（岩土工程专业论文）黄土地基的水分入渗分析及增湿变形计算.pdf

西安建筑科技大学硕士论文 黄土地基的水分入渗分析及增湿变形计算 专业：岩土工程 研究生：付艳斌 指导教师：赵树德教授 王铁行副教授 摘要 地基沉降是土力学中的主要研究课题之一。黄土由于其特殊的结构性，一般在 浸水与压力的作用下显示出不同程度的增湿变形。造成了许多工程事故。目前规范 以湿陷系数进行黄土地基设计，湿陷系数反映了浸水饱和下的变形，不能反映增湿 非饱和黄土地基的变形量，与实际常有较大差距，在有些条件下造成不必要的浪费 和判定错误。本文基于研究现状的不足，对黄土地基进行了增湿变形研究。 增湿变形是在压力作用下变形达到稳定后由于含水量增大而产生的附加变形。 增湿变形的关键是研究含水量的变化，本文针对黄土地基由于漏水所引起的湿陷事 故，建立了二维湿陷性黄土地基积水入渗模型，实现了对黄土地基含水量变化的预 测，进一步选择了分层总和法计算黄土地基增湿变形，考虑了含水量、孔隙比对模 量的影响，以弦线模量取代压缩模量，提出了计算增湿变形的计算方法，计算了由 于漏水而引起的黄土地基增湿变形量。 运用上述理论，通过对湿陷性黄土地基工程实例计算分析，验证了其可行性。 关键词：湿陷性黄土地基增湿变形浸水模量含水量 a n aiy s i s0 f 飘煳rd 疆t r 篷i 蔓o na n dc a i 。c l 理。灯l o n o fm o i s 7 瓶n i n gd e f o r 剐【蜘o nf o rl o e s s s u b s o s p e c i a l t y ：g e o t e c h n i q u e n a m e ：f uy a n b i n l n s t r u c t o r - z h a os h u d e w a n gt i e h a n g a b s t ra c t t h es u b s o i ls e t t l e m e n ti so n eo f t h em a i nr e s e a r c hs u b j e c t si ns o i lm e c h a n i c s o w i n g o ft h es p e c i a ls t r u c t u r eo ft h el o e s s ，t h em o i s t e n i n gd e f o r m a t i o no f v a r y i n gd e g r e e si so n s h o ww i t ht h er e s u l to ft h ep r e s s u r ea n dw a t e r , c a u s i n gal o to fp r o j e c ta c c i d e n t s a t p r e s e n tt h es u b s o i li sd e s i g n e di nn o r m w i t ht h ec o l l a p s i b l ec o e f f i c i e n t ，w h i c hd i s p l a y s t h es a t u r a t e dd e f o r m a t i o no f i m m e r s i n g a n dd o e s n td i s p l a yt h em o i s t e n i n gd e f o r m a t i o n ， r e l a t i v e l yw r o n gc o m p a r e dw i t ht h ef a c t , l e a d i n gt ot h eu m e c e s s a r yw a 5 t ea n dj u d g i n g m i s t a k e su n d e rs o m ec o n d i t i o n s ，t h i st e x tr e a l i z e st h ed e f i c i e n c yo fr e s e a r c hc u r r e n t l y a n dt h i n k si tn e c e s s a r yt os t u d yt h em o i s t e n i n gd e f o r m a t i o n t h em o i s t e n i n gd e f o r m a t i o ni saa d d i t i o n a ld e f o r m a t i o no fi n c r e a s i n gw a t e rc o n t e n t a f t e ri ti ss t e a d yu n d e rt h ep r e s s u r e t h ek e yt oc a l c u l a t et h em o i s t e n i n gd e f o r m m i o ni st o w o r ko u tt h ed i s t r i b u t i o no ft h ew a t e rc o n t e n t a