含水率变化对伊犁黄土变形和剪切特性的影响

2018-05-07莫腾飞郭敏霞娄宗科郜颖超

中国农村水利水电 2018年4期

莫腾飞，郭敏霞，娄宗科，郜颖超

(西北农林科技大学水利与建筑工程学院,陕西杨凌712100)

新疆伊犁地区差别较大的季节性降水使得黄土中含水率变化较大。黄土中含水率的不同使得地面产生不均匀沉降，剪切破坏，进而造成修筑在其上的渠道发生破坏。伊犁地区分布有大面积的湿陷性黄土，若渠道发生破坏，黄土中占优势的架空排列使得该地区更易发生湿陷变形，造成进一步的破坏[1]。因此，研究含水率对伊犁黄土变形和剪切特性的影响能够有效的预防黄土的湿陷变形，减轻渠道的破坏。

拟建的阿克达拉水电站，是调整北疆电网结构和促进少数民族地区经济发展的重要工程。该工程所在地区分布有大面积的湿陷性黄土，结构松散，含水率一般在5.6%～27.6%之间。黄土段占渠线总长的50%，包括风积原生黄土层段和洪坡积次生黄土层段。若该工程黄土段因含水率的变化产生较大不均匀沉降，必会使渠道发生剪切破坏，而该地区的湿陷性黄土使得渠道破坏进一步发展。本文将结合阿克达拉水电站渠道工程项目，对伊犁地区黄土特性进行研究。

关于新疆伊犁黄土的研究，张爱军[2]等结合阿克达拉水电站渠道工程的特点，提出了渠道工程的黄土渠基湿陷性评价方法。张婉[3]等主要研究了含水率和密度对黄土湿陷系数的影响。陈佳攻[4]主要研究了含水率，干密度，上覆压力对重塑黄土压缩变形和湿陷变形特性的影响，这些研究主要集中在对伊犁黄土湿陷性的研究上[5]，对伊犁黄土变形和剪切特性研究的较少。关于黄土变形和剪切特性的研究，太俊[6]对不同含水率下的重塑黄土的抗剪强度进行了研究，杨坪[7]，吴民晖[8]等研究了含水率对重塑黄土变形特性的影响。陈存礼等[9]对黄土的结构性与增湿变形之间的关系进行了研究。本文在前人研究的基础上，结合拟建的阿克达拉水电站渠道工程项目，选用伊犁重塑黄土和原状黄土，探讨含水率变化对伊犁黄土变形和剪切特性的影响。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

试验所用土样均取自新疆伊犁地区，包括重塑黄土、原状黄土。其中原状黄土包括原生黄土、次生黄土、现场大型浸水试验所取的黄土。原状黄土取样位置位于渠道中心线旁，且3种土样取样位置在同一条轴线上。其中次生黄土取样位置为黄土冲沟底部，该冲沟曾长期受水流浸湿，所取土样用于代表次生黄土性能。

1.2 试样及制备

试验仪器：应变控制式直剪仪。

试样的制备：①扰动土试样制备(击样法)：根据试验要求的干密度和含水率计算土样质量，将土样放入预先装好的环刀内，并固定在地板上的击实器内，采用击实法将土样击入环刀内。②原状土试样制备(环刀削样法)：用切土刀将土样削成稍大于环刀直径的土柱，然后将环刀向下压，削去多余土并修平，边压边削，直到土样伸出环刀为止。削去两端多余部分，整平两端，表1为本试验所制土样的基本物理性质指标。

表1 土样基本物理性质指标Tab.1 The physical parameters of soil samples

1.3 试验方法

试验严格遵守SL237-1999 土工试验规程[10]，采用固结快剪的方法，压缩试验和直剪试验先后进行，每组直剪试验之前，加压稳定后均读出相应压力下的变形量，从而得出相应的孔隙比，计算相应的压缩模量。由于渠道工程黄土段渠道的挖深、填高深度不等，下层黄土层所受的上覆压力也不同。因此，结合湿陷性黄土地区建筑规范[11]，选取的垂直压力分别为100、200、300、400 kPa。每组试样分别在4台仪器上完成，分别施加100、200、300、400 kPa的压力，加压稳定后读出沉降量，每种含水率进行一组试验。压缩试验结束后进行直剪试验，拔去固定销，当测力计指针开始走时，打开秒表开始计时，每15 s读一次测力计读数。剪切结束后，开启倒挡，移去垂直压力,框架,钢珠，加压盖板等，取出试样。试样的抗剪强度取各级压力下变形量为4 mm所对应的强度或应力-应变关系曲线的峰值强度。绘制不同垂直压力同试样的抗剪强度关系曲线，得到伊犁黄土的内摩擦角和凝聚力值。

2 试验结果分析

2.1 压缩试验

图1和图2是不同含水率条件下干密度为1.45 g/cm3重塑黄土的e～P曲线及Es～w曲线。

图1 不同含水率下重塑黄土孔隙比与垂直压力的关系曲线Fig.1 Relation curves of vertical pressure and void ratio with different moisture content of the remolded loess

图2 不同压力范围下压缩模量与含水率的关系曲线Fig.2 Relation curves of moisture content and compression modulus with different pressure range

由图1的e～P曲线可以看出：随垂直压力的增大，伊犁黄土的孔隙比逐渐减小，但含水率的不同造成孔隙比的变化存在差异。随着含水率的增大，孔隙比的降幅逐渐增大，当垂直压力为400 kPa时，降幅分别为6.7%、14.6%、20.5%、36.0%。产生上述现象可以解释为:黄土土体中存在大量孔隙，随着垂直压力的增大，黄土中水和气体逐渐排出，造成孔隙比的逐渐减小[12]。随着含水率的增大,黄土颗粒周围变厚的水膜溶解了胶结物质，造成联结强度降低，孔隙比降幅变大[13]。

