基于低荷载下的黄土湿陷性试验设计分析

张晓

摘 要：研究低载荷条件下表的黄土土层湿陷性和抗剪强度变化，在针对洛川马兰Q3组黄土土层的基本结构力学实验、湿陷性实验、直剪实验等一系列实验中，得到以下实验结果：①黄土的结构强度随含水率的增加而降低，原状土、重塑土、加固土的下降曲线斜率变化有所不同，但在6%～12%含水率区间上，其水敏性最为剧烈。②低载荷条件下，原状土符合含水率在9%附近是土壤湿陷性最大的规律，重塑土和高载荷条件下的土层表达在此范围不显著。③土层加固对提升土层的湿陷系数和抗剪强度有积极意义。

关键词：黄土;结构强度;湿陷性;水敏性

中图分类号：TU444 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）06-0111-05

Abstract：The changes of collapsibility and shear strength of loess soil layer under low load condition were studied. In a series of experiments on the basic structural mechanics experiment， collapsibility experiment and direct shear test of the Luochuan Malan Q3 loess soil layer， the following experimental results were obtained： ①the structural strength of loess decreased with the increase of water content， and the slope of decline curve of undisturbed soil， remolded soil and reinforced soil varies somewhat， but in the range of 6%～12% water content， the water sensitivity is the most severe. ②Under the condition of low load， undisturbed soil conforms to the rule of maximum soil collapsibility when the moisture content is around 9%， while the expression of soil layer under remolded soil and high load condition is not significant.③Soil reinforcement has a positive significance to improve the collapsibility coefficient and shear strength of soil layer.

Key words：loess; structural strength; collapsibility; water sensitivity

0 引言

濕陷性黄土地区，将黄土作为建筑物地基的工程实现模式仍不能避免，为解决湿陷性黄土地基持力不足的问题，相关研究中提出可溶盐理论、胶体不足理论、毛细管理论、欠压密理论、微结构理论等黄土介质工程力学理论。通过对黄土工程力学性质进行水敏性试验，研究其浸水状态下的力学特征，对提升黄土基础地基稳定性有积极意义[1]。

而黄土地层作为浅层第四系地层的分布特征多集中在我国西北部地区，以黄土高原及河西走廊地区的山西、陕西、甘肃等地居多。而黄土基础的湿陷性问题以及黄土湿陷过程带来的结构力学不稳定性，在相关试验中表现出了水敏性特征。研究不同黄土基础加固方案，特别是黄土加固策略对黄土初始结构强度的影响，即通过提升黄土胶结程度对黄土基础的综合结构强度进行有效提升，是当前处理黄土基础的常用途径。本文研究中通过对黄土进行烘干、碾压、结构重塑等手段对黄土结构进行重塑，以提升黄土的最大剪应力[2]。

试验选择普遍认为湿陷性和水敏性表现显著的马兰黄土进行相关试验研究，研究其不同扰动条件下的强度变化特征曲线，以及不同黄土结构强度加固方案对黄土结构强度变化特征曲线的影响，开展相关试验。以对黄土地区的工程活动提供数据支持。

1 试样采集与试验结果

1.1 黄土试样的选择

选择陕西省延安市洛川县马兰组Q3地表黄土作为研究对象。该组地层为典型的黄土塬区沉积堆积地貌，取样点沉积时间约248万年，其对黄土地层形成期的古气候环境信息和地层运动信息的保存相对完整，当前马兰黄土已经成为国内外黄土地层研究的标准地层剖面，即“洛川黄土-古土壤剖面”。[3]

试样取样选马兰组Q3原状土样和重塑土样，取样埋深2.0～2.2m，提供以下试验所需试样：

（1）测试土样基本物理指标。

（2）开展湿陷试验获得土样的湿陷过程结构力学特性曲线。

（3）开展直剪试验获得土样在不同含水率的条件下的结构力学特性曲线。

1.2 基本物理指标试验方法

开展多组环刀试验，测得土样平均密度为1.401g/cm3。

开展比重瓶试验，测得土样平均比重为2.71。

开展多组含水率试验，测得土样的基础含水率为8.85%。

开展液塑限联合试验，记录3个不同含水率条件下的圆锥平均下沉深度，每个含水率条件测试5个土样，采用数据拟合法判断拟合度最高的一组数据，绘制其双对数坐标系下的圆锥入土深度与含水量的关系曲线图，如图1所示。试验标准选择GB/T50123-1999。测得试样的黄土液限为29.10%。

