毛爱迪

(中铁十九局集团房地产开发有限公司，辽宁 辽阳 111000)

0 引言

黄土在我国西北地区广泛分布，常被用作主要的填筑材料，由于其粉土和黏粒含量较高，通常表现为透水性差、黏聚力大的特性。近年来随着黄土高原地区的建设规模以及治理强度不断增大，已经取得了明显的成效，黄河流域水土流失逐步减少。然而，在取得一些治理成效的同时，由于黄土湿陷性的特点，在经过干燥、湿润循环作用下会产生裂缝和局部塌陷等破坏，导致土体大量流失，农作物产量下降，机械化生产效率降低，最终对生态环境以及农业生产活动造成严重威胁。

国内外学者通过大量室内试验，从微观结构的角度去解释干燥—湿润循环过程对黄土性质的影响。袁志辉等[1]测量了不同干湿循环条件下的黄土单轴拉伸强度发现，含水率不变时，干湿循环次数的增加会使土的抗拉强度减小，到一定次数后趋于不变。王飞等[2]对比了不同压实度下的黄土在干湿循环后的湿陷系数，指出当压实度为90%时，提高压实度对于黄土湿陷变形特征的影响较小。叶万军等[3]利用CT扫描成像技术得出黄土在干湿循环后内部孔隙的发展规律，结果表明当土体内部某处的抗拉强度小于其拉应力时，土体就会产生裂隙。胡长明等[4]对黄土填方边坡进行了稳定性有限元分析，探究了在干湿循环作用下边坡土体强度劣化规律，为边坡灾害检测提供了理论参考。刘宏泰等[5]通过室内三轴压缩和渗透试验,认为重塑黄土的抗剪强度指标均随着干湿循环次数的递增呈减小趋势,且最终土体结构会重新达到平衡点,黄土的抗剪强度逐渐趋于稳定。贺强[6]对黏性土进行了不同干密度和颗粒级配的室内渗透破坏试验，分析了不同因素对合肥地区黏土层渗透破坏临界坡降的影响。

综上可知，目前针对黄土的研究主要集中在强度和渗透特性两个方面，而实际的工程条件更为复杂，工程的各种不利因素往往不是单一出现的。在周期性降雨地区，遇到填挖方工程，土料就会同时受到干湿循环、渗透作用以及填挖交界区三种不利影响。目前的研究关于对多重不利影响条件下的黄土性质变化规律研究较少。本试验主要研究在干湿循环条件作用下黄土填挖方交界区的裂缝产生与发展规律，以及在两种不利因素影响下的黄土渗透系数变化规律，对实际工程中可能出现的复杂工况有一定的指导意义。

1 试验部分

1.1 试样制备

试验用土取自陕西延安某工地，将取回的土样放置阴凉处，自然风干半年以上。试验前需将土样进行磨细处理，测定其基本物理性质，见表1。

表1 土样的基本物理性质

本文采用环刀法制备不同压实度土样，见图1。为了体现黄土填挖方交界面的工程特点，本文设计一种新的制样方法。首先预制一个半圆柱形状有机玻璃块，将其放入环刀内，在另一侧放入制备好的土样，用千斤顶进行压实，然后将有机玻璃块取出，再次填充土样并压实，通过控制第二次填充土样质量来控制压实度，以此近似模拟黄土填挖方交界面特点。

图1 试样制备方法

为了验证本文制样方法的可行性，除不同压实度的试样外，本文还制备了单一压实度试样，具体压实方案见表2。

表2 不同压实度试验方案

1.2 干湿循环试验方案

本文干湿循环设置为0～7次，土的含水率控制为15.5%。为防止土中水分蒸发，制备好的土样采用保鲜膜密封，静置24 h备用。土样第一次经历干湿循环之前的初始含水率为15.5%，然后直接将土样放入真空饱和装置中抽气饱和，饱和过程视为湿循环过程，待到渗透系数测定结束后将土样进行烘干，烘干过程即为干燥过程。此时土样完成一次干湿循环过程，后续的循环重复上述过程即可。

试验采用烘箱干燥的方式，考虑到温度过高会破坏黄土内部结构，故将烘箱温度设置在60 ℃，烘干时间为48 h。为了精确控制含水率下限，在正式开始前做预备试验，先制作两个最优含水率15.5%的土样，待到真空饱和装置内充分饱和后放入烘箱烘干后测定其含水率，结果显示含水率在2%左右。因此，本试验将含水率下限定为2%，上限为饱和含水率15.5%，试样经过真空饱和4 h后即进行渗透系数测定试验。

