恒水头条件下深厚黄土水致变形机理

《Transportation Geotechnics》：Mechanisms of moisture-induced deformation in deep loess under constant head conditions

　　

摘要：地下水位上升改变了深厚黄土的应力和湿度状态，诱发了显著的浸水变形，威胁到中国西部深埋交通基础设施的安全。然而，对于自下而上浸水路径下深厚黄土的变形特征和力学机理的系统认识仍然有限。本研究采用非饱和三轴试验，模拟恒定水头下的自下而上浸水过程，研究了取自西安 26 米深度的 Q2 原状黄土。同时考察了排气条件、孔隙水压力、初始平均应力和初始孔隙比对变形行为的影响。结果表明，在地下水位上升过程中，试件表现出由湿陷沉降、浸水回弹和再压缩组成的三阶段变形过程。虽然气封闭条件不改变分阶段变形行为，但它抑制了浸水过程，并将各阶段的平衡时间延长了 1.87% 至 15.72%。此外，它分别使湿陷沉降和浸水回弹减少了 2.78% 至 8.26% 以及 3.91% 至 10.10%，而使再压缩增加了 1.81% 至 18.62%。微观试验证实变形沿自下而上的浸水方向进展，气封闭条件加剧了垂直非均匀性。对重塑黄土的试验进一步揭示，较高的孔隙水压力增加了回弹的持续时间和幅度，同时显著减少了再压缩的持续时间和幅度。较高的初始平均应力或较低的初始孔隙比驱使土体趋向高应力、高密度状态，其中回弹和再压缩逐渐消失。机理分析表明，湿陷沉降源于水渗入引起的胶结弱化和孔隙崩塌，浸水回弹由积聚的孔隙压力引起的孔隙膨胀驱动，再压缩源于颗粒分离、水土迁移和胶结退化引起的孔隙收缩。这些发现阐明了地下水波动区深厚黄土的浸水变形机理，为开发考虑耦合卸载 - 浸水影响的湿陷变形计算方法提供了理论依据。

引言：在中国新型城镇化和西部大开发战略的背景下，中国西部核心黄土城市（包括西安、兰州和乌鲁木齐）的地下空间开发加速。受地表空间有限的限制，如地铁隧道和地下车站等交通基础设施已向更深延伸，深埋地下工程的数量和规模不断增加。为符合国家地下水污染防治管控方案 [1] 和地下水管理条例 [2]，黄土地区加强了地下水开采规定，导致地下水位广泛回升 [3]。深埋建设与地下水位回升在时空上的重叠，使深厚黄土基础暴露于长期渐进式浸水中，其水力学变形行为直接威胁深交通基础设施的长期适用性和安全性。例如，随着西安一条地铁线路沿线地下水位近 10 米的上升，观察到盾构隧道区间出现整体沉降、椭圆变形和开裂，如图 1 所示。因此，阐明地下水位上升下深厚黄土基础的湿陷变形机理，是黄土区城市地下工程建设和运营的关键工程问题。

黄土的湿陷变形机理是理解其水敏感性和开发合理本构模型的基础，长期以来一直是黄土力学和工程地质研究的焦点。张等 [4] 提出了“湿陷变形”的概念，该概念目前在学术界已被广泛接受。现有研究主要关注黄土湿陷变形起始机理的三个 aspects：微孔隙结构演化、胶结溶解特征和湿陷过程的力学机理。这些研究逐步推进了对黄土湿陷的系统认识。

关于微孔隙结构演化，研究人员利用扫描电子显微镜 (SEM)、压汞法 (MIP) 和 CT 扫描揭示了黄土湿陷期间内部孔隙结构的演化模式。Gao 等 [5] 首次基于 SEM 观察对中国黄土的微观结构进行了分类，并提出骨架颗粒的形态、连通性和排列是控制黄土湿陷性的主要因素。后续研究进一步证实，浸水会软化或溶解黄土中的胶结材料，降低颗粒间的粘结强度。在外部荷载或自重作用下，大孔隙崩塌且架空结构变得不稳定，导致孔隙体积显著减少和不可逆的体积压缩，宏观上表现为湿陷沉降 [6]，[7]。Wei 等 [8]，[9] 系统分析了实验室湿陷试验、微观 CT 扫描和 MIP 结果。他们报告说黄土湿陷取决于两个条件：颗粒间孔隙提供的变形空间，集中的颗粒间孔隙有利于湿陷；以及粘土颗粒水化驱动的颗粒滑动力，桥梁粘土的水化作为湿陷的关键触发因素。湿陷伴随着总孔隙率的显著减少，特别是大孔隙比例的减少，导致湿陷后土体结构更致密。这一认识为“完全湿陷”理论假说提供了重要的微观结构基础。

现有研究在胶结溶解特征方面主要关注可溶性盐的溶解和粘土矿物的改变。一些研究人员认为水渗入溶解可溶性盐，破坏胶结结构并诱发湿陷沉降 [10]。然而，近期研究证实天然黄土中的大多数可溶性盐在正常含水量下已经溶解。因此，可溶性盐溶解不是湿陷的根本驱动力，其含量主要影响湿陷的幅度 [11]。相应地，大多数现有研究采用了实验室全浸方案，强调充分的可溶性盐溶解对湿陷发展的控制作用，进一步强化了“完全湿陷”假说。

