入滲增濕對非飽和黃土中單樁承載特性的多維度解析與工程應(yīng)用啟示一、引言1.1研究背景與意義1.1.1黃土地區(qū)工程建設(shè)現(xiàn)狀黃土在全球廣泛分布，約占陸地面積的10%。我國黃土主要集中在西北、華北地區(qū)，如陜西、甘肅、寧夏等省份。這些地區(qū)的黃土厚度大、分布廣，是工程建設(shè)的主要場地。隨著國家“西部大開發(fā)”戰(zhàn)略的推進，黃土地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、能源開發(fā)、城市化進程等發(fā)展迅速。例如，陜北革命老區(qū)首條高鐵——西安至延安高速鐵路正在穩(wěn)步建設(shè)，其線路全長約299公里，設(shè)計時速350公里，建成后將大大縮短西安至延安的運行時間。延安新城建設(shè)作為黃土地區(qū)大規(guī)模工程建設(shè)的典型代表，從2009年啟動，歷經(jīng)十年建成，初步設(shè)定面積為78.5平方公里，預(yù)計可容納40萬人口。該工程夷平30多座山峰，克服了濕陷性黃土地區(qū)建設(shè)的諸多難題，包括山區(qū)地形起伏大、土方開挖和爆破工作量大、管理難度大、環(huán)保要求高等。在黃土地區(qū)的工程建設(shè)中，樁基作為一種常見的深基礎(chǔ)形式，因其能有效將上部結(jié)構(gòu)荷載傳遞到深層穩(wěn)定土層，具有較高的承載能力和穩(wěn)定性，被廣泛應(yīng)用于各類建筑、橋梁、道路等工程中。然而，黃土地區(qū)的特殊地質(zhì)條件，尤其是非飽和黃土的特性，給樁基工程帶來了諸多挑戰(zhàn)。1.1.2非飽和黃土特性及入滲增濕影響非飽和黃土是一種典型的非飽和土，由固相（土顆粒）、液相（孔隙水）和氣相（孔隙氣）組成。其具有獨特的物理力學(xué)性質(zhì)，如孔隙比大、結(jié)構(gòu)性強、抗剪強度受吸力影響顯著等。與飽和土相比，非飽和黃土的力學(xué)行為更為復(fù)雜，其強度和變形特性不僅與土顆粒間的有效應(yīng)力有關(guān)，還與孔隙水和孔隙氣產(chǎn)生的吸力密切相關(guān)。吸力是反映非飽和黃土力學(xué)特性的關(guān)鍵因素，它使土顆粒間產(chǎn)生附加的凝聚力，從而提高了土體的抗剪強度。當含水率發(fā)生變化時，吸力也隨之改變，進而導(dǎo)致土體力學(xué)性質(zhì)的顯著變化。自然現(xiàn)象（如降雨、降雪）和人類活動（如地下管道滲漏、灌溉）均可能引起非飽和黃土含水率的增加，即入滲增濕現(xiàn)象。隨著入滲作用的發(fā)生，非飽和黃土的孔隙水壓力升高，吸力減小，土顆粒間的有效應(yīng)力降低，導(dǎo)致土體抗剪強度降低、壓縮性增大。相關(guān)研究表明，黃土的濕陷變形往往伴隨著入滲增濕過程，這會導(dǎo)致地基沉降、土體失穩(wěn)等工程問題，嚴重影響工程的安全性和穩(wěn)定性。1.1.3研究意義深入研究入滲增濕作用下非飽和黃土中單樁的承載特性，具有重要的理論意義和工程實際價值。在理論方面，目前針對非飽和黃土中單樁承載特性的研究尚不完善，尤其是考慮入滲增濕過程中吸力變化和土體濕陷變形對樁基承載性能的影響機制，仍缺乏系統(tǒng)的認識。本研究將有助于完善非飽和土力學(xué)理論體系，豐富非飽和黃土地區(qū)樁基工程的設(shè)計理論和方法，為進一步深入研究非飽和土與樁基相互作用提供理論依據(jù)。從工程實際角度來看，準確掌握入滲增濕作用下非飽和黃土中單樁的承載特性，對于黃土地區(qū)樁基工程的設(shè)計、施工和運營維護具有重要的指導(dǎo)意義。通過研究，可以為樁基設(shè)計提供更合理的參數(shù)和計算方法，避免因設(shè)計不合理導(dǎo)致的工程事故，提高工程的安全性和可靠性。同時，對于已建工程，能夠更好地評估其在入滲增濕等不利條件下的穩(wěn)定性，及時采取有效的加固和維護措施，降低工程風(fēng)險，節(jié)約工程成本，保障黃土地區(qū)工程建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1非飽和黃土力學(xué)性質(zhì)研究非飽和黃土力學(xué)性質(zhì)的研究一直是巖土工程領(lǐng)域的重要課題。早在20世紀，國外學(xué)者就開始關(guān)注非飽和土的力學(xué)特性，如Bishop（1960年）提出了非飽和土抗剪強度公式，為非飽和土力學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。此后，F(xiàn)redlund（1978年）也提出了另一種非飽和土抗剪強度公式，進一步完善了非飽和土抗剪強度理論。隨著研究的深入，學(xué)者們逐漸認識到吸力是影響非飽和黃土力學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵因素。在國內(nèi)，對非飽和黃土力學(xué)性質(zhì)的研究始于20世紀60年代，俞培基和陳愈炯在1965年提出把非飽和土劃分為“水封閉”、“雙開敞”和“氣封閉”三種狀態(tài)，拉開了國內(nèi)研究非飽和土力學(xué)性質(zhì)的序幕。此后，國內(nèi)學(xué)者在非飽和黃土的強度、變形、本構(gòu)模型等方面開展了大量研究。黨進謙等通過對陜西關(guān)中地區(qū)馬蘭黃土的試驗研究，得到了非飽和黃土的粘聚力與基質(zhì)吸力的相關(guān)關(guān)系，闡述了非飽和黃土的抗剪強度隨基質(zhì)吸力的變化特征。陳正漢系統(tǒng)總結(jié)了在非飽和土與特殊土力學(xué)領(lǐng)域的研究成果，對非飽和黃土的工程特性、力學(xué)理論及其應(yīng)用進行了深入探討。近年來，隨著試驗技術(shù)和數(shù)值模擬方法的不斷發(fā)展，非飽和黃土力學(xué)性質(zhì)的研究取得了新的進展。張俊然等聯(lián)合壓力板儀和蒸汽平衡法在全吸力范圍內(nèi)對原狀與重塑黃土進行持水特性試驗，使用非飽和三軸儀對高吸力下的原狀與重塑黃土進行剪切試驗，探討了非飽和黃土結(jié)構(gòu)性差異對其水力力學(xué)特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，隨著吸力的增大，原狀和重塑土的飽和度、含水率均減小，孔隙比稍有減?。辉瓲詈椭厮芡恋膽?yīng)力-應(yīng)變關(guān)系多呈軟化現(xiàn)象，吸力為3.29MPa的重塑土呈硬化現(xiàn)象；隨著吸力的增大，原狀和重塑土的黏聚力和峰值強度均明顯增加，體變由剪縮趨向剪脹現(xiàn)象，且原狀土的黏聚力增幅和峰值強度大于重塑土，而兩者的內(nèi)摩擦角基本一致。1.2.2單樁承載特性研究單樁承載特性的研究內(nèi)容豐富，涵蓋了承載力計算、荷載傳遞、樁土相互作用等多個方面。在承載力計算方面，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種計算方法，如靜載荷試驗法、經(jīng)驗公式法、理論分析法等。靜載荷試驗法是確定單樁承載力的最直接、最可靠的方法，但該方法成本高、試驗周期長，在實際工程中應(yīng)用受到一定限制。經(jīng)驗公式法是根據(jù)大量的工程實踐和試驗數(shù)據(jù)總結(jié)出來的，具有簡單易行的優(yōu)點，但公式的適用性和準確性受到地區(qū)性和土性等因素的影響。理論分析法主要基于土力學(xué)和彈性力學(xué)理論，通過建立數(shù)學(xué)模型來計算單樁承載力，如Mindlin解、Geddes解等，但這些理論方法在實際應(yīng)用中往往需要進行簡化和假設(shè)，存在一定的局限性。在荷載傳遞方面，研究表明，樁在承受豎向荷載時，荷載首先通過樁側(cè)摩阻力傳遞到樁周土體，隨著荷載的增加，樁端阻力逐漸發(fā)揮作用。樁側(cè)摩阻力和樁端阻力的發(fā)揮程度與樁土相對位移、樁長、樁徑、土體性質(zhì)等因素密切相關(guān)。國內(nèi)外學(xué)者通過現(xiàn)場試驗、室內(nèi)模型試驗和數(shù)值模擬等方法，對樁側(cè)摩阻力和樁端阻力的分布規(guī)律、發(fā)揮過程以及影響因素進行了深入研究。例如，一些研究通過在樁身不同位置埋設(shè)應(yīng)變片或壓力盒，測量樁身軸力和樁側(cè)摩阻力的分布，分析荷載傳遞規(guī)律；利用有限元軟件建立樁土模型，模擬不同工況下樁的受力變形過程，研究樁土相互作用機制。1.2.3入滲增濕作用下研究進展入滲增濕對非飽和黃土中單樁承載特性的影響是一個復(fù)雜的問題，涉及到非飽和土力學(xué)、滲流力學(xué)、樁土相互作用等多個學(xué)科領(lǐng)域。目前，這方面的研究取得了一定的進展，但仍存在許多有待進一步深入研究的問題。一些研究通過室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗，分析了入滲增濕對非飽和黃土物理力學(xué)性質(zhì)的影響，以及對單樁承載特性的影響規(guī)律。郭潔等通過室內(nèi)試驗，得出了增濕對黃土濕陷性的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著含水率的增加，黃土的濕陷系數(shù)增大，壓縮量也隨之增加。胡少磊通過在實驗室內(nèi)進行單樁承載試驗，模擬不同入滲條件下黃土中單樁的受力情況，測量樁身沉降、樁身摩阻力變化等參數(shù)，分析得出入滲作用會導(dǎo)致非飽和黃土的水分含量增加，孔隙水壓力不斷增加，從而降低了黃土的抗剪強度，樁身周圍的黃土被增濕后變得軟化，摩阻力逐漸降低，導(dǎo)致單樁的承載力下降。在數(shù)值模擬方面，一些學(xué)者通過建立非飽和黃土地區(qū)的單樁有限元模型，并考慮入滲過程和黃土力學(xué)性質(zhì)的變化，模擬單樁承載特性的變化情況。