李 佳 曹 芬

（1.河南科技大学应用工程学院，河南 三门峡 472000；2.三门峡职业技术学院，河南 三门峡 472000）

0 引言

在水以及荷载的相互作用下，黄土会产生一定的变形，这种变形就是增湿变形，它与常分析的压缩变形有着本质上的差异。①具有突变性，当施加的压力恒定时，黄土体湿度增大到某一阈值时，土体会突然产生较大的变形，具有明显的突发性和不连续性，低于阈值时，变形则较小。②具有不可逆性，黄土体湿度超过阈值后，土体内部原有结构破坏，颗粒重新排列，形成新的结构体系来支撑外部荷载，颗粒重组带来的变形属于塑性变形，即荷载去除也不能恢复到原有状态。

1 国内外研究现状

目前，国内外专家学者普遍以原状土或者重塑土为分析对象，根据单线法或者双线法，进行侧限条件和三轴压缩应力状态下湿陷性黄土的增湿变形试验。

1.1 原状土的湿陷变形特点

黄土内部结构没有被扰动的土体称为原状黄土，优点在于能够准确、真实地反映天然地基的各种特性。依据湿陷性黄土地区建筑标准（GB 50025—2018），采用湿陷系数来反映黄土的增湿变形。依据侧限条件下的压缩试验测量湿陷性系数δs、自重湿陷型系数δzs和湿陷性起始压力P sh。其中δs的计算公式如式（1）。

式中：h0为试样原始高度；h p为没有增湿时，荷载作用后试样经过变形稳定后的高度；h'p为在同一压力水平下，饱和试样产生变形后的高度。在此基础上，张苏民提出湿陷起始压力和终止压力的概念［1］。但是，目前湿陷性黄土地区建筑标准（GB 50025—2018）存在一定局限性，其δs是在侧限条件通过试验获取黄土湿陷，并不是在三轴应力状态下，存在一定量的侧向约束变形，因而选用δs来表示黄土湿陷之后的变形，计算结果与实际状况存在一定的偏差，需要根据不同地区的地质条件对湿陷性系数δs进行修正。众多学者对此展开研究，刘祖典借助弹性模量的概率进而提出“变形模量”的概率，并推导其与湿陷性系数δs之间的关系理论，进而计算出黄土的增湿变形［2］。焦五一则将借助压缩的概率来类推湿陷，用“弦线模量”来表示湿陷后的变形，通过加载变形曲线，统计了关中地区黄土孔隙比和含水率与弦线模量之间的关系，并推导出陕北地区黄土的增湿变形计算公式，相比于规范（GB 50025—2018）中的湿陷性系数δs，弦线模量更贴近实测值［3］。陈正汉在分析侧限压缩试验的局限性后，提出用应力比相等条件下的三轴试验来计算复杂应力条件下黄土的湿陷变形，此方法更符合黄土的实际受力情况以及应力路径，优于侧限压缩试验的计算方法［4］。总而言之，侧限以及三轴压缩试验分析对象都是基于某一点做出的变形规律，与现场试验之间仍然存在一定偏差。

1.2 重塑土的湿陷变形特点

原状黄土被扰动后即为重塑黄土，重塑土更多是作为填料使用，在公路基础、房屋的土方回填、桥梁基础等诸多方面有着广泛应用，因此有必要对重塑土的湿陷特性展开研究。许多学者也针对重塑土的湿陷特性开展了诸多研究。国内专家学者多围绕着重塑土的初始含水率、初始干密度以及应力水平展开研究。关亮借助双线法对不同干密度的重塑土三轴剪切应力-应变曲线开展研究，建立了非饱和重塑土的增湿变形计算模型［5］。张登飞通过对重塑黄土分级加载，探讨了应力水平对重塑土含水率和湿陷变形水平的影响［6-7］。杨玉生以压实度、含水率，应力为自变量，借助双线法研究了湿陷性重塑黄土的湿陷变形特性，分析了三因素间交互作用对其湿陷变形特性的影响［8-9］。

2 土样基本性能及试验设计

三门峡位于豫晋陕三省交界位置，该地区的黄土集中分布在黄河河谷及其支流河谷地带，属第四纪黄土及黄土状土。由于湿陷性黄土的特殊性，首先需要对三门峡地区黄土结构体的基本性能进行分析。三门峡地区的黄土最大厚度大约为150 m，而湿陷性黄土厚度大约为54 m，大部分黄土区域均属于大厚度重度湿陷性黄土。其物理力学性质与普通黄土的物理性能间也有着巨大差异，了解该地区黄土的特殊物理属性，对研究该地区黄土结构体特性有着重大意义。

2.1 土样基本性能

三门峡地区黄土主要为第四纪黄土和黄土状土，其颗粒组成以粉土颗粒为主，同时含有少量的黏土颗粒，土质均匀。需要特别说明的是：黄土可根据自身的颗粒级配，将其分为粉土和粉质黏土两大类。但非饱和黄土具有结构性、湿陷性等特性，造成三门峡地区的黄土与粉土和粉质黏土的差异很大。湿陷后对土体结构产生破坏是湿陷性黄土基本结构特性，以三门峡地区黄土的湿陷破坏特性为研究切入点，针对三门峡地区湿陷性黄土开展了相关增湿试验。试验土样取自三门峡市的某施工现场，土样取自地下7~9 m处，其基本性能见表1。

