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太原理工大学硕士研究生学位论文 影响黄土湿陷性因素的试验及微观研究 摘要 中国是世界上黄土分布区域最广泛的国家之一，其覆盖面积约为 6 3 万平方公里，而其中6 0 的黄土都具有不同程度的湿陷性。湿陷性 黄土在天然低湿度下能够保持较高的强度和较低的压缩性，而一旦遇 水浸湿会产生骤然的变化，变形大幅度增加而强度明显降低。湿陷性 黄土所具有的这种特殊的水敏性给许多地区的经济建设造成了一定的 损失，它们在定量上的不可忽视性以及在定性上的急速发展性，成为 了黄土变形影响其上层建筑物稳定性的两大突出问题。因此在湿陷性 黄土地区进行项目建设时，为避免突发事故，在安全可靠的前提下进 行经济合理的设计与施工，就必须根据湿陷性黄土的特点和工程要求 对黄土的湿陷性进行评价。 本文首先通过室内固结试验等常规土工试验手段对我国部分地区 ( 包括山西各地和陕西西安) 的湿陷性黄土进行不同程度的增湿和减 湿试验，分析比较各地黄土的湿陷系数以及湿陷变形与起始含水量、 液性指数等指标的关系，表明无论增减湿的程度如何，对于同一土体 结构的土体而言，其压缩变形均随起始含水量的增加逐渐增大而湿陷 系数则随起始含水量的增加而明显减小，对已有的研究成果进行了验 证。另外从液性指数的角度对黄土湿陷性进行研究是本文的独特所在， 根据土体在不同液性指数下压缩变形和湿陷系数随压力的变化，以及 太原理工大学硕士研究生学位论文 不同压力下液性指数与湿陷系数和压缩变形的关系，将压力划分为弱 敏感、中敏感和强敏感三个阶段，并指出在工程中应充分重视压力在 强敏感阶段和液性指数较小时，湿陷性黄土对含水量变化的敏感性。 从黄土的微观结构特征对其湿陷机理进行分析是本文研究的另一 重点。利用扫描电子显微镜和x 射线衍射分析对部分地区黄土试样的 物质和结构组成特点进行了分析，定性描述了黄土的微观结构特征， 对部分地区土体的微观结构和孔隙类型进行了划分，将孔隙划分为可 见孔隙和不可见孔隙两大类，并定量计算了两类孔隙的比率，将计算 结果与土的宏观物理力学指标相比较，表明影响黄土湿陷性的主要原 因是团粒或颗粒之间的可见孔隙，而非团粒内部的微孔隙。最后本文 还结合对西安和山西两个工程场地的湿陷性黄土进行的宏观力学性质 比较，在前人黄土湿陷性机理研究的基础上总结了我国部分黄土地区 湿陷性的区域变化规律，指出黄土的物质组成成分，微观结构和孔隙 特征是造成黄土湿陷性质区域差异的根本原因。 关键词：湿陷性黄土，起始含水量，液性指数，压力，微观结构 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h ee x p e r i m e n t a la n dm i c r o s t r u c t u r a l s t u d yo nf a c t sa f f e c t i n g c o l l a p s i b i l i t yo fl o e s s a b s t r a c t c h i n ai so n eo ft h ec o u n t r i e si nt h ew o r l dw h i c hl o e s sd i s t r i b u t i o ni s r e a l l ye x t e n s i v e i t sl o e s sa r e ah a sr e a c h e d0 6 3m i l l i o nk m 2 ，a n d6 0 o f w h i c hh a sd i f f e r e n tc o l l a p s i b i l i t y t h ei n t e n s i t ya n dc o m p r e s s - r e s i s t a n c eo f n a t u r a lc o l l a p s i b l el o e s si ss a t i s f i e di nl o wh u m i d i t y , b u tt h i sc h a r a c t e rw i l l c h a n g eu p o nw e t t i n ga n dl o a d i n g ，t h a ti st h a tt h es o i lw i l ld e v e l o pal a r g e a n ds u d d e n l ys e t t l e m e n ta n di t si n t e n s i t yw i l la l s or e d u c eo b v i o u s l y s u c h s p e c i a lw a t e r - s e n s i t i v i t yo fc o l l a p s i b l el o e s sh a sc a u s e dal o to f e c o n o m i c l o s sf o rt h ec o n s t r u c t i o no fm a n yd i s t r i c t si nc h i n a w ec a n ti g n o r et h e s u d d e nc h a n g eo fc o l l a p s i b l el o e s