第1章 绪论
黄土在全世界的覆盖面积占陆地总面积的9.3%，约1300万km2。南美洲黄土面积约占陆地总面积的10% ，主要分布在阿根廷草原地区；欧洲约为7%，主要分布在法国的中部、北部，德国的中部、南部（以莱茵河流域分布*广），以及乌克兰、南高加索等地，在罗马尼亚、保加利亚、匈牙利、波兰也有零星分布；北美洲约为5%，主要分布在美国的密西西比河上游地区和墨西哥的北部地区；澳大利亚和非洲北部也有零星分布；亚洲约为3%，主要分布在我国西北部，在乌兹别克斯坦、南西伯利亚、勒拿河中游等地区也有着广泛分布。我国黄土面积约有63.5 万km2（占世界黄土总面积的4.9%左右），主要分布在北纬33°～47°的干旱半干旱地区，西起新疆维吾尔自治区伊犁地区，东至山东省胶东地区，北起吉林省，南至西藏自治区。通常，主要分布在乌鞘岭以东、太行山以西、长城以南、秦岭以北的广大地区（谢定义和邢义川，2016；刘祖典，1997）。过去对黄土的研究集中在黄河中游，尤其是黄土高原区（自山西省吕梁山西坡，经陕西省北部到甘肃六盘山东麓，宽约400km；自陕西省榆林地区向南一直到秦岭北坡，长约450km）。随着经济、社会的发展，对西北内陆盆地地区的甘肃河西走廊，青海柴达木盆地东部和东南部，新疆准噶尔盆地以西山地、天山北麓、塔里木盆地外缘黄土的研究也陆续展开。大规模的黄土工程建设是非饱和黄土力学特性研究的巨大动力。黄土自身特殊的生成环境使其具有欠压密的结构，反映出其对水作用的特殊敏感性及加载作用下表现出的结构性，这些特性既表现为突出的湿陷特性，又表现为变形强度本构关系对结构演变的强烈依赖性，使得相关研究在非饱和黄土力学的研究中占据了非常重要的地位。仔细考察以往黄土力学的研究，可以看出在黄土的湿陷性、强度特性、应力-应变本构模型及工程实践等方面取得了明显的进展。
1.1 黄土的湿陷性
湿陷性黄土主要是Q3、Q4黄土，甚至Q2 黄土的上层（冯连昌和郑晏武，1982； 钱鸿缙等，1985 ；郑晏武，1982）。黄土受到附加应力作用达到变形稳定状态后，若维持应力不变，持续的浸水作用会引起显著的、迅速发展的附加变形，称为湿陷变形。这种湿陷变形，只是由含水率的变化引起的，是一种广义力作用的结果。它一般随压缩应力的增大而增大（可能会出现*大值或峰值），随初始含水率的增大而减小。将单位厚度黄土（具有一定的初始含水率）在某一压力下浸水时产生的湿陷变形量定义为湿陷系数，来定量地描述黄土的湿陷性，则湿陷系数随压力的增大而增大（也可能会出现峰值）。由于任何非饱和黄土都会因增湿时含水率增大而发生一定的附加变形，因此，在200kPa 的压缩应力作用下非饱和黄土浸水饱和的湿陷系数小于某一数值（0.015）称为非湿陷性土，湿陷系数大于某一数值（0.015）称为湿陷性土；湿陷系数等于0.015 时对应的压力称为湿陷起始压力。黄土的湿陷起始压力越低，将更容易发生湿陷，而且会发生更大的湿陷变形。有些黄土因其具有更多的可溶盐，尤其是易溶盐，仅在地层的上覆饱和自重压力下就能发生浸水湿陷变形，称为自重湿陷黄土。显然，它要比一般需在自重压力外再作用附加压力才能发生浸水湿陷变形的黄土（称为非自重湿陷黄土），发生更严重的湿陷变形，有必要给予更大的关注。在确定湿陷系数时，对天然含水量试样进行单轴压缩试验，压缩变形稳定后浸水饱和，则可测试不同压缩应力下的湿陷系数，称为单线法；对天然含水量和饱和含水量的试样分别进行单轴压缩试验，得到两条压缩曲线，则不同压力下的湿陷系数可以由这两条曲线间的压缩变形差值计算得出，称之为双线法。这种方法虽然可以用较少的试样研究附加压力对湿陷系数的影响，但由于它改变了力与水作用的次序，其试验的结果往往会略低于（*大10%）多个试样下单线法的试验结果。
