蘭州地區(qū)黃土性質(zhì)特征的研究

許順貴 李曉坤 蘭惠子

摘 要：通過對蘭州地區(qū)黃土物理、力學(xué)及濕陷性等性質(zhì)特征的研究，根據(jù)含水率的變化總結(jié)出物理性質(zhì)及濕陷性質(zhì)的變化規(guī)律，并且通過比較相同干密度不同含水率的剪切試驗(yàn)，揭示出含水率是影響黃土剪切強(qiáng)度的主要因素，含水率愈小抗剪強(qiáng)度愈大，凝聚力與含水率成冪函數(shù)關(guān)系。此外，對該地區(qū)的濕陷性進(jìn)行評價(jià)，為中等—強(qiáng)烈濕陷地區(qū)，為工程的設(shè)計(jì)施工提供數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：黃土性質(zhì) 濕陷性 冪函數(shù)

1概述

黃土是第四紀(jì)產(chǎn)生的一種特殊的大陸堆積物，主要有以下特點(diǎn)：顏色呈棕黃、灰黃或黃褐色，天然剖面上垂直裂隙發(fā)育，孔隙比一般較大，常具有肉眼可見的大孔隙；顆粒組成以粉粒為主，含量可達(dá)50%以上；含碳酸鹽成分，有時(shí)含有鈣質(zhì)結(jié)核；水理性敏感，受水浸濕后易發(fā)生附加沉陷。在濕陷性黃土地區(qū)進(jìn)行建筑易發(fā)生地基失穩(wěn)事故，因而對黃土各項(xiàng)性質(zhì)的分析和評價(jià)是避免工程事故，合理設(shè)計(jì)施工的前提。

本次分析的黃土樣品來自包蘭線蘭州至皋蘭段詳勘工程采取的原狀黃土。通過室內(nèi)土工試驗(yàn)測試出黃土的物理、力學(xué)性質(zhì)及濕陷性等數(shù)據(jù)，通過不同條件的對比總結(jié)出相應(yīng)的性質(zhì)特征。

2土樣的物理性質(zhì)

通過土工室內(nèi)試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)見表1，做出如下分析：

根據(jù)含水率大小將土樣分為4%~8% 和17%~23%兩個(gè)區(qū)段來分析土樣各項(xiàng)性質(zhì)的差異和規(guī)律。根據(jù)現(xiàn)場采樣分析造成含水率差異主要是由于地形條件決定的，在深度一樣的條件下含水率小的樣品采自地勢較高的臺土，而含水率大的樣品采自地勢低洼的河谷階地。

本次所要研究的土樣深度都在0~30米之間，屬于全新世新近堆積黃土，根據(jù)顆粒密度試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出其范圍在2.69~2.70g/cm3 。干密度在1.30-1.65 g/cm3之間，含水率4%~8%的土樣干密度主要集中在1.30~1.40 g/cm3，含水率17%-23%的土樣干密度主要集中在1.40~1.55 g/cm3之間。

土樣液限與塑限值隨含水率的增加略有增加，含水率4%~8%的土樣液限集中于24%~25%，塑限集中于16%-17%。含水率17%~23%的土樣液限集中于25%~27%，塑限集中于17%~19%。

土樣孔隙比一般在0.8~1.2之間。含水率4%~8%的土樣孔隙比一般大于1.0。含水率17%~23%的土樣孔隙比一般小于1.0。

3土樣的剪切性質(zhì)

試驗(yàn)采用直接剪切快剪試驗(yàn)方法[3]，試樣高度2cm，面積30cm2，剪切速率0.8mm/min，剪切時(shí)間為3~5min，取其峰值為抗剪強(qiáng)度值，無明顯峰值取剪切位移4mm所對應(yīng)的剪應(yīng)力為抗剪強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

黃土剪切過程的應(yīng)變與應(yīng)力關(guān)系曲線見圖1所示。從圖上可以看出曲線有明顯峰值，且峰值基本發(fā)生在應(yīng)變量20%~40%之間。

圖1黃土剪切應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線

（含水量8.8%，干密度1.33g/cm3）

表2 剪切試驗(yàn)結(jié)果

從表2試驗(yàn)結(jié)果中可以看出，在干密度變化不大的情況下，剪切試驗(yàn)的凝聚力隨著含水率的增大而明顯減小，而摩擦角變化不大。選取BB7, BD15, BD18, BD17, 四個(gè)樣品繪制含水率與凝聚力關(guān)系曲線見圖2?？梢钥闯?，在干密度一樣時(shí)，含水率與凝聚力呈冪函數(shù)關(guān)系[4]：C=w-b。

圖2 凝聚力與含水率關(guān)系曲線

4土樣的濕陷性質(zhì)