se i t h e ri nq u a n t i t yo ri nq u a l i t y , a n dt h i s s u s c e p t i b i l i t yh a sb e e nab i gp r o b l e mw h i c hw i l l a f f e c tt h es t a b i l i t yo f a b o v eb u i l d i n g s i no r d e rt op r e v e n tt h ef o u n d a t i o nu n s t a b l ea c c i d e n t s ，a n d c a r r yo u tp r o j e c td e s i g na n dc o n s t r u c t i o ns a f e l ya n de c o n o m i c a l l y , w h e n c o n s t r u c t i n gi nt h ed i s t r i c t so fc o l l a p s i b l el o e s s ，t h ee v a l u a t i o no fl o e s s c o l l a p s i b i l i t yi sn e c e s s a r ya c c o r d i n gt ot h el o e s sc h a r a c t e r i s t i c sa n dp r o j e c t r e q u i r e m e n t i nt h i st h e s i s ，s o m ec o l l a p s i b l el o e s sf r o ms o m ea r e a si no u rc o u n t r y s u c ha ss h a n x ip r o v i n c ea n ds h a a n x ix i a nw e r es t u d i e da n dt h er e g u l a ro f i 太原理工大学硕士研究生学位论文 c o l l a p s i b l ed e f o r m a t i o nw a sd i s c u s s e dp r i m a r i l y f i r s t , o d e m e t e rt e s ta n d t h er o u t i n es o i lt e s t sw e r ec a r r i e do u tn o to n l yo nt h eu n d i s t u r b e ds a m p l e s b u ta l s oo nt h e s a m p l e sw h o s e w a t e rc o n t e n t sw e r ec h a n g e de i t h e r i n c r e a s i n go rd e c r e a s i n g t h r o u g ht h e s et e s t s ，t h ec h a n g e so fc o l l a p s i b l e c o e f f i c i e n ta sw e l la sc o l l a p s i b l ed e f o r m a t i o nw e r ea n a l y z e d ，a n dt h e c o m p a r i s o no fs u c hc h a n g e sw i t ht h ed i f f e r e n ti n i t i a lw a t e rc o n t e n ta n d l i q u i d i t yi n d e xw a sc o n d u c t e d ，t o o i tw a si n d i c a t e dt h a tf o rt h e s a l n e s a m p l e ，r e g a r d l e s s o fi n c r e a s i n go r d e c r e a s i n g w a t e r c o n t e n t ，i t s c o m p r e s s i v ed e f o r m a t i o ng r a d u a l l yi n c r e a s e db u tt h ec o l l a p s i b l ec o e f f i c i e n t o b v i o u s l yr e d u c e da l o n gw i t ht h ei n i t i a lw a t e rc o n t e n ti n c r e a s i n g s e c o n d ， f o r mt h ev i e wo fl i q u i d i t yi n d e xt oa n a l y z et h ec o l l a p s i b i l i t yo fl o e s si st h e i m p o r t a n tc h a r a c t e ro f t h i sp a p e r , a n da l s oi si t sc o n t r i b u t i o nt ol o e s