劉弋博 陳慧娥 許曉慧 郭浩天 李 慧

(吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，長春 130012，中國)

0 引 言

黃土廣泛分布于我國華北、西北等地。隨著黃土地區(qū)工程建設(shè)規(guī)模的不斷擴大，修筑在深、厚濕陷性黃土場地上的工程越來越多。由于濕陷性對工程安全穩(wěn)定的影響較大，因此濕陷性黃土的工程特性、濕陷量計算及其地基處理已經(jīng)成為21世紀黃土領(lǐng)域研究的難點與熱點(陳正漢等，2019)。近年來，林瑤(2019)研究了蘭州市彭家坪地區(qū)大厚度濕陷性黃土工程特性，邵生俊等(2013)對濕陷性黃土隧道的工程性質(zhì)進行了研究，楊校輝等(2014)進行了大厚度自重濕陷性黃土地基處理深度和濕陷性試驗，崔靖俞等(2019)對西寧地區(qū)不同深度原狀黃土濕陷性及微觀機理進行了探討，王雪浪(2012)對大厚度濕陷性黃土濕陷變形及地基處理機理開展了研究。隨著濕陷性黃土工程性質(zhì)研究的進行，人們逐步認識到對其非飽和濕陷性的研究存在不足。由于深厚濕陷性黃土地基浸水后不一定能達到完全飽和狀態(tài)，因此按照規(guī)范、經(jīng)驗以飽和黃土濕陷系數(shù)對地基變形、地質(zhì)災(zāi)害進行計算、評估，已不能很好地解決黃土地區(qū)工程建設(shè)存在的問題，所以黃土非飽和增濕變形的研究與計算就尤為重要。目前，已有學(xué)者對黃土非飽和濕陷性進行了相應(yīng)研究。姚志華等(2014)研究發(fā)現(xiàn)黃土濕陷量的計算值與其實測值之間存在差異，侯曉坤等(2016)提出了黃土非飽和濕陷變形的計算模型，邵顯顯(2018)、邵顯顯等(2019)對原狀黃土非飽和增濕變形特性以及壓實黃土非飽和增濕變形過程及其微觀機制進行了研究，周茗如等(2017)，高英等(2019)，吳光輝等(2016)對非飽和黃土增濕，減濕變形特性及結(jié)構(gòu)性等方面開展了研究，高帥等(2015)研究了非飽和原狀黃土增濕條件下的力學(xué)特性，高凌霞等(2013)開展了非飽和黃土土水特性與濕陷性關(guān)系的研究。

綜上所述，黃土非飽和濕陷性研究已經(jīng)積累了一定成果，但不同增濕條件下，非飽和黃土內(nèi)部含水率的變化及分布規(guī)律及由其產(chǎn)生的土體濕陷性的時空演化規(guī)律研究較少。文章以陜西省銅川市黃土為研究對象，從黃土非飽和增濕角度出發(fā)，對原狀非飽和黃土土柱進行不同目標含水率的增濕，研究不同時間段不同高度下的土柱含水率分布。同時研究不同增濕目標含水率下，時間及壓力因素對黃土土柱每層及整體非飽和濕陷特征的綜合影響，從而為黃土非飽和濕陷性的研究及評價提供一定的參考及依據(jù)。

1 土樣性質(zhì)及試驗方法

試驗土樣取自陜西省銅川市董家河鎮(zhèn)，東經(jīng)34°59′43.04″，北緯108°57′41.9″。通過探槽取土方式進行取樣，取樣現(xiàn)場如圖1所示。取土深度1.5～2im，樣品屬于Q3黃土，土質(zhì)稍濕，較為均勻。試樣粒度成分見圖2，黃土試樣粒徑在2～0.075imm間的砂粒含量為16.87%，粒徑在0.075～0.005imm間的粉粒含量為70.27%，粒徑小于0.005imm的黏粒含量為12.86%。土樣基本物理性質(zhì)指標如表1所示。

圖1 取樣現(xiàn)場

圖2 粒度分布

表1 黃土基本物理性質(zhì)指標

利用自制試驗裝置，對原狀典型黃土土樣(柱狀)進行增濕試驗。試樣尺寸為150imm×150imm×250imm，如圖3a所示。試驗裝置尺寸為150imm×150imm×300imm，如圖3b所示。裝置內(nèi)部上方設(shè)自制水槽，為土樣增濕，水槽尺寸為140imm×140imm×40imm。試樣飽和含水率為40%，采用水槽滴水法，將黃土土樣增濕目標含水率分別控制為21%，25%，30%。為確定水入滲過程中，土柱內(nèi)部含水率的分布情況，采用高周波含水率測定儀(如圖3c所示，型號JK-100，精度0.01%，量程0%～100%)分別在增濕后1ih、3ih、6ih、12ih、24ih量測土柱不同高度處225imm(第1層)、175imm(第2層)、125imm(第3層)、75imm(第4層)、25imm(第5層)黃土試樣的含水率如圖4a所示。試驗土樣共18個，其中3個用于含水率分布測試，另15個試樣分別于增濕1ih、3ih、6ih、12ih、24ih后，按不同深度分5層取樣，用以進行濕陷性實驗。