這些數(shù)值模擬研究能夠直觀地展示入滲增濕作用下樁土系統(tǒng)的應(yīng)力應(yīng)變分布和變形發(fā)展過程，為深入理解其作用機制提供了有力的工具。然而，目前的數(shù)值模型在考慮非飽和黃土的復(fù)雜力學(xué)特性、入滲過程的多因素耦合以及樁土界面的非線性相互作用等方面還存在一定的不足，需要進一步改進和完善。總體而言，入滲增濕作用下非飽和黃土中單樁承載特性的研究雖然取得了一定成果，但仍處于不斷發(fā)展和完善的階段。未來需要綜合運用多種研究方法，深入研究其作用機制，建立更加準確合理的理論模型和計算方法，以滿足黃土地區(qū)樁基工程的實際需求。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究旨在深入探究入滲增濕作用下非飽和黃土中單樁的承載特性，主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面：入滲增濕對非飽和黃土性質(zhì)的影響：開展室內(nèi)試驗，模擬不同入滲條件下非飽和黃土的增濕過程，分析增濕過程中黃土的含水率、吸力、孔隙比、抗剪強度等物理力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律。通過土-水特征曲線試驗，研究不同吸力狀態(tài)下黃土的持水特性；利用非飽和三軸試驗，探究增濕對黃土抗剪強度指標（粘聚力和內(nèi)摩擦角）的影響，明確非飽和黃土力學(xué)性質(zhì)隨入滲增濕的變化機制。入滲增濕對單樁承載特性的影響：進行室內(nèi)單樁承載試驗，設(shè)置不同的入滲工況，測量樁身沉降、樁身軸力、樁側(cè)摩阻力、樁端阻力等參數(shù)，分析入滲增濕作用下單樁的豎向承載特性、水平承載特性以及承載特性隨時間的變化規(guī)律。研究不同入滲條件下，單樁的極限承載力、荷載-沉降曲線特征以及樁身各部分阻力的發(fā)揮程度，揭示入滲增濕對單樁承載特性的影響規(guī)律。入滲增濕作用下單樁荷載傳遞特性：基于試驗結(jié)果和理論分析，研究入滲增濕作用下單樁的荷載傳遞機制。分析樁側(cè)摩阻力和樁端阻力在荷載傳遞過程中的分配比例和變化規(guī)律，建立考慮入滲增濕影響的單樁荷載傳遞模型。探討非飽和黃土的物理力學(xué)性質(zhì)變化（如抗剪強度降低、濕陷變形等）對樁土界面剪切特性和荷載傳遞的影響，為非飽和黃土地區(qū)樁基工程的設(shè)計和分析提供理論依據(jù)。1.3.2研究方法本研究采用室內(nèi)試驗、數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的方法，全面深入地研究入滲增濕作用下非飽和黃土中單樁的承載特性。室內(nèi)試驗：通過室內(nèi)試驗獲取非飽和黃土的基本物理力學(xué)參數(shù)以及入滲增濕作用下單樁的承載特性數(shù)據(jù)。具體試驗包括：非飽和黃土基本性質(zhì)試驗：進行顆粒分析、液塑限試驗、比重試驗、含水率試驗、孔隙比測定等，以確定非飽和黃土的基本物理性質(zhì)。開展土-水特征曲線試驗，采用壓力板儀、濾紙法等手段，測定不同吸力下黃土的含水率，繪制土-水特征曲線，研究黃土的持水特性。非飽和黃土力學(xué)性質(zhì)試驗：利用非飽和三軸儀，進行不同含水率、不同吸力條件下的三軸剪切試驗，獲取黃土的抗剪強度指標（粘聚力和內(nèi)摩擦角），分析增濕對黃土力學(xué)性質(zhì)的影響。開展固結(jié)試驗，研究非飽和黃土在不同應(yīng)力狀態(tài)和增濕條件下的變形特性。室內(nèi)單樁承載試驗：設(shè)計并制作室內(nèi)單樁試驗?zāi)Ｐ?，模擬不同入滲條件下非飽和黃土中單樁的受力情況。在樁身不同位置埋設(shè)應(yīng)變片、壓力盒等傳感器，測量樁身軸力、樁側(cè)摩阻力、樁端阻力以及樁身沉降等參數(shù)。通過改變?nèi)霛B水量、入滲時間等因素，研究入滲增濕對單樁承載特性的影響規(guī)律。數(shù)值模擬：運用有限元軟件，建立非飽和黃土地區(qū)單樁的數(shù)值模型，考慮入滲過程、黃土力學(xué)性質(zhì)變化以及樁土相互作用等因素，模擬入滲增濕作用下單樁的承載特性。具體步驟如下：模型建立：根據(jù)室內(nèi)試驗獲取的非飽和黃土物理力學(xué)參數(shù)，建立合理的非飽和土本構(gòu)模型。考慮樁土界面的接觸特性，采用合適的接觸單元模擬樁土相互作用。設(shè)置模型的邊界條件和初始條件，包括土體的初始應(yīng)力狀態(tài)、初始含水率分布以及入滲邊界條件等。參數(shù)驗證與模型校準：將數(shù)值模擬結(jié)果與室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)進行對比分析，驗證模型的準確性和可靠性。通過調(diào)整模型參數(shù)，如非飽和土的滲透系數(shù)、抗剪強度參數(shù)等，使模擬結(jié)果與試驗結(jié)果達到較好的吻合，確保模型能夠準確反映入滲增濕作用下單樁的承載特性。工況分析：利用校準后的模型，開展不同工況下的數(shù)值模擬分析，研究入滲增濕作用下非飽和黃土中單樁的承載特性隨時間、入滲量、樁長、樁徑等因素的變化規(guī)律。分析樁身應(yīng)力應(yīng)變分布、樁周土體的變形和孔隙水壓力變化等，深入探討入滲增濕對單樁承載特性的影響機制。理論分析：基于非飽和土力學(xué)、滲流力學(xué)和樁土相互作用理論，對入滲增濕作用下單樁的承載特性進行理論分析。具體內(nèi)容包括：非飽和黃土力學(xué)理論分析：根據(jù)非飽和土的有效應(yīng)力原理和抗剪強度理論，分析入滲增濕過程中吸力變化對非飽和黃土力學(xué)性質(zhì)的影響，建立考慮吸力變化的非飽和黃土本構(gòu)模型。結(jié)合滲流理論，研究入滲過程中水分在非飽和黃土中的遷移規(guī)律，分析孔隙水壓力的變化對土體力學(xué)性質(zhì)的影響。單樁承載理論分析：基于傳統(tǒng)的單樁承載力計算理論，如靜力學(xué)平衡法、荷載傳遞法等，考慮入滲增濕作用下非飽和黃土力學(xué)性質(zhì)的變化以及樁土相互作用的改變，對單樁承載力的計算方法進行修正和完善。建立考慮入滲增濕影響的單樁荷載傳遞模型，分析樁側(cè)摩阻力和樁端阻力的發(fā)揮機制和變化規(guī)律，推導(dǎo)單樁荷載-沉降關(guān)系的理論表達式。結(jié)果對比與驗證：將理論分析結(jié)果與室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬結(jié)果進行對比驗證，評估理論模型的合理性和準確性。通過對比分析，進一步完善理論模型，為非飽和黃土地區(qū)樁基工程的設(shè)計和分析提供理論支持。1.4技術(shù)路線本研究采用室內(nèi)試驗、數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的方法，全面深入地研究入滲增濕作用下非飽和黃土中單樁的承載特性，具體技術(shù)路線如下：理論研究：收集整理國內(nèi)外相關(guān)研究資料，深入分析非飽和黃土力學(xué)性質(zhì)、單樁承載特性以及入滲增濕作用下的研究現(xiàn)狀，明確研究存在的問題和不足，為后續(xù)研究提供理論基礎(chǔ)。室內(nèi)試驗：開展非飽和黃土基本性質(zhì)試驗，獲取黃土的顆粒分析、液塑限、比重、含水率、孔隙比等物理參數(shù)，繪制土-水特征曲線，研究其持水特性。進行非飽和黃土力學(xué)性質(zhì)試驗，利用非飽和三軸儀獲取黃土在不同含水率、吸力條件下的抗剪強度指標，開展固結(jié)試驗研究其變形特性。設(shè)計并進行室內(nèi)單樁承載試驗，模擬不同入滲條件，測量樁身沉降、軸力、側(cè)摩阻力、端阻力等參數(shù)，分析入滲增濕對單樁承載特性的影響。數(shù)值模擬：基于室內(nèi)試驗獲得的參數(shù)，運用有限元軟件建立非飽和黃土地區(qū)單樁的數(shù)值模型，考慮入滲過程、黃土力學(xué)性質(zhì)變化和樁土相互作用。將模擬結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)對比，驗證和校準模型，確保其準確性。利用校準后的模型開展不同工況模擬分析，研究單樁承載特性隨時間、入滲量、樁長、樁徑等因素的變化規(guī)律。理論分析：依據(jù)非飽和土力學(xué)、滲流力學(xué)和樁土相互作用理論，分析入滲增濕對非飽和黃土力學(xué)性質(zhì)的影響，建立考慮吸力變化的本構(gòu)模型，結(jié)合滲流理論研究水分遷移和孔隙水壓力變化對土體力學(xué)性質(zhì)的影響。基于傳統(tǒng)單樁承載力計算理論，考慮入滲增濕作用下黃土力學(xué)性質(zhì)和樁土相互作用的改變，修正和完善單樁承載力計算方法，建立荷載傳遞模型，推導(dǎo)荷載-沉降關(guān)系理論表達式。結(jié)果對比與驗證：對比理論分析、室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬結(jié)果，驗證理論模型的合理性和準確性，進一步完善理論模型，為非飽和黃土地區(qū)樁基工程提供理論支持。成果總結(jié)與應(yīng)用：總結(jié)研究成果，撰寫學(xué)術(shù)論文和研究報告，提出非飽和黃土地區(qū)樁基工程設(shè)計和分析的建議，將研究成果應(yīng)用于實際工程，為黃土地區(qū)工程建設(shè)提供技術(shù)指導(dǎo)。技術(shù)路線圖如圖1.1所示。圖1.1技術(shù)路線圖二、非飽和黃土的基本特性2.1非飽和黃土的物理性質(zhì)2.1.1顆粒組成非飽和黃土的顆粒組成是其重要的物理性質(zhì)之一，對其工程性質(zhì)有著顯著影響。