黃土濕陷性評(píng)價(jià)方法淺析

陳秀榮，吳建喜，羅新燕，崔永波，賈 麗

(內(nèi)蒙古自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

0 引言

黃土濕陷是濕陷性黃土在一定壓力(自重或外荷)作用下，受水浸濕后原有土體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞而產(chǎn)生的下沉變形。由于黃土的濕陷常造成建筑物地基、公路和鐵路路基、邊坡等的破壞，影響構(gòu)筑物的正常使用和運(yùn)營［1］。因此，有必要對(duì)黃土場地的濕陷性做出正確評(píng)價(jià)，為優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)，從而達(dá)到構(gòu)筑物經(jīng)濟(jì)合理、安全運(yùn)營的目的。

本文以寧夏回族自治區(qū)盾安風(fēng)電有限公司固原市原州區(qū)寨科風(fēng)電場48MW 風(fēng)電場區(qū)的濕陷性黃土為研究對(duì)象，分析了黃土的天然含水量、孔隙比、干密度、濕陷系數(shù)在垂向上的變化規(guī)律及黃土孔隙比、干密度等物理性質(zhì)指標(biāo)與濕陷系數(shù)的關(guān)系，探討了利用黃土物理性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行濕陷性評(píng)價(jià)方法的可行性，為黃土的濕陷性評(píng)價(jià)及地基處理方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 黃土物理性質(zhì)指標(biāo)及濕陷系數(shù)垂向分布特征

風(fēng)電場區(qū)地層為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積層(Qeol3)，巖性以黃土狀粉土為主，淺黃色，稍濕，稍密，土質(zhì)不均勻，垂直節(jié)理發(fā)育，具有大孔隙性，結(jié)構(gòu)疏松。根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》GB50025—2004 附錄B 黃土層的劃分，地層屬于具有典型濕陷性的馬蘭黃土。場區(qū)地下水埋藏深度較深，＞60 m［2］。

為了查明場區(qū)的工程地質(zhì)條件，進(jìn)行巖土工程勘察時(shí)，在每個(gè)風(fēng)機(jī)機(jī)位布設(shè)一個(gè)探井，每個(gè)探井內(nèi)采取黃土原狀樣，供室內(nèi)試驗(yàn)之用，以分析和研究黃土的物理力學(xué)性質(zhì)以及黃土的濕陷性，為濕陷性評(píng)價(jià)提供資料和依據(jù)。

本節(jié)選用了場區(qū)部分鉆孔土樣的室內(nèi)試驗(yàn)成果，對(duì)黃土的天然含水量、孔隙比、干密度及濕陷系數(shù)在垂向上的分布規(guī)律進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，分析成果見圖1～4。室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果反映出鉆孔所揭露的黃土的物理性質(zhì)指標(biāo)存在如下特點(diǎn):

(1)天然含水量較低，介于3.1%～19.8%，含水量存在隨深度增加而增大的趨勢(shì);

(2)孔隙比較大，介于0.814～1.300，孔隙比存在隨深度增加而減小的趨勢(shì);

(3)干密度介于1.20～1.50 g/cm3，干密度存在隨深度增加而增大的趨勢(shì);

(4)濕陷系數(shù)均值介于0.006～0.200，自重濕陷系數(shù)均值介于0.000～0.100，濕陷系數(shù)與自重濕陷系數(shù)存在隨深度增加而減小的趨勢(shì)。

圖1 天然含水量隨深度的變化規(guī)律Fig.1 The laws of water content changing with depth

圖2 孔隙比隨深度的變化規(guī)律Fig.2 The laws of void ratio changing with depth

圖3 干密度隨深度的變化規(guī)律Fig.3 The laws of dry density changing with depth

圖4 濕陷系數(shù)隨深度的變化規(guī)律Fig.4 The laws of collapsibility coefficient changing with depth