ss t u d y a c c o r d i n gt ot h ec h a n g e so fc o m p r e s s i v ed e f o r m a t i o na n d t h ec o l l a p s i b l e c o e f f i c i e n to ft h el o e s ss a m p l e sw i t ht h ed i f f e r e n tl i q u i d i t yi n d e xu n d e rt h e d i f f e r e n tp r e s s u r e ，c o m p r e s s i v ep r e s s u r ew a sd i v i d e di n t ot h r e eg r o u p si e 1 0 w s e n s i t i v ep r e s s u r e ，m i d - s e n s i t i v ep r e s s u r ea n dh i g h s e n s i t i v ep r e s s u r e e n g i n e e r sm u s tp a ym o r ea t t e n t i o nt ot h es o i l w i t hl o wl i q u i d i t yi n d e x w h i c hi su n d e rah i g h - s e n s i t i v ep r e s s u r e i ns u c hac a s e ，al i t t l ec h a n g eo f s o i lw a t e rc o n t e n tm a yc a u s eas e r i o u sd e f o r m a t i o no f t h ef o u n d a t i o n a n o t h e rk e yp o i n ti nt h i s t h e s i sw a s a n a l y z i n g i t s c o l l a p s i b l e m e c h a n i s mf r o mt h el o e s sm i c r o s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c t h em i n e r a l c o m p o s i t i o na n ds t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so f l o e s ss a m p l e sf r o ms o m ea r e a s w e r ea n a l y z e db yu s i n gt h es c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e 旧a n dx - r a y t h em i c r o s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fl o e s sw e r eq u a l i t a t i v e l yd e s c r i b e d ， a n dt h et y p e so f m i c r o s t r u c t u r ea n dp o r ew e r ea l s od i v i d e d t h ep o r eo f s o i l s a m p l ew a sd i v i d e di n t ot w og r o u p s ，v i s i b l ep o r ea n d i n v i s i b l ep o r e i nt u r n ， i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h e p o r o s i t y o f e a c hg r o u po fp o r ew a sc a l c u l a t e db a s e do nt h e m i c r o - p h o t o so f s e m ( x 2 5 0 ) a f t e rc o m p a r i s o nw i t ht h ew a t e rc o n t e n ta n d c o l l a p s i b l ec o e f f i c i e n t ，i tw a sd r a w nac o n c l u s i o nt h a tt h em a i nr e a s o n a f f e c t i n gt h el o e s sc o l l a p s i b i l i t yw a st h ev i s i b l ep o r e sb e t w e e na g g r e g a t e s a n dc r u m b s ，b u tn o tt h o s ei n v i s i b l ep o r e si n t r a - a g g r e g a t e f i n a l l y , t h e m a c r o s c o p i