i m i n gt ot h ec o l l a p s i b l ea c c i d e n t so w i n g o f l e a k a g e ，t h i st e x te s t a b l i s h st w o d i m e n s i o n a li m m e r s i n g m o d e lo f c o l l a p s i b l e l o e s sa n d p r e d i c t st h ec h a n g eo fw a t e rc o n t e n ti nl o e s ss u b s o i l f u r t h e r m o r et h et e x ts e l e c t s t h e s t r e s s p a t h m e t h o dt oe a l c d m et h em o i s t e n i n gd e f o r m a t i o ns u b j e c t e d t o l e a k a g e ， s u b s t i t u t i n gc o m p r e s s i n gm o d u l sf o rt a n g e n tm o d u l sa f t e rt a k i n gc a v i t yr a t i oa n dw a t e r c o n t e n ti n t oa c c o u n tr p u t t i n g f o r w a r dt h em e t h o dt oc a l c u l m e t h e m o i s t e n i n g d e f o r i i l a t i o n u s ea b o v e m e n t i o n e d t h e o r y , a n a l y z e t h e p r o j e e le x a m p l e o f c o l l a p s i b l e l o e s s s u b s o i 】a n dv a l i d a t ej t k e yw o r d ：c o l l a p s i b l el o e s s ；s u b s o i l ； m o i s t e n i n gd e f o r m a t i o n ；i m m e r s i n g ； m o d u l s ； w a t e rc o n t e n t n z 声明 y 6 1 6 5 6 9 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：彳才拯试 日期：油识轵v 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：对抱试导师签名瓣日期：爿硼y 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士论文 主要符号表 y o ( f ，) 为垂直湿润锋 x 0 ( f ，) 为水平湿润锋 a 为湿润比 w ( y ，) 表示y 处f 时刻的含水量增量 q ( t ，) 单位面积的入渗量 女( f ) 为非饱和土的渗透性系数 k 。为土在饱和时的渗透性系数 ( “。一“。) 。为进气吸力 旯为孔隙大小分布指标 ”为形状系数 0 为土的体积含水量 臼为土的饱和体积含水量 只为土的滞留体积含水量 ( “。一“。) ，为距离土体零点，处土的吸力 “为水源与湿润锋距离 j 是对应于0 1 的滞留饱和度 m 是对应于只的滞留含水量 e ，为弦线模量 反为压缩模量 “为地基泊松比 s 为地基沉降量 口是修正系数 艿为湿陷系数 i i l 西安建筑科技大学硕士论文 1 1 黄土的分布特点 第1 章绪论 黄土是一种第四纪沉积物，具有一系列内部物质成分和外部形态的特征，不同 于同时期的其他沉淀物。黄土覆盖着约1 0 的地球陆地面积。在我国，黄土分布面 积达3 8 1 万平方公里，黄土状土分布面积约为2 5 4 4 万平方公里。特别是我国黄土 高原地区，黄土地层最厚，最完整，发育好，地层全，分布连续。其特点较为典型： 黄土十分疏松，易被侵蚀，产生水土流失，加之长期存在的不合理的开垦和利用方 式，导致黄土高原水土流失极为严重，生态平衡遭到破坏，严重危害黄河下游地区， 而且黄土独特的物质组成和所在区域的地貌及所构造环境，使得在黄土区进行各项 工程建设时，都不同程度的遇到了诸如湿陷，崩塌一系列工程地质问题。 我国的湿陷性黄土分布面积约为黄土分布面积总面积的3 4 ，湿陷性黄土的主 体是晚更新世( q 3 ) 马兰黄土和全新世( q 4 ) 新近堆积黄土，马兰黄土分布范围广，呈弧 形带状分布在西北、华北和东北广大的区域上，是工程建设的主体黄土层，新近堆 积黄土是较晚被确认并划分为一层的。他们一般位于底层的上部，其厚度约为 1 0 2 0 米。公路，铁路，水利，农田，工业与民用建筑等工程建设与这些地层息息 相关。 建国五十多年来，广大工程技术人员结合国家基本建设对黄土的基本性质和工 程特性进行了深入的研究。