2 黃土濕陷性影響因素

2.1 天然含水量與濕陷性關(guān)系分析

濕陷性黃土的物理性質(zhì)和其它巖、土一樣，是通過某些指標(biāo)反映出來的。它的主要指標(biāo)有反映土骨架本身性質(zhì)的比重;反映骨架和空隙相互關(guān)系的密度指標(biāo)容重、干容重;反映土骨架間空隙程度的孔隙度、孔隙比;反映含水狀態(tài)和可塑性的飽和度、液限、塑限、塑性指數(shù)［3］。黃土濕陷并不是達(dá)到浸水飽和時(shí)才發(fā)生的，而是當(dāng)浸水到一定程度便開始濕陷。因此土樣的天然含水程度對(duì)濕陷值有顯著的影響。一般含水量越高，黃土濕陷性越低，當(dāng)含水量達(dá)到25%時(shí)，基本沒有濕陷性，它們之間呈反相關(guān)關(guān)系(見圖5)。

2.2 孔隙比與濕陷性關(guān)系分析

土的孔隙比是反映土的疏密程度的指標(biāo)，是土中孔隙與固體體積之比。黃土的一大特點(diǎn)是富含孔隙，正因?yàn)橛腥绱酥嗟目紫叮艦辄S土濕陷提供了空間，是黃土產(chǎn)生濕陷的主要原因［4］。濕陷性系數(shù)與孔隙比有相當(dāng)好的正相關(guān)，即孔隙比越大，濕陷系數(shù)越高(見圖6)?？紫侗却蟮拇罂准芸战Y(jié)構(gòu)的黃土在外力和內(nèi)力作用下容易破壞，極易濕陷;相反，孔隙比小的結(jié)構(gòu)膠結(jié)程度好的黃土在相同力的作用下不易濕陷。

因此，孔隙比作為黃土濕陷性的主要影響因素，并用于濕陷性評(píng)價(jià)，具有重要的意義。

圖5 天然含水量與濕陷系數(shù)的關(guān)系Fig.5 The relationship between the water content and coefficient of collapsibility

圖6 孔隙比與濕陷系數(shù)的關(guān)系Fig.6 The relationship between the void ratio and coefficient of collapsibility

圖7 干密度與濕陷系數(shù)的關(guān)系Fig.7 The relationship between the dry density and coefficient of collapsibility

2.3 干密度與濕陷性關(guān)系分析

黃土干密度一方面反映了黃土的物質(zhì)成分，另一方面反映了孔隙特征和土體的密實(shí)程度，干密度越大，則土體越密實(shí)，就越不利于黃土濕陷的發(fā)生。

2.4 粘粒含量與濕陷性關(guān)系分析

黃土的顆粒是指那些巖石、礦物和非晶體化合物的零散碎片或碎屑。顆粒本身既可以是礦物質(zhì)的結(jié)晶構(gòu)造，也可以是非結(jié)晶構(gòu)造，如SiO2和Fe2O3。黃土中的顆粒組成能反映第四紀(jì)松散堆積體的主要特征，它不僅是松散堆積體分類、命名的基礎(chǔ)，也是查明這些沉積物的來源、搬運(yùn)介質(zhì)、沉積環(huán)境及其變化的主要依據(jù)，更重要的是隨著土顆粒組成的變化，土的結(jié)構(gòu)也相應(yīng)地發(fā)生改變，進(jìn)而影響了土的物理力學(xué)性質(zhì)和水文地質(zhì)條件。因此，對(duì)該指標(biāo)的研究也是研究工程地質(zhì)的關(guān)鍵，對(duì)評(píng)價(jià)工程地質(zhì)特征有著重要意義。

圖8 塑性指數(shù)與濕陷系數(shù)的關(guān)系Fig.8 The relationship between the plastic index and coefficient of collapsibility

