天水地區(qū)某調(diào)蓄水庫(kù)黃土工程特性分析研究

武鵬飛,趙旭陽(yáng)

（中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,天津 300222）

引言

我國(guó)黃土分布面積約占世界黃土分布總面積的4.9%,主要分布于黃河中、上游一帶,是世界上黃土沉積最廣闊的地區(qū)[1]。黃土由于生成的年代、成因、環(huán)境、地域以及生成后歷史變遷上的差異而具有不同的性質(zhì)[2],前人對(duì)黃土所特有的濕陷特性研究取得了較大進(jìn)展[3-4]。此外,對(duì)于濕陷性黃土地基的處理方法也有不同的方法和建議[5-6],均對(duì)工程建設(shè)具有一定指導(dǎo)意義。

本研究以天水地區(qū)某擬建調(diào)蓄水庫(kù)工程區(qū)分布的黃土為研究對(duì)象,采用宏觀和微觀相結(jié)合的方法,著重分析研究了黃土的工程特性,對(duì)工程的順利實(shí)施具有重要指導(dǎo)意義。

1 工程地質(zhì)概況

某擬建調(diào)蓄水庫(kù)位于甘肅天水市甘谷縣附近,屬隴中黃土丘陵低中山地貌,為我國(guó)典型的黃土地貌發(fā)育區(qū),工程區(qū)內(nèi)大量分布不同時(shí)代及成因的黃土。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察資料,工程區(qū)內(nèi)黃土主要有中更新統(tǒng)離石黃土和上更新統(tǒng)風(fēng)積馬蘭黃土。

離石黃土為淺黃～褐黃色,廣泛分布于工程區(qū)內(nèi),地表出露較少,上部多為馬蘭黃土覆蓋,勘探揭露該層厚度一般在15～30 m；馬蘭黃土一般呈淺黃色,土質(zhì)較均一,垂直節(jié)理發(fā)育,廣泛分布于壩址及庫(kù)區(qū)兩岸山坡,該層厚度一般為10～15 m。

2 工程特性

勘察期間,結(jié)合地質(zhì)測(cè)繪成果,在勘探鉆孔及豎井中取有代表性的黃土試驗(yàn)樣品進(jìn)行室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn),對(duì)工程區(qū)分布的兩種黃土工程地特性進(jìn)行詳細(xì)的分析研究。本研究對(duì)73 組馬蘭黃土（Q3eol）和167 組離石黃土（Q2）做了相關(guān)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析,試驗(yàn)數(shù)據(jù)過于冗長(zhǎng),文中并未附試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表格,下述相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)均由試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)所得。

2.1 粒度成分

離石黃土砂粒含量介于0.1%～2.4%之間,平均值0.5%；粉粒含量介于58.2%～80.4%之間,平均值73.3%；黏粒含量介于19.6%～41.8%之間,平均值26.6%。

馬蘭黃土砂粒含量介于0.1%～2.2%之間,平均值0.5%；粉粒含量介于62.5%～80.9%之間,平均值76.6%；黏粒含量介于18.4%～37.5%之間,平均值23.2%。

依據(jù)《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50145-2007,工程區(qū)離石黃土和馬蘭黃土均為低液限粘土。

2.2 物理特性

離石黃土天然含水量7.5%～29%,平均值介于13.6%～22%之間；土粒比重2.68～2.73,平均值介于2.7～2.72 之間；孔隙比0.53～1.18,平均值介于0.67～0.95 之間；干密度1.24～1.81 g/cm3,平均值介于1.42～1.65 之間；塑性指數(shù)10～24,平均值介于12～17之間；液性指數(shù)-0.78～0.62,平均值介于-0.28～0.24之間；垂直向滲透系數(shù)垂9.16×10-8～2.57×10-4cm/s,平均值介于6.86×10-5～1.01×10-3cm/s 之間；水平向滲透系數(shù)2.63×10-8～1.47×10-3cm/s,平均值介于4.57×10-5～5.77×10-4cm/s 之間。

馬蘭黃土天然含水量7.0%～23.3%,平均值介于10.9%～16.1%之間；土粒比重2.68～2.72,平均值介于2.69～2.70 之間；孔隙比0.70～1.34,平均值介于0.91～1.22 之間；干密度1.15～1.61 g/cm3,平均值介于1.24～1.47 之間；塑性指數(shù)13～21,平均值介于14～16之間；液性指數(shù)-0.73～0.32,平均值介于-0.52～-0.19之間；垂直向滲透系數(shù)1.60×10-5～8.58×10-3cm/s,平均值在6.12×10-4～8.58×10-3cm/s 之間變化；水平向滲透系數(shù)3.90×10-4～1.48×10-3cm/s,平均值在5.84×10-4～1.25×10-3cm/s 之間變化。

由上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,工程區(qū)馬蘭黃土天然含水量、干密度普遍低于離石黃土,而孔隙比明顯高于離石黃土,天然含水量、干密度隨深度增大而增大,孔隙比隨深度增大而減小。

2.3 力學(xué)特性

離石黃土天然狀態(tài)壓縮系數(shù)0.12～0.27,平均值介于0.14～0.25 之間；濕陷系數(shù)0.00～0.160,平均值介于0.008～0.062 之間；自重濕陷系數(shù)0.00～0.102,平均值介于0.004～0.030 之間；天然狀態(tài)黏聚力12.6～59.8 kPa,平均值介于26.7～49.5 kPa 之間,內(nèi)摩擦角21.1°～34.0°,平均值介于24.6°～31.3°之間。

