黄土的结构强度与湿陷性之间的关系

黄土的结构强度与湿陷性之间的关系

摘要：中国湿陷性黄土的分布面积广泛，在湿陷性黄土地区由于黄土湿陷性而

造成的建筑破坏和工程事故有很多，由此造成的损失巨大。黄土的湿陷性是黄土

在自重或者外荷作用下，浸水后结构迅速破坏发生突然沉陷的性质。“湿陷性”一

词一方面反映了该现象的主要表现，另一方面又说明了这种沉陷与与其他沉陷的

不同之处——产生的原因是浸水。从黄土的湿陷性的定义可以看出，黄土发生湿

陷是其结构突然被破坏，因而从结构层面上来研究黄土的湿陷性是十分必要的。

关键词：黄土；结构强度；湿陷性

引言

黄土显著的结构性是黄土特殊的物理力学性质的主要原因，也是黄土严重致灾性的重要

根源，如黄土滑坡、崩塌、湿陷性、地面塌陷、地裂和不稳定边坡等。岩土工程问题的研究

核心就是在复杂外界环境和力学扰动作用下土体的变形、强度和稳定性分析。黄土边坡和设

施受到外界环境（包括地下和雨水入渗、温度等）的扰动作用导致黄土微结构联结和排列方

式的变化，改变了黄土物理性质，劣化了黄土结构强度。笔者前期通过试验方法研究了增湿-

冻融作用对黄土结构强度劣化规律。

1黄土的结构性和结构强度

土的结构性是指构成土体骨架的颗粒及其集合体以及骨架颗粒之间孔隙的尺寸、形态、

排列方式及联结等的综合特点。由此可以看出土的结构性包括土体骨架及其之间空间的几何

特征，及考虑到土力学角度的颗粒之间的联结特征。孔隙也是反映颗粒排列的一个方面，土

的结构性包括土中颗粒的排列特征（几何特征）和联结特征（力学特征）两个方面的内容。

土体的宏观力学特性本质上来说都是取决于土的结构性。

2从结构方面出发解释黄土的湿陷性

黄土的结构是影响黄土湿陷性的最本质性的因素。通过对黑方台黄土湿陷前后试样的细

观结构图像观察和孔隙统计分析得出，湿陷变形稳定后，随着含水率的提高，凝块状颗粒增多，百分数最大的孔径逐渐减小，微孔隙增多。对黄土湿陷性贡献较大的主要是黄土中的大

孔隙和中孔隙。对西安-禹门口高速公路富平试验路段的原状黄土以及浸水湿陷后黄土进行了

电镜扫描研究，通过分析得出，将土壤样品浸入水中后，主要位于点接触部位的矿物垃圾颗

粒或颗粒粘结剂软化溶解，同时颗粒间的连接也软化破坏，削弱了土壤颗粒的整体连接强度，分散了颗粒；颗粒表面的矿物成分由于水的作用而溶解或滑落到土壤中的大孔隙、中孔隙中，进一步降低了黄土的结构强度，导致土壤结构破坏，形成褶皱。黄土湿陷性的发生过程本质

