场地黄土扰动前后的湿陷性与其物性指标的关系

史宝东,梁庆国,3,赵 涛,王文卓

(1.兰州交通大学土木工程学院,甘肃 兰州 730070;2.甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室,甘肃 兰州 730070;3.土木工程国家级实验教学示范中心(兰州交通大学),甘肃 兰州 730070)

0 引言

近年来,黄土地区轨道交通工程和高层建筑的建设越来越多,黄土由于浸水发生湿陷变形导致的事故也越来越多,所以评价和预测黄土的湿陷性再次成为了研究热点,用黄土的物性指标评价其湿陷性受到了很大的重视,同时也取得了丰硕的成果。如邵生俊等[1]采用因子分析法选择了含水率和孔隙比两个因子,比较了两个场地的湿陷性系数与两个因子的关系,建立了针对两个不同地貌湿陷性黄土的湿陷性参数相关关系,准确对黄土湿陷性进行了评价;黄伟等[2]分析了宁县黄土的湿陷性与深度、天然含水量、孔隙比、干密度、饱和度等指标的关系,得出了黄土湿陷性规律,并对黄土地基进行了评价;李萍等[3]为探究湿陷性系数与各种物理指标的内在联系,采用多因素回归分析建立了湿陷系数与含水量、孔隙比、塑性指数的分析模型;任新玲等[4]以部分地区湿陷性黄土的室内压缩试验为基础,通过回归分析,建立了黄土湿陷性和其影响因素的回归关系式并与实际试验数据对比得出较为接近;马闫等[5]深入分析了物理力学指标和黄土湿陷性的关系,利用偏相关分析定量对各物理指标的相关性排序,建立了比较全面和准确的模型;胡燕妮等[6]通过收集多组原状黄土湿陷性的土工试验资料,分析了物理指标对湿陷性的影响,得出湿陷性的重要判别指标γd和e0,估算出湿陷性系数建议公式;邓洪亮等[7]通过大量土工试验研究非饱和黄土浸水发生破坏后的特征,探讨了黄土湿陷性和浸水时间、含水率和压力之间的关系;朱凤基等[8]通过对孔隙比、干密度、初始含水率、饱和度、塑限、液限、塑性指数、压缩模量八个指标进行了分析将其分为四大类,对每一类中影响湿陷性最大的因子进行了线性回归,与甘肃庆阳某地探井所得数据进行了验证;李瑞娥等[9]应用模糊理论中的信息扩散原理,建立了湿陷性系数和孔隙比之间的模糊关系,得到了预测黄土湿陷性的模型并与实际数据对于得出误差较小;李论基等[10]依据影响因子变异性分析和多元线性回归理论,建立了河西走廊地区黄土湿陷性与各物理指标的相关性方程;高凌霞等[11]通过分析黄土湿陷性影响因素,将含水率、孔隙比和塑性指数作为宏观物理指标进行多元回归分析,得出湿陷性系数和物性指标之间的定量关系式;武小鹏等[12]在浸水试验的基础上,采用理论分析等方法研究了黄土湿陷系数与深度、含水率、干密度、孔隙比、塑性指数和压缩系数之间的关系。综上可知,现有成果大多数是基于原状黄土的研究,但是随着地区黄土建设场地的反复利用和长期地表降水及管线渗漏等浸水入渗,让更多的场地黄土出现了大的扰动,这种扰动黄土的性质和原状黄土有着较大的出入,针对扰动场地进行研究尚不多见。本文通过分析扰动前后湿陷性系数和各物性指标之间的相关性,研究了扰动前后各物理力学参数对湿陷性变形的影响,建立了用于评价和预测黄土湿陷性的回归经验公式和影响湿陷性的因子排序,以期为扰动黄土的湿陷性评价及地基处理方法选择提供一定的参考。

1 试验概况

1.1 试验场地工程地质情况

该试验场地位于甘肃省兰州市东岗镇,如图1。地层主要构成为冲积黄土状亚黏土,总厚度为16 m左右,分为两层,扰动前上层为黄褐色亚黏土,厚度为1～12 m,结构疏松;下层为红褐色亚黏土,厚度为5～6 m,结构致密[13]。由于近些年在上面的建筑和荷载及其多次浸水试验的扰动,扰动后地层表面形成一层杂填土,主要成分为砖屑、混凝土块和建筑垃圾等的混合土,厚度为0.5～6 m,下层由于经过长期地表降水和管线渗漏等浸水入渗的影响,土体湿度有所变大。

