山西吕梁机场湿陷性黄土特征及力学性能试验

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摘 要：结合山西吕梁机场高边坡工程，对机场湿陷性黄土的湿陷性性进行了试验研究，确定了现场黄土的湿陷性等级;采用重型击实试验测定施工场地黄土的最佳含水量、最大干密度;采用三轴剪切试验测定了黄土的黏聚力c和内摩擦角φ，为边坡的稳定性分析提供理论依据。

关键词：湿陷性黄土; 性能; 试验

引言

湿陷性黄土是指黄土由于其上覆土的自重压力和附加压力的双重影响，遇水湿润后，土体结构受到损坏，进而产生明显的下降[1]。干燥时，湿陷性黄土的强度大，压缩性小;湿润时，其承受荷载的能力明显下降，易产生变形、出现空洞及塌滑等边坡病害。湿陷性黄土占地范围大，我国黄土面积约占陆地总面积的6.8%，而湿陷性黄土占其中的四分之三[2]。湿陷性黄土对机场的建设产生了重大安全隐患，降低机场的安全性加大机场建设的成本并增加了施工难度[3～6]。尤其是湿陷性黄土边坡工程，由于暴露于自然环境中，及易受到自然环境的影响而产生不稳定性因素，因此需要对机场所在地湿陷性黄土的物理性能进行试验，以便进行边坡的稳定性分析，为工程安全建设打下良好基础。

结合山西吕梁机场边坡建设工程，对边坡所属区域的湿陷性黄土进行湿陷性等级及划分及室内重型击实试验和不固结不排水试验得到了土样的最大干密度、最佳含水量、内摩擦角和粘聚力，为机场稳定性分析提供理论依据。

1.湿陷性黄土评价

1.1 湿陷性评价

选取试验段土样，进行双线法试验，分别提供浸水压力为100kPa、400kPa、800kPa、1200kPa的湿陷系数;在试验段选取两个具有代表性的探井：T14#、T51#。

1.1.1 湿陷系数与深度的关系

黄土的湿陷系数下式计算：

（1）

式中：―试验土样在天然状态和侧限条件下，施加压力稳定后的高度，mm;

―试验土样浸水压缩稳定后的高度，mm;

―试验土样的原始高度。

T14#探井在浸水压力分别为100kPa、400kPa、800kPa、1200kPa时的湿陷系数与深度关系见图1：

图1 T 14#探井湿陷系数随深度变化图

由图1可以看出，湿陷系数基本上随深度的增加而减小，两者呈反比关系。在1～12m内变化较快，12m以后变化平缓;800kPa、1200kPa有湿陷系数随深度的增加而缓慢上升的趋势。浸水压力为800kPa和1200kPa时，湿陷系数在3～5m内达到最大，在2～3m深度范围内较小，这是因为位置较浅，降雨等原因会影响土的含水率。

1.1.2 湿陷系数与压力的关系

根据本次勘察T51#探井的室内试验结果，不同埋深的土样在各级浸水压力下的湿陷系数与压力关系如下：

图2 T51#探井湿陷系数随压力变化图

由图2可见，湿陷系数随压力变化曲线大致上呈抛物线的形状，极值点出现在浸水压力为600kPa的时候，压力小于600kPa时，湿陷系数随压力的增大而增大，超过600kPa时，湿陷系数开始逐渐减小，当浸水压力超过1000kPa时，除了12.15m外都有湿陷系数随浸水压力增大而增大的趋势。

1.1.3 湿陷量与自重湿陷量的计算

由第i层土的自重湿陷量和黄土地基总湿陷量值的大小来确定黄土的湿陷等级。第i层土的自重湿陷量按式（2）计算：

（2）

式中：―第i层土在上覆土的饱和自重压力下的自重湿陷系数;

―第i层土的厚度，cm;

―因地区而异的土质修正系数，这里取1.20。

黄土湿陷计算值按式（3）计算：

（3）

式中：―修正系数，基底下Sm深度内，取1.50;基底下5～10m深度范围内，取1.0;）基底下l0m以下至非湿陷性黄土层顶面，在自重湿陷性黄土场地，可取工程所在地区的值。