1.3 湿陷试验方法

使用原状土试样和重塑土试样，采用对比法开展湿陷试验，并测试两种试样在不同含水率条件下的湿陷试验表现。两种土样条件下，按照3%、6%、9%、12%、15%共5个含水率梯度，其中9%含水量接近于土层自然含水率8.85%。实验结果如表1及表2所示[4]。

1.4 直剪实验

在上述分组方法的基础上开展直剪实验，实验结果考察不同土试样形式和不同含水率，实验采用的载荷压力值为50kPa，以更贴近建筑建成后的实际土样上覆建筑物的自重载荷，其直剪数据结果如表3所示[5]。

2 试验结果与讨论

2.1 结构强度分析

50kPa上覆载荷压力条件下，获得不同含水率条件下的原状土试样应变特征曲线如图2所示，不同含水率条件下重塑土试样应变特征曲线如图3所示。

图2与图3中，含水率越高的试样，其剪应力峰值的出现位置越接近于大应变位置，即出现统计函数峰值右移。说明含水率与试样破坏形式有关，此处，含水率偏低的试样偏向脆性破坏形式，含水量高的试样偏向塑性破坏形式。重塑土试样的此种表现不如原状土试样的此种表现显著，考察土层沉积规律，因为重塑土中的胶连结构表现较弱，毛细结构发育不显著，综合导致其土层结构没有完全形成并引起其土层应力作用尚未形成的机理。所以，对洛川马兰Q3组黄土来说，通过后期加固土壤的方式有助于对其初始结构强度进行强化，包括土壤夯实等加固手段[6]。

不同含水率条件下的土层结构强度对比曲线如图4所示。

图4中，黄土土层强化过程对土试样的含水率-强度变化曲线的变化趋势并无影响，原状土、重塑土、强化土均随着含水率增加而剪切强度显著降低。随着含水率增大，原状土初始剪切强度较大但含水率超过6%时，其剪切强度显著降低，该趋势一直持续到含水率达到12%前后。而重塑土该趋势几乎按照直线分布。观察强化土和原状土的变化规律，其剪切强度变化剧烈趋势均出现在6%～12%含水率的条件下，分析其原因，主要来自土层中的易溶盐组分和胶结物组分在此含水量下表现活跃，即水敏性增加。

2.2 湿陷性分析

原状土与重塑土在不同载荷条件下的湿陷性特征如图5及图6所示。

图5中，当土壤含水率超过9%时，其湿陷系数在不同载荷条件下均发生较陡的下降沿，特别是随着载荷量降低，在50kPa条件下发生的下降沿最陡。即可认为，原状土试样条件下，土壤含水率与上部载荷量对黄土湿陷系数有显著影响。

图6中，重塑土试样条件下，50kPa顶部载荷的湿陷系数在3%～9%含水率的条件下出现较陡下降沿，100kPa及150kPa顶部载荷的湿陷系数在3%～6%含水率条件下出现较陡下降沿。与原状土相比，重塑土在含水率超过9%时并未出现显著下降沿，其湿陷系数下降沿出现在小于9%含水率的条件下。

2.3 水敏性分析

原状土的相关实验中，含水率在9%附近，即在天然含水率附近时，试样的湿陷性最大，但在重塑土相关实验中，该数据特征并不显著。图7展示了试验中5个标识含水率梯度上的湿陷性与加固结构强度對应曲线。

图7中，9%含水率条件下，后期加固的土层结构强度曲线斜率最大，表明此时加固土层的水敏性最高。在临近的6%含水率和12%含水率对应的曲线斜率仅次于9%含水率条件。在低载荷条件下，原状土的大孔隙及土层的不均匀性使其在低载荷条件下的水敏性出现不一致表现。主要表现在50kPa顶部载荷条件下土层水敏性特性表达曲线几乎为直线，即认为其水敏性几乎为0。可以认为随着土体内部的空隙分布、胶结物分布、可溶盐分布等条件的差异性，导致土层水敏性的变化。在高载荷条件下，如150kPa和200kPa的顶部载荷条件，试样的水敏性表达并不显著。可见高载荷条件下，土层的裂隙结构被充分破坏，其胶状物、可溶盐的水敏性物理过程也被抑制，土层的湿陷性表现更接近于加固土的湿陷性表现[7-8]。