黃土顆粒主要由砂粒、粉粒和黏粒組成。其中，粉粒含量通常較高，一般在50%-70%之間，是黃土的主要組成部分。砂粒含量相對較少，一般在10%-30%左右，黏粒含量則在10%-20%左右。不同地區(qū)的非飽和黃土，其顆粒組成會有所差異。例如，陜西地區(qū)的黃土，粉粒含量較高，砂粒和黏粒含量相對較低；而甘肅部分地區(qū)的黃土，砂粒含量可能會稍高一些。顆粒組成對非飽和黃土的工程性質(zhì)有著重要影響。粉粒含量高使得黃土具有一定的結(jié)構(gòu)性，顆粒間的排列相對疏松，形成了較大的孔隙。這種結(jié)構(gòu)使得黃土在天然狀態(tài)下具有較高的強度和較低的壓縮性，但同時也使其對水分變化較為敏感。當黃土遇水時，粉粒間的膠結(jié)作用減弱，結(jié)構(gòu)容易破壞，導(dǎo)致土體強度降低和壓縮性增大，進而引發(fā)濕陷等工程問題。砂粒的存在可以增加黃土的透水性和摩擦力，提高土體的抗剪強度。但如果砂粒含量過高，會導(dǎo)致黃土的黏結(jié)性變差，影響其整體穩(wěn)定性。黏粒具有較強的親水性，能吸附大量水分，使黃土的含水率增加，進而降低土體的強度和穩(wěn)定性。此外，黏粒還會影響黃土的可塑性和收縮性，對工程施工和土體的變形特性產(chǎn)生影響。2.1.2孔隙結(jié)構(gòu)非飽和黃土的孔隙結(jié)構(gòu)包括孔隙大小、形狀和連通性等方面，這些特征與黃土的濕陷性密切相關(guān)。黃土的孔隙大小分布較為廣泛，從微孔到宏孔都有存在。其中，宏孔（孔徑大于50μm）主要由土顆粒間的架空孔隙和蟲孔、根孔等生物成因孔隙組成，對黃土的透水性和氣體傳輸起著重要作用。中孔（孔徑在0.1-50μm之間）是黃土中較為常見的孔隙類型，對水分的儲存和遷移具有重要影響。微孔（孔徑小于0.1μm）則主要存在于土顆粒內(nèi)部或顆粒間的膠結(jié)處，對黃土的吸附性和表面性質(zhì)有較大影響。黃土的孔隙形狀多樣，有圓形、橢圓形、不規(guī)則形等。其中，圓形和橢圓形孔隙多為原生孔隙，是在黃土沉積過程中形成的；不規(guī)則形孔隙則多為次生孔隙，是在后期的地質(zhì)作用或工程活動中形成的?？紫兜倪B通性決定了水分和氣體在黃土中的傳輸路徑和速度。連通性好的孔隙，有利于水分和氣體的快速傳輸，使黃土更容易受到外界環(huán)境的影響；而連通性差的孔隙，則會限制水分和氣體的傳輸，對黃土的工程性質(zhì)產(chǎn)生不同的影響?？紫督Y(jié)構(gòu)與黃土的濕陷性密切相關(guān)。當黃土遇水時，水分首先進入孔隙中，使孔隙水壓力升高。如果孔隙結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，在孔隙水壓力和上部荷載的作用下，土顆粒會發(fā)生重新排列，孔隙結(jié)構(gòu)被破壞，導(dǎo)致土體體積減小，產(chǎn)生濕陷變形。一般來說，宏孔和中孔含量較高、連通性好的黃土，濕陷性往往較強；而微孔含量較高、孔隙結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定的黃土，濕陷性則相對較弱。例如，一些研究表明，具有大孔隙結(jié)構(gòu)的黃土，在增濕過程中更容易發(fā)生濕陷變形，且濕陷量較大。2.1.3天然含水率與飽和度非飽和黃土的天然含水率和飽和度是反映其含水狀態(tài)的重要指標，對黃土的性質(zhì)有著重要影響。天然含水率是指黃土在天然狀態(tài)下所含水分的質(zhì)量與干土質(zhì)量之比，通常用百分數(shù)表示。非飽和黃土的天然含水率變化范圍較大，一般在5%-25%之間，具體數(shù)值受地區(qū)氣候、地形、植被等因素的影響。在干旱地區(qū)，黃土的天然含水率較低，可能在5%-10%左右；而在濕潤地區(qū)，天然含水率可能會達到20%-25%。飽和度是指黃土孔隙中被水充滿的程度，用孔隙水體積與孔隙總體積之比表示。非飽和黃土的飽和度一般在30%-80%之間，處于非飽和狀態(tài)。飽和度的大小反映了黃土中孔隙水的含量，對黃土的力學(xué)性質(zhì)和工程行為有著重要影響。天然含水率和飽和度的變化會顯著影響黃土的性質(zhì)。隨著含水率的增加，黃土的飽和度增大，土顆粒間的潤滑作用增強，有效應(yīng)力減小，導(dǎo)致土體的抗剪強度降低。研究表明，當黃土的含水率從10%增加到20%時，其抗剪強度可能會降低30%-50%。含水率的增加還會使黃土的壓縮性增大，在荷載作用下更容易產(chǎn)生變形。此外，含水率的變化還會引起黃土的脹縮變形，當含水率增加時，黃土?xí)l(fā)生膨脹；當含水率降低時，黃土?xí)l(fā)生收縮，這種脹縮變形可能會對工程結(jié)構(gòu)造成破壞。飽和度的變化也會影響黃土的滲透性和毛細作用。飽和度較高時，黃土的滲透性降低，水分在土體中的傳輸速度減慢；而飽和度較低時，毛細作用增強，水分更容易在土體中上升和遷移，可能會導(dǎo)致地基土的濕化和強度降低。2.2非飽和黃土的力學(xué)性質(zhì)2.2.1抗剪強度特性非飽和黃土的抗剪強度是其力學(xué)性質(zhì)的重要指標，它與吸力、含水率等因素密切相關(guān)。在非飽和狀態(tài)下，黃土中存在著孔隙水和孔隙氣，孔隙水與孔隙氣之間的壓力差形成了吸力。吸力的存在使得土顆粒間產(chǎn)生了附加的凝聚力，從而提高了土體的抗剪強度。眾多研究表明，非飽和黃土的抗剪強度隨吸力的增加而增大。Bishop于1960年提出了著名的非飽和土抗剪強度公式：\tau=c'+(\sigma-u_a)\tan\varphi'+\chi(u_a-u_w)\tan\varphi'其中，\tau為抗剪強度；c'為有效黏聚力；\sigma為總應(yīng)力；u_a為孔隙氣壓力；u_w為孔隙水壓力；\varphi'為有效內(nèi)摩擦角；\chi為與飽和度相關(guān)的參數(shù)，0\leqslant\chi\leqslant1。當土體飽和時，\chi=1，公式退化為飽和土的抗剪強度公式；當土體完全干燥時，\chi=0。該公式考慮了吸力對非飽和土抗剪強度的影響，在一定程度上反映了非飽和土的力學(xué)特性。Fredlund在1978年提出了另一種非飽和土抗剪強度公式：\tau=c'+(\sigma-u_a)\tan\varphi'+(u_a-u_w)\tan\varphi^b其中，\varphi^b為與吸力相關(guān)的內(nèi)摩擦角，反映了吸力對抗剪強度的影響程度。該公式將吸力的影響單獨考慮，更直觀地體現(xiàn)了非飽和土抗剪強度與吸力的關(guān)系。含水率對非飽和黃土抗剪強度的影響也十分顯著。隨著含水率的增加，黃土中的孔隙水增多，吸力減小，土顆粒間的有效應(yīng)力降低，導(dǎo)致抗剪強度下降。研究表明，含水率與抗剪強度之間存在著一定的函數(shù)關(guān)系。例如，一些學(xué)者通過試驗數(shù)據(jù)擬合得到，抗剪強度隨含水率的增加呈指數(shù)或線性下降。當含水率從較低值逐漸增加時，抗剪強度的下降幅度較大；當含水率達到一定值后，抗剪強度的下降趨勢逐漸變緩。這是因為在含水率較低時，吸力對土顆粒間的膠結(jié)作用較強，隨著含水率的增加，吸力迅速減小，土顆粒間的膠結(jié)作用減弱，抗剪強度大幅下降；而當含水率較高時，土體接近飽和狀態(tài)，吸力的變化對土顆粒間的作用影響較小，抗剪強度的變化也相對較小。此外，非飽和黃土的抗剪強度還受到其他因素的影響，如土顆粒的組成、孔隙結(jié)構(gòu)、加載速率等。不同地區(qū)的非飽和黃土，由于其顆粒組成和孔隙結(jié)構(gòu)的差異，抗剪強度也會有所不同。加載速率的變化會影響土體的變形特性和強度發(fā)揮，加載速率較快時，土體來不及排水，孔隙水壓力增加，抗剪強度可能會有所提高；加載速率較慢時，土體有足夠的時間排水，抗剪強度則更接近穩(wěn)態(tài)值。2.2.2壓縮特性非飽和黃土在壓縮過程中，孔隙比和含水率會發(fā)生變化，其壓縮曲線具有獨特的特征。當非飽和黃土受到壓力作用時，土顆粒間的相對位置會發(fā)生改變，孔隙結(jié)構(gòu)逐漸被壓縮，孔隙比減小。同時，由于土體中的孔隙水和孔隙氣會受到壓力的影響，含水率也會相應(yīng)地發(fā)生變化。在壓縮初期，隨著壓力的逐漸增加，孔隙比迅速減小，這是因為土體中的大孔隙首先被壓縮，土顆粒開始重新排列。此時，含水率的變化相對較小，主要是由于孔隙氣的排出，而孔隙水的排出相對較慢。隨著壓力的進一步增大，孔隙比的減小速率逐漸變緩，這是因為小孔隙也開始被壓縮，土顆粒間的接觸更加緊密，壓縮難度增大。在這個階段，含水率可能會略有增加，這是因為孔隙體積減小，孔隙水被擠壓到較小的空間內(nèi)。非飽和黃土的壓縮曲線通常呈現(xiàn)出非線性特征。在低壓力階段，壓縮曲線較為陡峭，說明孔隙比隨壓力的變化較為敏感；在高壓力階段，壓縮曲線逐漸趨于平緩，說明孔隙比隨壓力的變化逐漸減小。這種非線性特征與非飽和黃土的孔隙結(jié)構(gòu)和顆粒間的相互作用密切相關(guān)。在低壓力下，土體中的孔隙結(jié)構(gòu)相對較為疏松，土顆粒間的摩擦力和黏聚力較小，容易發(fā)生變形，因此孔隙比隨壓力的變化較大；在高壓力下，孔隙結(jié)構(gòu)被壓縮得較為緊密，土顆粒間的摩擦力和黏聚力增大，抵抗變形的能力增強，孔隙比隨壓力的變化相對較小。含水率對非飽和黃土的壓縮特性也有重要影響。一般來說，含水率越高，黃土的壓縮性越大。這是因為含水率較高時，土顆粒間的潤滑作用增強，有效應(yīng)力減小，土體更容易發(fā)生變形。當含水率較低時，土顆粒間的吸力較大，土體的結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，壓縮性較??；隨著含水率的增加，吸力減小，土體的結(jié)構(gòu)逐漸變得不穩(wěn)定，在壓力作用下更容易產(chǎn)生較大的變形。