濕陷係數

在我國西北地區和黃河中游地區覆蓋着大面積的黃土。黃土是一種第四紀沉積物，多分佈在乾旱、半乾旱地區，由於特定的生成環境，使其具有一系列內部物質成分和外部形態特徵，結構特性非常獨特，具有以粉粒為主、欠壓密、大孔隙、垂直節理髮育、富含可溶鹽等一系列特徵，不同於同時期的其它沉積物。

由於其獨特的工程性質和結構特性，黃土具有不同程度的濕陷性。因其直接關係到工程的造價和安危，所以一直是岩土工程界關注的重要課題。但是，過去僅限於把狹義的充分浸水飽和後的濕陷變形作為濕陷性黃土的核心問題來研究。事實上，經常遇到的濕陷往往發生在沿土層達到不同增濕含水量的情況下，此時的濕陷量應是沿深度上不同增濕引起的濕陷變形總和，它遠遠小於一般意義上的濕陷量，即充分浸水條件下的濕陷量。濕陷變形只是增濕變形的一種特殊的、極端的情況，而增濕變形包括了黃土在壓力作用下由於增濕所產生的全部變形性狀，它的定義域要比濕陷變形廣泛得多，我們通常也稱之為廣義濕陷。

在實際工程中，對濕陷性黃土地基進行處理時，可以按增濕程度的不同對其進行局部處理或分層處理，這相對於按狹義的濕陷處理整個濕陷性黃土層來説，工程造價可以大大降低。所以説，研究黃土的廣義濕陷變形性狀可以與實際情況緊密聯繫，對具體工程建設有一定的指導意義。

以往對黃土濕陷性的研究，採用的單軸壓縮試驗方法大都是雙線法，很少採用單線法進行研究。由於雙線法具有方法簡便、工作量小、對比性強等優點，所以目前在我國仍被廣泛使用，但在實際生產過程中，由於取樣擾動、試驗手段、計算方法等各種原因，用雙線法得出的濕陷沉降量與實際情況有較大的出入，其試驗結果並不能完全反映土體的真實受力狀況，所以只用雙線法試驗研究所得出的規律性與濕陷性黃土的實際性狀之間也將有一定的差異。而單線法的受力狀態和濕陷過程比較符合地基的實際情況，可直接測出濕陷係數，因此被認為是比較可靠的濕陷性試驗方法。

針對濕陷性黃土的研究現狀以及研究中的不足，在廣泛總結前人有關黃土濕陷變形研究成果的基礎上，分別採用單線法和雙線法對甘肅隴西3 Q原狀黃土進行了增、減濕情況下的單軸壓縮試驗研究。

根據試驗結果的對比分析，總結出了黃土的濕陷變形隨飽和度及壓力變化的規律，分析了濕陷性黃土在增（減）濕過程中的濕陷變形性狀及不同應力路徑對黃土濕陷變形特性的影響，最後討論了濕陷係數與初始含水量的關係 ^[1]  。

試驗用的黃土取自甘肅定西土家灣隧道西側，屬於典型的隴西3 Q 黃土。取土深度為1.3～1.8 m，土呈褐黃色，硬塑狀態，天然含水量為6.2 %～9.7 %，天然密度為 1.35～1.41 g/cm3，天然孔隙比為1.05～1.20，細根狀大孔發育，有蟲孔、細樹根和草根、少量蝸牛殼和蟻穴，以及某些微小動物的屍體，土質不太均勻。

通過液塑限試驗和顆粒分析試驗測得該土的基本物性指標如，據此判定該土為級配良好的中液限粉土。在天然含水量下，試驗用土的孔隙比e >1.0，而且壓縮係數1-2 a <0.5 MPa-1，所以該土為較疏鬆的中壓縮性土；自重濕陷係數sz d >0.015，為自重濕陷性黃土；在標準壓力（200kPa）作用下，濕陷係數s d >0.07，故為強烈濕陷性黃土。

分別用單線法和雙線法對幾組不同飽和度的土樣進行了單軸壓縮試驗，通過對兩種方法的試驗結果進行對比分析，總結出了黃土增、減濕變形性狀的相關規律。

因為試驗用土的原始含水量較低，所以主要進行增濕試驗。環刀土樣的增濕採用預濕法，預濕後的試樣放在保濕缸內靜置的時間不少於24 h。在試驗過程中採用了有效而且不同於《土工試驗規程》的試樣保濕措施[15]。減濕採用烘乾法。

