[科普中国]-湿陷系数

简介

在我国西北地区和黄河中游地区覆盖着大面积的黄土。黄土是一种第四纪沉积物，多分布在干旱、半干旱地区，由于特定的生成环境，使其具有一系列内部物质成分和外部形态特征，结构特性非常独特，具有以粉粒为主、欠压密、大孔隙、垂直节理发育、富含可溶盐等一系列特征，不同于同时期的其它沉积物。

由于其独特的工程性质和结构特性，黄土具有不同程度的湿陷性。因其直接关系到工程的造价和安危，所以一直是岩土工程界关注的重要课题。但是，过去仅限于把狭义的充分浸水饱和后的湿陷变形作为湿陷性黄土的核心问题来研究。事实上，经常遇到的湿陷往往发生在沿土层达到不同增湿含水量的情况下，此时的湿陷量应是沿深度上不同增湿引起的湿陷变形总和，它远远小于一般意义上的湿陷量，即充分浸水条件下的湿陷量。湿陷变形只是增湿变形的一种特殊的、极端的情况，而增湿变形包括了黄土在压力作用下由于增湿所产生的全部变形性状，它的定义域要比湿陷变形广泛得多，我们通常也称之为广义湿陷。

在实际工程中，对湿陷性黄土地基进行处理时，可以按增湿程度的不同对其进行局部处理或分层处理，这相对于按狭义的湿陷处理整个湿陷性黄土层来说，工程造价可以大大降低。所以说，研究黄土的广义湿陷变形性状可以与实际情况紧密联系，对具体工程建设有一定的指导意义。

以往对黄土湿陷性的研究，采用的单轴压缩试验方法大都是双线法，很少采用单线法进行研究。由于双线法具有方法简便、工作量小、对比性强等优点，所以目前在我国仍被广泛使用，但在实际生产过程中，由于取样扰动、试验手段、计算方法等各种原因，用双线法得出的湿陷沉降量与实际情况有较大的出入，其试验结果并不能完全反映土体的真实受力状况，所以只用双线法试验研究所得出的规律性与湿陷性黄土的实际性状之间也将有一定的差异。而单线法的受力状态和湿陷过程比较符合地基的实际情况，可直接测出湿陷系数，因此被认为是比较可靠的湿陷性试验方法。

针对湿陷性黄土的研究现状以及研究中的不足，在广泛总结前人有关黄土湿陷变形研究成果的基础上，分别采用单线法和双线法对甘肃陇西3 Q原状黄土进行了增、减湿情况下的单轴压缩试验研究。

根据试验结果的对比分析，总结出了黄土的湿陷变形随饱和度及压力变化的规律，分析了湿陷性黄土在增（减）湿过程中的湿陷变形性状及不同应力路径对黄土湿陷变形特性的影响，最后讨论了湿陷系数与初始含水量的关系1。

试验研究试验用土的基本性质试验用的黄土取自甘肃定西土家湾隧道西侧，属于典型的陇西3 Q 黄土。取土深度为1.3～1.8 m，土呈褐黄色，硬塑状态，天然含水量为6.2 %～9.7 %，天然密度为 1.35～1.41 g/cm3，天然孔隙比为1.05～1.20，细根状大孔发育，有虫孔、细树根和草根、少量蜗牛壳和蚁穴，以及某些微小动物的尸体，土质不太均匀。

通过液塑限试验和颗粒分析试验测得该土的基本物性指标如，据此判定该土为级配良好的中液限粉土。在天然含水量下，试验用土的孔隙比e >1.0，而且压缩系数1-2 a 0.015，为自重湿陷性黄土；在标准压力（200kPa）作用下，湿陷系数s d >0.07，故为强烈湿陷性黄土。

试验内容及方法分别用单线法和双线法对几组不同饱和度的土样进行了单轴压缩试验，通过对两种方法的试验结果进行对比分析，总结出了黄土增、减湿变形性状的相关规律。

因为试验用土的原始含水量较低，所以主要进行增湿试验。环刀土样的增湿采用预湿法，预湿后的试样放在保湿缸内静置的时间不少于24 h。在试验过程中采用了有效而且不同于《土工试验规程》的试样保湿措施[15]。减湿采用烘干法。

虑到荷重率对压缩变形规律的影响，以及实际工程的加荷速率，采用的加荷等级为：25，50，100，200，300，400，500，600，700，800 kPa。双线法一共做了8 组不同的饱和度，含水量的变化依次为0 %，7.42 %（天然含水量的平均值），11.95 %，15.1 %，18.58 %，22.57 %，27.2 %，31.28 %。单线法仅做了前7组，因为在w = 31.28 %时，土样已经接近饱和，再进行单线法湿陷试验已经没有实际意义。

不同初始含水量下湿陷系数曲线的比较通过对比分析可以发现，无论是单线法还是双线法，随着初始含水量的增大，湿陷系数均有明显的下降，这表明黄土的湿陷性将随增湿而减小，随减湿而增大。随着初始含水量的增大，湿陷量减少，曲线逐渐降低平缓，最后在初始含水量达到预湿饱和状态时，曲线趋近于横坐标轴。峰值湿陷系数和峰值湿陷压力都将随着增湿而降低，随着减湿而增大。

不同初始含水量下两条湿陷系数曲线的纵坐标差，表示在相应压力下该增湿程度所产生的增湿变形s Dd 。s Dd 随压力的增大而增大，也就是说，在大压力下湿陷的减少速率比小压力下要快得多，这说明压力不同使同等增湿产生的增湿变形有较大差异，小压力下的湿陷需要更高的增湿量，而且湿陷速度较低，即湿陷的敏感性弱，因此选用较低的建筑荷载可以减小湿陷性黄土的敏感性。但是当压力相当大的时候，增湿变形s Dd 的增长速度会略有减小，这说明在较大的压力作用下，随初始含水量的增大，湿陷的敏感性也将逐渐减弱。