圖3 試驗土樣及設(shè)備

圖4 含水率測試點及分層取樣

含水率分布試驗中，將黃土土柱含水率從初始含水率(14.6%)分別增濕至21%、25%、30%。試驗過程中，根據(jù)每個黃土土柱的質(zhì)量、天然含水率及目標含水率計算增濕所需加水量，并倒入自制打孔水槽中，讓水均勻滴入土柱中。采用掃描深度50imm的高周波含水率測定儀分別于不同測試時間測定黃土土柱上下5層的質(zhì)量含水率，每個層面測量3次取其平均值。

濕陷性試驗中，每個黃土土柱達到指定增濕時間后，將增濕后的黃土土柱分5層切取標準環(huán)刀樣，環(huán)刀尺寸為61.8imm×20imm，如圖4b所示。濕陷性試驗的增濕目標含水率、含水率穩(wěn)定時間同含水率分布試驗。利用每層環(huán)刀的非飽和增濕濕陷變形量換算求出黃土土柱整體增濕變形量，用以確定整個黃土土柱的非飽和增濕濕陷系數(shù)。非飽和增濕濕陷系數(shù)參考現(xiàn)場雙線法靜載荷試驗，通過雙線法進行計算。對天然土塊上取出的標準環(huán)刀樣，在天然含水率狀態(tài)下進行固結(jié)試驗。對做完增濕試驗的環(huán)刀樣進行固結(jié)試驗。壓力依次為50ikPa、100ikPa、150ikPa、200ikPa、300ikPa。待每級壓縮變形穩(wěn)定后再施加下一級壓力，計算每級壓力下變形穩(wěn)定時環(huán)刀內(nèi)試樣的高度。非飽和增濕濕陷系數(shù)公式如式(1)所示。

(1)

式中：δus為非飽和增濕濕陷系數(shù)；hp為高壓固結(jié)試驗中，某級壓力下天然環(huán)刀試樣受壓變形穩(wěn)定后高度(mm)；h′p為高壓固結(jié)試驗中，增濕后土柱取出環(huán)刀試樣在相應(yīng)壓力下受壓變形穩(wěn)定后高度(mm)；h0為環(huán)刀試樣的原始高度(mm)。

2 含水率分布特征

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制土柱不同位置處，增濕過程中含水率隨時間變化曲線(圖5)。

圖5 不同目標含水率土樣各層含水率隨時間變化曲線

由圖5a可知，目標含水率為21%時，黃土土柱第1層與第2層含水率變化趨勢相近，隨時間增加迅速降低。第3層含水率先緩慢增加，3ih后緩慢下降，曲線與前兩層靠攏。第4層含水率緩慢增加，第5層含水率12ih后開始逐漸增加。對比發(fā)現(xiàn)24ih后前3層含水率分布較均勻，在20%～21%左右，第4、5層含水率相對較低，為19%左右。低增濕含水率時，黃土土柱內(nèi)含水率隨時間呈非均勻分布。

由圖5b可知，目標含水率為25%時，第1層與第2層含水率變化趨勢基本一致，第3層含水率隨時間快速增加，6ih后平緩下降并趨于穩(wěn)定。第4層含水率呈速率減小的增長趨勢。第5層含水率6ih開始逐漸增長向上層靠攏。24ih后前4層含水率分布較為均勻，集中在25%～26%，第5層含水率相對較低為23.5%。此時黃土土柱內(nèi)含水率分布開始由非均勻趨向均勻。

由圖5c可知，目標含水率為30%時，黃土土柱第1層含水率隨時間增加開始較快下降，3ih后開始緩慢下降，趨于穩(wěn)定。第2、3層變化趨勢大體一致。第2層含水率1ih開始緩慢下降，6ih后基本穩(wěn)定，第3層含水率保持穩(wěn)定。第4層含水率隨時間緩慢增加，第5層含水率隨時間快速增加，12ih后趨于穩(wěn)定。對比發(fā)現(xiàn)目標含水率為30%時，增濕24ih后土柱含水率分布均勻，均在28%～29%之間。表明隨著增濕目標含水率的增加，含水率分布趨向均勻。