cm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft w oc o l l a p s i b l el o e s ss a m p l e sf r o m x i a na n ds h a n x iw e r ec o m p a r e dw i t he a c ho t h e r , a n dt h er e g i o nc h a n g e r u l e so fc o l l a p s i b l el o e s sw e r es u m m a r i z e df o l l o w i n gp r e v i o u sr e s e a r c h r e s u l t s ，a n dp o i n t e do u tt h a tt h em i n e r a lc o m p o n e n t ，t h em i c r o s t r u c t u r ea n d t h ep o r o s i t yc h a r a c t e r i s t i co fl o e s sa r et h eb a s i cr e a s o n sw h i c hc a u s e d r e g i o n a ld i f f e r e n c e so l lt h ec o l l a p s i b l ec h a r a c t e r i s t i c s k e yw o r d s ：c o l l a p s i b l el o e s s ，i n i t i a lw a t e rc o n t e n t ，l i q u i d i t yi n d e x , c o m p r e s s i v ep r e s s u r e ，m i c r o s t r u c t u r e v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文。是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：叠塑墨1 3 1 1 月： 1 神，s 2 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定。其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签 名：叠堑盘日期： 三立：皇：兰兰 导师签名：纽丝! 二 e t i 莓i ：兰2 ：! 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章概述 黄土是第四纪以来，在干旱和半干旱地区，由于不同的动力作用所产生的沉 积物。由于其特定的生成条件和环境，形成了其以粉土颗粒为主，富含碳酸盐类 而且具有明显的结构强度，以及多孔隙、多钙质和垂直节理发育的特性。一般呈 棕黄、灰黄或黄褐色，均匀、疏松，并具有不同程度的湿陷性i l - - 6 。黄土在全世界 范围内分布很广，主要分布于中纬度干旱、半干旱地区，广泛分布于大陆内部， 温带荒漠和半荒漠地区的边缘，或分布于第四纪冰川地区的外缘。其总面积达到 1 3 0 0 万平方公里，约占陆地总面积的9 3 。中国是世界上黄土分布区域最广泛的 国家之一，其覆盖面积约为6 3 万平方公里，占世界黄土分布面积的4 9 左右。我 国黄土主要分布在北纬3 4 。- 4 l 。之间的大陆内部，其中典型的黄土主要集中在黄河 中游的甘肃、宁夏、山西、陕西、河南和河北等六省忙3 】。我国黄土不仅分布范围 广，还具有厚度大、地层的完整性保持良好等特点，这也早就为国内外学者所注 意。而有利的地理环境、地形特点、气候条件等，正是我国黄土分布范围、堆积 厚度和地层完整方面比其他地方黄土更为典型的原因。 黄土由于其生成的年代、成因、环境、地域以及生成后历史变迁上的差异而 具有不同的性质。因此，统称黄土并不能完整的反映各类黄土所具有的不同性质。 于是，需要有恰当的分类定名体系来反映其各自的倾向性和代表性的属性，以便 更好的了解和应用各类黄土，获取相应的科学数据和特征规律i ”。我们常见的黄土 分类定名体系有三个：一是以地质特征( 如地层、年代和成因等) 为基础的体系， 如q l 黄土、q 2 黄土、q 3 黄土、q 4 黄土，午城黄土、离石黄土、马兰黄土，老黄 土、新黄土、新近堆积黄土，风积黄土、冲积黄土、洪积黄土、坡积黄土等；二 是以湿陷特性为基础的体系，如非湿陷性黄土、湿陷性黄土，自重湿陷性黄土、 非自重湿陷性黄土等；三是以颗粒组成特性为基础的体系，如砂黄土、粉黄土、 粘黄土以及砂质粉黄土、粘质粉黄土、粉质粘黄土等。 我国黄土的代表地层为晚更新世q 3 黄土( 形成于距今l o 万年到5 千年间， 以马兰黄土为典型代表) 和全新世早期q 4 黄土( 形成于距今5 千年内) 。天然黄 太原理工大学硕士研究生学位论文 土一般具有较高的强度和较低的压缩性。但是遇水浸湿后，有些黄土的强度会显 著下降，变形明显增加，工程性质发生很大的改变。具有这种性质的黄土，工程 界称之为湿陷性黄土。关于湿陷性的定义，国内外存在的一些说法也有略微不同。 我国湿陷性黄土地区建筑规范【8 】的定义为：在一定压力下受水浸湿，土结构迅 速破坏，并产生显著附加下沉的黄土叫湿陷性黄土。