黃土的顆粒組成有兩個(gè)特點(diǎn)，絕大多數(shù)顆粒均＜0.25 mm;另外是以粉土顆粒(0.05～0.005 mm)為主。它的含量占總含量的52%～72%，尤以占55%～65%者居多，粘土顆粒成分(＜0.005 mm)占10%～25%;砂土顆粒成分(＞0.05 mm)占10%～30%，一般為20%左右。主要為黃土區(qū)外圍地區(qū)或邊緣黃土區(qū)，濕陷性黃土的顆粒成分同樣也以粉土顆粒為主。各地黃土的顆粒組成存在很大的差異。黃土的顆粒成分，對(duì)濕陷性有一定的影響。這種影響表現(xiàn)在各個(gè)方面，譬如顆粒的組合結(jié)構(gòu)狀態(tài)，顆粒的含量等。雖然粘粒含量成分占的比例較小，但其對(duì)黃土濕陷性有著非常大的影響。

由于粘粒含量與常規(guī)測試的塑性指數(shù)有極大的相關(guān)性，從理論上講，塑性指數(shù)進(jìn)一步體現(xiàn)粘粒對(duì)水的敏感性，所以采用塑性指數(shù)代替粘粒含量進(jìn)行濕陷系數(shù)的分析，更具有工程實(shí)際意義［5，6］。

3 濕陷性評(píng)價(jià)

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》(GB50025—2004)，土層的濕陷性通過δs評(píng)定。當(dāng)Δs＞0.015時(shí)，為濕陷性黃土;否則，為非濕陷性黃土。而黃土的濕陷程度可根據(jù)濕陷系數(shù)δs分為三種:當(dāng)0.015≤δs≤0.03 時(shí)，濕陷性輕微;當(dāng)0.03 ＜δs≤0.07時(shí)，濕陷性中等;當(dāng)δs＞0.07 時(shí)，濕陷性強(qiáng)烈。場地濕陷性初步評(píng)價(jià)的內(nèi)容主要為判定場地土層是否具有濕陷性，據(jù)此確定濕陷性黃土層的厚度及其在空間上的分布，在此基礎(chǔ)上判定濕陷性土層的濕陷程度。風(fēng)電場區(qū)探井黃土濕陷系數(shù)室內(nèi)試驗(yàn)成果見表1。

黃土濕陷性的影響因素是多方面的，但是目前依據(jù)微結(jié)構(gòu)對(duì)黃土濕陷性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)較為困難，而黃土的物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)(包括濕陷性)均是其成分和結(jié)構(gòu)的綜合反映和表現(xiàn)，也反映了當(dāng)前的賦存狀態(tài)。因此，這些指標(biāo)可以反映黃土的成分、結(jié)構(gòu)、賦存環(huán)境特征。實(shí)際工作中采用物理指標(biāo)較為方便，一方面物理指標(biāo)易于測定，另一方面表征黃土物理性質(zhì)的指標(biāo)較多，它們從不同方面反映了黃土的成分和結(jié)構(gòu)［7］。因此，通過反映黃土成分和結(jié)構(gòu)特征的物理性質(zhì)指標(biāo)來評(píng)價(jià)黃土的濕陷性具有一定的理論指導(dǎo)意義。

綜上所述，黃土濕陷性是其物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)和賦存環(huán)境共同決定和影響的。故規(guī)范采用濕陷系數(shù)δs這一單一指標(biāo)來評(píng)價(jià)黃土的濕陷性，尚不足以直接從本質(zhì)上反映黃土的濕陷性。鑒于此，本文嘗試從黃土的物理性質(zhì)指標(biāo)與濕陷系數(shù)的關(guān)系進(jìn)行分析，從中選擇出影響濕陷的主要因素，進(jìn)而探索這些影響因素與濕陷系數(shù)的關(guān)聯(lián)特性，進(jìn)行黃土濕陷性評(píng)價(jià)。

通過對(duì)場區(qū)180 組室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的物理性質(zhì)指標(biāo)與濕陷系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，可以得到如下關(guān)系:濕陷系數(shù)與孔隙比的相關(guān)系數(shù)為R=0.633;與含水量的相關(guān)系數(shù)為R=－0.527;與干密度的相關(guān)系數(shù)為R=－0.225;與塑性指數(shù)的相關(guān)系數(shù)為R=0.021。相關(guān)性分析結(jié)果表明，黃土物理性質(zhì)指標(biāo)與黃土濕陷系數(shù)關(guān)系密切的依次為孔隙比、含水量、干密度。黃土的濕陷系數(shù)與塑性指數(shù)的相關(guān)性很小。

