抵抗上覆荷載能力較強。同時在黃土骨架顆粒聯(lián)結(jié)部位通常包裹有黏土膜和鹽晶膜，共同形成了聯(lián)接結(jié)構強度，在水的作用下顆粒間的接觸黏膜被侵蝕，少量的結(jié)晶、黏膠顆粒溶解脫落，導致接觸聯(lián)結(jié)強度降低。此外隨含水率逐漸增加，粒間自由水增多，土顆粒更易發(fā)生位移，在水、土、力的耦合作用下導致黃土的濕陷系數(shù)降低幅度逐漸增大，當含水率(飽和度)較大后，粒間水膜的潤滑作用逐漸削弱。

上述分析表明初始含水率不同，土體原始結(jié)構也明顯不同：隨著含水率的增大，土體的原始結(jié)構遭到了削弱，較大含水率土體和浸水飽和土體結(jié)構性的差異變小，在濕陷曲線上表現(xiàn)為逐級下降。這進一步驗證了濕陷系數(shù)可以對黃土宏觀結(jié)構性進行有效地表達。

濕陷系數(shù)曲線通常會在某一荷載時達到峰值，隨后呈下降或平緩趨勢。如圖1(a)、1(b)所示，原狀黃土的濕陷曲線存在較明顯的峰值，隨荷載的持續(xù)增大濕陷系數(shù)逐漸減小，曲線下跌，最后呈平緩狀；重塑黃土則無明顯峰值出現(xiàn)(圖1(c)、1(d))，在濕陷系數(shù)達到峰值后曲線直接進入平緩狀態(tài)。濕陷曲線的走勢實則是濕陷系數(shù)增量發(fā)生變化的結(jié)果，因此從濕陷系數(shù)的增量上對濕陷系數(shù)曲線進行分析：

如公式(1)所示，濕陷系數(shù)δs=(hp-hpb)/h0，則濕陷系數(shù)的增量Δδs表示下級荷載對附加變形量的作用大小，對濕陷系數(shù)的增量進行推導，為公式的簡潔性，此處將濕陷系數(shù)δs簡化為δ表示，同樣代表飽水濕陷系數(shù)：

(2)

式中：δi為土體在pi荷載下的濕陷系數(shù)；hi為原含水率土體在pi荷載下穩(wěn)定后的高度，mm；hk為飽和土體在Pi荷載下變形穩(wěn)定后的高度，mm；hsi為飽和土體在Pi+1荷載下的變形增量，mm；hci為原含水率土體在Pi+1荷載下的變形增量，mm。

由公式(2)可知濕陷系數(shù)的變化代表了原含水率土體壓縮增量與飽和土體壓縮增量的差值，當濕陷系數(shù)增大時，曲線呈上升狀態(tài)Δδ>0，浸水飽和土體的壓縮增量大于原含水率土體的壓縮增量，同時濕陷系數(shù)代表浸水飽和作用產(chǎn)生的結(jié)構性削弱，因此當濕陷曲線處于上升階段時，兩種工況下土體的結(jié)構性差異是逐漸增大的，在達到濕陷系數(shù)峰值時表明荷載作用下，浸水飽和作用產(chǎn)生的結(jié)構削弱程度最大。

曲線下降階段Δδ<0，即Δhsi<Δhci，表明在達到一定荷載時，浸水飽和土體的變形增量小于原含水率土體的變形增量，分析原因：飽和土體的壓縮系數(shù)大于原含水率土體，在前期荷載作用下，飽和土體已達到較大壓縮量，原含水率土體尚有更大的壓縮空間，壓縮系數(shù)的改變實則是浸水飽和對土體結(jié)構的削弱效果。

曲線平緩段Δδ→0，即Δhsi→Δhci，即在達到較大荷載時，浸水飽和土體的變形增量與原含水率土體的變形增量近似相等。此時浸水飽和與原含水率土體抵抗同等荷載時所產(chǎn)生的變形增量近似相同，說明兩種工況下的土體結(jié)構已具有相似的穩(wěn)定性，此時結(jié)構性差異達到最小狀態(tài)。

在相同初始條件下，濕陷系數(shù)會隨上覆荷載發(fā)生變化，因此濕陷系數(shù)更適用于描述土體結(jié)構性的改變，可以分析出在不同工況下土體結(jié)構穩(wěn)定性和可變性的發(fā)展趨勢。

4 黃土結(jié)構的可穩(wěn)性及可變性

可穩(wěn)性是指破壞土體初始結(jié)構的難易程度，可變性是指土結(jié)構破壞后土變形增大、強度降低的大小程度[11]。

由上文分析可知，濕陷系數(shù)表征了浸水飽和作用產(chǎn)生的土體結(jié)構性差異。因此，認為當濕陷系數(shù)上升至峰值段為土體原生結(jié)構的破壞階段，結(jié)構性差異逐漸顯著，該階段代表了土體的“可穩(wěn)性”，濕陷系數(shù)的峰值大小表示了土體由于浸水飽和作用產(chǎn)生的結(jié)構性削弱程度，則濕陷系數(shù)峰值愈大，土體的可穩(wěn)性愈弱。