黃土濕陷性是指黃土在一定壓力下受水浸濕，土結(jié)構(gòu)迅速破壞并產(chǎn)生顯著附加下沉的性質(zhì)。濕陷性黃土分為[5]：自重濕陷性黃土（在上覆土的自重壓力下受水浸濕，發(fā)生顯著附加下沉的濕陷性黃土）和非自重濕陷性黃土（在上覆土的自重壓力下受水浸濕，不發(fā)生顯著附加下沉的濕陷性黃土）。

本次分析的黃土樣品采用室內(nèi)試驗(yàn)雙線法測試土樣的濕陷性特征。具體方法是：在同一取土點(diǎn)的同一深度處，取3個(gè)環(huán)刀試件（密度差值控制在0.03g/cm3以內(nèi)），一個(gè)在天然濕度下分級加荷，加至規(guī)定壓力下沉穩(wěn)定后為止。另一個(gè)在天然濕度下加第一級荷載，下沉穩(wěn)定后浸水，至濕陷穩(wěn)定再分級加荷，加荷過程始終保持試件處于飽和狀態(tài)，至規(guī)定壓力下穩(wěn)定為止。第三個(gè)試件根據(jù)取土深度及密度指標(biāo)計(jì)算其上覆土層的自重壓力，根據(jù)自重壓力加荷實(shí)測自重濕陷系數(shù)。

在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，黃土變形是壓縮變形、濕陷變形、及滲透溶濾變形三種變形綜合作用的結(jié)果[6]。壓縮變形產(chǎn)生于濕陷起始壓力之前，黃土受水浸濕后的殘余結(jié)構(gòu)強(qiáng)度使土體只發(fā)生壓密變形，不產(chǎn)生濕陷變形。當(dāng)外界壓力超過土的殘余結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，土體結(jié)構(gòu)破壞開始濕陷，產(chǎn)生濕陷變形。雙線法由于浸水時(shí)間長，土中可溶性鹽和膠體物質(zhì)溶濾作用充分，相應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一定的溶濾變形。從試驗(yàn)結(jié)果中可以看出：含水率在4%~8%的土樣具有明顯的濕陷性，而含水率在大于20%以后基本失去濕陷性。選擇其中干密度相近的試樣繪制含水率與濕陷系數(shù)關(guān)系圖3。

圖3 含水率與濕陷系數(shù)關(guān)系

可以看出含水率小于10%的土樣其濕陷系數(shù)及自重濕陷系數(shù)均大于0.02，屬于自重濕陷性黃土，而含水率大于20%的土樣濕陷系數(shù)及自重濕陷系數(shù)均小于0.015，屬于非濕陷性黃土。

5結(jié)論

（1）土樣的各項(xiàng)物理指標(biāo)隨著含水率的變化呈現(xiàn)一定規(guī)律，含水率由小變大，土樣的密度，液塑限隨之增大，孔隙率隨之減小。

（2）從剪應(yīng)力與剪應(yīng)變關(guān)系曲線上可以看出，原狀土在快剪試驗(yàn)條件下，曲線有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在轉(zhuǎn)折點(diǎn)之前應(yīng)力-應(yīng)變基本呈線性關(guān)系，曲線較陡。而在轉(zhuǎn)折點(diǎn)之后，應(yīng)力-應(yīng)變曲線比較平緩。其剪切峰值發(fā)生在應(yīng)變量20%~40%之間。

（3）含水率和干密度是影響黃土剪切強(qiáng)度的重要因素，含水率是影響剪切強(qiáng)度的主要因素。含水率愈小抗剪強(qiáng)度愈大，凝聚力與含水率成冪函數(shù)關(guān)系。

（4）在這一地區(qū)原狀黃土濕陷性的大小主要由含水率來決定，一般含水率愈大，濕陷系數(shù)愈小。含水率小于10%的黃土其濕陷性評價(jià)已達(dá)到中等或強(qiáng)烈濕陷性。是危害工程質(zhì)量安全的災(zāi)害類土，對其應(yīng)重點(diǎn)防治。

參考文獻(xiàn)：

[1] 焦贇. 蘭州地區(qū)黃土濕陷地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)行分析[J]. 甘肅科學(xué)學(xué)報(bào),2008 .

[2] 劉東升. 黃土與環(huán)境[M].北京：科學(xué)出版社,1985.

[3] 楊磊. 黃土抗剪強(qiáng)度特征分析[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2010:167-169.

[4] GB/T50025-2004.濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2004.

[5] 張利生. 關(guān)于用室內(nèi)試驗(yàn)測定黃土濕陷性方法的探討[J].勘探科學(xué)技術(shù),2000:35-38.

[6] 雷祥義.黃土高原地質(zhì)災(zāi)害與人類活動(dòng)[M].北京:地質(zhì)出版社,2001.

注：文章內(nèi)所有公式及圖表請以PDF形式查看。