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试样厚度对室内测定黄土压缩变形的影响

2024-08-23 22 上传者：管理员

摘要：为研究试样厚度对室内测定黄土压缩变形的影响及水、力相互作用下的压缩变形特性，基于改造后的WG–2型固结仪，针对厚度分别为20 mm和40 mm的原状黄土，开展了不同初始上覆荷载条件下连续增湿压缩试验。结果表明，在同一上覆荷载条件下，试样压缩变形随着增湿含水率的增大而逐渐增大；同一增湿条件下，上覆荷载较小时，不同厚度试样的沉降变形相差不大；不同厚度试样的压缩变形量随着上覆荷载的增大而呈现增大的趋势。初始上覆荷载越小，含水率越低，试样厚度对压缩变形量的影响越大，随着增湿含水率和上覆荷载增大，可以忽略试验厚度对于压缩变形的影响。

关键词：
上覆荷载
压缩变形
试样厚度
连续增湿
黄土
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1、研究背景

黄土广泛分布于我国陕甘宁等西北地区，其特殊的结构性和多孔隙性是造成黄土地区工程灾害的重要原因，其水敏性主要体现在部分黄土在地下水侵蚀、雨水入渗、渠道过水等条件下含水率变化对变形、强度等力学特性的影响。增湿变形问题一直是黄土室内试验和工程中的研究热点。

国内外针对水、力作用下黄土的变形问题开展的研究已经取得了一些规律性成果，其在增湿、减湿的过程中会产生不同的变形特性，导致在浸水、失水的过程中均会产生一系列工程灾害。

不同学者相继开展了欠压密黄土的力学性质变化规律及裂隙发展特性研究。

李祖勇等[1]以无侧限抗压强度试验和单轴压缩试验为手段，研究了增湿、减湿作用下黄土的变形及强度变化规律。

刘建伟等[2]从工程实践出发，根据西安地铁某施工过程情况及监测数据，研究了欠压密黄土地层的降水特性及其引起周边环境沉降特点。

王常明等[3]从含水率的角度出发，通过分析微观结构，结论表明随着黄土初始含水率的增大，同一压力下的压缩变形量越来越小，含水率加速了孔隙的破坏，增加了土的变形。

陈存礼等[4]对原状黄土进行压缩试验，探究黄土增湿变形特性及结构性的关系，表明增湿压力的影响在低初始含水量时要比高初始含水量时明显得多。

胡长明等[5]基于室内压缩和直剪试验结果，指出粘聚力及内摩擦角与初始含水率及初始压实度具有线性关系。

WU等[6]对黄土通过高压固结试验，探究不同含水率和干密度黄土的压缩特性，表明压缩变形总体上随干密度和含水率的增大而减小。

GAO[7]对湿陷性黄土进行侧限压缩试验，分析微观结构，表明随着深度的增加，黄土的湿陷变形量和压缩量逐渐减小，且颗粒分布逐渐集中，团聚程度变高，孔隙面积占比逐渐减小。

从以上研究成果可以看出，针对原状黄土在不同初始上覆荷载条件下连续增湿过程中的压缩变形特性研究，还有待于进一步深入开展，同时目前室内压缩试验的试样厚度一般为20 mm，试样厚度大小对于试样的压缩变形及其变化规律的影响也有待揭示。因此，利用改造后的高、低样固结仪，开展厚度为20 mm和40 mm的原状试样在不同初始上覆荷载条件下的连续增湿压缩试验，揭示连续增湿过程中的压缩变形规律，可为实际工程提供试验依据。

2、室内湿陷试验试样制备及试验方案

2.1试验土样及试样制备

试样土样采集于西安市地铁某施工现场，采集深度为地表以下7～8 m，为Q3黄土，土质较均匀，呈浅黄色，伴有少量草根及较小石块。取土后用黑色塑料薄膜袋对其多层密封包装，以确保水分不易蒸发，并标记取土深度及上下方向。

按照GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》，测得原状黄土的基本物理指标为，天然含水率20%，干密度1.26g/cm3，比重2.7，液限32.91%，塑限20.08%，塑性指数12.63%，孔隙比1.144。分别使用20 mm、40 mm环刀削取原状土样，开展压缩试验。

2.2试验仪器的改造

试验仪器由WG–2型固结仪经改造而成，将原有固结仪的固结容器和加压部分加高，使其可以匹配使用20 mm、40 mm高度的环刀及土样护环，并配套设计了增、减湿控制装置，主要由减湿恒温烘干装置、变形量测装置、加载装置、控速增湿装置等组成，改造后的试验仪器如图1所示。