关于力学机理，随着非饱和土力学的发展，基质吸力的衰减通常被视为黄土湿陷变形的主要驱动力。Tang 等 [12] 提出非饱和黄土的湿陷变形是微观结构和广义吸力共同作用的结果。Fu 等 [13] 认为水渗入引起的基质吸力降低是黄土湿陷的根本原因。Veerayut K. 等 [14] 指出非饱和土中的吸力应力随含水量增加急剧下降，这是造成湿陷变形的根本原因。此外，较低的初始含水量导致较高的吸力应力和更大的变形潜力。Xing 等 [15] 通过实验验证了在黄土湿陷过程中基质吸力随含水量变化显著但随应力变化微小，表明湿陷变形本质上是由浸水而非应力增加驱动的。基于这些发现，研究人员建立了考虑基质吸力、结构强度和应力水平的湿陷变形计算模型 [16]，[17]，[18]。

其中一些发现已被纳入《湿陷性黄土地区建筑标准》(GB 50025–2018) [19]，为评估浅层黄土基础的湿陷变形提供了重要依据。

近年来的工程实践和实验研究均揭示，“完全湿陷”假说与地下水位上升诱发的深厚黄土湿陷变形行为之间存在显著差异。深厚黄土的特点是大埋深、高上覆应力和受限的孔隙排气。在恒定水头下的自下而上浸水过程中，土体不会发生快速、完全的湿陷和压缩。相反，它表现出独特的分阶段变形特征。Qu 等 [20] 通过现场浸水试验观察到渗透过程中孔隙气压呈“锯齿状”增加。Du 等 [21] 也证实排气条件在控制黄土高填方沉降中起关键作用，进一步表明孔隙气的存在显著改变了湿陷变形的发展。Huang 等 [22]，[23] 通过现场浸水试验直接揭示了局部地下水位上升下深厚黄土基础的分阶段变形行为。然而，由于现场测试条件的限制，对于内部变形演化机理和多个影响因素的控制作用缺乏系统的实验室验证。

实验室非饱和三轴试验可以通过控制轴向压力、围压和吸力变化来准确模拟实际浸水路径，是揭示湿陷变形控制力学机理的重要方法。例如，Ma 等 [24] 通过非饱和三轴试验分析了不同含水量下 Q2 和 Q3 黄土的应力 - 应变特征，为黄土高填方场地的稳定性评估提供了参考。Gao 等 [25] 基于原状黄土三轴试验结果揭示了浸水变形机理并建立了非饱和黄土浸水变形的本构模型。然而，大多数现有的非饱和三轴研究主要集中在浸水过程期间的整体变形和强度变化。对于恒定水头条件下深厚黄土分阶段变形的演化模式、影响因素和力学机理的系统深入调查仍然不足。

因此，本研究采用取自西安 26 米深度的原状 Q2 黄土作为研究对象。进行孔隙压力控制的非饱和三轴试验，模拟地下水位波动期间深厚黄土的浸水 - 干燥过程。建立了气开放和气封闭两种测试条件，以比较排气条件的效应。进行重塑黄土试验以分析初始平均应力和初始孔隙比对变形特征的调节作用，并揭示深厚黄土分阶段湿陷变形的力学机理。这些发现为地下水位波动区支撑深埋地下工程的黄土基础稳定性评估提供了理论支持。

片段

试验材料

本研究使用的原状和重塑黄土试件均采集于陕西省西安市西安地铁 9 号线洪庆站东侧区域（图 2）。采集深度为 24–26 米的土层被分类为老黄土 (Q2eol+pl)。该黄土层表现出均质的质地和良好的孔隙特征，代表了研究区域黄土的基本颗粒组成。采样后，试件立即被密封

试件制备

所有试件严格按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123–2019) [26] 制备。原状黄土试件使用手动取土器制备，产生直径为 39.1 mm 且高度为 80 mm 的圆柱形样品（图 4(a)），纵轴垂直于天然层理面。在每个岩芯试件的顶部和底部保留 20 mm 厚的土层（标记为 M0）用于初始含水量

加载路径设计

湿陷试验使用 TFB-1 型非饱和土应力 - 应变控制式三轴仪（图 4(d)）进行，以研究深厚黄土的湿陷变形行为。由于地层内存在厚的古土壤层并对下部黄土产生一定的卸载效应，本研究将 26 米深处作用于土体的垂直应力 σ1 设定为 400 kPa。该深度的静止侧压系数 (K0) 被确定为

稳定标准

在每个加载阶段，只有当同时满足以下两个标准时，试件的湿陷变形才被认为已稳定：(1) 1 小时内的轴向位移小于 0.01 mm，以及 (2) 围压下的体积变化小于 0.1 mL。只有在达到稳定后，才开始下一阶段的孔隙水压力加载。