為了進(jìn)一步了解黃土孔隙比、含水量、干密度與濕陷性的關(guān)系，對(duì)180 組數(shù)據(jù)進(jìn)行多元非線性回歸分析，得到風(fēng)電場區(qū)黃土的濕陷系數(shù)與孔隙比、含水量、干密度的關(guān)系為式(1)所示:

式中:δs為濕陷系數(shù);w 為含水量(%);ρd為干密度(g/cm3);e 為孔隙比。

經(jīng)方差分析，F(xiàn)=133.01，P=0.003，方程有效。

式(1)的相關(guān)系數(shù)R=0.913，說明黃土濕陷系數(shù)與孔隙比、含水量、干密度之間有較好的相關(guān)性。

表1 探井黃土濕陷系數(shù)匯總表［2］Table 1 Results forcoefficient of loess collapsibility of exploratory wells

通過綜合對(duì)比分析表明，式(1)的計(jì)算結(jié)果與采用規(guī)范所計(jì)算的濕陷系數(shù)值基本一致(見表1)。由此可見，用這些反映黃土成分、結(jié)構(gòu)和賦存狀態(tài)的物理指標(biāo)來評(píng)價(jià)黃土的濕陷性的方法對(duì)于本工程是可行的。

4 結(jié)論

黃土濕陷是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)變化過程，受多種因素制約，正確評(píng)價(jià)黃土的濕陷性具有較大的難度。黃土的干密度、含水率、孔隙比等，這些物理指標(biāo)數(shù)值穩(wěn)定，易于測定，誤差小，而黃土的濕陷系數(shù)卻隨試驗(yàn)條件和測試技術(shù)的差異而不同，變化幅度較大，易影響評(píng)價(jià)的精度。因此，根據(jù)對(duì)黃土濕陷性本質(zhì)的認(rèn)識(shí)及工程實(shí)際研究分析，探索濕陷系數(shù)與黃土物理指標(biāo)間的關(guān)系，進(jìn)而對(duì)濕陷系數(shù)作出預(yù)測，可以在一定程度上減小試驗(yàn)工作量，簡化地基濕陷性評(píng)價(jià)方法，對(duì)綜合評(píng)價(jià)場地的濕陷性具有較大的實(shí)際意義。

本文僅是在寧夏回族自治區(qū)盾安風(fēng)電有限公司固原市原州區(qū)寨科風(fēng)電場48MW 風(fēng)電項(xiàng)目場區(qū)黃土濕陷性研究的基礎(chǔ)上，探討了黃土的物理性質(zhì)指標(biāo)與濕陷系數(shù)的關(guān)系，具有一定的局限性。因此，用黃土的物理指標(biāo)來評(píng)價(jià)其濕陷性還需要更多的工程實(shí)踐來驗(yàn)證。

［1］馮連昌，鄭晏武.中國濕陷性黃土［M］.北京:中國鐵道出版社，1982.

［2］吳建喜，崔永波.寧夏回族自治區(qū)盾安風(fēng)電有限公司固原市原州區(qū)寨科風(fēng)電場48MW 風(fēng)電項(xiàng)目巖土工程勘察［R］.呼和浩特:內(nèi)蒙古自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)院，2012.

［3］邢嬌秀.影響黃土濕陷性因素分析研究［D］.西安:長安大學(xué)，2004:26－27.

［4］雷詳義.中國黃土的孔隙類型與濕陷性［J］.中國科學(xué)，1987，12:1 310－1 316.

［5］錢鴻縉，等.濕陷性黃土地基［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1985:51.

［6］岳應(yīng)利.黃土高原西部黃土工程物理性質(zhì)及其原因［J］.中國沙漠，2004，24(6):680－684.

［7］王有林.黃土濕陷及評(píng)價(jià)方法［D］.蘭州:蘭州大學(xué)，2009:38－39.