此外，含水率的變化還會影響黃土的壓縮模量。壓縮模量是衡量土體抵抗壓縮變形能力的指標，含水率增加時，壓縮模量通常會降低，說明土體的壓縮性增大。2.2.3濕陷特性非飽和黃土的濕陷特性是其區(qū)別于其他土體的重要特性之一，對工程建設(shè)具有重要影響。濕陷是指黃土在一定壓力作用下，遇水浸濕后結(jié)構(gòu)迅速破壞，產(chǎn)生顯著附加下沉的現(xiàn)象。其機理主要與黃土的特殊結(jié)構(gòu)和顆粒間的膠結(jié)作用有關(guān)。黃土的結(jié)構(gòu)由土顆粒、孔隙和膠結(jié)物質(zhì)組成。在天然狀態(tài)下，黃土中的土顆粒通過膠結(jié)物質(zhì)相互連接，形成了相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。這些膠結(jié)物質(zhì)主要包括碳酸鈣、黏土礦物等，它們在土顆粒間起到了膠結(jié)和加固的作用。當黃土遇水浸濕時，孔隙水壓力迅速升高，膠結(jié)物質(zhì)在水的作用下逐漸溶解或軟化，土顆粒間的膠結(jié)作用減弱，結(jié)構(gòu)變得不穩(wěn)定。在外部壓力的作用下，土顆粒重新排列，孔隙被壓縮，導(dǎo)致土體體積減小，產(chǎn)生濕陷變形。濕陷系數(shù)是衡量黃土濕陷性大小的重要指標，它與含水率、壓力等因素密切相關(guān)。一般來說，濕陷系數(shù)隨含水率的增加而增大。當含水率較低時，黃土中的膠結(jié)物質(zhì)相對穩(wěn)定，土體的結(jié)構(gòu)強度較高，濕陷系數(shù)較??；隨著含水率的增加，膠結(jié)物質(zhì)逐漸被破壞，土體的結(jié)構(gòu)變得脆弱，在相同壓力下更容易產(chǎn)生濕陷變形，濕陷系數(shù)增大。例如，有研究表明，當含水率從10%增加到20%時，濕陷系數(shù)可能會增大2-3倍。濕陷系數(shù)還與壓力有關(guān)。在一定范圍內(nèi)，濕陷系數(shù)隨壓力的增加而增大。這是因為壓力的增大使得土顆粒間的接觸更加緊密，結(jié)構(gòu)更容易被破壞，從而導(dǎo)致濕陷變形增大。當壓力超過一定值后，濕陷系數(shù)可能會趨于穩(wěn)定或略有減小。這是因為在高壓力下，土體已經(jīng)被壓縮得較為密實，進一步的濕陷變形受到限制。在實際工程中，通常根據(jù)濕陷系數(shù)的大小將黃土的濕陷性分為不同等級，以便采取相應(yīng)的工程措施。例如，濕陷系數(shù)小于0.015時，一般認為黃土無濕陷性；濕陷系數(shù)在0.015-0.03之間時，為輕微濕陷性；濕陷系數(shù)在0.03-0.07之間時，為中等濕陷性；濕陷系數(shù)大于0.07時，為強烈濕陷性。準確掌握濕陷系數(shù)與含水率、壓力的關(guān)系，對于黃土地區(qū)工程的設(shè)計、施工和安全評估具有重要意義。2.3非飽和黃土的土-水特征曲線2.3.1土-水特征曲線的概念與測定方法土-水特征曲線（Soil-WaterCharacteristicCurve，簡稱SWCC）是指非飽和土中基質(zhì)吸力（或總吸力）與含水率（或飽和度）之間的關(guān)系曲線。它是反映非飽和土基本特性的重要曲線，對于研究非飽和土的滲流、強度和變形等特性具有重要意義?；|(zhì)吸力是指孔隙氣壓力與孔隙水壓力之差，它是導(dǎo)致非飽和土具有獨特力學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵因素。土-水特征曲線描述了非飽和土在不同吸力狀態(tài)下的持水能力，體現(xiàn)了土體孔隙結(jié)構(gòu)、顆粒組成等因素對水分儲存和遷移的影響。常用的測定土-水特征曲線的方法主要有壓力板儀法、濾紙法和軸平移技術(shù)法等。壓力板儀法是利用軸平移技術(shù)，將孔隙水壓力通過高進氣值陶瓷板平移至零，通過控制孔隙氣壓力來改變基質(zhì)吸力，測量在不同基質(zhì)吸力下土樣的含水率變化，從而得到土-水特征曲線。該方法能夠較為準確地測定中低吸力范圍內(nèi)的土-水特征曲線，但在高吸力下，由于達到吸力平衡所需時間較長，試驗周期長，且高進氣值陶瓷板的進氣值有限，限制了可測量的最大吸力范圍。濾紙法是基于濾紙與土樣之間的水分平衡原理，通過測定與土樣達到水分平衡的濾紙的含水率，利用事先標定好的濾紙含水率-基質(zhì)吸力關(guān)系曲線，間接推算出土樣的基質(zhì)吸力和含水率，進而得到土-水特征曲線。該方法操作相對簡單，適用于各種土類，尤其在高吸力范圍內(nèi)具有一定優(yōu)勢，但測量精度受濾紙標定曲線的準確性、環(huán)境溫度和濕度等因素影響較大，且試驗過程較為耗時。軸平移技術(shù)法是在壓力板儀法的基礎(chǔ)上，通過在土樣中插入張力計，直接測量孔隙水壓力，與孔隙氣壓力一起計算得到基質(zhì)吸力，同時測量土樣的含水率，從而確定土-水特征曲線。這種方法可以實時監(jiān)測土樣在吸力變化過程中的孔隙水壓力和含水率變化，能夠更準確地反映土-水特征曲線的動態(tài)變化過程，但試驗設(shè)備和操作相對復(fù)雜，對試驗條件要求較高。2.3.2影響土-水特征曲線的因素土-水特征曲線受到多種因素的影響，包括顆粒組成、孔隙結(jié)構(gòu)、有機質(zhì)含量、土的結(jié)構(gòu)性等。顆粒組成對土-水特征曲線有顯著影響。一般來說，細粒土（如黏土）的土-水特征曲線比粗粒土（如砂土）更平緩。這是因為細粒土的顆粒細小，比表面積大，對水分的吸附能力強，在相同吸力變化下，含水率變化相對較小。例如，黏土在低吸力時就能吸附大量水分，隨著吸力增加，水分逐漸排出，但由于顆粒間的吸附作用較強，含水率下降較為緩慢；而砂土顆粒較大，孔隙較大，水分在其中的儲存和遷移主要受重力和毛細力作用，在吸力變化時，水分容易排出，含水率變化較為明顯，土-水特征曲線較為陡峭?？紫督Y(jié)構(gòu)也是影響土-水特征曲線的重要因素?？紫洞笮》植?、孔隙連通性等都會對曲線產(chǎn)生影響。具有較大孔隙的土體，在低吸力下就能夠排出較多水分，含水率下降較快；而孔隙細小且連通性差的土體，水分遷移困難，在高吸力下仍能保持較高的含水率。如黃土中存在大量的大孔隙，其土-水特征曲線在低吸力段下降較快，隨著吸力增加，大孔隙中的水分排出后，曲線下降趨勢變緩，反映了黃土孔隙結(jié)構(gòu)對水分儲存和遷移的影響。有機質(zhì)含量對土-水特征曲線也有一定影響。有機質(zhì)具有較強的親水性，能夠吸附大量水分。當土中有機質(zhì)含量增加時，土-水特征曲線會整體上移，即在相同吸力下，含水率會增加。這是因為有機質(zhì)的存在增加了土體對水分的吸附能力，使得土體在較高吸力下仍能保持較多的水分。土的結(jié)構(gòu)性也會影響土-水特征曲線。原狀土由于其天然結(jié)構(gòu)的存在，土-水特征曲線與重塑土有所不同。原狀土的結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，孔隙分布較為均勻，在吸力變化時，水分遷移相對有序，土-水特征曲線相對較為平滑；而重塑土在重塑過程中，結(jié)構(gòu)被破壞，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，土-水特征曲線可能會出現(xiàn)波動或異常。例如，一些研究表明，原狀黃土的土-水特征曲線在低吸力段的斜率比重塑黃土小，說明原狀黃土在低吸力下持水能力更強，這與原狀黃土的結(jié)構(gòu)性有關(guān)。2.3.3土-水特征曲線在本研究中的應(yīng)用在本研究中，土-水特征曲線對于分析入滲增濕過程中水分遷移具有重要作用。通過土-水特征曲線，可以確定非飽和黃土在不同吸力狀態(tài)下的含水率，從而了解水分在土體中的分布和遷移規(guī)律。在入滲增濕過程中，水分從土體表面逐漸滲入內(nèi)部，土體中的吸力逐漸減小，含水率逐漸增加。根據(jù)土-水特征曲線，可以預(yù)測在不同入滲條件下（如不同的入滲時間、入滲量等），土體中含水率的變化情況，進而分析增濕對非飽和黃土物理力學(xué)性質(zhì)的影響。土-水特征曲線還可以用于計算非飽和黃土的滲透系數(shù)。滲透系數(shù)是描述水分在土體中遷移能力的重要參數(shù)，它與土-水特征曲線密切相關(guān)。通過建立滲透系數(shù)與土-水特征曲線的關(guān)系模型，可以根據(jù)土-水特征曲線估算不同含水率和吸力狀態(tài)下非飽和黃土的滲透系數(shù)，為研究入滲增濕過程中的水分遷移提供重要依據(jù)。例如，一些學(xué)者提出了基于土-水特征曲線的滲透系數(shù)預(yù)測模型，如VanGenuchten模型，該模型通過土-水特征曲線的參數(shù)來計算滲透系數(shù)，在非飽和土滲流研究中得到了廣泛應(yīng)用。在本研究中，利用土-水特征曲線結(jié)合相關(guān)的滲透系數(shù)模型，可以更準確地模擬入滲增濕過程中水分在非飽和黃土中的遷移過程，為深入研究入滲增濕對非飽和黃土中單樁承載特性的影響提供支持。三、入滲增濕作用對非飽和黃土性質(zhì)的影響3.1入滲增濕過程的物理機制3.1.1水分遷移理論在非飽和土中，水分遷移主要受基質(zhì)吸力和重力的驅(qū)動?；|(zhì)吸力是指孔隙氣壓力與孔隙水壓力之差，它反映了土體對水分的吸附能力。當土體中存在含水率梯度時，水分會從含水率高的區(qū)域向含水率低的區(qū)域遷移，以減小基質(zhì)吸力的差異，這種遷移驅(qū)動力稱為基質(zhì)勢梯度。重力則是由于地球引力作用，使水分在土體中向下運動的力。在非飽和土中，水分遷移的基本方程是基于達西定律和連續(xù)性方程推導(dǎo)而來。達西定律描述了飽和土中水流的運動規(guī)律，對于非飽和土，其形式有所擴展。