綜上所述，目標增濕含水率不同時，土體不同位置處的含水率變化趨勢存在差異。研究所用黃土為粉質(zhì)黏土，土中微小孔隙及大孔隙均有分布(李萍等，2019)。水分在土樣中的入滲過程受非飽和土的土體基質(zhì)吸力及重力共同作用。增濕目標含水率較小時，由于加入水量較少，因此，在增濕初期入滲水量大部分集中于上部表層，且隨著時間增加緩慢入滲到土樣中部及下部。由于土體含水率較小，試樣中基質(zhì)吸力相對較大，因此重力對水的入滲過程影響較小，所以試樣內(nèi)水分分布不均勻(李同錄等，2019)。增濕目標含水率增大時，黃土顆粒間基質(zhì)吸力快速減弱，水受重力作用向下入滲，下層含水率增加速率增大，含水率分布開始趨于均勻，增濕含水率越高，黃土土柱含水率趨向均勻的時間越短。

3 非飽和濕陷性分析

3.1 土柱非飽和濕陷性演化及分布規(guī)律

基于試驗數(shù)據(jù)通過計算可得到黃土土柱不同位置處，在不同增濕含水率、增濕時間時的非飽和增濕濕陷系數(shù)。目標含水率為21%不同增濕時間時土柱各位置非飽和增濕濕陷系數(shù)隨壓力變化規(guī)律如圖6所示。從1ih開始，上3層的非飽和增濕濕陷系數(shù)隨著壓力的增加而逐漸增加，接近上揚趨勢。不同壓力時，隨時間的增加，上3層的非飽和增濕濕陷系數(shù)趨于接近，前兩層的非飽和增濕濕陷系數(shù)不斷下降，第3層的非飽和增濕濕陷系數(shù)呈先增加后緩慢下降趨于穩(wěn)定。第4層非飽和增濕濕陷系數(shù)隨著壓力及時間的增加而逐漸增加。第5層非飽和增濕濕陷系數(shù)在增濕6ih后隨壓力及時間開始逐漸緩慢增加，并與第4層非飽和增濕濕陷系數(shù)靠攏，表明在非飽和增濕下6ih左右水才滲入最后一層。土體非飽和濕陷特征不均勻。

圖6 目標含水率為21%不同增濕時間時土柱各位置非飽和增濕濕陷系數(shù)隨壓力變化曲線

目標含水率為25%不同增濕時間時土柱各位置非飽和增濕濕陷系數(shù)隨壓力變化曲線如圖7所示。從1ih開始，上4層土樣非飽和增濕濕陷系數(shù)隨著壓力的增加而逐漸增加，呈上揚趨勢。隨時間的不斷增加，上4層的非飽和增濕濕陷系數(shù)慢慢接近，前兩層的非飽和增濕濕陷系數(shù)不斷下降，第3層的非飽和增濕濕陷系數(shù)呈先增加后緩慢下降變穩(wěn)定的趨勢。增濕初期，第4層非飽和增濕濕陷系數(shù)隨著壓力緩慢增加，增濕6ih后增長速率加快。第5層土樣非飽和增濕濕陷系數(shù)在增濕6ih后隨壓力及時間開始逐漸緩慢增加，與前4層靠近。表明當目標含水率為25%時，增濕6ih后水才滲入最后一層。與目標含水率21%相比，目標含水率為25%時，第5層非飽和增濕濕陷系數(shù)有較大增加，隨著時間變化，5層非飽和增濕濕陷系數(shù)不斷接近，但第1層與第5層非飽和濕陷系數(shù)仍存在較大差異，土體非飽和濕陷特征仍不均勻。

圖7 目標含水率為25%增濕不同時間時土柱各位置處非飽和增濕濕陷系數(shù)隨壓力變化曲線

目標含水率為30%不同增濕時間土柱各位置非飽和增濕濕陷系數(shù)隨壓力變化規(guī)律如圖8所示。從1ih開始，前4層非飽和增濕濕陷系數(shù)隨著壓力的增加而逐漸增加，呈上揚趨勢。第5層增濕3ih后非飽和濕陷系數(shù)隨壓力增加而增加，增長速率越來越快。隨時間不斷增加，5層土柱的非飽和增濕濕陷系數(shù)慢慢接近，前兩層的非飽和增濕濕陷系數(shù)不斷下降，通過圖像觀察，第3層的非飽和增濕濕陷系數(shù)數(shù)值在一定范圍內(nèi)波動(50ikPa下系數(shù)均在0.91左右，100ikPa下系數(shù)均在1.57左右，200ikPa下系數(shù)均在2.8左右)最終趨于穩(wěn)定。第4層、第5層非飽和增濕濕陷系數(shù)向前3層靠攏的速度越來越快，最終5層土樣的非飽和濕陷系數(shù)數(shù)值接近。與目標含水率21%、25%相比，目標含水率為30%時，各土層的非飽和增濕濕陷系數(shù)數(shù)值明顯增加，隨著時間變化，土柱不同位置處非飽和增濕濕陷系數(shù)接近與增長趨勢更加明顯，增濕24ih后系數(shù)圖像出現(xiàn)重疊。第1層與第5層數(shù)值差減小，土體的非飽和濕陷特征趨于均勻分布。