慮到荷重率對壓縮變形規律的影響，以及實際工程的加荷速率，採用的加荷等級為：25，50，100，200，300，400，500，600，700，800 kPa。雙線法一共做了8 組不同的飽和度，含水量的變化依次為0 %，7.42 %（天然含水量的平均值），11.95 %，15.1 %，18.58 %，22.57 %，27.2 %，31.28 %。單線法僅做了前7組，因為在w = 31.28 %時，土樣已經接近飽和，再進行單線法濕陷試驗已經沒有實際意義。

不同初始含水量下濕陷係數曲線的比較

通過對比分析可以發現，無論是單線法還是雙線法，隨着初始含水量的增大，濕陷係數均有明顯的下降，這表明黃土的濕陷性將隨增濕而減小，隨減濕而增大。隨着初始含水量的增大，濕陷量減少，曲線逐漸降低平緩，最後在初始含水量達到預濕飽和狀態時，曲線趨近於橫座標軸。峯值濕陷係數和峯值濕陷壓力都將隨着增濕而降低，隨着減濕而增大。

不同初始含水量下兩條濕陷係數曲線的縱座標差，表示在相應壓力下該增濕程度所產生的增濕變形s Dd 。s Dd 隨壓力的增大而增大，也就是説，在大壓力下濕陷的減少速率比小壓力下要快得多，這説明壓力不同使同等增濕產生的增濕變形有較大差異，小壓力下的濕陷需要更高的增濕量，而且濕陷速度較低，即濕陷的敏感性弱，因此選用較低的建築荷載可以減小濕陷性黃土的敏感性。但是當壓力相當大的時候，增濕變形s Dd 的增長速度會略有減小，這説明在較大的壓力作用下，隨初始含水量的增大，濕陷的敏感性也將逐漸減弱。

在較小壓力時，黃土的濕陷敏感性在某一範圍內會逐漸增強。例如在壓力P =100 kPa 時，初始含水量由7.42 %增至18.58 %，增量為 11.16 %，但Dds僅為 0.019；當初始含水量由22.57 %增至27.2 %時，其增量為4.63 %，而s Dd卻為0.03，説明此時微量增濕即可濕陷，其濕陷敏感性突然增強。

濕陷起始壓力一般定義為濕陷性黃土的濕陷係數達到0.015 時的最小濕陷壓力，它是反映黃土濕陷性的一個重要指標，標誌着黃土濕陷的開始。從以上兩圖可以看出，無論是單線法還是雙線法，濕陷起始壓力都隨着土的初始含水量的增大而增大。

結合增濕變形的概念，如果給s Dd 也規定一個具有工程意義的界限值0.015，則相應於s Dd 達到 0.015所需的最小作用壓力即為增濕起始壓力。增濕起始壓力隨初始含水量的增大而增大，隨增濕程度或增濕含水量（黃土在增濕後所達到的含水量）的增大而減小。黃土的濕陷終止壓力一般定義為濕陷係數大於或等於0.015 時的最大濕陷壓力，它標誌着黃土濕陷的終結。從圖中顯然可見，濕陷終止壓力隨着土的初始含水量的增大而減小。

只有當濕陷壓力超過濕陷起始壓力而又不大於濕陷終止壓力時浸水增濕，才可能產生相當於s Dd≥0.015 的濕陷變形，這個壓力區段稱之為濕陷壓力區間[7]，其幅度隨土的初始含水量的增大而縮減。濕陷壓力區間以峯值濕陷壓力為界，又可以分為濕陷遞增區段和濕陷衰減區段。

上述濕陷係數與壓力關係曲線的變化規律與已有的研究結果基本吻合，這些規律普遍存在於濕陷性黃土中，但由此而定義的一些濕陷特徵指標（如濕陷起始壓力、峯值濕陷壓力、濕陷終止壓力以及濕陷壓力區間等）的數值則隨黃土的形成年代、分佈地區的不同而有所差異。對於同一種黃土，這些特徵指標的數值將隨土的初始含水量的不同而發生變化，總的規律是：隨初始含水量的增加，濕陷起始壓力略有增大，而峯值濕陷壓力、濕陷終止壓力和濕陷壓力區間都明顯減小 ^[2]  。

