黄土的结构强度和湿陷性之间的关系

2020-11-29谢潇贾国龙

科技与创新 2020年14期

谢潇贾国龙

黄土的结构强度和湿陷性之间的关系

谢潇1，2，3，4，贾国龙5

（1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西西安 710075；2.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西西安 710075；3.自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室，陕西西安 710075；4.陕西省土地整治工程技术研究中心，西安 710075； 5.青海省有色第四地质勘查院，青海西宁 810000）

湿陷性是黄土的一大力学特性，黄土湿陷变形发生在其浸水后，发展较快，量也很大，对工程建设有严重的影响。湿陷性的产生究其原因是黄土结构性突然破坏。目前对于黄土的结构性和湿陷性的研究已取得了一定的进展。阐述了黄土结构强度的概念，在以往研究成果的基础上将黄土的结构强度与湿陷性联系起来，从黄土的结构特性出发，对黄土的湿陷性和湿陷规律进行了分析。

黄土；湿陷性；结构强度；建筑破坏

1 引言

中国湿陷性黄土的分布面积广泛，在湿陷性黄土地区由于黄土湿陷性而造成的建筑破坏和工程事故有很多，由此造成的损失巨大。黄土的湿陷性是黄土在自重或者外荷作用下，浸水后结构迅速破坏发生突然沉陷的性质。“湿陷性”一词一方面反映了该现象的主要表现，另一方面又说明了这种沉陷与与其他沉陷的不同之处——产生的原因是浸水。从黄土的湿陷性的定义可以看出，黄土发生湿陷是其结构突然被破坏，因而从结构层面上来研究黄土的湿陷性是十分必要的。

2 黄土的结构性和结构强度

土的结构性是指构成土体骨架的颗粒及其集合体以及骨架颗粒之间孔隙的尺寸、形态、排列方式及联结等的综合特点[1]。由此可以看出土的结构性包括土体骨架及其之间空间的几何特征，及考虑到土力学角度的颗粒之间的联结特征。孔隙也是反映颗粒排列的一个方面，土的结构性包括土中颗粒的排列特征（几何特征）和联结特征（力学特征）两个方面的内容。土体的宏观力学特性本质上来说都是取决于土的结构性。土的结构性在一定程度上可以反映颗粒粒度、密集程度及湿度3个因素的作用。

对于非饱和黄土来说，其结构强度[2]是在生成过程中由胶结物质所形成的联结强度，是结构性黏土特有的，伴随土体结构的而生成或者消失的。黄土多分布在干旱半干旱的气候条件下，由此其主体骨架主要由较粗的粉粒组成，这些主体骨架中间主要是架空结构。而在骨架颗粒连接点处的半径更小的粘胶微粒及可溶盐等则形成胶结连接，这种连接强度即为非饱和黄土的结构强度。

黄土具有水敏性，由于其特殊的结构使得黄土对水的作用敏感。当黄土的含水率提升时，可溶盐逐渐溶解，胶结物质产生松驰作用，胶结物的联结能力削弱，最终引起结构强度的降低。

黄土结构性方面的研究成果很多[3]，对黄土的结构性研究有黄土的显微结构方面[4-6]、结构力学研究模型方面[7-8]和黄土结构性的力学试验方面[9]的研究。土结构性研究的历史向人们展示了一个对土结构性逐渐认识的过程。它经历了一个从认识土结构性的重要性并对土的微结构形态初步进行定性研究，到深入认识微结构形态，寻求定量表示的方法，并初步认识土颗粒的联结特性在土结构性中的重要地位，再到逐渐形成结构性的完整概念，并对结构要素定量化研究，最后到研究土结构性的综合定量描述的过程。

3 从结构方面出发解释黄土的湿陷性

引起黄土发生湿陷的因素有黄土自身的结构、外界荷载和水的作用，前者是内因，后两者属于外因，是黄土湿陷性的诱发因素。

黄土的结构是影响黄土湿陷性的最本质性的因素。侯晓坤[10]通过对黑方台黄土湿陷前后试样的细观结构图像观察和孔隙统计分析得出，湿陷变形稳定后，随着含水率的提高，凝块状颗粒增多，百分数最大的孔径逐渐减小，微孔隙增多。对黄土湿陷性贡献较大的主要是黄土中的大孔隙和中孔隙。刘海松等[11]对西安-禹门口高速公路富平试验路段的原状黄土以及浸水湿陷后黄土进行了电镜扫描研究，通过分析得出，土样浸水后，土体架空的以点接触处为主的矿物碎屑颗粒或集粒黏结物被软化、溶解，同时，颗粒之间连接也被软化、破坏，使土颗粒总的连接强度减弱，使颗粒分散；颗粒表面的矿物质成分由于水的作用，溶解或滑落到土体中的大孔隙、中孔隙内，进一步降低了黄土的结构强度，使土体结构发生破坏，形成湿陷。黄土湿陷性的发生过程实质上是黄土结构强度迅速降低的过程。胡再强等[12]通过三轴浸水试验及扫描电子显微分析，阐明了黄土的湿陷性同其结构性及应力状态之间的关系。