单轴压缩试验（侧限变形）无法反映实际条件下部分侧向浸水湿陷变形，因而也不能揭示实际的湿陷变形特性。与侧限变形单轴压缩试验比较，三轴压缩湿陷试验能够反映三轴应力条件下试样的侧向变形。三轴压缩湿陷试验的双线法同样与单线法有较大的差异，说明应力与浸水作用路径影响土的湿陷性。黄土三轴压缩湿陷试验单线法显示出明显的塑流变形，即在应力达到一定条件后剪应力微增长，或在一定压应力和剪应力条件下湿度微增长，可使湿剪和湿陷应变迅速增大。湿陷应力-应变曲线上凸反映了黄土原有结构的逐渐破坏和强度的逐渐丧失；湿陷应力-应变曲线下凹反映了湿陷后引起次生结构的逐渐形成和强度的逐渐增长；湿陷应力-应变曲线趋于平缓正好反映了原有结构破坏后次生结构逐渐形成的塑流变形。
黄土的湿陷变形表现为体积变形和剪切变形两部分，即平均主应力和剪应力均会对湿陷变形产生影响。平均主应力在黄土粒状架空结构的骨架胶结处形成集中应力，浸水楔入作用使土结构软化，导致土骨架突变式破坏和结构性丧失，产生湿陷变形，进而形成新的次生稳定结构。剪应力作用于黄土粒状架空结构时，与浸水楔入耦合作用，主要表现为土结构剪切破坏和湿剪变形，伴随着土结构性的衰减变化，也促使新的次生结构逐渐形成。它不同于一般加载条件下应力状态改变所引起的塑性变形，而是一种土物质结构状态变化的塑性变形。通常仅分析地基侧限的湿陷变形，不涉及地基中不同侧向应力比条件下的变形影响。因此，按实际侧向应力比湿陷试验测试湿陷系数，来评价地基的湿陷变形将更符合实际情况。一般由单轴侧限压缩湿陷试验测试的湿陷系数，仍可得到较接近实际的湿陷量。对于不同实际应力比条件，按照一定的应力比通过三轴压缩湿陷试验测试平均主应力与湿陷体应变曲线和广义剪应力与湿陷剪应变曲线，均可用双曲线描述下凹转折点前上凸段。依据转折点前的应力与湿陷应变关系曲线，即可得到竖直方向和水平方向的湿陷应变分量，应用分层总和法（在浸水深度范围内）可进一步得到地表及不同深度土层的竖向湿陷变形和侧向湿陷挤出变形。从另一个角度来看，如果不同地区的黄土在形成侧向变形方面会显示出不同的阻抗，则它们即使具有相同单轴压缩下的湿陷系数，其实际的湿陷变形必然有明显的差异，从而出现测得的湿陷系数偏小，而实际的湿陷量大，或者相反的情况。换句话说，不同地区黄土的湿陷系数值相同，并不意味着实际的湿陷性相同。试验表明，相同初始孔隙比和含水率的关中地区黄土比陇西、陇东和陕北地区黄土的湿陷性弱，比河南地区黄土的湿陷性强，使得陇西、陇东和陕北地区黄土的湿陷性评价结果偏低，工程事故较多。造成这种现象的原因，*初认为是自重湿陷量计算的深度不够。进一步的研究认为，按照室内试验测得的湿陷系数计算得到的湿陷量远远小于实际发生的湿陷量，反映了仅从单轴压缩试验得到的湿陷系数测试结果存在缺陷。不同地区的黄土，土骨架的颗粒粗细和粒间胶结情况有异。颗粒较粗的（黏粒含量小的）黄土，侧向挤出变形和胶结的破坏较易，试验中的侧限对其变形影响较大，从而造成侧向湿陷变形并不代表实际湿陷量的现象。这种现象对自重湿陷黄土尤为显著。为考虑这种实际湿陷变形现象，《湿陷性黄土地区建筑标准》（GB 50025—2018）（中华人民共和国住房和城乡建设部，2018）引入了按地区的自重湿陷量修正系数取值，如陇西地区取1.5，陇东和陕北地区取1.2，关中地区取0.7， 其他地区取0.5，以使计算值与实测值相近。
黄土中经常遇到的水分变化情况，除单调的增湿以外，还可以有减湿和增减湿的交替，即有不同的增（减）湿路径。如果减湿发生在受荷以前，则受荷后的压缩变形较小，再增湿的湿陷变形较大；如果减湿发生在受荷后，则受荷的压缩变形较大，再增湿的湿陷变形较小。减湿后的再次增湿，只要不超过以前的增湿水平，就不会有新的增湿变形。间歇性浸水引起的湿陷变形，只随浸水增湿水平的增大而增大，而与浸水往复次数的多少无关。综上所述，从增（减）湿路径的角度，新的湿陷只会在含水率超过以前增湿的*大含水率时才会出现。与黄土先期湿陷含水率比较，如果当前含水率越大，则黄土的湿陷性越强；如果当前含水率越小，则湿陷性越弱。湿陷黄土具有明显的浸水滞后湿陷现象，且滞后湿陷变形量小于正常湿陷量。