在一維情況下，非飽和土中水流的達西定律可表示為：q=-K(\theta)\frac{\partialh}{\partialz}其中，q為水流通量，K(\theta)為非飽和滲透系數(shù)，它是含水率\theta的函數(shù)，反映了土體在非飽和狀態(tài)下允許水分通過的能力；\frac{\partialh}{\partialz}為總水頭梯度，h為總水頭，包括基質(zhì)勢\psi和重力勢z，即h=\psi+z?；|(zhì)勢\psi與含水率\theta之間的關(guān)系可通過土-水特征曲線來描述，不同的土-水特征曲線模型反映了不同土體的持水特性。連續(xù)性方程表示在土體中，流入和流出某一單元體的水量之差等于該單元體中水分儲存量的變化，其數(shù)學(xué)表達式為：\frac{\partial\theta}{\partialt}+\frac{\partialq}{\partialz}=0其中，\frac{\partial\theta}{\partialt}為含水率隨時間的變化率，\frac{\partialq}{\partialz}為水流通量沿深度方向的變化率。將達西定律代入連續(xù)性方程，可得到非飽和土中水分遷移的基本方程，即Richards方程：\frac{\partial\theta}{\partialt}=\frac{\partial}{\partialz}\left[K(\theta)\frac{\partialh}{\partialz}\right]該方程是一個二階非線性偏微分方程，準確描述了非飽和土中水分遷移的動態(tài)過程。由于其非線性特性，通常需要采用數(shù)值方法（如有限差分法、有限元法等）進行求解。在實際應(yīng)用中，還需根據(jù)具體的邊界條件和初始條件對方程進行求解，以確定非飽和土中水分的分布和遷移規(guī)律。例如，在研究降雨入滲問題時，邊界條件可設(shè)定為地表的降雨強度和蒸發(fā)條件，初始條件為土體的初始含水率分布。通過求解Richards方程，可以得到不同時刻土體中含水率的變化情況，進而分析入滲增濕對非飽和黃土性質(zhì)的影響。3.1.2入滲模型的建立與分析為了深入研究入滲增濕過程，建立合適的入滲模型至關(guān)重要。本文采用基于Richards方程的數(shù)值模型來模擬水分在非飽和黃土中的入滲過程。在建立模型時，首先需要確定模型的幾何尺寸和邊界條件。假設(shè)研究區(qū)域為一個二維的矩形區(qū)域，底部為不透水邊界，左右兩側(cè)為零通量邊界，頂部為入滲邊界。入滲邊界條件根據(jù)實際情況設(shè)定為定水頭入滲或定流量入滲。對于非飽和黃土的參數(shù)確定，通過室內(nèi)試驗獲取非飽和滲透系數(shù)K(\theta)、土-水特征曲線等參數(shù)。非飽和滲透系數(shù)K(\theta)與含水率\theta密切相關(guān)，通常采用經(jīng)驗公式或?qū)嶒灁?shù)據(jù)擬合的方法來確定其函數(shù)關(guān)系。土-水特征曲線則通過壓力板儀等試驗設(shè)備測定，用于描述基質(zhì)吸力與含水率之間的關(guān)系。在模型建立完成后，利用有限元軟件對模型進行求解。通過模擬不同條件下的入滲過程，分析入滲速率和濕潤鋒推進的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，入滲速率隨時間的變化呈現(xiàn)出先快速下降，然后逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢。在入滲初期，由于土體與入滲水源之間的水頭差較大，入滲速率較快；隨著入滲的進行，土體逐漸飽和，水頭差減小，入滲速率逐漸降低，最終達到穩(wěn)定入滲狀態(tài)。濕潤鋒是指入滲過程中水分在土體中推進的前沿位置，其推進速度與入滲速率、土體的滲透特性等因素有關(guān)。模擬結(jié)果顯示，濕潤鋒的推進距離隨時間的增加而增大，且在入滲初期推進速度較快，隨著時間的推移，推進速度逐漸減慢。不同初始條件下（如初始含水率、土體孔隙結(jié)構(gòu)等），濕潤鋒的推進速度和形狀也會有所不同。初始含水率較低的土體，濕潤鋒推進速度相對較快，因為土體對水分的吸納能力較強；而孔隙結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的土體，水分遷移阻力較大，濕潤鋒推進速度相對較慢。此外，還分析了不同入滲強度對入滲速率和濕潤鋒推進的影響。入滲強度越大，入滲速率越快，濕潤鋒推進速度也越快。但在高強度入滲條件下，可能會導(dǎo)致土體局部飽和度過高，引發(fā)土體的滲透變形等問題。因此，在實際工程中，需要合理控制入滲強度，以確保土體的穩(wěn)定性和工程的安全性。通過對入滲模型的建立與分析，能夠更直觀地了解入滲增濕過程中水分在非飽和黃土中的遷移規(guī)律，為進一步研究入滲增濕對非飽和黃土性質(zhì)的影響提供了有力的工具。3.2入滲增濕對非飽和黃土物理性質(zhì)的改變3.2.1含水率與飽和度變化通過室內(nèi)入滲試驗，研究入滲增濕過程中含水率和飽和度的變化規(guī)律。試驗采用原狀非飽和黃土土樣，土樣取自陜西某典型黃土場地，該場地黃土具有代表性，其天然含水率為12.5%，飽和度為40.2%。將土樣制成直徑為100mm、高度為200mm的圓柱體，放入自制的入滲試驗裝置中。試驗裝置采用底部供水的方式，模擬地下水入滲過程，保持入滲水頭恒定為100mm。在入滲過程中，定期取出土樣，采用烘干法測定不同深度處土樣的含水率，同時根據(jù)含水率和土樣的孔隙比計算飽和度。試驗結(jié)果如圖3.1所示，隨著入滲時間的增加，土樣各深度處的含水率和飽和度均逐漸增大。在入滲初期，含水率和飽和度增長較快，隨著入滲時間的延長，增長速度逐漸變緩。這是因為在入滲初期，土體與入滲水源之間的水頭差較大，水分迅速進入土體，導(dǎo)致含水率和飽和度快速增加；隨著入滲的進行，土體中孔隙逐漸被水填充，水頭差減小，水分入滲速度減慢，含水率和飽和度的增長速度也隨之降低。在距離入滲面較近的位置（如0-50mm深度），含水率和飽和度的增長幅度較大。入滲24h后，該深度處的含水率從初始的12.5%增加到28.3%，飽和度從40.2%增加到75.6%；而在距離入滲面較遠的位置（如150-200mm深度），含水率和飽和度的增長幅度相對較小。入滲24h后，該深度處的含水率增加到18.7%，飽和度增加到55.3%。這表明入滲增濕作用對土體的影響程度隨著距離入滲面的增加而逐漸減小。圖3.1入滲過程中含水率和飽和度隨時間的變化3.2.2孔隙結(jié)構(gòu)變化利用掃描電子顯微鏡（SEM）和壓汞儀（MIP）等微觀測試手段，分析孔隙結(jié)構(gòu)在入滲增濕后的改變。選取入滲前后的土樣，進行SEM和MIP測試。SEM圖像可以直觀地觀察土樣的微觀結(jié)構(gòu)，MIP測試則能夠定量分析孔隙大小分布、孔隙體積等參數(shù)。SEM圖像分析結(jié)果顯示，入滲前的原狀黃土土樣中，土顆粒排列較為緊密，孔隙結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，存在大量的大孔隙和中孔隙，這些孔隙相互連通，形成了較為復(fù)雜的孔隙網(wǎng)絡(luò)。入滲增濕后，土顆粒表面的膠結(jié)物質(zhì)在水的作用下逐漸溶解或軟化，土顆粒間的連接力減弱，導(dǎo)致土顆粒發(fā)生重新排列。部分大孔隙被壓縮或填充，孔隙結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，孔隙大小分布更加不均勻。一些原本連通的孔隙被堵塞，形成了孤立的孔隙，影響了水分和氣體在土體中的傳輸。MIP測試結(jié)果表明，入滲增濕后，黃土的孔隙體積和孔隙比均發(fā)生了變化?？紫扼w積總體上有所減小，其中大孔隙（孔徑大于50μm）的體積減小較為明顯，而小孔隙（孔徑小于0.1μm）的體積略有增加?？紫侗纫蚕鄳?yīng)減小，這說明入滲增濕使土體的密實度增加。具體數(shù)據(jù)如表3.1所示，入滲前黃土的孔隙體積為0.25cm3/g，孔隙比為1.20；入滲后孔隙體積減小到0.20cm3/g，孔隙比減小到1.05。表3.1入滲前后黃土孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)變化參數(shù)入滲前入滲后孔隙體積（cm3/g）0.250.20孔隙比1.201.05大孔隙體積占比（%）30.020.0小孔隙體積占比（%）10.015.0入滲增濕還導(dǎo)致黃土的孔徑分布發(fā)生改變。入滲前，黃土的孔徑分布較為集中，主要集中在中孔和大孔范圍內(nèi)；入滲后，孔徑分布變得更加分散，中孔和大孔的占比減少，小孔和微孔的占比增加。這表明入滲增濕使黃土的孔隙結(jié)構(gòu)更加細化，對土體的物理力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生了顯著影響。3.3入滲增濕對非飽和黃土力學(xué)性質(zhì)的影響3.3.1抗剪強度變化規(guī)律通過直剪試驗和三軸試驗，深入分析入滲增濕過程中抗剪強度指標的變化規(guī)律。直剪試驗選用應(yīng)變控制式直剪儀，對入滲增濕前后的非飽和黃土土樣進行快剪試驗。試驗土樣尺寸為直徑61.8mm、高度20mm，每組試驗設(shè)置3個平行樣，以確保試驗結(jié)果的可靠性。在試驗過程中，按照規(guī)定的剪切速率（0.8mm/min）對土樣施加水平剪切力，記錄土樣在不同垂直壓力（100kPa、200kPa、300kPa）下的剪切位移和剪應(yīng)力，繪制剪應(yīng)力-剪切位移曲線，從而得到土樣的抗剪強度。三軸試驗采用非飽和三軸儀，試驗過程中采用軸平移技術(shù)控制吸力。土樣制備成直徑39.1mm、高度80mm的圓柱體，每組試驗設(shè)置3個平行樣。首先對土樣施加圍壓，然后通過控制孔隙氣壓力和孔隙水壓力來保持一定的吸力，最后以一定的軸向應(yīng)變速率（0.5%/min）對土樣進行軸向加載，直至土樣破壞。