2.3试验方案及方法

开展不同初始上覆荷载（0 k Pa、12.5 k Pa、50 k Pa、100 k Pa、200 k Pa、300 k Pa）作用下，从初始含水率20%开始，以5%的梯度增加至35%的压缩试验。20 mm和40 mm的试样各进行3组平行试验，取其平均值，揭示原状黄土在不同上覆荷载条件下的压缩变形特性，及试样厚度对黄土压缩变形的影响。连续增湿试验方法如下。

图1改造后的WG–2型固结仪示意

(1）将试样放入改造后的WG–2型固结仪中，试样底部和上部分别放置充分浸水的透水石和滤纸。

(2）调平仪器加压固结，待试样变形每小时变化不大于0.01 mm时固结结束，测定读数。

(3）固结稳定后在Pv0不变的情况下，采用水泵在不同进水速率下进行连续增湿。以多组预试验为基础，测定了不同Pv0状态下含水率以5%梯度增加时，各个不同含水率的滴定速率及滴定时间见表1。在增湿时间内，水分不再浸入土样时，认为某一梯度下的增湿过程完成。

表1增湿时间范围方案

(4）以试样初始含水率20%为基准，按每级5%的梯度增湿，记录每级增湿稳定后的百分表读数，直至整个连续增湿过程结束。

3、试验结果与分析

3.1不同试样厚度压缩变形随含水率变化分析

整理不同上覆荷载作用下20 mm和40 mm试样压缩量随含水率的变化曲线，如图2、图3所示。

由图2、图3可知，在不同上覆荷载条件下，压缩变形量均随着增湿过程中含水率的增大，整体呈现先增大后逐渐趋于稳定的趋势。两种试样均表现为初始上覆荷载越大，压缩变形量越大，且在上覆荷载较小时，增湿作用对于压缩变形的影响较小；当初始上覆荷载增大（不小于100 k Pa），增湿含水率对于低样（20 mm）在初始增湿阶段的压缩变形影响较大。分析其原因在于，在竖向荷载作用下，增湿初始阶段，土孔隙中的水和气体在荷载的作用下排出，孔隙变小，颗粒之间相互错动，体积变小，导致压缩变形增大。同时，水分的浸入使颗粒间的胶结物溶解，降低了颗粒间的摩擦效应，进一步导致黄土原生结构孔隙坍落，产生压缩变形。

图2 20厚度试样s–w关系曲线

图3 40厚度试样s–w关系曲线

随着增湿含水率的不断增加，尤其大于塑限后，土中孔隙已被压缩，且水分对于颗粒间的粘结和摩擦效应影响有限，因此压缩变形量趋于稳定。

3.2同一上覆荷载作用下，连续增湿阶段压缩变形变化分析

同一上覆荷载作用下，不同高度试样连续增湿过程中，压缩变形随增湿含水率变化规律如图4所示。

由图4(a）可知，在无上覆荷载条件下，连续增湿过程中，随着水分不断浸入土体，颗粒间可溶胶结物质被溶解，黄土大孔隙坍落，中等孔隙含量减小，压缩变形量不断增大，高厚度试样（40 mm试样）条件下的压缩变形更为显著。

由图4可知，当上覆荷载较小时（0 k Pa和12.5 k Pa），增湿含水率对于压缩变形量的影响较大，随着增湿含水率的增大，初始增湿效应对低样压缩变形影响较大，后续增湿效应对压缩变形影响减弱。整体上，40 mm厚度试样的压缩变形略高于20 mm厚度试样，其原因是40 mm厚度试样内部大、中、小孔隙占比更大，可压缩空间较大，在Pv0及水的相互作用下，土体内部疏松结构失稳，孔隙数量相较于20 mm试样内部明显减少。在同一Pv0作用下，试样压缩变形随着含水率的增大而增大，且Pv0越大时，不同试样厚度的压缩变形差值越小，其原因是，随着Pv0的不断增大，试样内部颗粒间已发生了错动排列，致使土体逐步趋于密实，新的亚稳定结构已经形成，此时含水率增大，试样产生新的压缩变形较小，说明在上覆荷载较大时，大孔隙大幅减少，小孔隙比例逐渐增多，表现为持续增湿对试样压缩变形影响不大。

图4不同Pvo不同厚度试样连续增湿s–w关系曲线

(a)Pv0=0 kPa;(b)Pv0=12.5 kPa;(c)Pv0=50 kPa;(d)Pv0=100 k Pa;(e)Pv0=200 k Pa;(f)Pv0=300 k Pa