尽管如此，对黄土湿陷的认识仍存在不足。在实际工程 中，由于黄土地基造成的事故屡见不鲜。随着西部大开发战略的实施，许多重点工 程和重大项目纷纷上马，它们不可避免的面临着黄土地基湿陷问题。因此，深入研 究湿陷性黄土的工程性质不仅具有重要的理论和实践意义，而且具有重要的社会意 义。 1 2 黄土力学研究现状 黄土的特殊性除了表现在它的地质特征，微结构特征以及其他物理性质以外， 从工程意义来说，黄土的特殊工程性质最主要的是它的力学性质，作为非饱和土， 黄土具有明显不同于饱和软粘土的力学性质，同时，黄土由于其独特的结构，还具 有不同于其他土类的强度特性和变形特性，主要表现为黄土的结构性，欠压密性和 湿陷性以及由此而表现出来的对水作用的特殊敏感性”。因此，水敏性以及在黄土 西安建筑科技大学硕士论文 变形、强度和本构关系等力学特性所表现的影响规律一直是黄土力学特性研究的中 心。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 路径到与加( 卸) 荷路径的耦台。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，大大丰富了对黄土特殊变形、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【 2 l 。 半个世纪以来，黄土的湿陷性已导致了许多工程事故。建国几十年来，广大土 力学工作者与工程技术人员为之付出了辛勤的劳动并取得了丰硕的成果，下面对已 有的研究成果简要评述。 1 2 1 黄土的结构特性 黄土因其特殊的生成地域和生成条件而区别于其他土类。其特有的显微结构和 孔隙结构对工程性质有着显著的影响。 土的结构性，是指士中颗粒或土颗粒集合体以及颗粒间孔隙的大小、形状、排 列组合与联结等综合特征。因此，土的结构性是土的几何特征( 包括土的颗粒骨架 特征和孔隙特征) 和联接特征的统称。 黄土的现存结构状态，是它整个历史形成过程中的综合产物。由于特定的地质 环境和物质组成，黄土在沉积过程中形成的结构状态决定着黄土结构本身在新的条 件下的变化倾向。可以这样认为，黄土的结构性是黄土工程性质的本质。 天然土体都具有结构性，但以往对土体本构关系的研究大多是针对结构破坏后 的重塑土，无法反映土体的实际特性。黄土具有明显的大孔隙结构，因此仔细研究 黄土的结构性对揭示黄土湿陷性的本质非常必要。 黄土具有湿陷性，外因是浸水与压力，但内因是它的特殊结构性，而特殊的显 微结构又是其首要的影响因素。2 0 世纪7 0 年代末到9 0 年代初，黄土的显微结构、 孔隙结构及其对黄土工程性质影响的研究取得突破性的进展。 高国瑞( 1 9 8 0 ) 、雷祥义( 1 9 8 7 ) 先后采用电子显微技术、压汞法测试技术研 究了我国各地区黄土的微观结构和空隙结构特征，认为骨架颗粒形态( 矿物颗粒接 触) 、连接形式( 胶结程度) 、排列形式( 孔隙特征) 是决定其工程性质的主要结构 特征，其中以后者最为重要。根据上述三个方面的相互组合，将黄土的微观结构进 一步分类，并研究得出微观结构类型、孔隙特征与黄土湿陷性的内在联系，初步阐 明了黄土湿陷的微观机理，开辟了微观与宏观相结合研究黄土工程性质的道路。此 外，还从各地黄土的显微图像中发现，黄土的显微结构有着明显的区域性变化规律： 西安建筑科技大学硕士论文 由西北的粒状构成的架空接触式结构，逐渐过渡到东南的凝块构成的镶嵌胶结式结 构。这种显微结构区域性的明显变化，和工程地质界所发现的湿陷性在区域性上的 宏观变化一由西北向东南逐渐减弱的趋势相吻合。但是，他们的研究仅仅停留在黄 土特性的定性表述和解释上，定量的研究较少。这给土性以至土力学的研究与应用 带来了一系列问题。事实上，黄土的湿陷性、应力应变关系以及固结曲线等，无一 不与土的结构性密切相关。虽然近年来关于结构要素定量化的研究，已取得了不少 进展，从扫描电镜图像上通过统计分析的方法可以对孔隙形状特征、各向异性、定 向性等给出某种定量化的指标，但从根本上说，还没有一个描述结构性的统一参量， 更没有微结构与宏观力学性质之间的定量关系，因此，如何对黄土的结构性定量化 仍是“2 l 世纪土力学的核心问题”。 进入2 0 世纪9 0 年代后，施斌、胡瑞林、齐吉琳、胡再强等人先后从定量的角 度对土的结构性进行了研究。雨张德华和白晓红( 1 9 9 6 ) 首次提出了架空孔隙随深 度的变化函数，并根据非线性数学回归分析，得出了湿陷系数随架空孔隙统计量的 数学表达式，初步建立了黄土显微结构与其宏观力学性质的定量关系。胡再强等 ( 2 0 0 0 ) 在对原状黄土三轴浸水试验及湿陷前、后试样的显微结构电镜扫描分析基 础上，由非饱和黄土显微结构与湿陷性之闻的联系，确定了黄土结构与湿陷性的关 系。以上的研究成果，把黄土的宏观工程性质与微观结构特征有机的结合起来，为 今后研究黄土工程性质的本质特征开辟了新的途径，引起了国际力学及地质学界 的极大关注。 从黄土力学的观点出发，结构性研究的根本目的在于揭示结构性对力学行为 的影响及内在联系。最终建立宏观的应力应变关系。