莫騰飛，郭敏霞，婁宗科，郜穎超

(西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院,陜西 楊凌712100)

新疆伊犁地區(qū)差別較大的季節(jié)性降水使得黃土中含水率變化較大。黃土中含水率的不同使得地面產(chǎn)生不均勻沉降，剪切破壞，進(jìn)而造成修筑在其上的渠道發(fā)生破壞。伊犁地區(qū)分布有大面積的濕陷性黃土，若渠道發(fā)生破壞，黃土中占優(yōu)勢(shì)的架空排列使得該地區(qū)更易發(fā)生濕陷變形，造成進(jìn)一步的破壞[1]。因此，研究含水率對(duì)伊犁黃土變形和剪切特性的影響能夠有效的預(yù)防黃土的濕陷變形，減輕渠道的破壞。

擬建的阿克達(dá)拉水電站，是調(diào)整北疆電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和促進(jìn)少數(shù)民族地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要工程。該工程所在地區(qū)分布有大面積的濕陷性黃土，結(jié)構(gòu)松散，含水率一般在5.6%～27.6%之間。黃土段占渠線總長(zhǎng)的50%，包括風(fēng)積原生黃土層段和洪坡積次生黃土層段。若該工程黃土段因含水率的變化產(chǎn)生較大不均勻沉降，必會(huì)使渠道發(fā)生剪切破壞，而該地區(qū)的濕陷性黃土使得渠道破壞進(jìn)一步發(fā)展。本文將結(jié)合阿克達(dá)拉水電站渠道工程項(xiàng)目，對(duì)伊犁地區(qū)黃土特性進(jìn)行研究。

關(guān)于新疆伊犁黃土的研究，張愛(ài)軍[2]等結(jié)合阿克達(dá)拉水電站渠道工程的特點(diǎn)，提出了渠道工程的黃土渠基濕陷性評(píng)價(jià)方法。張婉[3]等主要研究了含水率和密度對(duì)黃土濕陷系數(shù)的影響。陳佳攻[4]主要研究了含水率，干密度，上覆壓力對(duì)重塑黃土壓縮變形和濕陷變形特性的影響，這些研究主要集中在對(duì)伊犁黃土濕陷性的研究上[5]，對(duì)伊犁黃土變形和剪切特性研究的較少。關(guān)于黃土變形和剪切特性的研究，太俊[6]對(duì)不同含水率下的重塑黃土的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了研究，楊坪[7]，吳民暉[8]等研究了含水率對(duì)重塑黃土變形特性的影響。陳存禮等[9]對(duì)黃土的結(jié)構(gòu)性與增濕變形之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合擬建的阿克達(dá)拉水電站渠道工程項(xiàng)目，選用伊犁重塑黃土和原狀黃土，探討含水率變化對(duì)伊犁黃土變形和剪切特性的影響。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用土樣均取自新疆伊犁地區(qū)，包括重塑黃土、原狀黃土。其中原狀黃土包括原生黃土、次生黃土、現(xiàn)場(chǎng)大型浸水試驗(yàn)所取的黃土。原狀黃土取樣位置位于渠道中心線旁，且3種土樣取樣位置在同一條軸線上。其中次生黃土取樣位置為黃土沖溝底部，該沖溝曾長(zhǎng)期受水流浸濕，所取土樣用于代表次生黃土性能。

1.2 試樣及制備

試驗(yàn)儀器：應(yīng)變控制式直剪儀。

試樣的制備：①擾動(dòng)土試樣制備(擊樣法)：根據(jù)試驗(yàn)要求的干密度和含水率計(jì)算土樣質(zhì)量，將土樣放入預(yù)先裝好的環(huán)刀內(nèi)，并固定在地板上的擊實(shí)器內(nèi)，采用擊實(shí)法將土樣擊入環(huán)刀內(nèi)。②原狀土試樣制備(環(huán)刀削樣法)：用切土刀將土樣削成稍大于環(huán)刀直徑的土柱，然后將環(huán)刀向下壓，削去多余土并修平，邊壓邊削，直到土樣伸出環(huán)刀為止。削去兩端多余部分，整平兩端，表1為本試驗(yàn)所制土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)。

表1 土樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 The physical parameters of soil samples

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)嚴(yán)格遵守SL237-1999 土工試驗(yàn)規(guī)程[10]，采用固結(jié)快剪的方法，壓縮試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)先后進(jìn)行，每組直剪試驗(yàn)之前，加壓穩(wěn)定后均讀出相應(yīng)壓力下的變形量，從而得出相應(yīng)的孔隙比，計(jì)算相應(yīng)的壓縮模量。由于渠道工程黃土段渠道的挖深、填高深度不等，下層黃土層所受的上覆壓力也不同。因此，結(jié)合濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范[11]，選取的垂直壓力分別為100、200、300、400 kPa。每組試樣分別在4臺(tái)儀器上完成，分別施加100、200、300、400 kPa的壓力，加壓穩(wěn)定后讀出沉降量，每種含水率進(jìn)行一組試驗(yàn)。壓縮試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行直剪試驗(yàn)，拔去固定銷，當(dāng)測(cè)力計(jì)指針開始走時(shí)，打開秒表開始計(jì)時(shí)，每15 s讀一次測(cè)力計(jì)讀數(shù)。剪切結(jié)束后，開啟倒擋，移去垂直壓力,框架,鋼珠，加壓蓋板等，取出試樣。試樣的抗剪強(qiáng)度取各級(jí)壓力下變形量為4 mm所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度或應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線的峰值強(qiáng)度。繪制不同垂直壓力同試樣的抗剪強(qiáng)度關(guān)系曲線，得到伊犁黃土的內(nèi)摩擦角和凝聚力值。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 壓縮試驗(yàn)

