论我国路基填筑常遇湿陷性黄土的物理力学性质

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　　摘要：我省地处黄土高原，经常在公路建设中遇到湿陷性黄土，必须进行特殊处理，本文结合工程实践，并参考了有关资料，对湿陷性黄土的物理力学性质进行了分析和论述。
　　主题词：湿陷性黄土路基填筑物理性质 力学性质
　　一．颗粒组成：
　　 颗粒是指那些岩石、矿物和非晶体化合物的零散碎片或碎屑。颗粒本身既可以是矿物质的结晶构造，也可以是非结晶构造，如二氧化硅和氢氧化铁。颗粒组成系指不同粒径的含量百分数。我国一些主要它地区黄土的颗粒组成见表1-2
　　 由上表可见，我国它的颗粒主要为粉土颗粒，其含量占总量50%以上表中未将粗粉粒（0.01～0.05）和细粉粒（0.01～0.05）分别统计。从有关资料看，细粉粒只占7%～9%,绝大部分是粗粉粒，其含量约为45%～65%。
　　 不同地质时代的黄土，其颗粒组成也不同，第四世纪早期的黄土比晚期黄土的粘粒含量要高，而细砂（0.25～0.05）含量则较低。
　　 一般认为：粒径＞0.02mm的颗粒完全没有胶结能力，0.005～0.02mm的颗粒基本没有胶结能力，0.002～0.005mm的颗粒为半胶结材料，＜0.002的胶粒、铁铝胶体、无定形硅酸盐和有机物遇水都是可塑性胶结材料。中溶的硫酸钙和难溶的碳酸钙呈不连续的薄膜状结晶分布时，有细粒氧化钙、氧化镁都为半骨架半胶结材料。易溶盐在通常含水状态下，大部分溶于水中，不起胶结作用，但对胶结物的老化有一定影响。当含水量减少，一部分易溶盐从水中析出成为晶体，也能起一定的胶结作用。
　　二．土粒比重、天然容重
　　 土粒比重一般为2.51～2.84，平原地区的黄土大多数在2.62～2.76范围内。比重的大小与土的颗粒组成有关，当粗粉粒和沙粒含量较多时，比重常在2.69以下；如粘粒含量多，则比重多在2.72以上。
　　 它比重G与塑性指数Ip统计关系表1-3
　　 Ip G Ip G
　　 <7
　　 7～10
　　 10～13 2.67
　　 2.69
　　 2.71 13～17
　　 >17 2.72
　　 2.73～2.74
　　 它天然容重的变化范围较大，一般为13.3～18.1 KN/m3,它不仅取决于克里的大小和含量的多少，海域土的含水量有关。工程中一般用干容重和孔隙比来反映土的密实程度。
　　三．干容重和空隙比
　　 干容重是衡量黄土密实程度的一个重要指标，与土的湿陷性有较明显的关系。一般干容重小，湿陷性强；反之，则弱。湿陷性干容重的变化范围一般在11.4～16.9KN/m3，其影响因素除与土本身密实度有关外，还与土中各种矿物成分的含量和含盐量有关。当黄土由于前期固结压力太大，已被压密，干容重超过某一数值后，就由具有湿陷性转变为非湿陷性。对于黄土状亚粘土来说，当干容重＞15KN/m3，一般都属非湿陷性。但对于洪积和冲击成因的、颗粒较粗的黄土状亚粘土或新近堆积黄土，则干容重＞15KN/m3，仍可能具有湿陷性。
　　 它的密实程度也常用孔隙率或孔隙比来表达。其变化范围为0.85～1.24，多数在1.0～1.1之间。一般情况下，土的孔隙比随着埋藏深度的增加而减小，但也有例外情况。
　　四．土的湿度和密度
　　 它之所以在一定压力下受水时产生显著附加下沉，除上述在遇水时颗粒接触点处胶结物的软化作用外，还在于土的欠压密状态，干旱气候条件下，无论是风积或是坡积和洪积的黄土层，其蒸发影响深度大于大气降水的影响深度，在其形成过程中，充分的压力和适宜的湿度往往不能同时具备，导致土层的压密欠佳。接近地表2--3米的土层，受大气降水的影响，一般具有适宜压密的湿度，但此时上覆土重很小，土层得不到充分的压密，便形成了低湿度、高孔隙率的它。
