黄土湿陷性的影响因素试验

2019-06-18刘鑫宇

四川水泥 2019年4期

刘鑫宇翟晶

（中国矿业大学银川学院，宁夏银川 750011）

0 引言

黄土是第四纪在干旱及半干旱气候下形成的一种新生的地壳表层沉积物，特别是马兰黄土Q3和次生黄土Q2，因其沉积年代较新，具有强烈的湿陷性——因土富含多种可溶性的易溶盐,当土体浸水后,水溶解碳酸盐微晶胶结物使其成为水胶溶液,水胶溶液在土体破坏过程中加速颗粒位移,使胶结作用力迅速消失,土结构骨架遭到破坏【1】,出现突然的下沉现象。造成建筑结构及交通工程的沉降、开裂乃至损毁。

我国是世界上黄土分布面积最广（64104km2）、厚度最大（最大厚度约410m）、成因类型最复杂、地层层序最完整的国家。其集中分布于黄河中、上游的甘、青、宁、陕及山西、河南等省【2】。本文试验土样选取干旱—半干旱地区的宁夏固原市土样，其黄土含水量相对不高，地层分布稳定，具有很好的代表性。宁夏地区的黄土与其他地方的黄土力学性质上有很大差异，其颗粒以点接触为主，空隙度高，粒径相对较大，容易发生自重湿陷，土体在无附加荷载下即发生受水后的土体结构破坏。本文通过在小应力状态下，以初始含水量、干密度、自重压力为变化因素，应用固结试验方法，对宁夏黄土进行湿陷性分析，得出各因素间的关系，进而分析黄土的作用机理。

1 试验方法及步骤

1.1 正交试验理论

正交试验也可以称作正交设计，该方法在试验中会涉及到非常多的因素。它可以借助于现有的规范化的正交表进行试验，拿到试验数据以后再通过相应的数理统计方法加以处理，最后得到结论。其优势在于可以在众多的试验条件当中找到有着很强代表性的少量试验方案【3】,对于这部分试验方案加以处理研究，得到最佳的方案或者是最好的生产条件，而且也能得出优于试验结果自身的诸多相关因素信息。

表1 正交试验因素水平设计表

1.2 试验步骤

（1）试样制备。本次试验材料取自宁夏固原黄土。多数处于硬塑状态，颜色为黄褐色。本试验以含水量、干密度、自重压力为变化因素，设计一个3 水平3因素的正交试验方案。正交试验因素水平如表1所示，利用spss 软件进行设计。按照设计方案，将采集好的土样与蒸馏水拌均，并用环刀对其进行每组为3 个的试样制备。制备完毕后放入保湿瓶静置3d，以使土样结构达到一个相对稳定的状态。

（2）操作步骤。首先施加所需超载压力，待土样变形稳定后将超载卸除，待其回弹稳定，再施加自重压力至变形稳定，记录百分表的读数，向水槽中加水至满，到湿陷变形稳定时，再次记录百分表读数。

（3）湿陷系数δs 计算

将实验每一组得出的数据利用GB50015-2004《湿陷性黄土地区建筑规范》中湿陷系数δs 计算公式算出，计算公式如1-1 所示：

式中hp—保持天然湿度和结构的试样，加至一定压力时，下沉稳定后的高度（mm）；

h’p—上述加压稳定后的试样，在浸水（饱和）作用下，附加下沉稳定后的高度（mm）；

ho—试样的原始高度（mm）。

2 试验结果与作用机理分析

2.1 正交试验结果

正交试验表及试验结果如表2所示。

表1 正交试验结果表

2.2 正交试验结果分析

本文是在小应力作用下设计的多因素等水平的正交试验方案。将含水量、干密度、自重压力做了极差分析。极差分析图如图4所示。通过极差分析，可以看出三个因素对黄土湿陷系数的综合影响。然后又分别将三个因素的平均值与湿陷系数做出关系曲线图。如图1～图3所示。

图1 δs—w 的关系曲线图

图2 δs—ρd 的关系曲线图

图3 δs—p0 的关系曲线图

图4 湿陷系数极差分析图

从图1和图2可以看出，样品的湿陷系数随着含水量和干密度的增加而减小。又图3可知，试样的湿陷系数随着自重压力的增大而增大，并且存在线性关系。由极差分析图图4可知：研究的三因素对湿陷系数影响效果大小的顺序为含水量、干密度、自重压力，含水量是影响黄土湿陷性的重要因素【4】。

3 作用机理

（1）初始含水量:一是黄土当中的可溶性盐类物质遇水会发生溶解，这样不同颗粒之间所具有的胶结作用会降低;二是在土颗粒表面会形成水膜，膜的厚度不断增加，导致摩擦力降低，粘粒变得更软,粘结吸附效果就会下降,面对荷载力就会出现错位滑动以及滑移【3】。所以，刚开始的水含量越高，那么在荷载作用下，土体就会更加密实，之后遇水所发生的湿陷沉降会更小,湿陷系数也会下降。

（2）干密度:土体的干密度值越大，说明土体越紧密,强度值就会跟高,这样团粒与颗粒相互间的孔隙也会更小,当遇水浸泡以后，颗粒之间不容易发生滑移,这样就会降低湿陷系数。

（3）自重压力:当压力值在持续增加时，骨架颗粒出现破裂的概率会越小，黄土结构机会更加稳定。如果土体压缩固结不明显，那么土体就不容易压实，这样孔隙也不会太大变化,因为浸水而发生的湿陷也会越明显。