圖1和圖2是不同含水率條件下干密度為1.45 g/cm3重塑黃土的e～P曲線及Es～w曲線。

圖1 不同含水率下重塑黃土孔隙比與垂直壓力的關(guān)系曲線Fig.1 Relation curves of vertical pressure and void ratio with different moisture content of the remolded loess

圖2 不同壓力范圍下壓縮模量與含水率的關(guān)系曲線Fig.2 Relation curves of moisture content and compression modulus with different pressure range

由圖1的e～P曲線可以看出：隨垂直壓力的增大，伊犁黃土的孔隙比逐漸減小，但含水率的不同造成孔隙比的變化存在差異。隨著含水率的增大，孔隙比的降幅逐漸增大，當(dāng)垂直壓力為400 kPa時(shí)，降幅分別為6.7%、14.6%、20.5%、36.0%。產(chǎn)生上述現(xiàn)象可以解釋為:黃土土體中存在大量孔隙，隨著垂直壓力的增大，黃土中水和氣體逐漸排出，造成孔隙比的逐漸減小[12]。隨著含水率的增大,黃土顆粒周圍變厚的水膜溶解了膠結(jié)物質(zhì)，造成聯(lián)結(jié)強(qiáng)度降低，孔隙比降幅變大[13]。

由圖2的Es～w曲線可以看出：隨著含水率的增大，壓縮模量逐漸減小。壓力較小時(shí)，減幅不大，但當(dāng)壓力較大時(shí)如300～400 kPa時(shí)，微微增加含水率就使得壓縮模量陡減。這說(shuō)明對(duì)于低密度低含水率的伊犁黃土，存在一個(gè)含水敏感區(qū)間，這個(gè)含水敏感區(qū)間就在含水率為7%～12%之間。當(dāng)含水率較小，壓力較大時(shí)，增大含水率會(huì)導(dǎo)致壓縮模量顯著降低。這一結(jié)果也揭示了該地區(qū)另一已經(jīng)建成運(yùn)行的渠道工程，先后有兩處突然發(fā)生破壞的原因，即：當(dāng)壓力較大時(shí)，由于極個(gè)別地方發(fā)生滲漏，含水率的增加使得黃土顆粒之間的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度迅速被破壞，接觸點(diǎn)之間發(fā)生斷裂或錯(cuò)動(dòng)，造成壓縮模量的驟降；當(dāng)含水率繼續(xù)增大后，黃土顆粒間的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度進(jìn)而遭到破壞，壓縮模量從初始的110 MPa降至2.0 MPa。

結(jié)合新疆地區(qū)的渠道工程地基處理措施[14,15]，對(duì)于挖方渠道常采用強(qiáng)夯法處理濕陷性黃土地基。夯前對(duì)渠基灑水增濕，再通過(guò)重錘夯實(shí)增加黃土的密實(shí)度。伊犁地區(qū)黃土的初始含水率一般在7.2%～11.8%之間，由上述分析可知，增加含水率可以有效降低該地區(qū)黃土的壓縮模量，減輕變形對(duì)渠道的危害。

由圖3壓力范圍在300～400 kPa時(shí)的Es～w曲線可以看出：相同含水率條件下，重塑黃土的壓縮模量>原生黃土>次生黃土>浸水試驗(yàn)后的黃土；當(dāng)含水率較大時(shí)，重塑`黃土和原狀黃土壓縮模量差別不大。上述現(xiàn)象說(shuō)明：原生黃土的結(jié)構(gòu)性>次生黃土>浸水試驗(yàn)后的黃土。原生黃土主要由風(fēng)積作用形成，結(jié)構(gòu)性強(qiáng)；次生黃土受到水的沖擊搬運(yùn)侵蝕作用，結(jié)構(gòu)性破壞較多；而浸水試驗(yàn)后的黃土則完全被水侵蝕過(guò)，結(jié)構(gòu)性被破壞較前者充分，故壓縮模量最小。同原狀黃土相比，重塑黃土干密度大，土質(zhì)均勻，沒(méi)有多余雜質(zhì)，故壓縮模量較大。

圖3 不同種類黃土壓縮模量與含水率的關(guān)系曲線Fig.3 Relation curves of moisture content and compression modulus of different loess types

2.2 直剪試驗(yàn)