　　 它在天然状态下保持低湿和高孔隙率是其产生湿陷的充分条件。我国它分布地区大部分年平均降雨量约在250～500ram，而蒸发量却远远超过降雨量，因而它的天然湿度一般在塑限含水量左右，或更低一些。
　　五．含水量和饱和度
　　 它的天然含水量在3.3%～25.3%之间变化，在大多数情况下黄土的天然含水量都较低。在塬、墚、峁上的黄土，由于地下水位较高，其含水量在11%～21%之间；地下水位以下的饱和黄土，含水量可达28%～40%.地表下至3m以内黄土的含水量受大气降水的影响较大，随季节而变化。土的天然含水量与湿陷性关系较大，含水量越低，则湿陷性越强烈，随着含水量的增大，湿陷性逐渐减弱。
　　 它的饱和度在15%～77%之间变化，多数为40%～50%，处于稍湿状态。稍湿状态的黄土，其湿陷性一般较很湿的为强。随着饱和度的增加，湿陷性减弱。当饱和度接近于80%是，湿陷性就基本消失。
　　六．渗透性
　　 它的结构较为复杂，且含有较多的不同的成分的易溶盐，并有垂直节理等特征，所以其渗透性不同方向是不一样的，尤其在垂直和水平方向上相差较大，一般垂直渗透系数为（0.1～0.8）×10-6cm/s.如其他粘性土一样，它的渗透系数并不是一个常数，它随渗透溶液的性质、水头梯度和渗透时间的变化而变化。一般来说，水头梯度越大，渗透系数越大；中性溶液例如煤油的渗透系数则比水大几倍到几十倍。另外，不同的试验方法也会得出不同的结果，室内的渗透系数常小于野外的渗透系数。
　　七．稠度指标
　　 稠度指标包括液限、塑限、塑性指数和液性指数，它们反映了水对土的性状影响。它的液限和塑限分别在20%～35%和14%～21%之间变化，塑性指数为3.3～17.5，大多数在9～12左右；液性指数在零上下波动。对于塬、墚、峁和高阶地上的黄土，由于含水量常低于塑限，其液性指数小于零；低阶地黄土则在0～0.5之间变化；地下水位以下黄土（属湿陷性的）的液性指数则接近或＞1.0，所以大多数它处于坚硬状态，承载力较高，而压缩性为中等或偏低。少部分黄土（主要是新近堆积黄土）则处于可塑或软塑状态。液性指数在评价黄土工程性状中作用不大。
　　 液限是决定黄土力学性质的一个重要指标，当液限在30%以上时，黄土的湿陷性较弱，且多为非自重湿陷性的；而液限＜30%时，则湿陷性一般较强烈。关中地区的自重它液限很少有超过30%的。我国黄土规范在确定土的容许承载力时也都考虑了液限这一因素。但国外有资料认为液限是用土结构受到扰动后的土膏测定的，它并不反映与原状土强度的关系。
　　八．压缩性
　　 压缩性是反映地基在外荷作用下产生压缩变形的大小。对它地基来说，压缩变形是指地基在天然含水量条件下受外荷作用所产生的变形，不包括地基受水浸湿后的湿陷变形。压缩性指标一般用压缩系数a、压缩模量Es和变形模量E0来表示。
　　 它地基的容许承载力一般≯200kpa，因此，按压缩曲线计算系数和压缩模量的压力区间采用100～200kpa。亦即：
　　（2-1）
　　（2-2）
　　式中：、―土样在100kpa和200kpa压力下压缩稳定后的孔隙比
　　 由于它具有一定的可溶盐类，同时也由于可观的负孔隙压力的存在，所以在天然状态下它的压缩性较低。但是一旦遇到水的作用，上述条件随之消失，就使得它的压缩性增高。研究表明，它的压缩曲线具有图1-1的特征。
　　
　　 1-1表征了它压缩曲线具有三个特征段。起始段ab，为天然含水条件下土的压缩情况，在这一段内土的孔隙比随压力变化的曲线，曲线较平缓，证明在天然状态下土的压缩性较低，也就反应了它具有一定的结构强度。bc段表示土遇水后产生湿陷，这时孔隙比在压力不增条件下突然减少了一个e值。Cd段的特点是土的孔隙比变化比第一段大，说明它的天然结构破坏后，结构强度降低，压缩性增加。