在影响黄土湿陷性的外因方面，黄土浸水后产生的湿陷量大小与其受到的荷载作用大小和含水率大小关系密切，几乎成比例关系。荷载的大小决定了湿陷量的大小，初始含水率的高低决定土体压缩产生的变形和湿陷产生的变形之间的比例关系。如果黄土的初始含水率接近或者达到饱和，黄土颗粒排列变化随时间的增加已趋于稳定，土体孔隙的减小也基本完成，土体颗粒以及各种胶结的破坏早已完成，其对应的结构强度很小，此时黄土的结构对水的敏感程度就会降低，黄土的湿陷随含水率的变化程度很小[6]。当初始含水率相同或相近时，黄土的湿陷系数会随着结构强度的增大而减小。其原因是含水率相同时，黄土的初始结构形式以及孔隙和胶结物质等一系列变化都很相似。这种状态下，结构强度对浸水后土体颗粒含量变化、结构破坏以及孔隙的填充等将发挥最大的作用，结构强度越大，土体颗粒的连接以及胶结强度等也越大，水对黄土结构的影响就越小，遇水后的湿陷变形必然越小。

4 结论与思考

本文总结了前人对黄土的结构性和结构强度的研究，通过一系列的资料研究分析了黄土的湿陷性与黄土的结构强度的关系：黄土的结构强度对黄土的湿陷性有着非常直接的影响，在初始含水率相同的情况下，黄土的湿陷系数会随着结构强度的增大而减小；初始含水率越高黄土的结构强度越低，湿陷系数也越小；对黄土湿陷性有贡献的主要是黄土中的大孔隙和中孔隙，大孔隙和中孔隙越多，湿陷系数越大。黄土的湿陷性实际是十分复杂的物理、化学和力学过程，受到多种因素的影响，是土内部固有的特殊因素和外界适当条件共同作用的结果。随着湿陷性黄土地区工程建设的不断发展，深入研究黄土湿陷性的形成机理，正确评价黄土的湿陷性，合理控制黄土的湿陷变形，对黄土地区工程建设有着极为重要的意义。在研究黄土的结构性和湿陷性之间的关系时，还应对图像分析软件做进一步的完善，对黄土的微结构特征进行更加详细的统计和分析，同时还应当结合黄土形成的地质历史和环境条件对黄土的结构性做更进一步的研究，从而得到更加完善的结论。

［1］齐吉琳，谢定义，石玉成.土结构性的研究方法及现状［J］.地震工程学报，2001，23（1）：99-103.

［2］党进谦.非饱和黄土的结构强度及其作用［J］.西北农业大学学报，1998（5）：48-51.

［3］骆亚生，张爱军.黄土结构性的研究成果及其新发展［J］.水力发电学报，2004，23（6）：66-69.

［4］胡再强，沈珠江，谢定义.非饱和黄土的显微结构与湿陷性［J］.水利水运科学研究，2000（2）：68-71.

［5］高凌霞. 黄土湿陷性的微结构效应及其评价方法研究［D］.大连：大连理工大学，2011.

［6］苏英，刘俊峰.黄土的湿陷性与显微结构特征研究——以咸阳市区为例［J］.宁夏大学学报（自然科学版），2007（3）：282-285.

［7］唐玉龙，周飞飞.结构性黄土的修正Duncan-Chang模型［J］.兰州理工大学学报，2012，38（2）：106-109.

［8］褚峰，张宏刚，邵生俊.陇东Q3结构性黄土压剪损伤本构模型试验研究［J］.岩土力学，2019，40（10）：3855-3870.

［9］刘坤.非饱和黄土的结构性试验研究［D］.西安：西安建筑科技大学，2008.

［10］侯晓坤.黄土非饱和湿陷变形特性研究［D］.西安：长安大学，2015.

［11］刘海松，倪万魁，颜斌，等.黄土结构强度与湿陷性的关系初探［J］.岩土力学，2008，29（3）：722-726.

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