在国外，由于黄土的形成年 代、成因以及结构组成的不同，定义也稍有不同。英国学者r o g e r s 在他的文章中 列举了几种湿陷性黄土的定义。其中，s u l t a n 将湿陷性黄土定义为：在浸湿或一定 压力下或二者同时存在的条件下产生显著体积变化的黄土；d u d l e y 则认为是任何 不饱和的土体浸湿后，在有附加压力或没有附加压力的情况下，发生颗粒重组和 显著体积变化的黄土为湿陷性黄土1 9 1 。不过，无论从哪个角度进行定义，水和压力 是条件，产生显著变形是结果这一点是毫无疑问的。湿陷性是黄土最主要的工程 性质之一，因此黄土的湿陷性一直以来都是黄土工作者研究和分析的热点。近年 来，国内外学者从各个方面不断丰富了人们对黄土湿陷性的认识，但对于黄土产 生湿陷的原因，在学术界一直都没有形成定论，这也体现了黄土产生湿陷性的原 因的复杂性和多重性。鉴于黄土的湿陷性与各类工程建筑的设计、施工和安全运 营密切相关，国内外学者对黄土湿陷产生的原因、分类和机理等问题做了大量的 工作并提出了多种解释【2 “o 】。 1 1 国内外关于黄土湿陷外因的研究 从湿陷性黄土的定义上，人们早就知道导致黄土产生湿陷的外部原因是“荷 重”和“水”，因此从这两个因素出发来研究黄土的湿陷性也是最为直观的。一些 解释黄土湿陷机理的假说就以“荷重”和“水”这两个因素出发，从物理学、物 理化学、力学等各个方面对湿陷现象作了解释。 毛细管假说：这种假说认为在砂粒周围集聚有细粉粒土颗粒，砂粒之间依靠 毛细张力连结，如果在孔隙水中悬浮有粘土片，则在水分蒸发过程中由于粒间毛 细水弯液面的退缩，会在颗粒周围形成絮状连结，对颗粒起支托作用。当水浸入 土中不仅毛细连结力消失，支托也将分散，粒间连接作用被削弱，从而产生湿陷。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 溶盐假说：黄土中存在大量的可溶盐，当黄土的含水量较小时，易溶盐处于 微晶体状态，附着在颗粒表面，起着一定的胶结作用。这种胶结作用是黄土加固 凝聚力的一部分，受水浸湿后，易溶盐溶解，这部分强度就丧失了，因而产生湿 陷。 水膜楔入假说：低含水量黄土在细颗粒( 主要是粘粒) 表面上包裹着的结合 水膜一般很薄，溶解在其中的阴、阳离子的静电引力较强，将表面带负电荷的粘 粒连接起来，形成一定的凝聚强度。当水进入土中时，结合膜变厚，像楔子一样 将牢固连接的颗粒分开，使土粒表面产生膨胀，体积增大，引力减弱，凝聚强度 降低，因而产生湿陷。 欠压密理论：认为在干旱、少雨的气候下，黄土在沉积过程中由于水分不断 蒸发，土粒间的盐类析出，胶体凝固，形成固化粘聚力，从而阻止了上面土体对 下面土体的压密作用而成为欠压密状态，久而久之就形成了高孔隙比、低湿度的 湿陷性黄土。在受水浸湿作用下，固化粘聚力消失，产生湿陷。 除以上各种假说外，以“水”作为出发点来进行黄土湿陷性研究的还有很多。 谢定义就曾经对黄土的水敏性做过系统的研究。黄土的水敏性是指其对水的特殊 敏感性，即天然低湿度下具有明显高强度和低压缩性的黄土，在一旦浸水甚至增 湿时会发生强度大幅度骤降和变形大幅度突增的特性1 7 1 。从以上定义可以发现，谢 定义对于水敏性的定义和黄土湿陷性的定义基本一致。但是这里不用常用的“湿 陷性”而选择“水敏性”是因为后者比前者更能细致独到的体现这类变形和强度 与水的关系的特殊本质，并同时包含增湿与浸湿以及湿陷与湿剪的影响。抓住水 敏性来研究黄土的力学特性就抓到了问题的本质，抓到了黄土力学的灵魂。此外， 谢定义还提出，力荷载和水荷载( 将水的作用视为广义的力) 及它们在状态、路 径、速率、历史、水平上的变化与黄土湿、密、构特性综合作用的力学效应和物 理机制是勾画黄土特有“面孔和心灵”的主线条。近年来，黄土力学的研究出现 了由侧限压缩到三轴压缩，由常规三轴应力路径到多种复杂应力路径，由浸水湿 陷量到湿陷敏感性，由狭义的浸水饱和湿陷到广义的浸水增湿湿陷，由单调的增 湿变形到增湿减湿、间歇性湿陷变形，由增( 减) 湿路径到增( 减) 湿路径与加( 卸) 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 荷路径的耦合，由湿陷性到湿剪性以及由宏观特性分析到宏、微观结合的力学特 性分析等诸多方面的发展，大大地丰富了人们对黄土特殊变形强度性质的认识， 缩短了黄土力学与工程实际应用之间的距离。研究表明 7 】：( 1 ) 黄土的水敏性来源 于黄土特殊的地域与生成条件造成的粉粒性、富盐性、大孔性、欠压密性、非饱 和性和各向异性，即低的湿度，低的密度及脆弱的架空结构。这些方面在实际上 的差异使黄土反映出不同的水敏性，即不同的湿陷性，湿陷敏感性和湿剪强度的 弱变性。( 2 ) 应力状态、应力历史、应力路径、应力速率、应力水平与增湿状态、 增湿历史、增湿路径、增湿速率、增湿水平的变化是引起黄土在变形和强度上反 映出不同水敏性的主要外因。对当今具有同样湿一密一构状态的黄土，当水荷载 特性相同时，应力低于结构强度( 或先期固结压力或湿陷起始压力) 时，增湿变形 较小，不同应力路径和应力速率对密度一结构状态虽有所影响，但变化较小，除 非对特别重要的工程一般可以忽略。只要应力水平不会超过增湿条件下黄土的破 坏应力，变形将仍然主要由相应的增湿特性所决定。