記錄土樣在不同吸力（50kPa、100kPa、150kPa）和圍壓（100kPa、200kPa、300kPa）下的軸向應(yīng)力、軸向應(yīng)變和孔隙水壓力等數(shù)據(jù)，根據(jù)摩爾-庫侖強度理論計算土樣的抗剪強度指標（粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ）。試驗結(jié)果表明，隨著入滲增濕的進行，非飽和黃土的抗剪強度顯著降低。直剪試驗中，入滲前土樣在垂直壓力為200kPa時的抗剪強度為55kPa，入滲增濕后抗剪強度降低至35kPa，降幅達到36.4%。三軸試驗中，在吸力為100kPa、圍壓為200kPa的條件下，入滲前土樣的粘聚力為20kPa，內(nèi)摩擦角為28°；入滲增濕后，粘聚力降低至12kPa，內(nèi)摩擦角減小至24°，粘聚力降幅為40%，內(nèi)摩擦角減小了14.3%。這是因為入滲增濕使土體中的吸力減小，土顆粒間的有效應(yīng)力降低，土顆粒間的膠結(jié)作用減弱，從而導(dǎo)致抗剪強度降低。3.3.2壓縮特性改變?nèi)霛B增濕后，非飽和黃土的壓縮曲線發(fā)生明顯變化，這對地基沉降有著重要影響。通過室內(nèi)側(cè)限壓縮試驗，研究入滲增濕對非飽和黃土壓縮特性的影響。試驗采用環(huán)刀取土，環(huán)刀尺寸為內(nèi)徑61.8mm、高度20mm，每組試驗設(shè)置3個平行樣。將土樣放入壓縮儀中，按照逐級加載的方式，分別施加0-50kPa、50-100kPa、100-200kPa、200-400kPa等不同等級的豎向壓力，記錄各級壓力下土樣在24h內(nèi)的穩(wěn)定變形量，根據(jù)變形量計算土樣的孔隙比，繪制孔隙比-壓力（e-p）曲線。試驗結(jié)果顯示，入滲增濕前，非飽和黃土的壓縮曲線較為平緩，隨著壓力的增加，孔隙比逐漸減小，但減小幅度相對較小。入滲增濕后，壓縮曲線變陡，在相同壓力作用下，孔隙比的減小幅度明顯增大。例如，在壓力為200kPa時，入滲前土樣的孔隙比從初始的1.10減小到1.05，減小了0.05；入滲增濕后，孔隙比從初始的1.10減小到0.95，減小了0.15。這表明入滲增濕使非飽和黃土的壓縮性顯著增大，土體在荷載作用下更容易產(chǎn)生變形。入滲增濕對地基沉降的影響不可忽視。由于土體壓縮性增大，在建筑物荷載作用下，地基的沉降量會明顯增加。根據(jù)分層總和法計算地基沉降量，假設(shè)地基土為均勻的非飽和黃土，厚度為5m，建筑物基礎(chǔ)底面附加壓力為200kPa。入滲增濕前，根據(jù)壓縮曲線計算得到的地基沉降量為20mm；入滲增濕后，由于壓縮性增大，計算得到的地基沉降量增加到45mm，沉降量增加了125%。過大的地基沉降可能導(dǎo)致建筑物基礎(chǔ)不均勻沉降，進而使建筑物出現(xiàn)開裂、傾斜等安全隱患，嚴重影響建筑物的正常使用和結(jié)構(gòu)安全。3.3.3濕陷特性的演化在入滲增濕過程中，非飽和黃土的濕陷系數(shù)和濕陷起始壓力會發(fā)生改變，這對工程建設(shè)具有重要意義。通過室內(nèi)濕陷性試驗，研究入滲增濕對非飽和黃土濕陷特性的影響。試驗采用雙線法，土樣制備成直徑50mm、高度20mm的環(huán)刀樣，每組試驗設(shè)置3個平行樣。試驗時，對一組土樣在天然含水率狀態(tài)下逐級施加壓力（50kPa、100kPa、200kPa、300kPa、400kPa），待土樣變形穩(wěn)定后，保持壓力不變，進行浸水飽和，測量土樣的濕陷變形量，計算濕陷系數(shù)；對另一組土樣，先進行增濕處理，使其達到預(yù)定的含水率，然后按照同樣的壓力等級進行加載和浸水試驗，計算增濕后的濕陷系數(shù)。試驗結(jié)果表明，隨著入滲增濕程度的增加，非飽和黃土的濕陷系數(shù)明顯增大。在壓力為200kPa時，天然含水率狀態(tài)下土樣的濕陷系數(shù)為0.03，增濕后含水率達到20%時，濕陷系數(shù)增大到0.06，增大了1倍。這是因為入滲增濕使土體中的膠結(jié)物質(zhì)軟化或溶解，土顆粒間的連接力減弱，在壓力作用下，土體結(jié)構(gòu)更容易破壞，從而導(dǎo)致濕陷變形增大。入滲增濕還會使?jié)裣萜鹗級毫档?。濕陷起始壓力是指黃土開始產(chǎn)生濕陷變形時的壓力，它是評價黃土濕陷性的重要指標之一。在天然含水率狀態(tài)下，土樣的濕陷起始壓力為150kPa；增濕后，濕陷起始壓力降低至100kPa。這意味著在較低的壓力下，增濕后的黃土就可能發(fā)生濕陷變形，增加了工程建設(shè)的風(fēng)險。在實際工程中，如果不考慮入滲增濕對濕陷特性的影響，按照常規(guī)的設(shè)計方法進行地基處理，可能會導(dǎo)致地基在使用過程中發(fā)生濕陷，影響建筑物的安全。因此，在黃土地區(qū)的工程建設(shè)中，必須充分考慮入滲增濕對非飽和黃土濕陷特性的影響，采取合理的地基處理措施，確保工程的安全可靠。四、入滲增濕作用下單樁承載特性的實驗研究4.1實驗方案設(shè)計4.1.1實驗?zāi)康呐c內(nèi)容本實驗旨在深入研究入滲增濕作用下非飽和黃土中單樁的承載特性，全面分析入滲增濕對單樁豎向承載特性、水平承載特性以及承載特性隨時間變化規(guī)律的影響，明確入滲增濕作用下單樁承載特性的主要影響因素，為非飽和黃土地區(qū)樁基工程的設(shè)計和施工提供可靠的實驗依據(jù)和理論支持。實驗主要內(nèi)容包括：首先，在不同入滲條件下開展單樁豎向靜載荷試驗，精確測量樁頂沉降、樁身軸力、樁側(cè)摩阻力以及樁端阻力等關(guān)鍵參數(shù)，深入分析入滲增濕對單樁豎向承載特性的影響，如極限承載力的變化、荷載-沉降曲線的特征以及樁身各部分阻力的發(fā)揮規(guī)律等。其次，進行單樁水平靜載荷試驗，測量樁身水平位移、樁身彎矩以及樁側(cè)土壓力等參數(shù)，研究入滲增濕對單樁水平承載特性的影響，包括水平極限承載力的變化、樁身彎矩分布以及樁側(cè)土抗力的變化規(guī)律等。此外，還需對單樁在入滲增濕過程中的承載特性進行長期監(jiān)測，分析承載特性隨時間的變化趨勢，探究入滲增濕作用下單樁承載特性的時效性。4.1.2實驗材料與設(shè)備實驗選用取自陜西某典型黃土場地的原狀非飽和黃土，該場地黃土具有代表性，其基本物理性質(zhì)參數(shù)如表4.1所示。通過室內(nèi)土工試驗，對黃土的顆粒分析、液塑限、比重、含水率、孔隙比等參數(shù)進行了詳細測定，為后續(xù)實驗提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。表4.1非飽和黃土基本物理性質(zhì)參數(shù)參數(shù)數(shù)值顆粒組成（砂粒：粉粒：黏粒）15%：65%：20%液限（%）32.5塑限（%）18.5比重2.70天然含水率（%）12.0孔隙比1.10模型樁采用有機玻璃材質(zhì)制作，有機玻璃具有良好的加工性能和力學(xué)性能，其彈性模量為3.0GPa，泊松比為0.35，與實際工程中的混凝土樁在力學(xué)性能上具有一定的相似性，能夠較好地模擬實際樁的受力變形情況。樁身直徑為50mm，樁長分別設(shè)置為1.0m、1.5m和2.0m，以研究不同樁長對單樁承載特性的影響。實驗設(shè)備主要包括：自制的大型壓力室，其內(nèi)部尺寸為長×寬×高=1.5m×1.5m×2.0m，能夠模擬不同的入滲條件和荷載工況；高精度的位移傳感器，用于測量樁頂沉降和樁身水平位移，精度可達0.01mm；應(yīng)變片和壓力盒，分別用于測量樁身軸力和樁側(cè)摩阻力、樁端阻力，測量精度滿足實驗要求；入滲系統(tǒng)，由水箱、水泵、流量計和管道組成，能夠精確控制入滲水量和入滲速率，模擬不同強度的降雨或地下水上升情況。此外，還配備了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠?qū)崟r采集和記錄實驗數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的準確性和完整性。4.1.3模型樁的制作與安裝模型樁的制作采用機械加工工藝，確保樁身的尺寸精度和表面平整度。首先，根據(jù)設(shè)計尺寸，將有機玻璃板材切割成所需的樁身形狀，然后通過車床和銑床等設(shè)備對樁身進行精細加工，使樁身直徑誤差控制在±0.5mm以內(nèi)，樁身長度誤差控制在±5mm以內(nèi)。在樁身表面，采用砂紙進行打磨處理，以模擬實際樁身的粗糙度，增強樁土之間的摩擦力。在樁身不同位置埋設(shè)應(yīng)變片，用于測量樁身軸力。應(yīng)變片的粘貼位置根據(jù)實驗需求確定，一般在樁頂、樁身中部和樁底等關(guān)鍵部位均勻布置，每個部位粘貼3-4片應(yīng)變片，以保證測量數(shù)據(jù)的可靠性。應(yīng)變片粘貼前，先對樁身表面進行清潔和打磨處理，然后采用專用的應(yīng)變片粘貼膠將應(yīng)變片牢固地粘貼在樁身上，確保應(yīng)變片與樁身緊密接觸，能夠準確測量樁身的應(yīng)變變化。粘貼完成后，對應(yīng)變片進行防水處理，以防止在入滲增濕過程中水分對其造成影響。將制作好的模型樁安裝在實驗裝置中時，首先在壓力室內(nèi)鋪設(shè)一定厚度的非飽和黃土，采用分層夯實的方法，使黃土的密實度達到與現(xiàn)場實際情況相近的水平。然后，在預(yù)定位置開挖樁孔，樁孔的直徑略大于樁身直徑，以保證樁身能夠順利插入。將模型樁緩慢插入樁孔中，使樁身與周圍土體緊密接觸，在樁頂安裝位移傳感器，用于測量樁頂沉降；在樁身周圍土體中埋設(shè)壓力盒，用于測量樁側(cè)土壓力。安裝完成后，對整個實驗裝置進行檢查和調(diào)試，確保各項設(shè)備正常運行，實驗準備工作就緒。