上是黄土结构强度快速下降的过程。

3黄土结构强度劣化表征

黄土结构强弱可用结构强度大小表示，结构强度尺寸是在土壤形成过程中形成的胶结结

构的结合强度，结合土壤结构的形成而形成，并随着土壤结构的破坏而消失。微机械机构认为，其尺寸是由黄土颗粒之间的连接结构和摩擦结构的强度决定的。黄土结构的强度可根据

侧向有限压缩试验中的压力p和孔隙率关系曲线e，即elgp曲线来确定。笔者认为原状黄土

在侧限压缩试验加荷过程中，elgp压缩曲线可以表征黄土结构从平缓直线阶段的弹性变形到

由局部微观结构开始破坏而使线段曲率突增进入塑性变形，则定义曲率最大点处对应的压力

为试验原状黄土结构强度。为了追究取样制样过程对原状黄土结构强度的影响，采用先期固

结压力所对应的点与该点处孔隙比对应饱和重塑黄土的压力差表示原状黄土结构强度更为合理，定义为原状黄土结构强度q0。

4试验用土

试验土壤分别取自陕西西安的2个不同区域，黄土①来自西安市长安空间城的某自然边坡，土壤选择深度为地面以下5-6m，为黄土Q3；②脚手架②取自西安市雁塔区尖阁村西安地铁5号线场地，取土深度为地面以下4-4.5m，为Q3黄土。

4.1测试仪器

试验仪器采用辽阳科教仪器公司和解放军后勤工程学院共同研制的FGJ-20型非饱和土固

结仪，与普通固结仪相比，增加了气压室，试验过程中可根据不同的试验条件对样品施加不

同的气压。样品底座上装有高进气值粘土板（进气值约为1500kPa），可用轴平移法测量样

品基体的吸力。通过施加垂直电压的垂直负载装置，可以控制电压状态对样品基质吸力的影

响

4.2试验方法

对2个不同场地的原状黄土和饱和黄土进行正常固结侧向压缩试验。原状黄土的孔隙水

压力由安装在试样底座上的压力传感器测量，施加一定的孔隙压力，通过轴平移技术测量试

样基体吸力的变化。首先在样品没有受到垂直应力时测量基质吸力，称之为初始基质吸力S0。初始基质吸力稳定后，逐级施加垂直载荷，施加的载荷水平分别为50、100、200、400、800、1600、2400kPa。压缩稳定后，根据外加压力与孔隙水压力的差值计算出试样基体在竖向荷

载作用下的吸力，试样压缩的稳定性标准为孔隙水压力在1h内的变化值小于0.5 kpa，而竖

向压缩变形值在1h内不大于0.005mm，对于黄土的饱和正固结，只需测量试样在竖向荷载

作用下的变形，竖向荷载的稳定性标准同样不大于0。{ 1 } { 2 }

4.3测试结果及分析

显示原状黄土的初始基质吸力随含水量的增加而减小；当土壤样品含水量较低时，曲线

相对平滑，说明基质吸力对土壤样品含水量的变化非常敏感；当土壤样品含水量高时，曲线

比较陡，说明土壤样品含水量的变化对基质吸力的影响有限。同时分别检查基质在不同湿度

和垂直净压力下的吸力变化。根据试验结果，绘制了原状黄土压缩稳定后基质吸力与垂直净

压力的关系曲线。原始黄土基质吸力随垂直净压力的增大，有先增大后减小的变化规律。且

当含水量低时，基质吸力变化很大；随着含水量的增加，基质吸力的变化幅度逐渐减小。且

在不同含水量条件下，曲线有一个峰值点，曲线峰值点时，样品基质吸力最大；至峰值点，

样品基质吸力随垂直净压力的增加而增加；峰值点后，样品基质吸力随着垂直净压力的增加

而减小。

4.4结论和思考

就影响黄土湿陷性的外部原因而言，黄土浸水后形成的湿陷性裕量大小与其承受的荷载

影响大小和含水率大小几乎成正比。载荷大小决定了折叠储备的大小，初始含水率水平决定

了土体压缩产生的变形与仓库产生的变形之间的关系。如果黄土岩石初始含水率接近或达到

饱和，黄土颗粒排列的变化随时间稳定，土壤孔隙的减小也基本完成，土粒以及各种胶结物

的破坏早已完成，各自的结构强度很小，同时黄土结构对水的敏感性较低，黄土湿陷性随含

水率变化不大。什么时候开始

5结束语

对不同湿度黄土土壤的水、压缩屈服特性进行相应的试验研究，得到以下结论：（1）

黄土基质吸力随垂直净压力的增加而变化的趋势首先增大；基体存在峰值吸力，与其对应的