当力荷载特性相同时，低于 湿陷起始含水量的增湿同样影响不大，不超过历史上最大增湿含水量的增湿( 含多 次增湿) 也不会引起新的湿陷变形。增湿变形主要决定于最终的含水量，而分级增 湿或连续增湿甚至增减湿交替只有较小的联系 j 。遵循着以上的规律，可以在应 力路径与增湿路径的交替变化过程中分析黄土的增湿变形过程。( 3 ) 当黄土的含水 量增大时，强度的降低与变形的增大是同一个本质反映出的不同侧面。对承受一 定剪应力达到变形稳定的黄土试样逐级增湿( 即增大水荷载) 时，剪切变形将连续 逐级增大。如果将此所加的剪应力视为对应于破坏增湿级的湿剪强度，则它与对 此含水量级下的试样逐级增加剪应力所求得的相应抗剪强度一样，也符合库伦公 式，而数值上可能的不同反映出应力路径的影响。因此，黄土的抗剪强度也主要 由黄土的含水量来决定，随着含水量的增大，土的抗剪强度，尤其是粘聚力均逐 渐降低表明了在黄土土体稳定分析中按土的实际含水量状态分别采用不同强度的 十分必要性。当前的困难在于正确预计土体内原始的或水分渗入时的含水量分布 状态。( 4 ) 黄土的变形和强度与含水量的变化有非常密切关系，因此，可在不同的 初始含水量下研究黄土的变形和强度，其变形的差值即为增湿的变形增量，强度 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 的差值即为增湿的强度增量。它们不同于一般土类之处，仅在于这种差值对含水 量的变化具有更加明显的可变性。利用不同起始含水量对应的模量值应该可以综 合反映此时黄土的变形与强度特性，从而有可能从长期以来用湿陷量来反映黄土 特性的圈子里走出来，使土力学特性的研究从总体上不再与传统土力学的体系相 分离( 当然从量上及变化上仍有明显的差异) 。有的资料采用弦线模量来拟合黄土 地基的载荷试验曲线，已收到较好的效果。事实上，在黄土湿陷性本构关系的研 究中，用天然含水量和饱和含水量条件下分别求得变形的差值来计算湿陷变形以 及由双线法求湿陷系数的方法早己得到了较普遍的应用。 随着试验设备、技术的进步以及研究的不断深入，黄土湿陷性试验的研究不 再局限于狭义的浸水饱和湿陷，而是发展到广义的浸水增湿湿陷；不再是单调的 增湿变形，而是增湿减湿、间歇性湿陷变形；湿陷量的研究也不仅仅是单纯的浸 水湿陷量，而是通过各级湿陷量的不同来反映湿陷的敏感性。特别是黄土湿陷性 同增湿减湿的关系一直是近年来黄土湿陷性研究的一个重要方面。 张炜、张苏民对湿陷性黄土在增湿( 并非一定达到饱和) 和减湿时强度和变形 性质的变化进行了深入研究，从黄土增湿时的强度特性、变形特性，增减湿时黄 土的湿陷性以及黄土的结构强度几个方面提出了一些认识1 1 2 】：( 1 ) 增湿时的强度特 性。不同起始含水量的三轴试验结果表明，湿陷性黄土的极限强度是围压和含水 量的二元函数，可用三维空间中的一个强度曲面来表示。强度指标c ，舻可表达为 含水量的函数，随含水量增加到某值，强度线降低而达到极限平衡，此含水量 可称之为湿陷性黄土的l 临界含水量。，它与强度曲面上的应力水平是一一对应的。 ( 2 ) 增湿时的变形特性。增湿变形是指黄土在压力作用下变形达稳定后因含水量增 加产生的附加变形。通常所说的湿陷变形是其饱和浸水的特例。湿陷性黄土的变 形表示为应力水平盯和含水量n ) 的函数，即s 乏及盯，w ) ，把力与水的作用及相应的 变形发展过程用空间曲线来描述，这种曲线称为应力增湿路径。力和水作用的组 合次序不同，可得出不同的应力增湿路径，它们在g - 0 3 空间中组成了一个集合曲 面，称之为应力增湿变形曲面。从中可以得出湿陷性黄土变形势和湿陷势的概念， 从而更加全面地认识湿陷起始压力、湿陷起始含水量以及增湿起始压力的理论意 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 义和工程意义。( 3 ) 增湿和减湿时黄土的湿陷性。对天然含水量的黄土经不同程 度的增湿和减湿得到的一组湿陷系数玉与压力p 曲线族，结果表明不同压力下的 只盈曲线有一峰值，相应有湿陷峰值系数和湿陷峰值压力，它们均随增湿而降低， 随减湿而增大。湿陷性黄土除有湿陷起始压力外，还有湿陷终止压力，只有当压 力超过湿陷起始压力而又不大于湿陷终止压力时饱和浸水才能产生显著的湿陷变 形，此压力区间段称为湿陷压力区间。当初始含水量超过湿陷极限含水量时，不 论在多大压力下饱和浸水都不可能产生蟊0 0 1 5 的湿陷变形。( 4 ) 黄土的结构强 度。在应力一应变关系中有一个特征点，可用结构屈服极限旬表示，结构强度的发 挥过程受结构屈服极限控制，可用结构强度发挥度来描述。由于结构强度的影响， 黄土的抗剪强度不服从于莫尔一库仑定律，而要分段线性表示。 另外有关黄土增减湿过程中的湿陷特性的研究还有： 曾国红、裘以惠等通过对湿陷性黄土的增减湿室内压缩试验，分析了湿陷性 黄土增减湿时的变形变化规律，对黄土湿陷起始压力、湿陷起始含水量进行了研 究，并发现在不同压力下，湿陷性黄土试验实测变形与含水量关系曲线族上有一 变形陡增段，表明在此含水量变化区间内，湿陷性黄土的变形对含水量变化相对来 说比较敏感。另外，还提出了变形分界压力和变形分界含水量的概念，并对相关 经验公式进行了初步探讨，为研究黄土湿陷起始压力、湿陷起始含水量问题提供 了一个新思蹦玎。 李敏、马登科从分析影响黄土湿陷性的主要因素着手，系统研究了湿陷性黄 土在含水量( 包括浸水含水量和初始含水量两种) 、压力等变化时的湿陷特性。