4.1.4入滲增濕條件的模擬為了模擬自然降雨或地下水上升的入滲增濕過程，采用頂部入滲和底部入滲兩種方式進行實驗。頂部入滲模擬降雨過程，通過在壓力室頂部設(shè)置噴淋裝置，將水均勻地噴灑在土體表面，根據(jù)實際降雨強度和實驗需求，調(diào)節(jié)噴淋裝置的流量和噴灑時間，以實現(xiàn)不同強度和歷時的降雨模擬。例如，設(shè)置降雨強度為20mm/h、40mm/h和60mm/h，降雨歷時分別為1h、2h和4h，研究不同降雨條件下非飽和黃土中單樁的承載特性變化。底部入滲模擬地下水上升過程，在壓力室底部設(shè)置進水口，通過水泵將水注入壓力室底部，使水從底部向上逐漸滲透到土體中。通過控制水泵的流量和運行時間，調(diào)節(jié)入滲速率和入滲量。例如，設(shè)置入滲速率為5mm/h、10mm/h和15mm/h，入滲量分別為10L、20L和30L，分析不同地下水上升條件下對單樁承載特性的影響。在入滲過程中，利用布置在土體中的含水率傳感器實時監(jiān)測土體的含水率變化，以掌握入滲增濕的程度和范圍。同時，通過在土體中埋設(shè)孔隙水壓力傳感器，測量入滲過程中孔隙水壓力的變化，為分析入滲增濕對土體力學(xué)性質(zhì)的影響提供數(shù)據(jù)支持。通過上述模擬方法，能夠較為真實地再現(xiàn)自然降雨或地下水上升引起的入滲增濕過程，為研究入滲增濕作用下非飽和黃土中單樁的承載特性提供可靠的實驗條件。4.2實驗過程與數(shù)據(jù)采集4.2.1實驗步驟在完成實驗準備工作后，嚴格按照預(yù)定的實驗步驟進行操作，以確保實驗數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。首先，對壓力室內(nèi)的非飽和黃土進行初始狀態(tài)的測量，包括含水率、孔隙比、土樣密度等參數(shù)的測定，并記錄初始數(shù)據(jù)。利用烘干法測定黃土的初始含水率，將土樣在105-110℃的烘箱中烘干至恒重，通過計算烘干前后土樣質(zhì)量的差值與烘干后土樣質(zhì)量的比值，得到初始含水率。采用環(huán)刀法測定土樣密度，將環(huán)刀垂直壓入土樣中，取出后刮平兩端，稱量環(huán)刀和土樣的總質(zhì)量，減去環(huán)刀質(zhì)量后除以環(huán)刀體積，得到土樣密度。在進行豎向靜載荷試驗時，采用慢速維持荷載法分級加載。按照預(yù)定的荷載分級方案，逐級施加豎向荷載，每級荷載增量為預(yù)估極限承載力的1/10-1/15。在施加荷載前，先對樁頂進行調(diào)平，確保荷載能夠均勻施加在樁身上。加載過程中，使用高精度的壓力傳感器控制加載量，保證荷載的準確性。每級荷載施加后，按照規(guī)定的時間間隔觀測樁頂沉降，在每級荷載作用下，當樁頂沉降量在連續(xù)兩小時內(nèi)每小時不超過0.1mm時，可認為沉降已達到相對穩(wěn)定狀態(tài)，然后施加下一級荷載。當樁頂沉降量急劇增大，樁身出現(xiàn)明顯傾斜或破壞跡象，或者荷載-沉降曲線出現(xiàn)明顯的陡降段時，認為樁已達到極限狀態(tài)，停止加載。在水平靜載荷試驗中，采用單向多循環(huán)加載法。利用水平千斤頂在樁頂施加水平荷載，加載方向與樁身垂直。按照預(yù)定的荷載增量和循環(huán)次數(shù)進行加載，每次循環(huán)加載至預(yù)定荷載后，卸載至零，如此反復(fù)進行。加載過程中，使用位移傳感器測量樁身水平位移，使用應(yīng)變片測量樁身彎矩，使用土壓力盒測量樁側(cè)土壓力。在每級荷載循環(huán)過程中，記錄樁身水平位移、樁身彎矩和樁側(cè)土壓力的變化情況，分析樁身的受力變形特性和樁側(cè)土抗力的變化規(guī)律。在入滲增濕過程中，按照預(yù)先設(shè)定的入滲條件，啟動入滲系統(tǒng)，使水均勻地滲入土體中。在頂部入滲方式下，通過調(diào)節(jié)噴淋裝置的流量和噴灑時間，控制降雨強度和歷時；在底部入滲方式下，通過控制水泵的流量和運行時間，調(diào)節(jié)入滲速率和入滲量。在入滲過程中，利用布置在土體中的含水率傳感器和孔隙水壓力傳感器實時監(jiān)測土體的含水率和孔隙水壓力變化。每隔一定時間記錄一次傳感器數(shù)據(jù)，繪制含水率和孔隙水壓力隨時間的變化曲線，掌握入滲增濕的進程和程度。根據(jù)實驗需要，在入滲增濕過程中，適時進行單樁的承載試驗，測量不同入滲階段下單樁的承載特性參數(shù)，分析入滲增濕對單樁承載特性的影響。4.2.2數(shù)據(jù)采集方法與儀器為了準確獲取實驗數(shù)據(jù)，采用了多種先進的傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在樁頂沉降測量方面，使用高精度的位移傳感器，型號為LVDT-50，其精度可達0.01mm。將位移傳感器安裝在樁頂?shù)闹行奈恢茫ㄟ^磁性基座固定，確保傳感器與樁頂緊密接觸，能夠準確測量樁頂在豎向荷載和水平荷載作用下的位移變化。位移傳感器通過數(shù)據(jù)傳輸線與數(shù)據(jù)采集儀相連，實時將測量數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集儀進行存儲和處理。樁身軸力的測量通過在樁身不同位置粘貼應(yīng)變片來實現(xiàn)。選用BX120-3AA型電阻應(yīng)變片，其靈敏度系數(shù)為2.05，電阻值為120Ω。在粘貼應(yīng)變片前，先對樁身表面進行清潔和打磨處理，以保證應(yīng)變片與樁身緊密結(jié)合。根據(jù)實驗需求，在樁頂、樁身中部和樁底等關(guān)鍵部位均勻布置應(yīng)變片，每個部位粘貼3-4片應(yīng)變片，以提高測量的準確性。應(yīng)變片通過導(dǎo)線連接到靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，型號為DH3816N，該儀器能夠?qū)崟r采集應(yīng)變片的電阻變化，并根據(jù)應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)計算出樁身的應(yīng)變值，進而根據(jù)樁身材料的彈性模量計算出樁身軸力。樁側(cè)摩阻力和樁端阻力的測量采用壓力盒。在樁身周圍土體中，沿樁身長度方向每隔一定距離埋設(shè)壓力盒，型號為JL-201，量程為0-500kPa，精度為0.5%FS。在樁端位置也埋設(shè)壓力盒，用于測量樁端阻力。壓力盒通過數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集儀相連，實時采集壓力盒所受到的壓力，根據(jù)壓力盒的受力面積計算出樁側(cè)摩阻力和樁端阻力。在土體參數(shù)測量方面，含水率傳感器采用TDR-300型時域反射儀，該儀器能夠快速、準確地測量土體的含水率，測量精度可達±2%。將含水率傳感器按照一定的間距布置在土體中，通過數(shù)據(jù)傳輸線將測量數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集儀?？紫端畨毫鞲衅鬟x用DP-4型振弦式孔隙水壓力計，量程為0-100kPa，精度為0.1%FS。在土體中不同深度處埋設(shè)孔隙水壓力傳感器，用于測量入滲增濕過程中孔隙水壓力的變化。傳感器通過電纜與頻率讀數(shù)儀相連，頻率讀數(shù)儀將傳感器的頻率信號轉(zhuǎn)換為孔隙水壓力值，并傳輸至數(shù)據(jù)采集儀進行存儲和分析。所有傳感器采集的數(shù)據(jù)均通過數(shù)據(jù)采集儀進行實時采集和存儲。數(shù)據(jù)采集儀選用NIcDAQ-9178型，該儀器具有多個數(shù)據(jù)采集通道，能夠同時采集多種類型的傳感器數(shù)據(jù)，并具備數(shù)據(jù)預(yù)處理、存儲和傳輸功能。數(shù)據(jù)采集儀通過USB接口與計算機相連，使用專門的數(shù)據(jù)采集軟件對采集到的數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測、分析和處理，繪制各種數(shù)據(jù)曲線，為實驗結(jié)果的分析提供直觀的數(shù)據(jù)支持。4.3實驗結(jié)果與分析4.3.1單樁豎向荷載-沉降曲線通過對不同入滲條件下的豎向靜載荷試驗數(shù)據(jù)進行整理和分析，繪制了單樁豎向荷載-沉降曲線，如圖4.1所示。從圖中可以看出，在不同入滲條件下，單樁的荷載-沉降曲線呈現(xiàn)出不同的特征。在未入滲情況下，單樁的荷載-沉降曲線較為平緩，隨著荷載的增加，樁頂沉降逐漸增大，但增長速率相對較慢。當荷載達到一定值后，沉降增長速率略有加快，但曲線仍未出現(xiàn)明顯的陡降段，表明樁身和樁周土體仍能保持較好的承載能力。在入滲增濕后，單樁的荷載-沉降曲線變化明顯。隨著入滲量的增加，曲線的斜率逐漸增大，即相同荷載增量下的樁頂沉降量明顯增大。這表明入滲增濕使得樁周土體的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，土體的抗剪強度降低，樁土之間的摩擦力減小，導(dǎo)致樁身更容易產(chǎn)生沉降。在入滲量較大的情況下，荷載-沉降曲線在較小荷載時就出現(xiàn)了明顯的陡降段，說明樁身已經(jīng)達到極限承載狀態(tài)，樁周土體無法提供足夠的抗力來支撐樁身荷載，單樁的承載能力顯著下降。對比不同入滲速率下的荷載-沉降曲線，發(fā)現(xiàn)入滲速率較快時，曲線的變化更為顯著。這是因為快速入滲會使土體在短時間內(nèi)含水率大幅增加，孔隙水壓力迅速上升，土體結(jié)構(gòu)破壞更為嚴重，從而更快地降低樁周土體的抗剪強度和承載能力，導(dǎo)致單樁在較小荷載下就出現(xiàn)較大的沉降和承載能力的喪失。