谢定义将士体结构性研究分为 三个途径：即细观形态学途径，如高国瑞、雷祥义、规瑞林等；固体力学途径，如 沈珠江、苗天德等；土力学途径，如张诚厚、谢定义等。最近基于对原状土、饱和 原状土和扰动重塑土的铡限压缩试验，用浸水、扰动、加荷使结构势释放出来进行 量测的方法所提出的结构性定量化参数，即综合结构势，其合理性、广泛性、灵敏 性和稳定性都已得到了大量的试验验证，是一个极大的进展。目前，将土的显微结 构，土的结构性及土的力学性质联系起来分析，以判定土的工程性质是土体结构性 研究的主要方向。 1 2 2 黄土的增湿特形 湿陷性黄土地基湿陷危害性的大小，按现行湿陷性黄土地区建筑规范 ( g b j 2 5 9 0 ) 是根据分级湿陷量的大小来评价的。然而分级湿陷量仅近似地反映 了黄土地基浸水后的湿陷程度，间接地反映了地基湿陷危害性的大小。湿陷性黄土 ，。，。，。! ! 。，塑鍪篓型堡奎耋坠丝圣：；，：， ， 地基危害性的大小不仅取决于湿陷量的大小，而且与湿陷变形发展的速率( 即湿陷 敏感性) 密切相关。涂光祉( 1 9 8 0 ) 根据敏感性系数及浸水时的自重湿陷发展情况， 将自重湿陷性黄土地基按敏感性分为：很敏感，不很敏感，不敏感三类。建议对湿 陷量相同但敏感性不同的自重湿陷性黄土应区别对待。鉴于湿陷敏感性对于黄土地 基的评价有着重要的意义，因此定量表示湿陷敏感性是很必要的。谢定义( 1 9 9 9 ) 认为由湿陷应变与含水量关系曲线的斜率或不同初始含水量与湿陷系数所作 氏。一l o g w 曲线的直线段斜率来表示湿陷敏感性更为合理。 湿陷变形是指在压力作用下变形达到稳定后由于含水量增大而产生的附加变 形。通常所说的湿陷变形是指其饱和浸水的特例，因此增湿湿陷也称为广义湿陷。 张苏民、张炜、郑建国等( 1 9 9 0 ) 首先研究了黄土的增湿变形特性，建立了增型z s m 体，定义了应力增湿路径和应力增湿变形曲面以及湿陷性黄土变形势和湿陷势的概 念，对增湿变形的时间效应、速率和实质进行了分析。随着对增湿变形特性研究的 深入，剩余湿陷、多次湿陷、先期湿陷含水量、增湿含水量、湿陷极限含水量、间 歇性增湿路径等概念也逐渐建立起来，黄土湿陷性理论越来越完善，为以后的研究 奠定了坚实的基础，并得出了一些有价值的结论： 一次浸水饱和所发生的湿陷量与分级浸水饱和的累计湿陷量是相等的，即总 湿陷量为定值，与浸水次数无关；每次的预湿只能完成与其湿度相应的增湿湿陷量， 新的湿陷只会在含水量超过以前的含水量时才会出现。 若减湿发生在受荷以前，会使受荷后的压缩变形减小，增湿变形增大；减湿 后的再次增湿，只要不超过以前的湿陷水平，也不会再有新的增湿变形。 黄土在先加压后浸水的作用下，分别产生压缩变形和湿陷变形，但总的变形 量与起始含水量无关，只是应力状态的单值函数，起始含水量的不同只影响二者之 间的比例。 间歇性浸水引起的湿陷变形，只随浸水最大湿陷水平的增大而增大，而与浸 水往复次数的多少无关。 黄土在无压或自重压力或较小压力下减湿时，会增大后期的浸水湿陷；在较 大压力下增湿或自重压力下浸水湿陷后减湿时，会降低后期的浸水湿陷；在应力不 变条件下减湿时，对后期的浸水湿陷并无影响。 2 0 世纪五六十年代，广大岩土工作者对湿陷性黄土进行了大量室内和现场试验 研究，获得了我国黄土湿陷性在地域分布总体上的变化规律。由于湿陷性黄土的生 成环境、物理成分、化学成分、地理位置以及气候条件的不同，致使各地黄土的开 放型结构和粒状架空结构的程度各异，湿陷性差别很大，但总的规律是随着地理位 置由西向东、自北向南，同一地貌单元从高到底、同一场地自上而下，湿陷性逐渐 西安建筑科技大学硕士论文 减弱”j 。 目前，对黄土地基增湿变形( 漫化) 特性的研究方法主要有两种：一是现场浸 水试验，如李大展( 1 9 9 3 ) ，孙建忠( 2 0 0 0 ) ，其特点是结果比较可靠，规模大，时 间长，用水量大，因此对干旱少雨的黄土地区有一定局限性；二是室内单轴或三轴 压缩试验，如曾国红( 1 9 9 7 ) ，刘宇( 1 9 9 9 ) 。另外，熊冰等( 1 9 9 9 ) 运用离心模型 试验，研究了不同的黄土路基高度因降雨等原因而引起的湿化沉降与水平变形分布 特性，得到了一些有益的结论。 1 3 问题的提出 我国工程建设标准强制性条文规定，黄土地基设计要计算湿陷交形。按2 0 0 0 年4 月2 0 目建设部关于发布( 工程建设标准强制性条文) ( 房屋建设部分) 的通 知要求：“列入强制性条文的所有条文都必须严格执行”。2 0 0 0 年1 1 月3 目 建设部关于加强( 工程建设标准强制性条文) 实施工作的通知阐明了制定条 文的依据，并进一步强调了必须严格执行：“为了贯彻执行国务院发布的建设 工程标准强制性条文( 以下简称强制性条文) 。强制性条文是工程建设全过 程中的强制性技术规定，是参与建设活动各方执行工程建设强制性标准的依据，也 是政府对执行工程建设强制性标准情况实施监督的依据一强制性条文中的条款 都必须执行。执行强制性条文是贯彻落实建设工程质量管理条例重要内容， 是从技术上确保建设工程质量的关键。因此，必须高度重视强制性条文的实施 与监督。” 按照条文要求，黄土地基设计必须计算湿陷变形。