馬蘭黃土天然狀態(tài)壓縮系數(shù)0.21～0.52,平均值介于0.27～0.52 之間；濕陷系數(shù)0.00～0.207,平均值介于0.081～0.155 之間；自重濕陷系數(shù)0.00～0.188,平均值在介于0.048～0.114 之間；天然狀態(tài)黏聚力12.9～81.7 kPa,平均值介于19.6～66.6 kPa 之間,內(nèi)摩擦角24.3°～32.0°,平均值介于26.8°～31.0°之間。

由上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,工程區(qū)馬蘭黃土具有高壓縮性,濕陷性強(qiáng)烈,屬自重濕陷性黃土；離石黃土具有中等～高壓縮性,濕陷性中等～強(qiáng)烈。濕陷系數(shù)隨深度增加而減小。

2.4 濕陷特性

根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50025-2018）,濕陷系數(shù)δs=0.015,為黃土是否存在濕陷性的分界線。當(dāng)濕陷系數(shù)δs＜0.015 時(shí),為非濕陷性黃土,反之,則為濕陷性黃土。

為研究工程區(qū)黃土濕陷性大小與深度、孔隙比、天然含水量、干密度的變化規(guī)律,據(jù)此繪制濕陷系數(shù)與深度、孔隙比、天然含水量、干密度散點(diǎn)圖,見圖1至圖8。

圖8 離石黃土δs 與干密度ρ 散點(diǎn)圖

由圖1 至圖4 可知,馬蘭黃土濕陷性強(qiáng)烈,其濕陷性大小與深度、天然含水率、干密度呈負(fù)相關(guān)性,與孔隙比呈正相關(guān)性,根據(jù)圖中所示回歸直線方程,可初步推測(cè)工程區(qū)馬蘭黃土濕陷臨界土層埋深為9.31 m、臨界天然含水率為19.41%、臨界孔隙比為0.80、臨界干密度為1.50 g/cm3。

圖1 馬蘭黃土δs 與深度深散點(diǎn)圖

圖2 馬蘭黃土δs 與含水率w%散點(diǎn)圖

圖3 馬蘭黃土δs 與孔隙比e 散點(diǎn)圖

圖4 馬蘭黃土δs 與干密度ρ 散點(diǎn)圖

由圖5 至圖6 可知,離石黃土濕陷性與土層深度相關(guān)性不強(qiáng),當(dāng)深度超過20 m 后,基本無(wú)濕陷性,當(dāng)深度10～20 m 之間時(shí),濕陷性輕微～中等為主。此外,離石黃土濕陷性大小與天然含水率、干密度呈負(fù)相關(guān)性,與孔隙比呈正相關(guān)性,根據(jù)圖中所示回歸直線方程,可初步推測(cè)工程區(qū)離石黃土臨界天然含水率為18.79%、臨界孔隙比為0.61、臨界干密度為1.50 g/cm3。

圖5 離石黃土δs 與深度散點(diǎn)圖

圖6 離石黃土δs 與含水率w%散點(diǎn)圖

3 主要工程地質(zhì)問題

3.1 地基濕陷變形問題及處理建議

圖7 離石黃土δs 與孔隙比e 散點(diǎn)圖

馬蘭黃土壓縮系數(shù)在0.21～0.52 之間,為高壓縮性土,濕陷性強(qiáng)烈,地基承載力低,可能發(fā)生濕陷變形破壞,不宜作為壩基持力層。離石黃土壓縮系數(shù)在0.12～0.27,壓縮性中等～高,該層土體約10 m 以下濕陷性輕微～無(wú),壓縮性中等,采取適當(dāng)?shù)墓こ烫幚泶胧┛勺鳛閴位至印?/p>

3.2 黃土邊坡穩(wěn)定性問題及處理建議

兩岸壩基開挖后,工程邊坡以土質(zhì)邊坡為主,大土體結(jié)構(gòu)相對(duì)單一,其破壞形式以圓弧形滑動(dòng)為主,黃土垂直節(jié)理發(fā)育,在降水或地震等作用下局部易出現(xiàn)小規(guī)模塌滑,黃土層底部與下伏基巖接觸部位一般含少量第四系孔隙潛水,土體強(qiáng)度低,該界面一般為潛在滑動(dòng)面,建議在加強(qiáng)坡頂、坡面及坡腳排水的同時(shí)增加支護(hù)措施,馬蘭黃土和離石黃土臨時(shí)邊坡建議開挖坡比為1：1～1：1.25,永久邊坡建議開挖坡比1：1.25～1：1.5。

4 結(jié)論

（1） 工程區(qū)馬蘭黃土和離石黃土均為低液限粘土。

（2） 馬蘭黃土天然含水量7.0%～23.3%,干密度1.15～1.61 g/cm3,孔隙比0.70～1.34,壓縮系數(shù)0.21～0.52,黏聚力12.9～81.7 kPa,內(nèi)摩擦角24.3°～32.0°；離石黃土天然含水量7.5%～29%,干密度1.24～1.81 g/cm3,孔隙比0.53～1.18,壓縮系數(shù)0.12～0.27,黏聚力12.6～59.8 kPa,內(nèi)摩擦角21.1°～34.0°。

（3） 黃土濕陷性隨深度增加而減小,濕陷系數(shù)大小與天然含水量、干密度呈負(fù)相關(guān)性,與孔隙比呈正相關(guān)性；馬蘭黃土干密度大于1.50 g/cm3、天然含水量大于19.41%、孔隙比小于0.80 時(shí),基本上可判定為無(wú)濕陷性；離石黃土干密度大于1.50 g/cm3、天然含水量大于18.79%、孔隙比小于0.61 時(shí),基本上可判定為無(wú)濕陷性。

（4） 建議兩岸壩基持力層置于離石黃土下部,并采取適當(dāng)?shù)墓こ烫幚泶胧?；兩岸黃土邊坡需加強(qiáng)坡頂、坡面及坡腳排水的同時(shí)增加支護(hù)措施。