單線法與雙線法的濕陷係數曲線比較

通過對比分析可以得出以下規律：

（1）在初始含水量較低的情況下（<11.95 %），隨着壓力的增加，單線法的濕陷係數始終大於雙線法；而且單線法的峯值濕陷係數和峯值濕陷壓力都大於雙線法。

（2）當初始含水量達到某個值（11.95 %）時，單線法與雙線法的濕陷係數在隨壓力變化過程中基本相當，但濕陷係數曲線存在交叉現象，即在一定壓力範圍內，單線法的濕陷係數大於雙線法，當壓力增大到某個值時，兩者的濕陷係數相等，之後隨壓力的繼續增大，單線法的濕陷係數開始逐漸小於雙線法；此時，單線法的峯值濕陷係數仍大於雙線法的峯值濕陷係數，但兩者的峯值濕陷壓力已基本相同。

（3）當初始含水量超過11.95 %後，隨着壓力的增加，單線法的濕陷係數始終小於雙線法；此時單線法的峯值濕陷係數都小於雙線法的峯值濕陷係數，兩者的峯值濕陷壓力基本相同，只有當初始含水量達到22.57 %時，單線法的峯值濕陷壓力才開始小於雙線法的峯值濕陷壓力。

（4）在初始含水量增大的整個過程中，單線法和雙線法的濕陷起始壓力值始終大致相等，數值都小於第一級作用壓力25 kPa；而兩者的濕陷終止壓力則有較大的差異，但都隨初始含水量的增大而迅速降低。

綜上所述，濕陷係數與壓力的關係曲線因為試驗方法的不同而表現出不同的規律性，在隨初始含水量增大的過程中，濕陷係數曲線的交叉現象的同時也帶來了峯值濕陷係數和峯值濕陷壓力的交叉變化。

從以上分析中可以看出，在w <11.95 %時，單線法的濕陷性大於雙線法；當w >11.95 %時，單線法的濕陷性小於雙線法；在w =11.95 %時，單線法和雙線法的濕陷係數曲線出現交叉現象，但這一現象並非偶然，因為在三軸試驗中某些關係曲線隨含水量的變化也存在交叉現象，所以筆者認為，濕陷係數曲線的交叉現象並不完全是由試驗誤差引起的，而是由於試驗用土本身的特殊結構性所決定的。

謝定義教授曾經指出，濕陷性黃土在先加壓後浸水的情況下，分別產生壓縮變形與濕陷變形，但總的變形量與起始含水量無關，只是應力狀態的單值函數，起始含水量的不同隻影響二者之間的比例。單線法濕陷試驗是先加力後浸水，雙線法中力與水的作用次序正好相反，而力與水的先後作用次序也將改變壓縮變形與濕陷變形的分配比例。

初始含水量較低時，在同樣的壓力 P 作用下，先加力後浸水（即單線法）時，由於黃土的結構性很強，必然有部分結構變形量在浸水時才能發揮出來，這一部分結構變形加到濕陷變形中，使得單線法的濕陷係數大於雙線法，而雙線法則在壓力以前就因水的作用逐漸消除了結構性的影響。

初始含水量較高時，單線法的濕陷變形完全是由浸水造成的，浸水前的土樣結構僅受壓力的影響；而雙線法中的濕陷變形不完全是浸水造成的，浸水試樣在壓力下的含水量已經改變，濕陷變形受到壓力和浸水雙重因素的影響，必然包括部分壓縮變形；同時，雙線法中的浸水試樣是在飽和的狀態下逐級加荷，類似於飽和土的壓縮過程，而且由於浸水時間長，試驗過程中自然包含了部分滲透溶濾變形，導致雙線法的濕陷係數大於單線法。所以隨初始含水量的增加，兩者的濕陷係數曲線必然存在一個交叉的過程。

以上關於單線法和雙線法的濕陷係數曲線存在交叉現象的討論僅為筆者的看法，由於只對局部地區的黃土進行了試驗分析，所以對於產生這一現象的原因還有待進一步的探討。

濕陷係數與初始含水量的關係

濕陷係數與初始含水量的關係在不同浸水壓力作用下的表現也是不同的。分別是雙線法和單線法的濕陷係數與增（減）濕後初始含水量之間的關係曲線，從圖中可以看出，濕陷係數與初始含水量之間並非呈現遞減的直線關係,本文按照3 次多項式進行擬合，並可以總結出以下幾點結論：

(1) 作用的浸水壓力較小時，濕陷係數與初始含水量之間的關係曲線規律性較差，幾乎呈波浪形發展，而單線法比雙線法好得多；當浸水壓力達到或超過某個值（如P =100 kPa）時，不管是單線法還是雙線法，濕陷係數與初始含水量之間基本呈現遞減的曲線關係，而且這些曲線最後都將交於一點。