目前规范以最大湿陷势 为主线的地基设计思想，即以全部或部分湿陷性土层的饱和浸水湿陷量衡量场地优 劣和采取工程对策的思想与实际常有较大差距，会在有些条件下造成不必要的浪费 4 1 。事实上，经常遇到的湿陷往往是沿土层达到不问增湿含水量的广义湿陷，黄土 地基上建筑物的破坏与其说湿陷量大，还不如说是湿陷差异过大。黄土地基的主要 威胁不是来自均匀土层的全面浸水，更不是来自全部或大部分湿陷性黄土层的湿 陷。地基的浸水( 地下水位上升除外) 也不会都达到充分浸水的饱和湿陷水平，而 只是沿地基深度的不同增湿。在一些黄土塬地区，地下水位很深，降雨量很少，最 大湿陷势的可能性很小。所以，应该更多的注意湿陷差的可能性上和实际预测上， 即以可能湿陷势的设计思想逐渐取代最大湿陷的设计思想。 所以，需要加强研究增湿过程中黄土的变形特性，计算出黄土在逐级增湿( 直 至黄土的完全饱和) 过程中增湿变形发展的过程。一方面可以看出黄土对增湿变化 西安建筑科技大学硕士论文 的敏感性，另一方面也可以在预计最大可能湿陷情况下求得可能湿陷势而作出黄土 地基的设计。 本文基于研究现状及工程需要，拟进行以下工作： 1 ，分析湿陷性黄土的浸水入渗，模拟黄土地基的线源入渗，研究土体含水量 的分布。 2 在含水量确定的基础上，进一步研究黄土地基增湿变形特征和计算方法。 6 西安建筑科技大学硕士论文 第2 章湿陷性黄土的变形特性及其影响因素 湿陷性黄土的最大特点是：在土的自重压力或土的附加压力与自重压力共同作 用下受水浸湿时将产生急剧而大量的附加下沉，这种现象称作湿陷。它与一般土受 水时所表现压缩性稍有增加的现象不同。由于各地区黄土形成时的自然条件差异较 大，因此其湿陷性也有较大区别。某些湿陷性黄土受水浸湿后在土自重压力下就产 生湿陷，而另一些黄土受水浸湿后只有在自重压力和附加压力共同作用下才能产生 湿陷，前者称为自重湿陷性黄土，后者称为非自重湿陷性黄土。 黄土是在干旱和半干旱气候条件下形成的欠压密土，但它并不是在任何荷载作 用下受水浸湿都会产生湿陷，因为黄土本身有一定结构强度，当压力较小时受水浸 湿，由于它在颗粒接触处所产生的剪应力小于其结构强度，与一般粘性土j 样，只 产生少量的压缩变形。只有当压力增加到某一数值以致剪应力大于其结构强度，下 沉速度才突然加快，这个黄土开始湿陷时的压力称为湿陷起始压力。当湿陷性黄土 实际所受的压力大于或等于土的湿陷起始压力时，土就开始产生湿陷，否则，只产 生压缩变形而不产生湿陷变形。 土的增湿变形可定义为在某一压力作用下受水浸湿后的计算总变形减去同一 压力作用下的计算压缩变形值。由于自重湿陷性黄土和非自重湿陷性黄土在受水浸 湿时表现症状不太一致，因此，有必要了解自重湿陷性黄土和非自重湿陷性黄土的 变形特征。 2 1 自重压力下黄土的湿陷变形特征 对自重湿陷性黄土地基湿陷变形特征的研究，主要是通过浸水试坑进行。可以 模拟黄土地基受水浸湿后实际产生的自重湿陷情况，其次可通过对自重湿陷性黄土 受水浸湿后地表塌陷现象和建筑物破坏情况进行观察，如：在灌溉渠道两侧，常出 现于渠道平行的纵向裂缝，在横向则形成一级一级的湿陷台阶。在局部低洼地段， 积水后出现蝶形湿陷凹地，自积水中心往外，形成一道道同心圆状的环形裂缝。 湿陷性黄土在自重压力下的湿陷变形有以下四个特点： 一自重湿陷的产生与发生过程 当湿陷性黄土场地由于地表径流条件被破坏而在局部范围内积水时，积水入渗 时土体含水量逐渐增加而达到饱和，导致土的抗剪强度降低。如表层土的湿陷起始 压力大于土的饱和白重压力，则该土层不会产生湿陷。当水渗入地表下某一深处， 西安建筑科技大学硕士论文 该处黄土层的湿陷起始压力小于上覆土的饱和自重压力时，则土层将下沉，但由于 周围未浸湿土体仍具有较高的抗剪强度，它对中间浸水饱和土体的下沉有约束作 用。当浸水范围较小时，饱和土体的自重不足以克服周围未浸湿土体的摩擦力，则 湿陷仍不能产生。如果浸水范围较大，饱和土体的自重足以克服未浸湿土体的摩擦 力，则土体将由于自重作用而下沉。该土层下沉后，上下土层间形成空隙，上部土 层将失去支托，也随即塌陷。这种湿陷现象称为自重湿陷。一般积水中间部位下沉 最大，由里向外逐渐减小，类似蝶形，成为蝶形湿陷洼地。 对浸水试坑周围不同深度处土的含水量测定表明：浸湿范围自试坑边缘开始， 一般呈4 0 0 5 0 0 向四周扩散。浸湿区的大小取决于浸水时间、浸水数量、土的竖向 和水平渗透系数数值。如果水量充足，湿陷性黄土层已被湿透，则浸湿区剖面一般 呈梯形，在浸湿区以外，土仍保持天然含水量。由于浸湿范围内土的塌陷，使得周 围未浸湿区类似于悬臂粱的作用而产生拉力和剪力，使土体折断，于是浸水范围外 的地表形成一级一级的台阶，从中心处的最大湿陷部位向外逐渐过渡到天然地面， 各个台阶之间出现近似于同心圆状的环形裂缝。 二自重湿陷量的大小和其随深度的分布 自重湿陷量的大小与湿陷性黄土层的厚度和土层的自重湿陷性质有密切关系。 一般，湿陷性黄土层厚度大，则自重湿陷量大。在关中地区，自重湿陷性黄土场地 的湿陷性黄土层厚度多在十米以上；当湿陷性黄土层厚度小于8 米时，则多为非自 重湿陷性。 自重湿陷性黄土层的埋藏深度具有明显的地区性差异。