表1 黄土总重湿陷性场地判定

类别 非自重湿陷性场地 自重湿陷性场地

计算自重湿陷量 ≤7cm >7cm

表2 黄土的湿陷性等级划分

自重湿陷量计

算值（mm）

总湿陷量计算

（mm） 50<≤300 300<≤700 >700

非自重湿陷性场地 ≤70 Ⅰ（轻微） Ⅱ（一般） -

自重湿陷性场地 70<≤350 Ⅱ（一般） Ⅱ/Ⅲ（严重） Ⅲ（严重）

>350 Ⅲ（严重） Ⅳ（很严重）

表3 低级湿陷性计算

钻孔编号 起止深度

（m） 计算自重湿陷量（mm） 计算总湿陷量（mm） 湿陷类型 湿陷等级

T14# 0～17.5 106.8 886.8 自重 Ⅲ

T51# 6～20 559.7 500.6 自重 Ⅲ

从表1～3[7]可以看出，该工程场地的属于自重湿陷性黄土场地，地基湿陷等级为Ⅱ级（一般）～Ⅳ级（很严重）。

2.黄土物理参数测定试验

2.1 击实试验

为进行三轴剪切试验试验，需要对该场地黄土的最大干密度及最佳含水量进行测定，以便进行三轴剪切试验前的试件制备工作。

试验采用重型击实试验，分别拌制含水量10%、12%、14%、16%、18%的五组土样，浸润24h后使用。试验测试结果如下：

图3 干密度含水率关系曲线图

通过试验测得土样的最佳含水率为13.47%，最大干密度为1.92g/cm3。

2.2 三轴剪切试验

验所用仪器为应变控制三轴仪TSZ10-1.0，采用不固结不排水剪（UU）法，剪切速率为0.48mm/min。根据相关参考文献，按下式处理试验结果：

（1）计算土样试验过程中的应变值和校正断面积

（4）

式中：―试样固结后的平均断面积（cm2）和高度（cm）;

―试样剪切过程中的轴向应变，%;

―试样剪切时的轴向变形，cm;

―试样的校正断面积，cm2。

（2） 计算主应力差

（5）

式中：―主应力差，kPa;

―测力计率定系数，N/0.01mm;

―测力计读书，0.01mm。

根据上文描述画出土样的应变应力图，以材料破坏或者应变的15%时的大小主应力绘制莫尔应力圆和其包络线，三轴试验的计算结果见下图。

图4 三轴试验计算结果

表4 黄土与压实度的关系

压实度（%） 黏聚力（kPa） 内摩擦角（°）

0.9 83.78 38.95

0.93 91.03 41.79

0.95 102.64 43.52

图2.10显示，应力应变曲线的峰值跟随压实度的提高而变大。同一压实度增加围压，则应力差值的值也相应的变大。围压小时，应力应变曲线基本上是软化型，最大读数出现在应变为3%～5%之间，此时，把最大强度看做破坏应力;围压较大时，无明显的峰值出现，应力差随着应变的增加而增大，应力应变曲线呈硬化性，此时，应变为15%时的应力值是试样破坏时的应力。

3.结论

通过湿陷性试验了解了研究区内黄土的湿陷等级，通过重型击实试验及室内不固结不排水三轴试验测得研究黄土的力学性质。

（1）通过黄土湿陷性试验以及湿陷性评价，发现研究区属于自重湿陷场地，地基湿陷等级为Ⅱ级（一般）～Ⅳ级（很严重）。

（2）采用室内重型击实试验测试土样的最优含水量13.47%和最大干密度1.92g/cm3。

（3）不固结不排水试验得到的应力一应变曲线图中，当围压不高时，试样的曲线是软化型;围压高时，曲线是硬化型。

（4）黄土的粘聚力c、内摩擦角跟随压实度的增加而变大。

参考文献

[1] 崔可锐、毛由田.岩土工程师实用手册[M].北京：化学工业出版社，2007

[2] 罗宇生.湿陷性黄土地基处理[M].北京：中国建筑工业出版社，2008

[3] 胡长明、梅源、刘增荣等.湿陷性黄土高贴坡变形模式和稳定性分析[J].岩石力学与工程学报，2012（12）：2585-2592.

[4] 胡长明、梅源、王雪艳等.素土挤密桩处理超高填方下深厚湿陷性黄土地基的试验研究[J].安全与环境学报，2012（5）：201-203.

[5] 张世径、黄雪峰、朱彦鹏等.大厚度自重湿陷性黄土地基处理深度和剩余湿陷量问题的合理控制[J].岩土力学，2013（S2）：344-350.

[6] 沙爱民、陈开圣、邓湘河.公路工程湿陷性黄土地基评价[J].长安大学学报：自然科学版，2007（4）：1-5.

[7] JTG E40-2007，公路土工试验规程[S].北京：人民交通出版社，2007