在较小压力时，黄土的湿陷敏感性在某一范围内会逐渐增强。例如在压力P =100 kPa 时，初始含水量由7.42 %增至18.58 %，增量为 11.16 %，但Dds仅为 0.019；当初始含水量由22.57 %增至27.2 %时，其增量为4.63 %，而s Dd却为0.03，说明此时微量增湿即可湿陷，其湿陷敏感性突然增强。

湿陷起始压力一般定义为湿陷性黄土的湿陷系数达到0.015 时的最小湿陷压力，它是反映黄土湿陷性的一个重要指标，标志着黄土湿陷的开始。从以上两图可以看出，无论是单线法还是双线法，湿陷起始压力都随着土的初始含水量的增大而增大。

结合增湿变形的概念，如果给s Dd 也规定一个具有工程意义的界限值0.015，则相应于s Dd 达到 0.015所需的最小作用压力即为增湿起始压力。增湿起始压力随初始含水量的增大而增大，随增湿程度或增湿含水量（黄土在增湿后所达到的含水量）的增大而减小。黄土的湿陷终止压力一般定义为湿陷系数大于或等于0.015 时的最大湿陷压力，它标志着黄土湿陷的终结。从图中显然可见，湿陷终止压力随着土的初始含水量的增大而减小。

只有当湿陷压力超过湿陷起始压力而又不大于湿陷终止压力时浸水增湿，才可能产生相当于s Dd≥0.015 的湿陷变形，这个压力区段称之为湿陷压力区间[7]，其幅度随土的初始含水量的增大而缩减。湿陷压力区间以峰值湿陷压力为界，又可以分为湿陷递增区段和湿陷衰减区段。

上述湿陷系数与压力关系曲线的变化规律与已有的研究结果基本吻合，这些规律普遍存在于湿陷性黄土中，但由此而定义的一些湿陷特征指标（如湿陷起始压力、峰值湿陷压力、湿陷终止压力以及湿陷压力区间等）的数值则随黄土的形成年代、分布地区的不同而有所差异。对于同一种黄土，这些特征指标的数值将随土的初始含水量的不同而发生变化，总的规律是：随初始含水量的增加，湿陷起始压力略有增大，而峰值湿陷压力、湿陷终止压力和湿陷压力区间都明显减小2。

单线法与双线法的湿陷系数曲线比较通过对比分析可以得出以下规律：

（1）在初始含水量较低的情况下（200 kPa 后，曲线呈下凹形，第一个阶段消失，第二、三阶段合而为一，湿陷变形减缓。对单线法来说，除分界压力P =100 kPa 外，其曲线特征与双线法完全相同。

由以上分析可见，浸水压力对湿陷性的影响，在初始含水量较低时表现得要比初始含水量较高时明显得多，随着初始含水量增大到某个界限值，这一影响将随湿陷性的退化而消失。

综上所述，湿陷系数与压力的关系曲线以及湿陷系数与初始含水量的关系曲线，全面地说明了湿陷性黄土在力与水的共同作用下湿陷变形的全过程：随着压力和湿度的变化，黄土湿陷变形的全过程曲线由两个转折点和3 段组成。3 个阶段的发展随作用压力和增湿条件的变化而变化3。

结论（1）无论是单线法还是双线法，黄土的湿陷性都随增湿而减小，随减湿而增大。随着初始含水量的增大，湿陷量减少，曲线逐渐降低平缓，最后，在初始含水量达到预湿饱和状态时，曲线趋近于横坐标轴。对于同一种黄土，随初始含水量的增加，湿陷起始压力略有增大，而峰值湿陷压力、湿陷终止压力都明显减小，湿陷压力区间的幅度也随初始含水量的增大而缩减。

（2）湿陷系数与压力的关系曲线因为试验方法的不同而表现出不同的规律性：初始含水量较低时，单线法的湿陷性大于双线法，当初始含水量达到某个值时，两者的湿陷系数曲线出现交叉现象；当初始含水量超过该值后，单线法的湿陷性小于双线法；这种交叉现象是由黄土本身的特殊结构性所决定的。在随初始含水量增加的过程中，湿陷系数曲线的交叉现象同时带来了峰值湿陷系数和峰值湿陷压力的交叉变化，但两者的湿陷起始压力始终大致相等；两者的湿陷终止压力虽有较大差异，但都随初始含水量的增大而迅速降低。

（3）湿陷系数与增（减）湿后土样的初始含水量之间并非呈现递减的直线关系，按3 次多项式拟合更加合理。当浸水压力达到或超过某个值时，湿陷系数与初始含水量之间基本呈现递减的曲线关系，这些曲线最后都将交于一点。初始含水量较低时，作用的浸水压力越大，湿陷性也越大；但是随着初始含水量的增加，这种规律将有所改变。浸水压力对湿陷性的影响，在初始含水量较低时表现得要比初始含水量较高时明显得多，随着初始含水量增大到某个界限值，这一影响将随湿陷性的退化而消失。

（4）随着压力和湿度的变化，黄土湿陷变形的全过程曲线由两个转折点和3 段组成：第一阶段是结构强度发挥的压密阶段；第二阶段是结构破坏的湿陷阶段；第三阶段是新的结构形成的固结阶段，3个阶段的发展随作用压力和增湿条件的变化而变化1。