圖8 目標含水率為30%增濕不同時間時土柱各位置處非飽和增濕濕陷系數(shù)隨壓力變化曲線

試驗結(jié)果表明，不同增濕目標含水率及增濕時間條件下，土樣各位置處的非飽和濕陷特征不同。低增濕含水率下由于黃土土柱含水率分布不均勻，土柱上層含水率相較下層高，黃土結(jié)構(gòu)破壞程度相較于下層大，因此上層取出的環(huán)刀樣受壓變形量遠高于下層結(jié)構(gòu)較好的環(huán)刀樣，且隨著壓力增高，變形量隨著含水率增加呈折線增長，導(dǎo)致黃土土柱上、下層增濕濕陷系數(shù)差異明顯。隨著增濕含水率的增加，黃土土柱含水率分布趨向均勻，黃土上下層結(jié)構(gòu)破壞程度差距縮小，上下層環(huán)刀樣變形量差減小，黃土土柱各層的非飽和增濕濕陷系數(shù)靠攏且增長趨勢相同。

3.2 土柱整體非飽和濕陷特征

將不同增濕目標含水率、不同增濕時間條件下黃土土柱每層取出的環(huán)刀試樣在每級壓力下的增濕變形量(按高度計算成土柱)進行疊加，可得黃土土柱整體增濕變形量，由此減去原狀環(huán)刀試樣在每級壓力下的變形量(按高度計算成土柱)，并結(jié)合土柱原始高度，就可得到不同增濕條件下土柱整體的非飽和增濕濕陷系數(shù)，如圖9所示。

圖9 不同目標含水率各增濕時間時土柱的非飽和增濕濕陷系數(shù)隨壓力變化曲線

不同增濕含水率及時間下，隨著壓力的增加，黃土土柱的非飽和增濕濕陷系數(shù)不斷增加，且增長速率加快，曲線部分呈折線上升。低增濕含水率下，黃土土柱的非飽和增濕濕陷系數(shù)隨著時間的增加而下降。增濕1ih系數(shù)最大，增濕24ih時系數(shù)最小。目標含水率增至25%時，相比增濕至21%的土柱，非飽和增濕濕陷系數(shù)在不同試驗壓力下隨時間的增加呈逐步增大趨勢。目標含水率為30%時，增濕1ih非飽和增濕濕陷系數(shù)最小，增濕24ih系數(shù)最大。隨著增濕含水率的增加，黃土土柱的非飽和增濕濕陷系數(shù)隨時間的增加而增大且增大趨勢愈發(fā)明顯。由于黃土土柱中水的變化是一個動態(tài)過程，黃土土柱濕陷也呈一個動態(tài)變化過程。低增濕含水率時土柱中水分布不均勻，上層高含水率黃土內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞遠大于下層，導(dǎo)致黃土土柱整體受壓變形量主要取決于上層，因此時間越短土柱增濕濕陷系數(shù)越大。隨著增濕含水率的增加，黃土土柱含水率分布趨于均勻，上下層內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞差縮小，黃土土柱整體受壓變形量不再取決于上層而是整體，黃土土柱增濕濕陷系數(shù)隨時間增加而增加。由此可見，黃土土柱的濕陷受增濕水量、時間及壓力控制明顯。

4 結(jié) 論

通過自制試驗裝置，對原狀典型黃土土柱進行非飽和增濕，對增濕過程中土體含水率分布及增濕后土體的濕陷性特征進行分析，可得如下結(jié)論：

(1)土體不同位置處的含水率變化趨勢存在差異性，目標增濕含水率越高，黃土土柱含水率趨向均勻的時間越短。

(2)隨增濕含水率的增加，黃土土柱每層的增濕濕陷系數(shù)增長速度加快，底層與上層系數(shù)數(shù)值靠攏，黃土土柱整體增濕濕陷系數(shù)也越大，且隨著壓力的增加呈增大趨勢。

(3)由于黃土中毛細力及基質(zhì)吸力的作用，導(dǎo)致隨著時間的增加，低含水率增濕至24ih，土柱中含水率分布仍不均勻，而高含水率增濕至24ih，土柱中含水率分布趨向均勻。隨增濕含水率的增加，非飽和增濕濕陷系數(shù)差值縮小，并向一個區(qū)間值靠攏，增濕開始由非均勻轉(zhuǎn)向均勻，且達到均勻的時間縮短。

(4)不同含水率增濕不同時間的原狀黃土土柱非飽和增濕濕陷系數(shù)存在較大差異，黃土場地建設(shè)評價濕陷性需考慮增濕時間、壓力及含水率對黃土場地的綜合影響。