(2) 在初始含水量相同的情況下，曲線的遞減率將隨浸水壓力的增大而增大。

(3) 在初始含水量較低時( w <4 %)，作用的浸水壓力越大，濕陷性也越大。但隨初始含水量的增加，這種規律將有所改變。當w >4 %時，除了較小的浸水壓力（如P =25，50，100，200 kPa）以外，作用的浸水壓力越大，濕陷性反而越小。對雙線法而言，當初始含水量達到25 %時，最大的濕陷性將出現在浸水壓力為50～100 kPa 的區間內；對單線法來説，當初始含水量達到21 %時，最大的濕陷性也將出現在浸水壓力為50～100 kPa 的範圍內。當壓力超過該範圍時，濕陷係數反而減小。

(4) 對雙線法而言，當壓力P =25，50，100 kPa時，濕陷係數與初始含水量的關係曲線基本是由完整的3 段組成的。第一轉折點（相當於濕陷起始壓力）前，是結構強度發揮的壓密階段，兩個轉折點之間是結構破壞的濕陷階段；第二個轉折點（相當於濕陷終止壓力）之後是新的結構形成的固結階段。

在第一個轉折點後，曲線的斜率變緩，説明土體結構破壞，濕陷速率增大；在第二個轉折點之後，曲線上突，表示新的壓密結構形成，濕陷變形轉化為固結壓密變形。當壓力P =200 kPa 時，曲線基本成一直線，無明顯轉折點。當壓力P >200 kPa 後，曲線呈下凹形，第一個階段消失，第二、三階段合而為一，濕陷變形減緩。對單線法來説，除分界壓力P =100 kPa 外，其曲線特徵與雙線法完全相同。

由以上分析可見，浸水壓力對濕陷性的影響，在初始含水量較低時表現得要比初始含水量較高時明顯得多，隨着初始含水量增大到某個界限值，這一影響將隨濕陷性的退化而消失。

綜上所述，濕陷係數與壓力的關係曲線以及濕陷係數與初始含水量的關係曲線，全面地説明了濕陷性黃土在力與水的共同作用下濕陷變形的全過程：隨着壓力和濕度的變化，黃土濕陷變形的全過程曲線由兩個轉折點和3 段組成。3 個階段的發展隨作用壓力和增濕條件的變化而變化 ^[3]  。

（1）無論是單線法還是雙線法，黃土的濕陷性都隨增濕而減小，隨減濕而增大。隨着初始含水量的增大，濕陷量減少，曲線逐漸降低平緩，最後，在初始含水量達到預濕飽和狀態時，曲線趨近於橫座標軸。對於同一種黃土，隨初始含水量的增加，濕陷起始壓力略有增大，而峯值濕陷壓力、濕陷終止壓力都明顯減小，濕陷壓力區間的幅度也隨初始含水量的增大而縮減。

（2）濕陷係數與壓力的關係曲線因為試驗方法的不同而表現出不同的規律性：初始含水量較低時，單線法的濕陷性大於雙線法，當初始含水量達到某個值時，兩者的濕陷係數曲線出現交叉現象；當初始含水量超過該值後，單線法的濕陷性小於雙線法；這種交叉現象是由黃土本身的特殊結構性所決定的。在隨初始含水量增加的過程中，濕陷係數曲線的交叉現象同時帶來了峯值濕陷係數和峯值濕陷壓力的交叉變化，但兩者的濕陷起始壓力始終大致相等；兩者的濕陷終止壓力雖有較大差異，但都隨初始含水量的增大而迅速降低。

（3）濕陷係數與增（減）濕后土樣的初始含水量之間並非呈現遞減的直線關係，按3 次多項式擬合更加合理。當浸水壓力達到或超過某個值時，濕陷係數與初始含水量之間基本呈現遞減的曲線關係，這些曲線最後都將交於一點。初始含水量較低時，作用的浸水壓力越大，濕陷性也越大；但是隨着初始含水量的增加，這種規律將有所改變。浸水壓力對濕陷性的影響，在初始含水量較低時表現得要比初始含水量較高時明顯得多，隨着初始含水量增大到某個界限值，這一影響將隨濕陷性的退化而消失。

（4）隨着壓力和濕度的變化，黃土濕陷變形的全過程曲線由兩個轉折點和3 段組成：第一階段是結構強度發揮的壓密階段；第二階段是結構破壞的濕陷階段；第三階段是新的結構形成的固結階段，3個階段的發展隨作用壓力和增濕條件的變化而變化 ^[1]  。