试件吸湿与吸附体积的变化

测试过程中两组试件的吸湿和吸附体积变化如图 6 所示（正值表示吸水，负值表示排水）。对于 SY1，吸湿和吸附体积随孔隙水压力的增加而持续增加。由于顶部气路保持与大气相通，在测试中期（uw 达到 40 kPa 后）排出液被连续排出。

有效应力变化特征

测试期间试件的变形主要由孔隙水压力变化驱动，可归类为吸力诱导变形。

有效应力的变化利用 Bishop 非饱和土有效应力方程进行分析：σ′=ua?χ(ua?uw) 其中 σ′ 为有效应力 (kPa)；ua 为孔隙气压力 (kPa)；uw 为孔隙水压力 (kPa)，χ 为与饱和度相关的系数。参考 Sun 等 [27]，χ 被视为

试件变形特征
试验过程中，试件 SY1 和 SY2 在围压下的体积变化 (εr) 和轴向位移 (εl) 随时间变化的历程如图 9 所示。两个试件均表现出明显的三阶段变形特征。试验结束时，SY1 和 SY2 的总体积变化分别为 7.69 和 1.44 mL。然而，两个试件之间的轴向位移差异显著。SY1 表现出无明显阶段的逐渐位移，达到 a
SEM 结果
比较图 4(c) 中试件 M0、M1、M3 和 M5 的微观结构变化，以解释在孔隙水压力 (uw) 增加过程中完整黄土阶段性变形的机制。M0 代表测试前的天然土，而 M1-M5 代表测试后的试件。SY1 和 SY2 的 SEM 图像如图 13 所示。骨架颗粒的排列在黄土的塌陷变形中起着关键作用，并主要体现在
MIP 结果
黄土的塌陷变形行为与孔隙大小、形状和连通性密切相关。因此，采用压汞法 (MIP) 定量分析试件的孔径分布 (PSD)。根据 Lei [28]，孔隙被分类为大孔 (直径 > 32 μm)、中孔 (直径 4–16 μm)、小孔 (半径 1–4 μm) 和微孔 (半径 < 1 μm)。如前述变形分析所示，试件的变形
初始平均应力的影响
图 15 展示了在不同初始平均应力 (p0 = 150, 183, 216 和 250 kPa) 下试件的体积变化和轴向位移随时间变化的历程。在施加孔隙水压力过程中，所有应力水平下的体积变化曲线均表现出“塌陷沉降、湿润引起的回弹和再压缩”的三阶段模式。相比之下，轴向位移单调增加直到稳定，没有明显的回弹或波动。这
初始孔隙率的影响
在高初始平均应力 (p0 = 250 kPa) 下，土体处于密实状态，回弹阶段受到显著抑制。因此，这一组试验主要关注初始孔隙率 (e0 = 0.75, 0.85, 0.90 和 0.95) 对塌陷沉降和再压缩阶段的影响。试验结果如图 18 所示。初始孔隙率对变形特征的影响主要体现在以下两个方面：
(1) 随着初始孔隙率
阶段依赖变形机制
基于前述分析，本节从土体的有效应力响应和排出流体中离子浓度的变化两个角度，探讨黄土阶段依赖变形的主导机制。
有效应力响应机制
为了阐明湿润过程中有效应力的变化，作用在土颗粒上的孔隙压力 P 被简化为孔隙水压力 uw 和孔隙气压力 ua 的综合效应 (图 20)。以加载路径 B 为例，该阶段试件的孔隙压力、有效应力和体积应变如图 21 所示。
(1) 塌陷沉降阶段
在此阶段，体积应变逐渐增加，而径向有效应力首先
排出流体中离子浓度的变化特征
连续不间断地收集受加载路径 C 作用的试件 SY1 的排出流体，并记录收集时间间隔，以研究不同变形阶段胶结材料的溶解行为。试验后，根据对应于每个变形阶段的时间间隔对流样进行标记：Y1 属于压缩阶段，Y2 属于回弹阶段，Y3 和 Y4 属于再压缩阶段。离子
结论
本研究采用控制孔隙水压力的非饱和三轴试验，模拟地下水位波动下深厚黄土基础的湿润过程，并揭示恒压头下完整黄土的湿润变形机制。主要结论如下：
(1) 在孔隙水压力增加过程中，完整黄土的变形表现出分阶段的“压缩 - 回弹 - 再压缩”模式和与
一致的定向特征
CRediT 作者贡献声明
黄鑫：写作—起草，项目管理。郑建国：项目管理，资金获取。于永堂：项目管理，方法论。张伟伟：项目管理，方法论。王宇国：项目管理，方法论。何红：项目管理。文永辉：项目管理。
竞争利益声明
作者声明，他们没有任何已知的竞争性财务利益或可能影响本文报告工作的个人关系。
致谢
所有作者衷心感谢国家自然科学基金 (42307277)、Sinomach 集团专项研究项目 (ZDZX2025-04) 以及西安市重点产业链技术攻关集群项目 (2025JH-ZDLJQ-0022) 的资助。
黄鑫|郑建国|于永堂|张伟伟|王宇国|何红|文永辉
西安建筑科技大学土木工程学院，西安 710055，中国