圖4為垂直壓力為400 kPa時(shí)不同含水率條件下伊犁重塑黃土的抗剪強(qiáng)度和剪切位移關(guān)系曲線。圖5為飽和度為40%時(shí)不同種類原狀黃土的抗剪強(qiáng)度和剪切位移關(guān)系曲線。

圖4 不同含水率條件下重塑黃土抗剪強(qiáng)度與剪切位移的關(guān)系曲線Fig.4 Relation curves of shearing strength and displacement with different moisture content of the remolded loess

圖5 不同種類黃土抗剪強(qiáng)度與剪切位移的關(guān)系曲線Fig.5 Relation curves of stress and strain of different loess types

由圖4可知：隨著剪切位移的增大，抗剪強(qiáng)度逐漸增加，最后趨于穩(wěn)定值，應(yīng)力-應(yīng)變性質(zhì)近似于弱硬化型塑性破壞[16]。含水率越大，相同剪切位移條件下的抗剪強(qiáng)度越小。由圖5可以看出：相同應(yīng)變條件下，原生黃土的抗剪強(qiáng)度>次生黃土的抗剪強(qiáng)度>浸水試驗(yàn)后黃土的抗剪強(qiáng)度。

不同含水率條件下，不同種類黃土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2、圖6和圖7所示。

由圖6可知：隨著含水率的增大，伊犁黃土的凝聚力逐漸降低。取飽和度增大到100%時(shí)凝聚力的變化量占初始凝聚力的百分比作為凝聚力的降幅,原生黃土，次生黃土，浸水試驗(yàn)后的黃土，重塑黃土的凝聚力降幅分別為66.3%，57.1%，81.3%，76.0%；原生黃土的凝聚力>次生黃土的凝聚力>浸水試驗(yàn)后的黃土的凝聚力。由圖7可知：隨著含水率增大，伊犁黃土的內(nèi)摩擦角變化不大。

黏性土的抗剪強(qiáng)度與土顆粒間的凝聚力、內(nèi)摩擦角有關(guān)。黨進(jìn)謙[17]指出，凝聚力由原始凝聚力，加固凝聚力和吸附凝聚力組成。含水率的改變主要影響了加固凝聚力和吸附凝聚力。加固凝聚力由粗顆粒接觸點(diǎn)處的鹽晶膠膜形成，當(dāng)黃土中含水率增大時(shí)，顆粒周圍的鹽晶膠膜被溶解，顆粒之間的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度逐漸被削弱，造成凝聚力的降低。吸附凝聚力由基質(zhì)吸力和毛細(xì)作用形成，含水率的增大削弱了土顆粒間的基質(zhì)吸力和毛細(xì)作用。盧肇鈞[18]指出,黃土內(nèi)摩擦角主要取決于土中的礦物成分，含水率變化對(duì)內(nèi)摩擦角的影響不大，Δφ一般不超過(guò)±2°。本次試驗(yàn)結(jié)果亦表明，隨著含水率的增大，原狀黃土和重塑黃土的φ值變化均未超過(guò)±2°。因此，含水率變化對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響主要是由凝聚力造成的。

表2 不同含水率條件下，不同種類黃土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Tab.2 The shear strength parameters of different loesstypes under different moisture content

圖6 不同種類黃土凝聚力與含水率的關(guān)系曲線Fig.6 Relation curves of cohesion and moisture content with different loess types

圖7 不同種類黃土內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系曲線Fig.7 Relation curves of internal frictional angle and moisture content with different loess types

同原生黃土相比，次生黃土、浸水試驗(yàn)后的黃土抗剪強(qiáng)度較小，次生黃土試樣雖然干密度較原生黃土大，但由于結(jié)構(gòu)性差，故不同含水率條件下凝聚力均小于原生黃土的凝聚力，抗剪強(qiáng)度也較小。浸水試驗(yàn)使得黃土顆粒加固凝聚力、吸附凝聚力大部分被破壞，而內(nèi)摩擦角變化不大，造成抗剪強(qiáng)度減小。重塑黃土同原狀黃土凝聚力和內(nèi)摩擦角的變化趨勢(shì)大致相同，但重塑黃土的干密度較大，土樣均勻，造成內(nèi)摩擦角較大。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)隨含水率的增大，相同垂直壓力條件下伊犁地區(qū)黃土的孔隙比逐漸減小，壓縮模量逐漸降低，抗剪強(qiáng)度逐漸減小。含水率對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響主要是由凝聚力的改變?cè)斐傻摹｜S土結(jié)構(gòu)性的存在使得浸水試驗(yàn)后黃土的壓縮模量<次生黃土<原生黃土；原生黃土的抗剪強(qiáng)度>次生黃土>浸水試驗(yàn)后的黃土。

(2)低密度低含水率的伊犁黃土存在一個(gè)7%～12%的含水敏感區(qū)間，在這個(gè)含水區(qū)間，含水率稍稍增加就會(huì)導(dǎo)致壓縮模量顯著降低。因此，新疆地區(qū)修筑渠道在碾壓夯實(shí)增加干密度的同時(shí)，灑水增大含水率也是使變形和強(qiáng)度特性穩(wěn)定的有效舉措。

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