3.3同一含水率下，不同上覆荷载作用压缩变形分析

整理同一增湿含水率条件下，压缩变形量随初始上覆荷载的变化曲线如图5所示。

由图5(a）可知，在起始含水率时，40 mm厚度试样压缩量较20 mm厚度试样更大，且随着初始上覆荷载的增大，差异越来越大，其原因是，40 mm厚度试样中大孔隙更多，变形空间更大，随着上覆荷载的增大，使土体内部大孔隙逐步坍塌，加速了土体原生结构的破坏及次生结构的形成。

综合分析图5可知，在连续增湿过程中，压缩变形随着上覆荷载的增大而增大，当上覆荷载到达50 k Pa时，不同厚度试样压缩量相差较小，其原因是在上覆荷载较大时，不同厚度试样内部孔隙占比基本相同，导致两种试样的压缩量基本相同。初始上覆荷载仅影响低含水率条件下的压缩变形，当增湿含水率大于25%后，试样厚度对压缩变形量不产生影响。

3.4初始含水率条件下原状黄土的压缩变形特性分析

在初始含水率为35%条件下，开展了不同厚度试样的压缩试验，其应变随上覆荷载变化规律，如图6所示。

图5同一含水率下不同厚度试样s–Pv0关系曲线

(a)w=20%;(b)w=25%;(c)w=30%;(d)w=35%;

图6不同厚度试样ε–Pv0关系曲线

由图6可知，随着上覆荷载的增大，40 mm和20 mm厚度试样应变均呈非线性增大趋势，可用双曲线描述，且上覆荷载为0～200 k Pa时，压缩变形增长速率较快，随后曲线出现转折，斜率减小，压缩变形缓慢增长，分析其原因是，上覆应力作用初始阶段对土的原生结构损伤较大，次生结构尚未形成，压缩变形迅速发展；上覆荷载达到200k Pa之后，在原生结构损伤的同时，新的次生结构形成，且占主导地位，土体内部大孔隙结构逐渐消散，土体颗粒间逐渐排列紧密，表现出更紧密的结构形态，压缩量逐渐变小。试样厚度影响压缩变形量大小，不影响变形演化规律。

4、结论

通过改造后的WG–2型固结仪，进行厚度分别为20 mm和40 mm试样在不同初始上覆荷载、连续增湿过程中的压缩试验，得到以下结论。

(1）在不同上覆荷载条件下，压缩变形量均随着增湿过程中含水率的增大，整体呈现先增大后逐渐趋于稳定的趋势。初始上覆荷载越大，压缩变形量越大，且在上覆荷载较小时，增湿作用对于压缩变形的影响较小；当初始上覆荷载增大（不小于100 k Pa），增湿含水率对于低样（20 mm）在初始增湿阶段的压缩变形影响较大。

(2）在起始含水率时，40 mm厚度试样压缩量较20 mm厚度试样更大，且随着初始上覆荷载的增大，差异越来越大。在连续增湿过程中，压缩变形随着上覆荷载的增大而增大，当上覆荷载到达50 k Pa时，不同厚度试样压缩量相差较小。初始上覆荷载仅影响低含水率条件下的压缩变形，当增湿含水率大于25%后，试样厚度对压缩变形量不产生影响。

(3）在无上覆荷载条件下，连续增湿过程中的压缩变形量不断增大，高厚度试样（40 mm试样）条件下的压缩变形更为显著。随着初始上覆荷载增大，试样高度对压缩变形量的影响不大。

(4）连续加压过程中，试样压缩变形随着上覆荷载增大呈现非线性增大趋势，可用双曲线描述，且上覆荷载为0～200 k Pa时，压缩变形增长速率较快，随后曲线出现转折，斜率减小，压缩变形缓慢增长。本研究仅对西安某施工现场黄土采用20 mm和40 mm厚度试样的室内湿陷试验结果进行对比，所得结论是否适用于其他场地，需在今后试验中开展更多相应试验并分析研究。

参考文献:

[1]李祖勇,王磊.干湿循环作用下西安特殊黄土的力学特性[J].科学技术与工程, 2017, 17(32):315–319.

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[3]王常明,林容,陈多才,等.辽西黄土湿陷变形特性及湿陷后微观结构变化[J].吉林大学学报(地球科学版), 2011, 41(2):471–477.

[4]陈存礼,高鹏,胡再强.黄土的增湿变形特性及其与结构性的关系[J].岩石力学与工程学报, 2006(7):1352–1360.

[5]胡长明,梅源,王雪艳.吕梁地区压实马兰黄土变形与抗剪强度特性[J].工程力学, 2013, 30(10):108–114.

文章来源:黄登科,贺琪,李满仓,等.试样厚度对室内测定黄土压缩变形的影响[J].建筑技术,2024,55(16):2034-2037.