表1 原状土样的基本性能

对原状土样进行环刀切样，如图1所示，为避免取样差异造成的试验误差，制样时的同组试验用土样的密度差控制在0.03 g∕cm3以内，含水率差控制在0.03 g∕cm3以内，超出此范围时需要重新取样。试验试样的含水量依次为3.24%、8.24%、13.24%（试样天然含水率）、18.22%、23.22%、28.22%、31.35%（试样饱和含水率）。

图1 原状土土样

2.2 试验设计

依据现行黄土规范，可将饱和湿陷试验分为单线法和双线法。

2.2.1 单线法。优点是能够较为直接地测定湿陷系数，其受力大小和黄土产生的湿陷情况呈线性关系。该方法是一种比较可靠的湿陷性试验方法。缺点是在进行试验取样时，需要每组取5~7个环刀试样，并且样品土的结构状态和含水量需保持均匀，天然密度的差值应小于或等于0.03 g∕cm3。当符合以上要求的时候，方能得到令人满意的试验结果。事实上，湿陷性黄土跟其他形式的岩、土一样，是在极为复杂的地质条件下自然形成的历史产物，具有孔隙分布、结构及成分等的不均匀性，即使在同一取土点的同一深度处的样品，相互间往往也会造成不等的离散性和差异值，使试验结果不能连成理想的自然光滑曲线。此外，同时对5~7个环刀试样进行加载，这样会使包括仪器设备、砝码使用、野外取样和室内环刀试样的取得等方面都会产生较大的难度，整体工作强度较高。

2.2.2 双线法。优点是在试样阶段，只需取两个环刀试样，土质密度的差异较好控制，最终的试验结果能够绘成较为光滑的P-δs曲线图，方法简便，整体工作强度低。缺点是实施过程中所采用的两个环刀试样，一个是在土样的原始天然湿度下进行压缩，另一个是在浸水后达到饱水的状态下进行压缩。浸水后土体颗粒周围水膜变厚，土体颗粒间的孔隙部分被水充满，土体的强度发生较大变化，同时也导致土的压密受到影响，引起试验数据的误差。另外，由于湿陷性黄土结构体的不均匀性特点，因此即便是只采用两个环刀试样，也会使第一级压力下的压缩变形量不一致，造成天然误差。

但在实际工作中可以进行误差修正，从而保证其准确性。所以，多数情况下，此类研究还是以双线法为主。

结合本次研究的特点和研究工作的需要，研究选用双线法实施。试验荷载等级依次为25.0 kPa、50.0 kPa、100.0 kPa、200.0 kPa、300.0 kPa、400.0 kPa、800.0 kPa和1 600.0 kPa，逐级加载，当每一级荷载下的每小时变现小于0.01 mm，则视为土样已稳定。

3 试验结果分析

3.1 湿陷系数与压力

不同初始含水率下湿陷性黄土的湿陷系数（δs）与压力（P）之间的关系如图2所示。

图2 湿陷系数与压力的关系

由图2可知，黄土的初始含水率对湿陷系数有着显著影响，初始含水率越高，湿陷敏感度就越大。当外界压力不变时，湿陷性系数和初始含水率呈反向关系；当初始含水率不变时，湿陷性系数则与初始含水率的增大先呈正向关系后转为反向关系。

3.2 湿陷系数与初始含水率

湿陷性黄土的湿陷性系数（δs）与初始含水率（w0）之间的关系如图3所示。

图3 湿陷性系数与初始含水率的关系

由图3可知，总体而言，黄土的湿陷性系数随初始含水率的增大而减低。当黄土浸水后，压力值P＜100 kPa时，δs和w0呈反向关系，且P越大，减小越显著；当黄土浸水后，压力值介于200~400 kPa之间时，δs随w0的增大而呈现出线性的降低减小趋势，其中，浸水压力等于200 kPa时的湿陷系数曲线存在一个凸起，超过P为300 kPa和400 kPa时的湿陷性系数值，可见200 kPa使得w0=28%产生峰值湿陷压力；当P位于800 kPa以上时，湿陷性系数δs随浸水压力P的增大而增大，且速率先增大后趋于平缓，说明此时黄土的原始结构强度基本已丧失遭到破坏，由而转变为次稳定结构。

3.3 增（减）湿与初始结构强度

根据Casagrande法求出的原状黄土结构强度（Pc）与初始含水率（w0）的对应关系见表2，黄土含水率与结构强度之间的关系如图4所示。

表2 原状黄土的结构强度与初始含水率关系

图4 原状黄土结构强度Pc与初始含水率w0的关系

由图4可知，总体上，黄土的含水率越大结构强度降低越显著。当w0小于液限含水率（29.22%）时，低压（P≤200 KPa）条件下增湿过程中的压力始终不超过结构强度Pc，即此时的黄土结构体没有发生破坏，对含水率的变化不敏感，说明黄土的稳定性强。但随着持续增湿，黄土的结构稳定性急剧减弱，压力超过Pc后，其结构性便遭到破坏。较高初始含水率时，P越大，黄土结构性破坏越严重，当P≥Pc时，轻微增湿就能够使黄土产生显著变形，说明增湿前的初始结构性已遭到破坏，由此说明，由此可见，黄土的结构强度Pc与增湿时的外界压力P是影响其变形的两大主要因素。

4 结语

通过对三门峡地区的黄土进行湿陷性破坏试验，发现该地区的黄土土体结构强度与含水率的大小呈反向变化趋势，且其增湿变形与自身结构强度Pc以及外界压力P密切相关。外界压力值P在不超过土体结构强度值Pc的情况下，黄土结构体强度对含水率的变化并不敏感，当外界压力值P超过土体结构强度值Pc的时候，含水量的增加会导致黄土产生显著的变形。