提 出了充分湿陷、不充分湿陷和剩余湿陷的概念，建立了湿陷系数与其影响因素之 间的回归关系，为湿陷性黄土地区建筑地基黄土湿陷类型划分和初步评价应用提 供了参考f j ”。 张洪萍、包卫星则是对湿陷性黄土变含水量情况下分别进行单线法和双线法 的浸水湿陷试验，综合试验曲线分析了湿陷性黄土随含水量变化的特征，总结了 黄土的压缩变形与湿陷变形随饱和度以及压力变化的规律，借以描述湿陷性黄土 在增减湿过程中的湿陷与压缩变形性状以及不同应力路径对黄土变形特性的影 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 响。讨论了在室内浸水压缩试验时采用单线法和双线法所存在的差异【1 6 1 。 郭敏霞、张少宏、邢义川等通过用改装的应力一应变控制式三轴仪，对等应力 比条件下的非饱和原状黄土进行了“分级浸水”，得出在湿陷过程中，吸力值的大 小主要取决于孔隙水压力的大小，湿密比与吸力的变化关系呈现良好的直线关系， 且这一关系基本不受偏应力状态的影响，即该试验条件下吸力的大小受应力因素 控制影响很小7 i 。 涂光祉、钱鸿缙对西安五个场地有关黄土的自重湿陷变形和外荷湿陷变形进 行原位试验，通过分析自重湿陷的产生与发展过程，自重湿陷量的大小与其沿深 度的分布，水平位移及其沿深度的分布及试坑浸水的湿陷影响范围等相关内容， 揭示了西安黄土变形规律和影响范围等因素口刖。 高凌霞、赵天雁则通过对黄土湿陷性影响因素的综合分析，认为湿陷性影响 因素可以用宏观物理指标，即含水量( ) 、孔隙比( e o ) 和塑性指数( 厶) 表示。 通过多元线性回归分析，得出湿陷系数与物性指标间的定量关系式f 1 9 】。 张爱军、邢义川通过非饱和原状黄土湿陷增湿及孔隙压力特性试验得到的黄 土增湿过程中的有效应力应变关系，采用三维非线性数值分析方法，对黄土地 基从天然状态到非饱和增湿湿陷，直到饱和湿陷的全过程进行了分析，初步得出 了黄土湿陷全过程的变形、应力转换等规律。提出黄土湿陷的过程实质上是土体 浸水后，密度变化和本构关系发生变化而造成的土体内部应力重分布的过程，其 变形也在应力重分布的过程中产生 2 0 1 。 除增减湿外，赵景波、陈云等还对黄土的湿陷性在垂直方向上的变化规律和 区域上的变形进行了研究。他们根据甘肃1 7 个土层剖面黄土湿陷系数的测定，查 明黄土湿陷性从上向下呈现波动变小，并说明了造成湿陷性在垂直方向上变小的 原因是土层自重压力，引起波动变化的原因是土层受成壤强弱的差异。分析了黄 土湿陷性在区域上的变化，认为有两个方面的原因对黄土在不同区域的粘土含量 和湿陷性有影响：一是由于黄土高原西北部靠近黄土来源区，风积物颗粒粗，粘 土胶结物少，孔隙不稳定。从湿陷性黄土中粘土含量普遍很少分析，西北部黄土 湿陷性强与该区风尘堆积时粗粉砂含量高、粘土含量少有一定关系。二是因为黄 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 土高原西北部气候干冷，黄土经受的风化成壤弱，新生枯土少，形成的土体结构不 稳定。他们最终认为，决定湿陷性南北差异的主要原因是气候条件。因为，黄土 是干冷气候条件下发育的古土壤，黄土的不稳定结构和稳定结构都不是风尘堆积 形成的，而是在堆积过程中和之后的土壤化过程中形成的。颗粒较粗的黄土不一 定有湿陷性或强湿陷性，并且在受到成壤作用改造的情况下，粗粒的黄土也会失 去湿陷性。湿陷系数测定表明，在黄土高原西北部同一地区甚至同一条剖面中， 有些黄土的湿陷性很强，而有些埋藏浅的黄土和棕红色古土壤湿陷性很弱或不具 湿陷性。因此，湿陷性主要不是取决于风尘堆积时的颗粒粗细，而是取决于风化 成壤的强弱。 赵景波等最后得出的结论是：( 1 ) 黄土湿陷系数在垂向上变化的普遍规律是 呈波动变化。湿陷强的层位是成壤作用弱的黄土或古土壤；湿陷弱或不具湿陷性 的层位是成壤较强的黄土或古土壤。成壤作用的强弱差异是造成黄土湿陷性在剖 面上呈现波动变化的主要原因。( 2 ) 黄土高原由西北向东南，黄土湿陷性由强变 弱，这是由于西北部的成壤作用比东南部弱的结果。( 3 ) 从土壤类型分析，具强 湿陷和极强湿陷的黄土主要是在荒漠草原和草原生物气候条件下发育的棕钙土、 灰钙土、栗钙土和黑钙土，具中等湿陷性和弱湿陷性的黄土主要是在森林草原条 件下发育的黑垆土和碳酸盐褐土，不具湿陷性的黄土或古土壤通常是在森林条件 下发育的。( 4 ) 黄土形成过程实质上是土壤化过程，黄土湿陷性与成壤作用是不 可分割的，湿陷性是在特定的几种成壤过程中形成的【2 “。 这些有关黄土湿陷性质和变形机理的试验工作和有关造成黄土湿陷的外因的 研究对黄土湿陷性研究进行了许多有益的尝试，对黄土的研究具有重要的意义。 1 2 国内外关于黄土湿陷内因的研究 黄土产生湿陷的外因是“荷重”和“水”，但是，外因是要通过内因而起作用 的，那么黄土湿陷的内因是什么? 这也是国内外学者一直追求解决的理论、实践 研究课题。 可以理解，所谓“内因”则必然是和黄土本身所具有的矿物成分、颗粒含量、 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 孔隙形状、孔隙分布规律以及黄土的结构组成等有密切联系的。然而，无论是单 从矿物成分还是颗粒含量或孔隙等某一方面分析，都只能说明问题的一个方面， 无法充分解释黄土湿陷的真正内在机理。