图1 试验场地位置图Fig.1 Location map of test site

1.2 扰动前后土体物理力学参数

该场地扰动前(1)甘肃省建筑科学研究院.试坑浸水及载荷浸水试验报告.兰州:甘肃省建筑科学研究院,1975.和扰动后[14]的黄土物理力学参数汇总列于表1。

由表1可知,场地黄土扰动前为原状黄土,其湿陷性系数基本大于0.07,湿陷性强烈,而扰动后湿陷性下降明显,湿陷性系数未达到扰动前一半,部分湿陷性中等,其余属于轻微湿陷。

表1 场地黄土扰动前后物理力学参数汇总表Table 1 Summary of physical and mechanical parameters of loess before and after disturbance

2 扰动前后各物性指标的相关性

土体的物性指标直接反映了土体的性质,场地黄土经过浸水和不同荷载的影响,土体的各物性指标发生了改变。表2为扰动前后各物性指标之间的相关性。

表2 扰动前后各物性指标之间的相关系数(R)/显著性水平(Sig)Table 2 Correlation coefficients between physical indices before and after the disturbance

由表2可知,虽然扰动前后各物性指标发生了改变,但是塑性指数反映的是土体细颗粒的含量和分布情况,和其他物性指标无相关性。此外,除了孔隙比和其他各指标的相关性有所减小外,其他指标之间的相关性相差不大,其中孔隙比和各物性指标均呈负相关,而其他各物性指标相互呈正相关。

3 湿陷性系数与单个物性指标之间的相关性

场地黄土扰动前为原状黄土,在不同荷载和大量浸水等作用下,土体的各物性指标发生了改变,导致了场地黄土的湿陷性也发生了改变。黄土的湿陷性是黄土在一定压力下受水浸湿后,土结构迅速破坏而发生显著附加下沉的性质。现通过比较场地黄土在扰动前后湿陷性随各物性指标的变化规律,并分析造成变化的原因。

3.1 湿陷性系数与干密度的关系

对场地黄土扰动前后的湿陷性系数随干密度的变化进行分析(图2)。

图2 湿陷性系数和干密度的关系Fig.2 Relationship between collapsibility coefficient and dry density

由图2可知,扰动后黄土干密度整体上大于扰动前,湿陷性系数和干密度呈负相关关系,扰动后场地黄土湿陷性系数明显低于扰动前,扰动前黄土发生湿陷性变形的干密度为1.3～1.35 g/cm3,扰动后为1.47～1.53 g/cm3,其原因为原状黄土受浸水和各荷载的影响,导致土体变密实,颗粒间的孔隙变小,发生湿陷沉降的范围变小,湿陷速率减小,所以扰动后黄土的干密度对湿陷性的影响减弱。

3.2 湿陷性系数与含水率的关系

含水率作为影响黄土自重湿陷性的因素,当达到一定含水率时黄土才会发生湿陷性变形,超过一定值时湿陷性会消失。对场地黄土扰动前后的湿陷性系数随含水率变化规律进行分析,可以很明显地看出扰动前后含水率对于湿陷性的影响(图3)。

图3 湿陷性系数和含水率的关系Fig.3 Relationship between collapsibility and water content

由图3可知,场地黄土扰动前后的湿陷性系数和含水率呈负相关,湿陷性速率变化不大,扰动前发生湿陷变形的含水率主要集中在9%～18%之间,而扰动后集中在7.5%～13.5%之间,其原因为原状黄土在浸水试验和雨水等作用下,土体含水率增大,导致颗粒间可压缩的孔隙减少,湿陷性减弱。

3.3 湿陷性系数与孔隙比的关系

孔隙比作为影响黄土湿陷性变形最重要的因素,对场地黄土扰动前后的孔隙比和湿陷性系数的变化研究是必不可少的(图4)。

图4 湿陷性系数和孔隙比的关系Fig.4 Relationship between collapsibility and porosity

由图4可知,场地黄土湿陷性系数和孔隙比均呈正相关关系,扰动后湿陷性增长速率明显减小,扰动前发生湿陷性变形的孔隙比为0.95～1.1,而扰动后为0.85～1之间,可以明显看出扰动后发生湿陷的孔隙比较扰动前有所减小。其原因总结为土体受到扰动导致孔隙变小,发生湿陷变形的程度变轻,虽然孔隙比对场地黄土湿陷性的影响有所减弱,但孔隙比仍可以作为评价扰动性黄土的一种重要指标。

3.4 湿陷性系数与饱和度的关系

饱和度是反映土中水充满孔隙的程度,是影响黄土湿陷性的重要因素对场地黄土扰动前后的湿陷性系数随饱和度变化规律进行分析,见图5。

图5 湿陷性系数随饱和度的变化Fig.5 Variation of collapsibility coefficient with saturation

由图5可知,场地黄土湿陷性系数和饱和度均呈负相关关系,扰动后湿陷性速率较扰动前有所减小,扰动前发生湿陷性变形的饱和度为22%～50%,而扰动后在26%～42%间,可以明显看出扰动后的饱和度较扰动前有所增大,而影响湿陷性的范围也有所减小。其原因为受浸水影响导致颗粒间孔隙被水填充,湿陷变形减小。