在兰州地区，位于地表 下几十厘米的土层就呈现较大的自重湿陷量，如兰州东岗地表下0 5 l _ 5 米黄土 层的自重湿陷量就达6 厘米，且从上到下整个湿陷性黄土层都具有自重湿陷性，天 水地区的自重湿陷性黄土层埋藏在地表下1 2 米处，而关中地区则一般在地表下 3 5 米才有自重湿陷性黄土层，而且自重湿陷量集中在一定范围内。 三浸水面积与自重湿陷量大小的关系 大面积试坑浸水由于湿陷土体范围大，浸湿土体的自重足以克服周围未浸湿土 体对它的约束力，因而白重湿陷能得到充分的发展。如果浸水面积较小，尽管试坑 下全部湿陷性土体都被水浸透，但由于周围未浸湿土体对浸湿土体起了约束作用， 因而湿陷量较小，甚至完全不产生。 经验表明：只有浸水试坑边长超过湿陷性黄土层的厚度或不小于l o 米，自重 湿陷才能得以充分发展。反之，当试坑边长小于上述数值时，对自重湿陷量影响的 大小则随地区和场地土的性质而异。 当试坑边长超过湿陷性黄土层的厚度时，如继续加大试坑尺寸，则自重湿陷量 8 西安建筑科技大学硕士论文 没有明显增大，只能加快湿陷稳定，缩短浸水时间。 四试坑浸水的湿陷影响范围 通过浸水试验测得的水平方向湿陷影响范围对合理确定管道、水池类构筑物与 房屋之间的安全防护距离有很大关系。虽然地基浸水是沿4 0 0 4 5 。角度自四周向下 扩散，但由于各个场地上土的原始结构强度和浸水后残余结构强度的差异，反映到 地面上产生的湿陷范围是不同的。 白重湿陷影响范围除与地理位置、湿陷性黄土层有关外，还与浸水面积有较大 关系。一般浸水面积越大，影响范围也越大。当浸水面积较小时，影响范围常不超 过湿陷性黄土层的厚度。对于大面积浸水的影响范围，兰州地区相当于湿陷性黄土 层厚度的1 2 2 0 倍，而关中地区则为0 8 1 0 倍。 2 2 总压力下湿陷变形的特征 所谓总压力( 土自重压力和附加压力) 下湿陷变形是指湿陷性黄土地基在外加 荷载( 建筑物荷载、堆料以及土工构筑物如路基、路堤、路坝等自重产生的荷载， 简称基础荷载) 作用( 包括土自重) 下，由于受水浸湿在附加压力作用范围内产生 的湿陷，这一范围称为外荷湿陷影响深度。外荷湿陷与压缩变形不仅在变形机理和 其发展过程中存在着本质的区别，就是在引起变形的作用力方面也是不同的。压缩 变形仅仅在附加压力下产生，而外荷湿陷则是在附加压力与土自重压力共同作用下 产生。 一外荷湿陷量与时间的关系 在湿陷性黄土地基上，当基底压力超过黄土的湿陷起始压力后受水浸湿，即将 产生外荷湿陷。外荷湿陷的产生与发展速率与自重湿陷截然不同，因为基底压力都 大大高于基底土的自重压力，因而湿陷量大，而且湿陷发展快。试验表明：一般浸 水1 3 小时即能产生大量下沉，每小时的下沉量最高可达l 3 厘米；湿陷稳定快， 浸水后6 小时即可完成最终湿陷量的2 0 2 5 ，浸水2 4 小时完成3 0 7 0 ，浸水3 天即可完成5 0 9 0 。 湿陷变形与时间关系曲线基本可分为两段。浸水第一阶段为湿陷急剧发展阶 段。由于水大量渗入，土的原始结构强度急剧降低，侧压力系数增大，在外荷作用 下，使基底下土层不仅在竖向发生压密，而且伴随着侧向挤出，因而使承压板急剧 下沉，这一阶段反映了湿陷变形的特点。一般情况下，基底压力越大，这段曲线越 陡，随着基底土被压密，土粒之问逐步形成新的稳定结构，因而变形速率开始减缓， 湿陷变形与时间的关系曲线出现明显的转折点，这一阶段可完成总湿陷量的8 0 西安建筑科技大学硕士论文 9 0 左右。自该点之后，变形进入第二阶段，即湿陷稳定阶段，湿陷与时间关系曲 线渐趋于一条直线，最后达到稳定。这一阶段湿陷量约占总湿陷量的1 0 2 0 ，外 荷湿陷达到稳定所需的时间与基础面积、基底压力和土的渗水性有关。 二。 外荷湿陷的影响深度 试验表明：无论是自重湿陷性黄土地基还是非自重湿陷性黄土地基，也不论湿 陷黄土层多厚，由基础荷载引起的湿陷只发生在基底以下有限深度范围内的湿陷性 黄土层中。这一深度就是外荷湿陷的影响深度，它的大小与地基的湿陷类型、湿陷 起始压力、基底形状与尺寸、基底压力等有关。基础面积越大，单位面积压力越大， 则外荷湿陷的影响范围越深；土的湿陷起始压力越大，则影响深度越小。外荷湿陷 的影响深度对非自重湿陷性黄土地基与自重湿陷性黄土地基是不同的，因为非自重 湿陷性黄土的湿陷起始压力大于土的饱和自重压力，而且一般随着深度的增加而增 大，但附加压力则随着深度的增加而减小。当某一深度处土的附加压力与自重压力 之和小于湿陷起始压力时，湿陷就不会产生，在这一深度以上即为外荷湿陷的影响 范围。对于自重湿陷性黄土地基来说，湿陷起始压力一般小于土的饱和自重压力， 因此，在自重湿陷性黄土层范围内，湿陷起始压力不会超过士的饱和自重压力与附 加压力之和；但随着深度的增加，附加压力逐渐衰减，衰减到一特定值就不再使土 产生外荷湿陷了。所以，自重湿陷性黄土地基外荷湿陷影响深度要比非自重湿陷性 黄土地基为大。 为了能建立外荷湿陷影响深度与基础宽度之闻的关系，可用他们间的比值代 替。或者类似于确定压缩层深度的方法，用外荷湿陷影响范围下限处的附加压力与 自重压力的比值表示。经过试验观测，当浸水压力为0 2 m p a 时，外荷湿陷的影响 深度对非自重湿陷性黄土地基约为基础宽度的1 o 2 4 倍，对自重湿陷性黄土地 基则为2 0 2 5 倍。