由图2的Es～w曲线可以看出：随着含水率的增大，压缩模量逐渐减小。压力较小时，减幅不大，但当压力较大时如300～400 kPa时，微微增加含水率就使得压缩模量陡减。这说明对于低密度低含水率的伊犁黄土，存在一个含水敏感区间，这个含水敏感区间就在含水率为7%～12%之间。当含水率较小，压力较大时，增大含水率会导致压缩模量显著降低。这一结果也揭示了该地区另一已经建成运行的渠道工程，先后有两处突然发生破坏的原因，即：当压力较大时，由于极个别地方发生渗漏，含水率的增加使得黄土颗粒之间的联结强度迅速被破坏，接触点之间发生断裂或错动，造成压缩模量的骤降；当含水率继续增大后，黄土颗粒间的联结强度进而遭到破坏，压缩模量从初始的110 MPa降至2.0 MPa。

结合新疆地区的渠道工程地基处理措施[14,15]，对于挖方渠道常采用强夯法处理湿陷性黄土地基。夯前对渠基洒水增湿，再通过重锤夯实增加黄土的密实度。伊犁地区黄土的初始含水率一般在7.2%～11.8%之间，由上述分析可知，增加含水率可以有效降低该地区黄土的压缩模量，减轻变形对渠道的危害。

由图3压力范围在300～400 kPa时的Es～w曲线可以看出：相同含水率条件下，重塑黄土的压缩模量>原生黄土>次生黄土>浸水试验后的黄土；当含水率较大时，重塑`黄土和原状黄土压缩模量差别不大。上述现象说明：原生黄土的结构性>次生黄土>浸水试验后的黄土。原生黄土主要由风积作用形成，结构性强；次生黄土受到水的冲击搬运侵蚀作用，结构性破坏较多；而浸水试验后的黄土则完全被水侵蚀过，结构性被破坏较前者充分，故压缩模量最小。同原状黄土相比，重塑黄土干密度大，土质均匀，没有多余杂质，故压缩模量较大。

图3 不同种类黄土压缩模量与含水率的关系曲线Fig.3 Relation curves of moisture content and compression modulus of different loess types

2.2 直剪试验

图4为垂直压力为400 kPa时不同含水率条件下伊犁重塑黄土的抗剪强度和剪切位移关系曲线。图5为饱和度为40%时不同种类原状黄土的抗剪强度和剪切位移关系曲线。

图4 不同含水率条件下重塑黄土抗剪强度与剪切位移的关系曲线Fig.4 Relation curves of shearing strength and displacement with different moisture content of the remolded loess

图5 不同种类黄土抗剪强度与剪切位移的关系曲线Fig.5 Relation curves of stress and strain of different loess types

由图4可知：随着剪切位移的增大，抗剪强度逐渐增加，最后趋于稳定值，应力-应变性质近似于弱硬化型塑性破坏[16]。含水率越大，相同剪切位移条件下的抗剪强度越小。由图5可以看出：相同应变条件下，原生黄土的抗剪强度>次生黄土的抗剪强度>浸水试验后黄土的抗剪强度。

不同含水率条件下，不同种类黄土的抗剪强度指标试验结果见表2、图6和图7所示。

由图6可知：随着含水率的增大，伊犁黄土的凝聚力逐渐降低。取饱和度增大到100%时凝聚力的变化量占初始凝聚力的百分比作为凝聚力的降幅,原生黄土，次生黄土，浸水试验后的黄土，重塑黄土的凝聚力降幅分别为66.3%，57.1%，81.3%，76.0%；原生黄土的凝聚力>次生黄土的凝聚力>浸水试验后的黄土的凝聚力。由图7可知：随着含水率增大，伊犁黄土的内摩擦角变化不大。

黏性土的抗剪强度与土颗粒间的凝聚力、内摩擦角有关。党进谦[17]指出，凝聚力由原始凝聚力，加固凝聚力和吸附凝聚力组成。含水率的改变主要影响了加固凝聚力和吸附凝聚力。加固凝聚力由粗颗粒接触点处的盐晶胶膜形成，当黄土中含水率增大时，颗粒周围的盐晶胶膜被溶解，颗粒之间的联结强度逐渐被削弱，造成凝聚力的降低。吸附凝聚力由基质吸力和毛细作用形成，含水率的增大削弱了土颗粒间的基质吸力和毛细作用。卢肇钧[18]指出,黄土内摩擦角主要取决于土中的矿物成分，含水率变化对内摩擦角的影响不大，Δφ一般不超过±2°。本次试验结果亦表明，随着含水率的增大，原状黄土和重塑黄土的φ值变化均未超过±2°。因此，含水率变化对抗剪强度的影响主要是由凝聚力造成的。

表2 不同含水率条件下，不同种类黄土抗剪强度指标Tab.2 The shear strength parameters of different loesstypes under different moisture content

图6 不同种类黄土凝聚力与含水率的关系曲线Fig.6 Relation curves of cohesion and moisture content with different loess types

图7 不同种类黄土内摩擦角与含水率的关系曲线Fig.7 Relation curves of internal frictional angle and moisture content with different loess types

同原生黄土相比，次生黄土、浸水试验后的黄土抗剪强度较小，次生黄土试样虽然干密度较原生黄土大，但由于结构性差，故不同含水率条件下凝聚力均小于原生黄土的凝聚力，抗剪强度也较小。浸水试验使得黄土颗粒加固凝聚力、吸附凝聚力大部分被破坏，而内摩擦角变化不大，造成抗剪强度减小。重塑黄土同原状黄土凝聚力和内摩擦角的变化趋势大致相同，但重塑黄土的干密度较大，土样均匀，造成内摩擦角较大。