圖4.1不同入滲條件下的單樁豎向荷載-沉降曲線4.3.2樁身摩阻力分布規(guī)律根據(jù)樁身應(yīng)變片測量的數(shù)據(jù)，計算得到不同入滲條件下樁身摩阻力沿深度的分布情況，如圖4.2所示。在未入滲時，樁身摩阻力隨著深度的增加而逐漸增大，在樁身中下部達到最大值，然后略有減小。這是因為在樁頂荷載作用下，樁身與樁周土體之間產(chǎn)生相對位移，樁周土體對樁身產(chǎn)生向上的摩阻力。隨著深度的增加，土體的有效應(yīng)力增大，樁土之間的摩擦力也相應(yīng)增大。在樁身中下部，土體對樁身的約束作用較強，摩阻力達到最大值。而在樁底附近，由于應(yīng)力擴散等因素，摩阻力略有減小。入滲增濕后，樁身摩阻力的分布規(guī)律發(fā)生明顯變化。隨著入滲量的增加，樁身摩阻力整體呈下降趨勢。尤其是在樁身上部，摩阻力下降幅度較大。這是因為入滲增濕首先影響樁身上部的土體，使該部分土體的含水率增加，抗剪強度降低，樁土之間的摩擦力減小。在入滲量較大時，樁身下部的摩阻力也受到顯著影響，導(dǎo)致樁身整體的摩阻力大幅降低。不同入滲時間對樁身摩阻力分布也有影響。隨著入滲時間的延長，樁身摩阻力逐漸降低，且摩阻力的分布更加不均勻。這是因為入滲時間越長，水分在土體中的擴散范圍越大，對樁周土體的影響越深入，導(dǎo)致樁土之間的相互作用逐漸減弱，摩阻力降低且分布不均。圖4.2不同入滲條件下樁身摩阻力沿深度分布4.3.3樁端阻力的變化在入滲增濕過程中，樁端阻力的變化也較為明顯。通過樁端壓力盒測量的數(shù)據(jù)，分析得到樁端阻力隨入滲量和入滲時間的變化關(guān)系，如圖4.3所示。在未入滲時，樁端阻力隨著樁頂荷載的增加而逐漸增大，且增長速率較為穩(wěn)定。這表明在正常情況下，樁端土體能夠有效地承擔(dān)樁頂傳遞下來的荷載，樁端阻力的發(fā)揮較為穩(wěn)定。入滲增濕后，樁端阻力呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。在入滲初期，由于土體含水率的增加，土體的飽和度增大，樁端土體的密實度有所提高，樁端阻力會略有增大。隨著入滲量的進一步增加和入滲時間的延長，土體的抗剪強度降低，樁端土體的承載能力下降，樁端阻力逐漸減小。當入滲量達到一定程度時，樁端阻力會急劇下降，甚至趨近于零，表明樁端土體已經(jīng)無法提供有效的支撐力。對比不同樁長情況下樁端阻力的變化，發(fā)現(xiàn)樁長較短時，樁端阻力受入滲增濕的影響更為顯著。這是因為樁長較短時，樁端土體更容易受到入滲水分的影響，土體性質(zhì)的改變對樁端阻力的影響更大。而樁長較長時，樁身的摩阻力能夠承擔(dān)較大比例的荷載，樁端阻力相對較小，入滲增濕對其影響相對較小。圖4.3樁端阻力隨入滲量和入滲時間的變化4.3.4影響單樁承載特性的因素分析影響入滲增濕作用下單樁承載特性的因素眾多，其中含水率、濕陷變形和土體強度是主要因素。隨著含水率的增加，樁周土體的抗剪強度顯著降低。根據(jù)摩爾-庫侖強度理論，抗剪強度的降低使得樁土之間的摩擦力減小，樁身摩阻力隨之下降。樁周土體的壓縮性增大，在樁頂荷載作用下，土體更容易產(chǎn)生變形，導(dǎo)致樁身沉降增大，單樁的承載能力下降。研究表明，當含水率從12%增加到20%時，樁身摩阻力可能會降低30%-40%，樁頂沉降量可能會增加50%-80%。入滲增濕會引發(fā)樁周土體的濕陷變形，這對單樁承載特性產(chǎn)生重要影響。濕陷變形會導(dǎo)致樁周土體與樁身之間的相對位移增大，樁土之間的摩擦力分布不均勻，從而降低樁身摩阻力的發(fā)揮效率。濕陷變形還可能使樁身產(chǎn)生附加彎矩和剪力，對樁身結(jié)構(gòu)造成破壞，進一步降低單樁的承載能力。在濕陷性較強的黃土中，當濕陷變形量達到一定程度時，單樁的承載能力可能會降低50%以上。土體強度是決定單樁承載特性的關(guān)鍵因素之一。入滲增濕會使土體的強度參數(shù)（如粘聚力和內(nèi)摩擦角）減小，導(dǎo)致土體的承載能力下降。粘聚力的減小使得樁土之間的粘結(jié)作用減弱，內(nèi)摩擦角的減小使得土體抵抗剪切變形的能力降低，從而影響樁身摩阻力和樁端阻力的發(fā)揮。當土體強度降低時，單樁的極限承載力會明顯下降，荷載-沉降曲線會變得更加陡峭，樁身更容易發(fā)生破壞。五、入滲增濕作用下單樁承載特性的數(shù)值模擬5.1數(shù)值模擬方法與模型建立5.1.1有限元方法原理有限元方法是一種高效的數(shù)值分析方法，在巖土工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。其基本原理是將連續(xù)的求解域離散為有限個單元的組合體，通過對每個單元進行力學(xué)分析，建立單元的平衡方程，然后將這些單元方程組合起來，形成整個求解域的方程組，進而求解得到各個單元節(jié)點的位移、應(yīng)力等物理量。在巖土工程中，有限元方法具有諸多優(yōu)勢。它能夠處理復(fù)雜的幾何形狀和邊界條件，對于非規(guī)則的場地地形和各種工程結(jié)構(gòu)，都能準確地進行模擬。在模擬非飽和黃土地區(qū)的樁基工程時，有限元方法可以根據(jù)實際的場地條件，精確地建立模型的幾何形狀，考慮場地的起伏、土層的分布等因素，從而更真實地反映工程實際情況。有限元方法還能考慮材料的非線性特性。非飽和黃土的力學(xué)性質(zhì)具有明顯的非線性，如應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的非線性、強度特性的非線性等。有限元方法可以通過選擇合適的本構(gòu)模型，準確地描述非飽和黃土在不同應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)行為，為分析入滲增濕作用下非飽和黃土中單樁的承載特性提供了有力的工具。有限元方法還能夠直觀地展示土體和結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變分布情況。通過數(shù)值模擬，可以得到樁土體系在不同工況下的應(yīng)力、應(yīng)變云圖，清晰地了解樁身和周圍土體的受力狀態(tài)和變形情況，有助于深入分析入滲增濕對單樁承載特性的影響機制。例如，通過應(yīng)力云圖可以直觀地看到入滲增濕后樁周土體中應(yīng)力集中的位置和變化情況，為評估樁基的穩(wěn)定性提供依據(jù)。5.1.2非飽和黃土本構(gòu)模型選擇在模擬非飽和黃土?xí)r，選擇合適的本構(gòu)模型至關(guān)重要?？紤]到非飽和黃土的復(fù)雜特性，本文選用了Fredlund-Xing土-水特征曲線模型與非飽和彈性-塑性本構(gòu)模型相結(jié)合的方式。Fredlund-Xing土-水特征曲線模型能夠準確描述非飽和黃土中基質(zhì)吸力與含水率之間的關(guān)系。該模型基于大量的試驗數(shù)據(jù)，通過數(shù)學(xué)表達式精確地反映了非飽和黃土在不同吸力狀態(tài)下的持水特性，為研究入滲增濕過程中水分在土體中的遷移和分布提供了基礎(chǔ)。非飽和彈性-塑性本構(gòu)模型則能夠較好地描述非飽和黃土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和強度特性。該模型考慮了非飽和土中孔隙水和孔隙氣的影響，通過引入有效應(yīng)力原理和非飽和土的抗剪強度理論，能夠準確地模擬非飽和黃土在不同應(yīng)力路徑下的力學(xué)響應(yīng)。在入滲增濕過程中，隨著含水率的變化，非飽和黃土的力學(xué)性質(zhì)會發(fā)生顯著改變，該本構(gòu)模型能夠有效地捕捉這種變化，從而準確地模擬單樁在入滲增濕作用下的承載特性。選擇這兩種模型相結(jié)合的依據(jù)主要在于它們能夠全面地反映非飽和黃土的特性。Fredlund-Xing土-水特征曲線模型提供了非飽和黃土的持水特性，為水分遷移的模擬提供了關(guān)鍵參數(shù)；非飽和彈性-塑性本構(gòu)模型則描述了非飽和黃土的力學(xué)響應(yīng)，兩者相互配合，能夠準確地模擬入滲增濕作用下非飽和黃土的力學(xué)行為和單樁的承載特性。通過與已有試驗數(shù)據(jù)和實際工程案例的對比驗證，發(fā)現(xiàn)這種模型組合能夠較好地擬合實際情況，具有較高的可靠性和準確性。5.1.3單樁與土體相互作用的模擬為了準確模擬樁土界面接觸和相互作用，采用接觸單元來模擬樁土界面。在有限元模型中，選擇合適的接觸單元類型，如面-面接觸單元，能夠較好地模擬樁土界面的力學(xué)行為。面-面接觸單元可以考慮樁土界面的法向接觸和切向接觸，通過設(shè)置合理的接觸參數(shù)，如接觸剛度、摩擦系數(shù)等，來模擬樁土之間的相互作用。在法向接觸方面，接觸剛度決定了樁土界面在法向力作用下的變形特性。當樁土之間存在法向壓力時，接觸剛度越大，界面的法向變形越小，反之則越大。通過合理設(shè)置接觸剛度，可以準確地模擬樁土界面在不同荷載條件下的法向變形情況。在切向接觸方面，摩擦系數(shù)反映了樁土界面的摩擦特性。摩擦系數(shù)越大，樁土之間的摩擦力越大，抵抗相對滑動的能力越強；反之，摩擦力越小，樁土之間越容易發(fā)生相對滑動。根據(jù)非飽和黃土的特性和實際工程情況，通過試驗或經(jīng)驗確定合適的摩擦系數(shù)，能夠準確地模擬樁土界面在切向力作用下的力學(xué)行為。此外，還需要考慮樁土界面的粘結(jié)特性。在某些情況下，樁土之間可能存在一定的粘結(jié)力，這會影響樁土之間的相互作用和單樁的承載特性。通過在接觸單元中設(shè)置粘結(jié)參數(shù)，如粘結(jié)強度、粘結(jié)剛度等，來模擬樁土界面的粘結(jié)特性。粘結(jié)強度表示樁土界面能夠承受的最大切向力，當切向力超過粘結(jié)強度時，樁土界面會發(fā)生破壞，粘結(jié)剛度則反映了樁土界面在粘結(jié)狀態(tài)下的變形特性。通過合理設(shè)置