2 试验结果分析

2.1 干湿循环后裂缝分析

第1次干湿循环后土样的裂缝发展情况见图2。经历1次干湿循环后，土样2-8整体与渗透环刀脱离，不同压实度交界面处产生了长度达34.866 mm的主裂缝，最大宽度0.129 mm，裂缝从中间向两侧延伸，但未延伸至环刀边缘；主裂缝周围土颗粒呈凹凸不平状态，这是因为压实过程中交界面周围存在表面浮土，经过干湿循环后浮土颗粒流失，从而导致试样表面不平整；距离主裂缝两侧10 mm处产生了2条微裂缝，裂缝宽度均小于0.1 mm。土样6-6大部分区域与渗透环刀脱离，不同压实度交界面处产生了长度达36.223 mm的主裂缝，裂缝从中间向两侧延伸，但未延伸至环刀边缘；靠近渗透环刀边缘处有小部分土颗粒流失，附近的土样表面呈凹凸不平的状态，在环刀边缘处产生了1条微小裂缝。重塑土样6出现一条几乎贯通的细裂缝，长度达50.125 mm，与环刀边缘脱离，表面有轻微的土颗粒流失现象，相对于其他试样较平整。第1次干湿循环裂缝的统计结果见表3。

图2 第1次干湿循环后裂缝发展情况

表3 不同干湿循环次数裂缝统计结果

第7次干湿循环的裂缝发展情况见图3。经历7次干湿循环后，土样2-8的土颗粒流失现象已基本达到稳定状态，周围浮土块表面的洞状孔隙也并未有明显增加，不同压实度交界面处主裂缝完成了横向贯通，周围发育的环状裂缝最大宽度增加至42.760 mm，表面土体结构已基本被破坏。土样6-6表面土颗粒流失现象已基本达到稳定，不同压实度交界面处原有的主裂缝也完成了横向贯通，周围形成的完整环状裂缝进一步扩宽，并伴随着大量微裂缝的产生，表面土体结构已基本被破坏。重塑土样6表面土颗粒流失现象已基本达到稳定，不同压实度交界面处原有的主裂缝未有明显变化，周围浮土块在水的浸泡后与环刀周围粘连部分增加。第7次干湿循环的裂缝具体数据见表3。

图3 第7次干湿循环后裂缝发展情况

为了更加直观地对比分析不同干湿循环次数下土样的裂缝发育情况，根据试验数据，绘制不同试验条件下主裂缝长度、主裂缝面积随干湿循环次数的分布曲线，见图4～5。由图4可知，随着干湿循环次数的逐渐增加，不同压实度土样的主裂缝长度均呈逐渐递增变化趋势，且压实度越高，同一干湿循环次数下的主裂缝越长。由图5可知，随着干湿循环次数的逐渐增加，不同压实度土样的主裂缝面积同样呈逐渐递增变化趋势，且压实度越高，同一干湿循环次数下的主裂缝面积越大。图4～5中曲线的波动情况原因可能是由于制样过程中压实不均导致的，但整体上还是表现为单调变化趋势。

图4 主裂缝长度分布曲线

图5 主裂缝面积分布曲线

2.2 干湿循环后渗透系数分析

试验共测定了20个土样从第0次到第6次循环后的渗透系数，见表4。土样2-8、6-6和重塑6的渗透系数变化曲线如图6所示。

图6 渗透系数分布曲线

表4 土样渗透系数 单位：×10-5 cm/s

由图6可知，随着干湿循环次数的逐渐增加，不同压实度土样的渗透系数变化规律有所差异。当压实度较小时，第1次干湿循环后渗透系数会有一个明显的减小过程，部分试样出现了量级上的变化，然后趋于稳定。当压实度较大时，渗透系数在第1次干湿循环后减小，但减幅较小，均在同一量级上变化。反观一次压实的对照组试样，其渗透系数在很小的范围内波动且无量级变化，波动也无明显的规律。这是因为制样时交界面处存在较多孔隙，在测定无循环的渗透系数时土样不同压实度接触面未受到扰动，循环一次后接触面处孔隙被细土颗粒填充，接触面局部愈合而导致渗透系数的减小，循环到两次后接触面部分愈合，对渗透系数的影响较小，而土样内部结构逐渐破坏，从而导致渗透系数逐渐增长，也说明此时土体内部结构的破坏基本达到稳定。

3 结论

(1) 随着干湿循环次数的逐渐增加，不同压实度土样的主裂缝长度均呈逐渐递增变化趋势，且压实度越高，同一干湿循环次数下的主裂缝越长。

(2) 随着干湿循环次数的逐渐增加，不同压实度土样的主裂缝面积同样呈逐渐递增变化趋势，且压实度越高，同一干湿循环次数下的主裂缝面积越大。

(3) 存在交界面的试样渗透系数随着循环次数的增加呈现先减小、后增大至稳定的趋势，一次压实的对照组试样在渗透系数的变化上应该与已知规律相符合，即随着循环次数的增加，渗透系数缓慢增大。对于高压实度的纯重塑土，干湿循环对于渗透系数的影响并不是很大。