就同一个场地而言，当基础面积相同，浸水压力为0 1 5 0 3 0 m p a ，外荷湿陷的影响深度相应为基础宽度的2 2 3 5 倍。 湿陷影响深度下限处土的附加压力与饱和自重压力的比值为0 2 5 o 3 6 ，这一 数值与过去习惯采用的按附加压力与自重压力的比值为0 2 ( 对一般土) 或0 ，1 ( 对 软土，饱和黄土的压缩性与软土相近) 来确定压缩层深度相比，要小得多，似乎外 荷湿陷的影响深度小于压缩层深度，但实际上压缩层深度是不会超过湿陷影响深度 的。这是由于黄土浸水后结构破坏，粒间传递剪应力的能力降低，竖向应力扩散范 围比未浸水前小，所以附加压力影响深度也越深，外荷湿陷影响深度必然大于压缩 层深度。对湿陷性黄土地基来说，若按附加应力与自重应力的比值为0 2 或0 1 处 作为压缩层深度下限是偏大了，实际的压缩变形范围大不到那么深。上述外荷湿陷 的影响深度不超过压缩层深度是指理论上的深度，而不是实际的深度。国外也得出 0 西安建筑科技大学硕士论文 外荷湿陷的影响深度相当于理论压缩层深度的4 0 左右的结论。 正确确定外荷湿陷的影响深度对合理确定地基处理深度有较大的实际意义。但 以上试验结果都是从方形承压板浸水载荷试验得出的，而条性和矩形承压板下外荷 湿陷的影响深度理论上必然较大。 三 湿陷量与基底压力和基底面积的关系 黄土地基的湿陷量取决于场地土的湿陷性质外，还与基底压力和基底预积有 关。当土的湿陷性质基本相同且基底面积为定值时，湿陷量将随着基底压力的增加 而增大，这是由于附加压力增大后，导致土的侧向挤出也大大增加，加上附加压力 的影响深度加深，使外荷湿陷的影响深度也随之加深，这两方面因素导致了外荷湿 陷量的急剧增长。 当基底压力为定值时，随着基底压力的增大，湿陷量也有所增长，但其影响与 面积的增大对压缩变形的影响有所不同，后者将随着面积的增大而成比例地增加， 而湿陷变形则不一样。这是由于基底摩擦对土的侧向挤出有一定的约束作用，随着 基底尺寸的增大，这种约束限制作用将增强，虽然面积增大使附加压力衰减变慢， 从而使外荷湿陷影响深度加深，但由于侧向挤出减少，所以湿陷量的增加并不与基 础面积的增大成正比，且个别还出现湿陷量不随基础面积增加而增大，甚至有所减 少。 经分析，减少基底压力对减少湿陷量有很大作用，如西安冶金建筑学院场地当 压力由0 2 m p a 降到0 1 5 m p a 时，湿陷量减少7 1 ；张桥场地当压力由0 1 5 m p a 降到 0 1 m p a 时，湿陷量减少8 3 。所以，当荷重为定值时，适当加大基础地面尺寸，减 少单位面积压力，可以减轻湿陷后的危害程度。在湿陷性黄土地基上一般不宜用过 高的容许承载力。 四侧向变形对湿陷量的影响 在局部荷载作用下，湿陷性黄土地基不但产生竖向变形，还将产生水平位移。 土在天然状态下加荷时，由于土的含水量不高，结构强度较大，静止侧压力系数小， 因而限制了基础下土体向四周的挤出，基础的沉降主要是由于土体的竖向压缩变形 时所造成的。但地基被水浸湿后，静止侧压力系数从天然状态的o 1 o 2 增加到 0 6 0 9 ，因而水平附加压力显著增大，由于土的结构遭受破坏，抗剪强度急剧降 低，侧向限制就大为减弱。在双重因素的影响下，使地基土湿陷时产生了大量的侧 向挤出，导致湿陷量增大。 对于自重湿陷性黄土，在自重压力作用下受水浸湿后由于其湿陷变形区各水平 面上不存在压力差，没有侧向挤出现象，但在外荷作用下在附加压力范围内产生了 侧向挤出。 西安建筑科技大学硕士论文 黄土地基湿陷使侧向挤出范围和不同层位处的水平位移与基底压力、基底面 积、型式和土的湿陷类型等有关，可以通过埋设有深标点的浸水试验确定，在西安、 关中和兰州等地的试验测试表明，侧向挤出的水平影响范围从基础边缘开始都不超 过基础宽度b ，也即与附加压力影响范围相似。当基底压力为0 1 5 o 2 m p a 时，根 据0 5 1 0 米2 方形承压板的实测资料，有明显水平位移的距离只达基础边缘外 1 1 2 b 左右。国外类似的试验也得出相同的结论。水平位移的竖向影响深度较外荷 湿陷的竖向影响深度略浅，前者相当于后者的2 3 3 4 。最大水平位移发生在基础 四个周边的竖向剖面上，而且集中在( 1 o 1 ，5 ) b 深度范围内。一般，基底压力 或基底面积大，则侧向挤出的水平范围和影响深度也都大，条形基础的侧向变形大 于矩形基础。湿陷起始压力增大，则侧向挤出影响较小。 为了估算土的侧向挤出对地基总湿陷量的影响，可用侧向挤出系数m 表达， 。：堕 矿 式中m 为侧向挤出系数 k 为湿陷后承压板下土体向四周挤出的体积 v 为地基土由于湿陷被压缩的体积 k 可通过实测的压板边缘处滑石粉孑l 柱外移曲线用求积仪量出挤出面积，然后 乘以压扳宽度求得。v 为压板面积和地基湿陷量的乘积。计算时假定浸水前的压缩 都是竖向变形，不产生侧向挤出，而侧向挤出只在受水浸湿后才产生。由于黄土地 基浸水前侧向水平位移一般很小，这一假定与实际出入不大。 此外，也可通过在承压板四周埋设刚性侧壁，以限制土体受水浸湿后的侧向变 形，然后将其与同样条件下无侧限的试验结果对比，求出侧向挤出系数。