謝瀟賈國龍

黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和濕陷性之間的關(guān)系

謝瀟1，2，3，4，賈國龍5

（1.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075；2.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075；3.自然資源部退化及未利用土地整治工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710075；4.陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心，西安 710075； 5.青海省有色第四地質(zhì)勘查院，青海 西寧 810000）

濕陷性是黃土的一大力學(xué)特性，黃土濕陷變形發(fā)生在其浸水后，發(fā)展較快，量也很大，對(duì)工程建設(shè)有嚴(yán)重的影響。濕陷性的產(chǎn)生究其原因是黃土結(jié)構(gòu)性突然破壞。目前對(duì)于黃土的結(jié)構(gòu)性和濕陷性的研究已取得了一定的進(jìn)展。闡述了黃土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的概念，在以往研究成果的基礎(chǔ)上將黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與濕陷性聯(lián)系起來，從黃土的結(jié)構(gòu)特性出發(fā)，對(duì)黃土的濕陷性和濕陷規(guī)律進(jìn)行了分析。

黃土；濕陷性；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；建筑破壞

1 引言

中國濕陷性黃土的分布面積廣泛，在濕陷性黃土地區(qū)由于黃土濕陷性而造成的建筑破壞和工程事故有很多，由此造成的損失巨大。黃土的濕陷性是黃土在自重或者外荷作用下，浸水后結(jié)構(gòu)迅速破壞發(fā)生突然沉陷的性質(zhì)?！皾裣菪浴币辉~一方面反映了該現(xiàn)象的主要表現(xiàn)，另一方面又說明了這種沉陷與與其他沉陷的不同之處——產(chǎn)生的原因是浸水。 從黃土的濕陷性的定義可以看出，黃土發(fā)生濕陷是其結(jié)構(gòu)突然被破壞，因而從結(jié)構(gòu)層面上來研究黃土的濕陷性是十分必要的。

2 黃土的結(jié)構(gòu)性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

土的結(jié)構(gòu)性是指構(gòu)成土體骨架的顆粒及其集合體以及骨架顆粒之間孔隙的尺寸、形態(tài)、排列方式及聯(lián)結(jié)等的綜合特點(diǎn)[1]。由此可以看出土的結(jié)構(gòu)性包括土體骨架及其之間空間的幾何特征，及考慮到土力學(xué)角度的顆粒之間的聯(lián)結(jié)特征?？紫兑彩欠从愁w粒排列的一個(gè)方面，土的結(jié)構(gòu)性包括土中顆粒的排列特征（幾何特征）和聯(lián)結(jié)特征（力學(xué)特征）兩個(gè)方面的內(nèi)容。土體的宏觀力學(xué)特性本質(zhì)上來說都是取決于土的結(jié)構(gòu)性。土的結(jié)構(gòu)性在一定程度上可以反映顆粒粒度、密集程度及濕度3個(gè)因素的作用。

對(duì)于非飽和黃土來說，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[2]是在生成過程中由膠結(jié)物質(zhì)所形成的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度，是結(jié)構(gòu)性黏土特有的，伴隨土體結(jié)構(gòu)的而生成或者消失的。黃土多分布在干旱半干旱的氣候條件下，由此其主體骨架主要由較粗的粉粒組成，這些主體骨架中間主要是架空結(jié)構(gòu)。而在骨架顆粒連接點(diǎn)處的半徑更小的粘膠微粒及可溶鹽等則形成膠結(jié)連接，這種連接強(qiáng)度即為非飽和黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

黃土具有水敏性，由于其特殊的結(jié)構(gòu)使得黃土對(duì)水的作用敏感。當(dāng)黃土的含水率提升時(shí)，可溶鹽逐漸溶解，膠結(jié)物質(zhì)產(chǎn)生松馳作用，膠結(jié)物的聯(lián)結(jié)能力削弱，最終引起結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的降低。