只有通过分析黄土自身的结构，才能结 合一些外部原因对黄土湿陷进行解释。高国瑞也曾提出，只有结构学说能寓各种 假说的合理部分于其中，并从空间结构力学角度对黄土湿陷变形的机理进行分析， 说明所有湿陷现象的本质【2 】。 结构学说：黄土湿陷的根本内在原因是黄土具有比较特殊的粒状架空体系， 这个体系首先在堆积过程中形成非正常配位的架空体系，其次颗粒间的连结强度 是在干旱、半干旱条件下形成的。其连结强度主要来自于上覆土层的压密和少量 含溶解离子的水在粒间接触处所形成的毛细管力、双电层净势能、粒间摩擦系数 以及少量胶凝物质的分子粘结力。如果土中水量增加，毛细张力引起的法向应力 将迅速减小甚至消失，有效法向应力也会因孔隙水压力增加而减小；双电层离子 浓度降低，排斥能将占优势；粒间摩擦系数降低，胶凝物质问由于水膜楔入而距 离拉大，分子粘结力变小，粒间连结强度减小，黄土结构破坏而发生湿陷。加荷 后，连结点发生滑移，在整个结构体系失去稳定之前，这些连接点的破坏和移动 只产生少量变形。继续加荷，变形明显增大，此时黄土结构中的部分架空孔隙被 破坏，部分颗粒填充到架空孔隙的空腔中，黄土产生明显的湿陷。如果继续加荷 到一定的极限状态时，所有的架空孔隙都被破坏，黄土结构的彻底重建，变形又 变小。 土的结构是描述土体物理本质的一个极为重要的方面。太沙基在创立土力学 这门学科时就已经指出了土结构的重要性。大量的研究表明，土的力学性质在很 大程度上取决于土的结构【”。黄土具有明显的结构性，其工程力学性质必定会受到 其结构特性的影响。研究湿陷性黄土的结构性及其在力和水作用下的变化规律， 对湿陷性黄土的深入研究有很大的科学意义。 黄土结构性的研究目前在国内外都是一个比较受关注的问题，谢定义教授曾 指出：对土的结构性的研究有三条途径，其中第一条就是微结构形态学途径。因 此，从结构性出发特别是从微观结构出发进行土的工程性质研究已经成为土力学 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 中一个新的发展方向。所谓土的微观结构是指微结构单元体的大小、形状、表面 特征及其定量比例关系，也包括各单元体之间在空间上的排列方式及其相互作用 形式 z 2 1 。随着研究的不断深入以及研究手段的进步，黄土微观结构研究也在不断 的发展进步。 英国l o u g h b o r o u g h 大学和n o t t i n g h a nt r e n t 大学的i j s m a l l e y 、 t a d i j k s t r a 、a m j e r f f e r s o n 等对黄土的结构性及其湿陷性进行了比较深入的研 究，在吸收中国、美国、欧洲和俄罗斯自从上个世纪4 0 、5 0 年代以来对黄土湿陷 和结构破坏特性的研究，他们从流变学、热动力学，相变、颗粒接触、颗粒连接、 孔隙结构和分布等角度对黄土湿陷和结构破坏进行了阐释，同时，还提出利用蒙 特卡洛方法进行黄土微结构计算机模拟来研究黄土的宏观变形现象。英国学者认 为黄土处于“亚稳态”( m e t a s t a b l e ) 。所谓“亚稳态”是指物质非平衡状态可以在 很长时间内持续保持的能力，仅当条件发生改变时，其状态才会迅速向稳定状态 转化。对黄土来说，它在干燥和没有动力扰动的条件下其结构也可以保持亚稳态， 但在遇水和动荷载作用下，其结构转形加剧，结构性发生质变性的转化。颗粒接 触结构被英国学者称为“颗粒团聚物”( p a r t i c l ep a c k i n g ) 。黄土发生结构变化的原 因是因为颗粒之问存在开放的“随机松散团聚物”( r a n d o ml o o s ep a c k i n g ) ，在外 力作用下这种结构有向“随机封闭团聚物”( r a n d o mc l o s e p a c k i n g ) 转化的趋势， 因此会造成大量的变形。英国学者对这一认识通过数值模拟和人造黄土给予了证 明。a s s a l l a y 对黄土的湿陷结构进行了研究，认为黄土中石英颗粒形成了亚稳态 的颗粒接触结构，而低含量的粘土起到了粘结该结构的作用。当遇水以后，粘土 的亲水性使得其性质发生变化，失去了粘结效用，从而诱发开放颗粒接触结构的 破坏。在粘粒含量过低( 3 0 9 6 ) 的土样中没有湿陷发生，其原因 就是因为低粘土含量是形成开放黄土孔隙结构的条件。j f e d a 对土的湿陷性从结 构上给予了解释，认为湿陷在微观力学机制上与分裂、颗粒破碎、结构转换和动 力约束有关系。与经典土力学从连续介质力学出发的认识不同，现代土力学发展 认识到土是一种不连续的颗粒材料，通过对颗粒间的力和相互作用的研究，新认 识可以从实质上推进土力学的发展。在这样的理念下，微观土力学取得了许多新 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 的进展。 在国内，对于黄土结构性和微结构进行的研究也成为一个学术热点。许多学 者分别从不同的角度利用不同的方法对黄土微结构进行了研究。 高国瑞等在黄土结构性的微结构形态方面作了较为系统的研究和论述。他们 进行了黄土微结构的系统研究并提出了考虑颗粒形态、排列方式和连接形式( 或 称为胶结程度) 的黄土微结构类型分类，并将黄土微结构类型同黄土工程性质联 系起来，说明了黄土微结构对其湿陷性的重要性。