经比较， 用两种方法得出的侧向挤出系数基本相近，说明通过埋设深标点测定水平位移的方 法是可行的。上述试验结果还表明，侧向挤出系数随着基底压力的增加而增大，自 重湿陷性黄土地基的侧向挤出影响比非自重湿陷性黄土地基影响大。当基底压力相 同时，侧向挤出系数随着基底面积的增大而减小，这是由于基底摩擦作用。使得基 底下的部分土体形成了压密核心，与基础底部形成一个整体，部分限制了土的侧向 挤出，基底尺寸越大，这种限制作用越强。 侧向挤出量的计算方法，有关文献资料也不统一，如有的按下述方法计算，即 。= 2 ( 压板边长+ 最大水平位移量) 侧向挤出面积千容重提高影响系数，两 侧分别计算然后叠加而得k ，干容重提高影响系数为压板周边挤出的士的平均干容 重与同一标高处试验前天然土的平均于容重的比值：有的则按下式计算：k = 2 x 压 板边长侧向挤出面积，忽略承压板下四个角边处的挤出量，并且不考虑干容重提 西安建筑科技大学硕士论文 高影响系数。按这两种不同方法计算所得m 值可相差1 5 2 0 。 利用埋设刚性侧壁和不设刚性侧壁两种方法试验所得结果进行对比，虽然可以 避免上述方法所引起的误差，但两种情况下土的湿陷条件不一样，有侧限情况将使 竖向湿陷量减少，从而使得m 系数值偏大，此外，试验工作量也将大大增加。 2 3 黄土湿陷原因与机理 对黄土湿陷的原因和机理的各种不同论点，可以归纳为内因和外因两个方面。 内因主要是由于土本身的物质成分( 指颗粒组成、矿物成分和化学成分) 和其结构， 外因则是水和压力的作用。 l o m a6 ene b ( 1 9 3 4 ) 曾将湿陷现象和土中肉眼可见的大孑l 隙联系起来，认 为大孔隙是造成湿陷的原因。并将湿陷性黄土叫做大孔土。后来通过显微镜结构的 研究，已证实大孔不是湿陷的主要原因。h r 且eht 4 co b ( 1 9 5 3 ) 提出了黄土在 干旱和半干旱气候条件下逐步堆积而具有的欠压密状态和黄土颗粒在各种盐分作 用下集合成团而产生加固内聚力的论点，他认为：在受水浸湿时，这种加固内聚力 在水膜的锲入作用和胶结物质的溶解作用下将急剧降低，甚至几乎全部消失，从而 产生湿陷。这一论点总的看来，特别是他的欠压密状态的观点，至今还是可取的。 但是，黄土的湿陷机理并不是那么简单，而要复杂得多。 k k n i g h t ( 1 9 6 0 ) 曾用透射电镜观察了南非一些湿陷性沙土后，指出土的开放 亚稳结构是造成湿陷的基本条件。j e j e n n i n g s 和k k n i g h t ( 1 9 5 7 ，1 9 6 1 ) 阐明了开放 亚稳结构中含水量和剪切强度同时达到某种临界状态时粘土粘结发生破坏的力学 机理。刘东生( 1 9 6 6 ) 、朱海之( 1 9 6 3 1 9 6 4 ) 在偏光显微镜下，按照粒间胶结物的 存在形式，将马兰黄土划分为接触式( 或粒状) 胶结、接触一基底式( 或粒状一团 状) 胶结和基底式( 或团状) 胶结三种，接触式胶结的抗水性最差。 综合国内外学者对湿陷机理的研究，可归纳如下： 1 毛管假说 t e r z a g h i 指出当潮湿沙土内的不连续水分聚集在颗粒接触点处时，相邻颗粒孔 隙中水和空气交界处的表面张力，使土粒拉在一起。水进入土中后，表面张力消失， 于是沙土溃散。m ，a6e eb 曾用这种观点来解释黄土的湿陷，j q d u d k e y 认为毛细压力是黄土中形成细粉粒粘结和絮凝粘结的重要因素。 黄土中的毛细作用是存在的，但将其作为湿陷的主要原因值得商榷。常宝琦 ( 1 9 6 1 ) 曾用风干的扰动土样制成试件，虽然破坏了毛细管通道，消除了弯液面作 用，仍然有很大的湿陷性。 s s = s s 一，! ，! 塑耋塞篁型堡奎兰堡圭篁兰， 2 溶岩假说 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内聚力的一部分， 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。 常宝琦( 1 9 6 1 ) 通过对土样浸热水和浸冷水的试验对比，发现盐类在热水中的 溶解度虽大，但两种情况下所得的湿陷量却相差极小。我国湿陷性黄土的易溶盐含 量较少，不是组成加固内聚力的主要成分，难溶盐含量虽高，但其溶解很缓慢，因 此，较多的观点认为易溶盐的溶解不是产生湿陷的主要原因。 1 胶体不足说 i o m a6 ef ie b 认为黄土的湿陷性是含有小于0 0 5 毫米颗粒含量小于1 0 的土所固有的性质，这种土缺少胶体部分；如果有显著数量的胶体，则膨胀可防止 湿陷的发生。朱海之( 1 9 6 3 ) 也认为当粘粒含量大于1 5 2 0 黄土不具湿陷性，但 发现兰州西盆地北岸i i 级阶地上的黄土粘粒含量大于3 0 ，却湿陷强烈。 进一步的研究表明，单从粘粒含量多少来判断黄土湿陷性强弱是不够的，还与 粘粒的赋存状态有关。 2 水膜楔入说 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，结合水膜变厚，象楔子一样将牢固连接的颗粒分 开，使土粒表面产生膨胀