3.5 湿陷性系数与塑性指数的关系

塑性指数反映了黄土内部的粒度成分。塑性指数越大,则黄土亲水性更高,成为高湿陷性区。分析场地黄土湿陷性系数和塑性指数的关系可以评价黄土内部粒度成分(图6)。

由图6可知,扰动前后塑性指数变化较小,处于一个稳定的范围,零星的突变是由实验误差导致的,扰动前后湿陷性系数和塑性指数均呈负相关关系,发生湿陷的区域较集中,存在湿陷敏感区,其中扰动前湿陷敏感区介于9～10之间,而扰动后介于8.5～9.5之间,扰动后敏感区明显低于扰动前,且湿陷性系数整体小于扰动前。其原因为塑性指数的物理含义是土体颗粒吸取弱结合水的总量和颗粒总质量的比值[5],扰动后黄土受大量浸水试验和雨水等影响,颗粒吸取弱结合水的能力减弱。

图6 湿陷性系数和塑性指数的关系Fig.6 The relationship between collapsibility and plasticity index

4 湿陷性系数与各物性指标的综合关系

采用扰动前后的干密度、孔隙比、含水率、饱和度和塑性指数作为评价扰动前后黄土湿陷性因子进行多元线性回归分析,建立扰动前后影响因子与湿陷系数的多元线性回归公式:

δ1=0.721ρd+0.013ω+0.58e-0.005Sr-

0.004Ip-1.455;

R=0.980;Sig=0.002

(1)

δ2=-0.081ρd-0.02ω-0.01e+0.004Sr-

0.000 7Ip+0.208;

R=0.957;Sig=0.001

(2)

式中:δ1、δ2分别为扰动前、后湿陷性系数;ρd为天然密度(cm3/g);ω为天然含水率(%);Sr为饱和度(%);e为孔隙比;Ip为塑性指数;显著性水平Sig<0.05时显著相关。

由式(1)、(2)可知,通过多元线性回归得出扰动前、后的回归公式,其相关性系数分别为0.980和0.957,相关性很高;此外,其显著性水平均小于0.05,则可判断为有效公式,可用于评价和预测黄土湿陷性。

对影响湿陷性系数的因子做权重分析,得出权重占比(表3)。

由表3可知,扰动前后影响黄土湿陷性的因子有所变化,从高到低的顺序依次为:扰动前ρd→e→ω→Sr→Ip,扰动后ρd→ω→e→Sr→Ip。可以看出扰动前影响原状黄土湿陷性最重要的因素是干密度和孔隙比,而影响扰动后的黄土湿陷性的最重要因素为干密度和含水率。扰动后孔隙比的影响减弱而含水率的增加,其原因为扰动后的黄土内部孔隙随浸水增重引起的压缩和各种荷载的作用变少,土体变密实,颗粒间孔隙的压缩效果逐渐消失,而土体还未达到饱和,水仍然可以进入孔隙,成为影响黄土湿陷性的重要因素。

表3 扰动前后湿陷性影响因子权重占比Table 3 Proportion of weight of collapsible impact factor before and after disturbance

5 结论

本文分析场地黄土扰动前后湿陷性系数与各物性指标的变化规律,并进行了回归拟合,对比后得到以下几点结论:

(1)对扰动前后的各物性指标两两进行相关性分析,得出扰动前后各物理量变化较大,但是其相关性相差不大,其中塑性指数和其他各物性指标无相关性。

(2)扰动前后的湿陷性系数和密度、含水率、饱和度和塑性指数等指标呈负相关,和孔隙比呈正相关,扰动后各指标对湿陷性的影响均在减弱。总结湿陷性减弱原因有三点:一为原状黄土在各种荷载和浸水引起的重力压缩导致土体变密实;二为受浸水试验和雨水等影响,导致土体颗粒间的孔隙被水占用,导致可压缩的孔隙减少;三为受浸水试验和雨水等作用,减弱了土体颗粒对弱结合水的吸取效果。

(3)采用干密度ρd、孔隙比e、含水率ω、饱和度Sr和塑性指数Ip作为评价扰动前后黄土湿陷性因子进行多元线性回归分析,建立了多元线性回归公式,分析其因子影响权重,得出扰动前后影响湿陷性的因子排序:扰动前ρd→e→ω→Sr→Ip,扰动后ρd→ω→e→Sr→Ip。影响湿陷性的主要因素从干密度和孔隙比变为了干密度和含水率,其原因为扰动后土体变密实,颗粒间孔隙的压缩效果逐渐消失,颗粒对弱结合水的吸取能力成为主要因素。