濕陷系數(shù)的下降、平緩段為土體次生結(jié)構的愈合階段，原含水率土體與浸水飽和土體壓縮增量差值逐漸減小，表明土體結(jié)構破壞后的附加變形量減小、土體結(jié)構性差異逐漸削弱，故該階段代表了土體的“可變性”，在曲線上表現(xiàn)為：峰值點后曲線的降低幅度，降低幅度越大表明原含水率土體在該荷載下的變形越大，則土體“可變性”越大。

推導如上文3.2節(jié)中公式(2)。當處于下降階段時，浸水飽和土體的壓縮量已達較大值，Δhsi開始逐漸減小，而原含水率Δhci的減緩速率相對慢的多，Δδ的絕對值開始增大(下降階段Δδ為負值)，總的濕陷值δ隨之變小，當上覆荷載達到足夠大時，原含水率土體和飽和土體的壓縮增量都趨于穩(wěn)定，開始進入平穩(wěn)階段。因此，濕陷系數(shù)降低階段的下降幅度代表了原含水率土體結(jié)構破壞后的變形量，即“可變性”。

原狀黃土的濕陷過程包含了上升、下降、平穩(wěn)3個階段。上升段主要為土體原生結(jié)構破壞過程，隨初始含水率的增大濕陷系數(shù)峰值減小，即低含水率下原狀黃土的結(jié)構性較強，意味著土體遇水后附加變形量大，更易失穩(wěn)，土體有“弱可穩(wěn)性”。隨著初始含水率的增加濕陷曲線下降，附加變形量減小，意味著土體穩(wěn)定性增強向“強可穩(wěn)性”發(fā)展。

重塑黃土的濕陷過程通常僅包括上升、平緩段，上升段曲線增長速度相對緩慢，即重塑黃土比原狀黃土在同等上覆荷載下的濕陷系數(shù)小，表明重塑黃土有相對較強的可穩(wěn)性。無論原狀或重塑黃土，土體的“可穩(wěn)性”都隨含水率的增大而增大。

同時初始含水率的增加會影響濕陷系數(shù)下降階段的發(fā)展，導致原狀黃土的“可變性”減小。本次試驗中重塑黃土的濕陷系數(shù)達到峰值后沒有顯著的下降階段，“可變性”對含水率的變化并無明顯的相關性，重塑黃土結(jié)構破壞后一直保持著較小的“可變性”。

綜上，原狀、重塑黃土的“可穩(wěn)性”隨含水率增大而增強，原狀黃土的“可變性”隨含水率增大而減小，重塑黃土一直保持較小的“可變性”。歸納濕陷曲線進行分類如圖2所示，圖2(a)為原狀黃土濕陷曲線示意圖，隨初始含水率的增大曲線由①弱可穩(wěn)-強可變性逐漸向②強可穩(wěn)-弱可變發(fā)展；圖2(b)為重塑黃土濕陷曲線示意圖，隨初始含水率的增大由①弱可穩(wěn)-弱可變向②強可穩(wěn)-弱可變發(fā)展。

圖中：①含水率大于②

5 結(jié) 論

(1)基于濕陷系數(shù)從靜力勢能角度出發(fā)對黃土結(jié)構性進行解讀：濕陷系數(shù)表征了單位厚度原含水率土體與飽和土體之間浸水飽和作用產(chǎn)生的結(jié)構性差異，這種差異是對土體宏觀結(jié)構變化上的表達。

(2)對濕陷曲線和土體宏觀結(jié)構性關系進行了分析，濕陷系數(shù)峰值時浸水飽和作用產(chǎn)生的結(jié)構性削弱程度最大，濕陷系數(shù)下降段表示土體結(jié)構性差異的削弱，平緩段時原含水率與飽和土體的結(jié)構已具相似的穩(wěn)定性。

(3)根據(jù)濕陷系數(shù)與宏觀結(jié)構性的關系，從濕陷系數(shù)對黃土結(jié)構“可穩(wěn)性”及“可變性”進行了探討。隨著初始含水率的增大，原狀黃土由“弱可穩(wěn)-強可變”逐漸向“強可穩(wěn)-弱可變”發(fā)展，重塑黃土由“弱可穩(wěn)-弱可變”向“強可穩(wěn)-弱可變”發(fā)展。濕陷系數(shù)更適用于描述土體結(jié)構性的改變，可以分析出在不同工況下土體結(jié)構穩(wěn)定性和可變性的發(fā)展趨勢。