如果考虑黄土的湿陷性是土性物态（初始含水率、密度、结构强度）与水（增湿含水率、增减湿路径、增湿历史）和力（固结应力状态、应力路径、应力历史）等共同作用的结果，则对一定土性条件下的黄土，历史和当前水的增减湿（浸水路径）与力的加卸载（应力路径）间不同的耦合，使湿陷问题变成了一个非常复杂的问题。在一定先期固结压力（或超固结比）与先期湿陷含水率基础上，可以在三维空间中给出土的湿陷变形对应的孔隙比与含水率和压缩压力曲面，描述湿陷变形变化规律。研究表明，浸水前期的减湿会使压力增大后的湿陷量较无湿陷时大；减湿前已有增压增湿，则再增湿时没有或很少有湿陷发生；如果黄土在较低压力作用下已经历过浸水湿陷，则减湿后增大压缩作用时，再浸水仍会出现一定的湿陷变形。
总的说来，我国黄土高原的湿陷性存在着由西向东、由北向南逐渐减弱的趋势。因为顺着这个方向，黄土的含水率由小到大，天然容重由低到高，黏粒含量由少到多，湿陷起始压力由小到大，黄土层厚度由厚到薄（王永焱和林在贯，1990； 陈宗基，1989 ；孙广忠，1989）。
1.2 黄土的强度特性
黄土的强度指标包括了土的黏聚力和内摩擦角。其中，黏聚力由土颗粒间分子引力形成的原始黏聚力，以及颗粒间的胶结物质（石膏、碳酸盐类等）形成的加固黏聚力共同构成，在黄土的环境条件（如压力或湿度增减、盐分溶滤等）改变时，会发生明显的降低或提高，影响黄土的抗剪强度。黄土的竖向节理裂隙分布使其具有各向异性，影响各向的抗剪强度。分别对与竖向节理裂隙正交、平行和成45°的三个平面进行剪切试验，抗剪强度随剪切面与竖向节理裂隙夹角的增大而增大，基本上呈椭圆状（长短轴分别对应于0°和90°）。含水率较低时，黄土的竖向节理裂隙特征明显，强度的各向异性显著；含水率较高时，黄土的竖向节理裂隙趋于闭合，趋于各向同性。当剪切面平行于竖向节理裂隙方向时，抗剪强度相对*低。总体上讲，由于黄土的结构对抗剪强度的影响主要是颗粒的胶结而不是颗粒的排列，实际工程中各向异性强度相差不大，因此，一般不再考虑强度的各向异性影响，密度和湿度变化对黄土抗剪强度影响的研究较多。结果发现，对Q1、Q2黄土，密度较大，且湿度变化较小，主要考察强度指标与含水率的关系；对饱和黄土，主要考察强度指标与密度的关系；对非饱和Q3、Q4黄土，密度小，结构性强，主要考察强度指标与反映结构性的粒度、湿度和密度的关系。它们的抗剪强度均随初始含水率的增大而降低，随初始密度的增大而增大。
在黄土增湿作用下，土的黏聚力和摩擦力随着土结构遇水敏感反应的结构性衰减而减小，黄土在一定压应力和剪应力条件下不仅产生增湿变形，还会出现增湿抗剪性降低及剪应变增大。即使土体中应力场分布不变，增湿也会导致其发生剪切变形，甚至出现剪切破坏。这种抗剪性状的变化规律不同于在一定含水率条件下抗剪强度的研究结果。土在剪应力作用下遭受增湿或浸水，随着水分的浸入，土结构开始产生软化，非饱和黄土的负孔隙水压力逐渐消失，导致黄土的抗剪强度大幅度下降，出现增（浸）湿剪切破坏。模拟这种条件进行剪切试验时，首先施加法向应力，固结后施加某一剪应力作用，使土的剪切变形达到稳定；其次，分级增（浸）湿（每级的稳定标准是一定时段内变形量不超过0.01mm），直至试样发生增湿剪切破坏为止；*后，根据增湿后和增湿前剪切变形量的差与垂直变形量的差，确定增湿剪切变形和增湿体积变形及其与剪应力的关系（谢定义，2001）。这种关系可将增湿剪切过程划分为三个阶段（起始阶段、屈服阶段和塑流阶段），反映了原状土结构未产生强度破坏，原状土结构产生强度破坏而新结构未形成或已逐渐形成，以及原状土结构破坏而次生结构难以形成等不同阶段的特征。这种黄土因增湿而改变物质结构状态的破坏，产生了明显的剪切变形。增湿剪切的抗剪强度同样低于天然湿度下的强度，二者之差形成一个增湿强度丧失区。原状土增湿后的强度指标内摩擦角和黏聚力分别随含水率的变化可写成一般式：
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