黃土結(jié)構(gòu)性方面的研究成果很多[3]，對(duì)黃土的結(jié)構(gòu)性研究有黃土的顯微結(jié)構(gòu)方面[4-6]、結(jié)構(gòu)力學(xué)研究模型方面[7-8]和黃土結(jié)構(gòu)性的力學(xué)試驗(yàn)方面[9]的研究。土結(jié)構(gòu)性研究的歷史向人們展示了一個(gè)對(duì)土結(jié)構(gòu)性逐漸認(rèn)識(shí)的過程。它經(jīng)歷了一個(gè)從認(rèn)識(shí)土結(jié)構(gòu)性的重要性并對(duì)土的微結(jié)構(gòu)形態(tài)初步進(jìn)行定性研究，到深入認(rèn)識(shí)微結(jié)構(gòu)形態(tài)，尋求定量表示的方法，并初步認(rèn)識(shí)土顆粒的聯(lián)結(jié)特性在土結(jié)構(gòu)性中的重要地位，再到逐漸形成結(jié)構(gòu)性的完整概念，并對(duì)結(jié)構(gòu)要素定量化研究，最后到研究土結(jié)構(gòu)性的綜合定量描述的過程。

3 從結(jié)構(gòu)方面出發(fā)解釋黃土的濕陷性

引起黃土發(fā)生濕陷的因素有黃土自身的結(jié)構(gòu)、外界荷載和水的作用，前者是內(nèi)因，后兩者屬于外因，是黃土濕陷性的誘發(fā)因素。

黃土的結(jié)構(gòu)是影響黃土濕陷性的最本質(zhì)性的因素。侯曉坤[10]通過對(duì)黑方臺(tái)黃土濕陷前后試樣的細(xì)觀結(jié)構(gòu)圖像觀察和孔隙統(tǒng)計(jì)分析得出，濕陷變形穩(wěn)定后，隨著含水率的提高，凝塊狀顆粒增多，百分?jǐn)?shù)最大的孔徑逐漸減小，微孔隙增多。對(duì)黃土濕陷性貢獻(xiàn)較大的主要是黃土中的大孔隙和中孔隙。劉海松等[11]對(duì)西安-禹門口高速公路富平試驗(yàn)路段的原狀黃土以及浸水濕陷后黃土進(jìn)行了電鏡掃描研究，通過分析得出，土樣浸水后，土體架空的以點(diǎn)接觸處為主的礦物碎屑顆粒或集粒黏結(jié)物被軟化、溶解，同時(shí)，顆粒之間連接也被軟化、破壞，使土顆?？偟倪B接強(qiáng)度減弱，使顆粒分散；顆粒表面的礦物質(zhì)成分由于水的作用，溶解或滑落到土體中的大孔隙、中孔隙內(nèi)，進(jìn)一步降低了黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使土體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，形成濕陷。黃土濕陷性的發(fā)生過程實(shí)質(zhì)上是黃土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度迅速降低的過程。胡再強(qiáng)等[12]通過三軸浸水試驗(yàn)及掃描電子顯微分析，闡明了黃土的濕陷性同其結(jié)構(gòu)性及應(yīng)力狀態(tài)之間的關(guān)系。

在影響黃土濕陷性的外因方面，黃土浸水后產(chǎn)生的濕陷量大小與其受到的荷載作用大小和含水率大小關(guān)系密切，幾乎成比例關(guān)系。荷載的大小決定了濕陷量的大小，初始含水率的高低決定土體壓縮產(chǎn)生的變形和濕陷產(chǎn)生的變形之間的比例關(guān)系。如果黃土的初始含水率接近或者達(dá)到飽和，黃土顆粒排列變化隨時(shí)間的增加已趨于穩(wěn)定，土體孔隙的減小也基本完成，土體顆粒以及各種膠結(jié)的破壞早已完成，其對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度很小，此時(shí)黃土的結(jié)構(gòu)對(duì)水的敏感程度就會(huì)降低，黃土的濕陷隨含水率的變化程度很小[6]。當(dāng)初始含水率相同或相近時(shí)，黃土的濕陷系數(shù)會(huì)隨著結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的增大而減小。其原因是含水率相同時(shí)，黃土的初始結(jié)構(gòu)形式以及孔隙和膠結(jié)物質(zhì)等一系列變化都很相似。這種狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)浸水后土體顆粒含量變化、結(jié)構(gòu)破壞以及孔隙的填充等將發(fā)揮最大的作用，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越大，土體顆粒的連接以及膠結(jié)強(qiáng)度等也越大，水對(duì)黃土結(jié)構(gòu)的影響就越小，遇水后的濕陷變形必然越小。