图8中，50kPa载荷条件下，原状土与重塑土的湿陷系数差值变化趋势与上述分析中的土壤水敏性产生机制一致，即一定比率的含水量使土壤胶结物和可溶盐的活性得到激发。而原状土与加固土的差值表现，与上述表现有巨大差异[9]。但两个曲线的数据特异点均发生在9%含水率上下，可认为自然含水率（9%）附近土层获得最大水敏性的稳定表现，重塑试样后期加固结构对土层的空隙进行充分破坏和消除的过程，会使其起始压力基本实现随含水率增大而线性增大[10]。

3 总结

上述实验分析了洛川县马兰Q3组黄土地层的湿陷性和水敏性以及相关特性引起的土壤工程结构力学变化规律。发现从宏观表现分析，其后期加固结构强度存在以下规律：

（1）黄土土层的后期加固过程对其剪切强度的贡献远大于其初始结构强度，即对土层进行后期加固存在结构力学的积极理论意义。

（2）含水率6%～12%区间内，后期加固结构强度的水敏性表达较为强烈，而采用合理的加固策略，可以让此水敏性表达对结构强度的影响压缩到最低。

（3）随着土层含水率增加，土层结构强度会随之降低，土层加固策略可以使该降低斜率得到一定控制，但无法抑制此趋势。

（4）土层的稳定性随着上覆载荷的增加而有所增加，在低载荷条件下，土层的加固过程对土层稳定性的作用更加重要，所以在低载荷条件下，应更重视土层的加固策略。

参考文献

[1]Adnan Mustafa，Xu Minggang，Syed Atizaz Ali Shah，et al.Soil aggregation and soil aggregate stability regulate organic carbon and nitrogen storage in a red soil of southern China.[J]. Journal of environmental management，2020，270.

[2]Li，Geng，Xiao，Liu.Soil organic matter and glomalin-related soil protein contents do not explain soil aggregate stability after freeze-thaw cycles at contrasting soil moisture contents[J].Archives of Agronomy and Soil Science，2020，66（11）： 1497-1508.

[3]Junya Li，Xiaoliang Yuan，Le Ge，et al.Rhizosphere effects promote soil aggregate stability and associated organic carbon sequestration in rocky areas of desertification[J].Agriculture， Ecosystems & Environment，2020，304.

[4]Liang Xueying，Rengasamy Pichu，Smernik Ronald，et al.Does the high potassium content in recycled winery wastewater used for irrigation pose risks to soil structural stability？[J]. Agricultural Water Management，2021，243.

[5]Ernest Afriyie，Ann Verdoodt，Abdul M. Mouazen.Estimation of aggregate stability of some soils in the loam belt of Belgium using mid-infrared spectroscopy[J].Science of the Total Environment，2020，744.

[6]Yiguo Ran，Maohua Ma，Yan Liu，et al.Hydrological stress regimes regulate effects of binding agents on soil aggregate stability in the riparian zones[J]. Catena，2021，196.

[7]Environmental Management.New Environmental Management Study Findings Have Been Reported by Researchers at Chinese Academy of Agricultural Sciences （Soil aggregation and soil aggregate stability regulate organic carbon and nitrogen storage in a red soil of southern China）[J]. Ecology Environment & Conservation，2020.

[8]Agriculture - Sugarcane Crops; Researchers from Sao Paulo State University （UNESP） Provide Details of New Studies and Findings in the Area of Sugarcane Crops （Spatial Variation of Soil Carbon Stability In Sugarcane Crops， Central-south of Brazil）[J]. Agriculture Week，2020.

[9]Agriculture - Sugarcane Crops.Researchers from Sao Paulo State University （UNESP） Provide Details of New Studies and Findings in the Area of Sugarcane Crops （Spatial Variation of Soil Carbon Stability In Sugarcane Crops， Central-south of Brazil）[J].Agriculture Week，2020.

[10]Adnan Mustafa，Xu Minggang，Syed Atizaz Ali Shah，et al.Soil aggregation and soil aggregate stability regulate organic carbon and nitrogen storage in a red soil of southern China[J]. Journal of Environmental Management，2020，270.