　　 我国它的压缩系数一般在0.1～1.0Mpa-1之间变化除收徒的天然含水量影响外，地质年代也有一定的关系，一般在中更新世纪末期和晚更新世早期形成的它则压缩性多为中等偏底，少量为低压缩性土，晚更新世末期和全新世时期则压缩性多为中等偏高，有的甚至为高压缩性；新近堆积黄土的压缩性多数较高，最高可达1.5-2.0Mpa.压缩模量一般在2-20Mpa之间变化。
　　 压缩系数和压缩模量是通过室内压缩试验得来的。由于黄土结构性强，受取样和测试过程中扰动的影响，得出的压缩系数一般比实际偏高，而压缩模量则偏低。因此，对重要工程宜通过载荷试验来确定土的变形模量E0。
　　由于黄土的复杂性和影响压缩变形的因素较多，所以黄土的压缩性与土的物理性质（如孔隙比等）之间没有很明显的对应关系。
　　九．抗剪强度
　　 黄土的抗击强度除与土的颗粒组成、矿物成分、粘粒和可溶盐含量等有关外，主要取决于土的含水量和密实程度。含水量越低，密实程度越高，则抗剪强度越大。
　　1．含水量与抗剪强度的关系
　　 当黄土的天然含水量低于塑限时，水分变化对强度影响较大。表1-4是在直剪仪中用慢剪法得出的结果，可见当含水量由7.8%增加到18.2%时，内摩擦角和内聚力都降低25%左右。当天然含水量超过塑限时，抗剪强度降低幅度小。
　　 含水量低于塑限时黄土抗剪强度的变化表1-4
　　 p (°) C(kpa)
　　
　　2．干容重与抗剪强度关系
　　土的含水量相同则压实度越大，抗剪强度越大， 3.湿陷过程中与饱和后的抗剪强度比较
　　 前苏联曾进行这方面的试验研究。试验结果表明，在浸水过程中土的抗剪强度比同种土在同样压力下处于饱和状态时要低10%～15%。黄土在某一应力状态下受水浸湿后，湿陷处于发展过程中的最低强度阶段，也即地基在湿陷变形过程中的稳定性最小。表1-5是某工程黄土状亚粘土在三种含水量情况下实测抗剪强度指标的对比。
　　 三种含水量情况下抗剪强度的比较 表1-5
　　土的名称 ω
　　（%） γd
　　(KN/m3) 天然含水量时 湿陷过程中 湿陷后
　　 C
　　(kpa)
　　(°) C
　　(kpa)
　　(°) C
　　(kpa)
　　(°)
　　黄土状亚粘土 11.7 12.9 20 38 2 24 5 33
　　黄土状轻亚粘土 8.1 14.5 28 36 2 24 5 33
　　4．压实黄土的抗剪强度
　　 当黄土作为路基填筑材料，或天然黄土用重锤或强夯夯实、土垫层 、土桩挤密处理后，常需要了解这种黄土在原状结构破坏后的强度。试验表明，当压实黄土的干容重达到16 KN/m3时，内摩擦角和内聚力分别达到290和60kpa。
　　5．黄土的各项异性对抗剪强度的影响
　　 由于它存在有垂直节理和大孔隙构造，因而不同的剪切方向得出的抗剪强度有较大差别。试验表明，当剪切面平行于大孔方向时，强度最低；当剪切面垂直于大孔方向时，强度最高；剪切面和大孔方向夹角在0°～90°之间，则强度也相应于二者之间，而且天然含水量低的黄土受各向异性影响的程度比饱和黄土为大。路基设计时应注意黄土强度各向异性的影响。
　　作者简介：任海文男（1976.12.15――）山西中阳县人 工程师1995年7月毕业于山西省交通学校道桥专业，2004年6月毕业于北方交通大学公路工程管理专业本科，地址：山西省吕梁市永宁东路217号
　　 注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。

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