4 結(jié)論與思考

本文總結(jié)了前人對(duì)黃土的結(jié)構(gòu)性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的研究，通過一系列的資料研究分析了黃土的濕陷性與黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的關(guān)系：黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)黃土的濕陷性有著非常直接的影響，在初始含水率相同的情況下，黃土的濕陷系數(shù)會(huì)隨著結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的增大而減??；初始含水率越高黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越低，濕陷系數(shù)也越小；對(duì)黃土濕陷性有貢獻(xiàn)的主要是黃土中的大孔隙和中孔隙，大孔隙和中孔隙越多，濕陷系數(shù)越大。黃土的濕陷性實(shí)際是十分復(fù)雜的物理、化學(xué)和力學(xué)過程，受到多種因素的影響，是土內(nèi)部固有的特殊因素和外界適當(dāng)條件共同作用的結(jié)果。隨著濕陷性黃土地區(qū)工程建設(shè)的不斷發(fā)展，深入研究黃土濕陷性的形成機(jī)理，正確評(píng)價(jià)黃土的濕陷性，合理控制黃土的濕陷變形，對(duì)黃土地區(qū)工程建設(shè)有著極為重要的意義。在研究黃土的結(jié)構(gòu)性和濕陷性之間的關(guān)系時(shí)，還應(yīng)對(duì)圖像分析軟件做進(jìn)一步的完善，對(duì)黃土的微結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行更加詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)和分析，同時(shí)還應(yīng)當(dāng)結(jié)合黃土形成的地質(zhì)歷史和環(huán)境條件對(duì)黃土的結(jié)構(gòu)性做更進(jìn)一步的研究，從而得到更加完善的結(jié)論。

［1］齊吉琳，謝定義，石玉成.土結(jié)構(gòu)性的研究方法及現(xiàn)狀［J］.地震工程學(xué)報(bào)，2001，23（1）：99-103.

［2］黨進(jìn)謙.非飽和黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及其作用［J］.西北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1998（5）：48-51.

［3］駱亞生，張愛軍.黃土結(jié)構(gòu)性的研究成果及其新發(fā)展［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2004，23（6）：66-69.

［4］胡再強(qiáng)，沈珠江，謝定義.非飽和黃土的顯微結(jié)構(gòu)與濕陷性［J］.水利水運(yùn)科學(xué)研究，2000（2）：68-71.

［5］高凌霞. 黃土濕陷性的微結(jié)構(gòu)效應(yīng)及其評(píng)價(jià)方法研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2011.

［6］蘇英，劉俊峰.黃土的濕陷性與顯微結(jié)構(gòu)特征研究——以咸陽市區(qū)為例［J］.寧夏大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007（3）：282-285.

［7］唐玉龍，周飛飛.結(jié)構(gòu)性黃土的修正Duncan-Chang模型［J］.蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，38（2）：106-109.

［8］褚峰，張宏剛，邵生俊.隴東Q3結(jié)構(gòu)性黃土壓剪損傷本構(gòu)模型試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2019，40（10）：3855-3870.

［9］劉坤.非飽和黃土的結(jié)構(gòu)性試驗(yàn)研究［D］.西安：西安建筑科技大學(xué)，2008.

［10］侯曉坤.黃土非飽和濕陷變形特性研究［D］.西安：長安大學(xué)，2015.

［11］劉海松，倪萬魁，顏斌，等.黃土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與濕陷性的關(guān)系初探［J］.巖土力學(xué)，2008，29（3）：722-726.

TU444

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.14.028

2095－6835（2020）14－0075－02

謝瀟（1992—），女，陜西西安人，碩士，助理工程師，主要從事巖土工程研究。

〔編輯：張思楠〕