陜北不同地區(qū)黃土濕陷性試驗(yàn)研究

蘇盛偉，王明甫，鐘建平

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

文章編號：1006—2610(2015)02—0020—03

陜北不同地區(qū)黃土濕陷性試驗(yàn)研究

蘇盛偉，王明甫，鐘建平

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

通過室內(nèi)試驗(yàn)和原位測試成果，對比分析了陜北郝灘鄉(xiāng)和狄青塬風(fēng)電場黃土的含水率、孔隙比、飽和度、密實(shí)度與濕陷系數(shù)的關(guān)系及其相關(guān)性，為初步判斷黃土濕陷性提供參考依據(jù)。

黃土；濕陷系數(shù)；孔隙比；飽和度；含水率；密實(shí)度

0 前 言

中國的黃土主要分布在北緯 33°～47°之間，主要分布區(qū)域是太行山以西，秦嶺、大別山以北，遍及甘肅、陜西、山西、河南、寧夏、新疆、內(nèi)蒙古等省區(qū)。濕陷性黃土在地域分布上由西北向東南，黃土的密度、含水量和強(qiáng)度由小變大，滲透性、壓縮性和濕陷性由大變小，顆粒組成由粗變細(xì)，黏粒含量由少變多，易溶鹽由多變少等規(guī)律。

濕陷是在一定壓力作用下，由于水的滲入而使土的連結(jié)顯著減弱的一種特殊變形[1]。黃土濕陷性機(jī)理國內(nèi)外學(xué)者提出了包括結(jié)構(gòu)學(xué)說、水膜楔入說、毛細(xì)管假說、溶鹽假說、欠壓密理論等在內(nèi)的眾多學(xué)說[2-7]。其根本原因是：土中水分增加導(dǎo)致土顆粒結(jié)合水膜增厚，分子間的作用力被液體摩擦力所取代，從而降低了黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度發(fā)生濕陷。

濕陷性黃土在一定條件下具有保持土的原始基本結(jié)構(gòu)形式不被破壞的能力，這是由于黃土在沉積過程中的物理化學(xué)因素促使相互接觸產(chǎn)生了固化聯(lián)結(jié)鍵，這種固化聯(lián)結(jié)鍵構(gòu)成的土骨架具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使得濕陷性黃土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和強(qiáng)度特性表現(xiàn)出與其他土類明顯不同的特點(diǎn)。濕陷性黃土在其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度未被破壞或軟化的壓力范圍內(nèi)表現(xiàn)出低壓縮性、高強(qiáng)度等特性。但其結(jié)構(gòu)性一旦遭到破壞時(shí)，其力學(xué)性質(zhì)將呈現(xiàn)軟化、濕陷等性狀。影響黃土濕陷性的外界因素主要是外力和水分，內(nèi)在的結(jié)構(gòu)特性是其根本[8-10]，黃土產(chǎn)生濕陷的最根本原因是由于其特殊的結(jié)構(gòu)組成在外界條件下由緊密逐漸變化為疏松破壞[11]。

文章通過對陜北地區(qū)定邊縣郝灘鄉(xiāng)和橫山縣狄青塬黃土的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果和原位測試結(jié)果的總結(jié)，揭露影響黃土濕陷性大小的主要內(nèi)在因素。

1 取樣與研究方法

黃土取樣區(qū)主要位于：① 定邊縣郝灘鄉(xiāng)，高程1 500～1 780 m，為黃土高原北部的黃土低崗斜坡；② 橫山縣塔灣鎮(zhèn)狄青塬，場址區(qū)高程在1 300～1 500 m之間，為黃土塬和丘陵地貌。

巖土試樣采用薄壁取土器(直徑120 mm)，快速靜力連續(xù)壓入法，自地面以下2 m開始取樣，2～10 m取樣間距2 m；10～35 m取樣間距為3 m采集原狀樣品。為保持土樣的原始結(jié)構(gòu)不被破壞，采集的樣品密封。樣品運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后，用常規(guī)壓縮實(shí)驗(yàn)的方法確定黃土的濕陷性。

濕陷系數(shù)δs是判定黃土濕陷性的定量指標(biāo)，由室內(nèi)壓縮試驗(yàn)測定。計(jì)算公式[12]:

(1)

自重濕陷系數(shù)計(jì)算公式[12]:

(2)

濕陷性黃土的濕陷程度可根據(jù)濕陷系數(shù)δs的大小分為：在2 kg壓力下,濕陷系數(shù)δs<0.015為非濕陷性；0.015≤δs≤0.03為濕陷性輕微；0.03≤δs≤0.07為濕陷性中等；δs>0.07為濕陷性強(qiáng)烈。

土的孔隙比e是土試樣中孔隙體積(Vn)與土粒體積(V)之比，表達(dá)式為[12]:

(3)

土的飽和度Sr是土層孔隙中所含水的體積(Vw)與土層孔隙體積(Vn)的比值，表達(dá)式為[12]:

(4)

2 試驗(yàn)結(jié)果

所取黃土物理性質(zhì)室內(nèi)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)成果見表1。黃土標(biāo)準(zhǔn)貫入統(tǒng)計(jì)成果見表2。

3 討 論

3.1 場址區(qū)濕陷性黃土分布深度與濕陷等級

根據(jù)地基土濕陷性試驗(yàn)成果綜合分析：郝灘鄉(xiāng)地層中②層上更新統(tǒng)黃土主要為自重濕陷性土(表3)，自重濕陷量25.0～204.5 mm，其平均值為103.7 mm，總濕陷量72.5～453.0 mm，其平均值為264.3 mm，濕陷深度10.5～22.0 m，濕陷等級主要為自重濕陷Ⅱ級，濕陷性中等；地層中④層中更新統(tǒng)風(fēng)積黃土為非濕陷黃土，基本不具濕陷性。

表1 黃土物理性質(zhì)試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表

表2 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)(N)成果統(tǒng)計(jì)表

狄青塬地層中②層上更新統(tǒng)黃土自重濕陷量280～1 096 mm，其平均值約為709.3 mm，總濕陷量587.4～2 077.5 mm，其平均值為1 344.1 mm，濕陷深度29.5～35.0 m，濕陷等級為Ⅳ級，濕陷性很嚴(yán)重。

在基本相同的氣候條件下，黃土的性質(zhì)具有差異較小的特點(diǎn)[13]，所以郝灘鄉(xiāng)和狄青塬的黃土濕陷性分布深度的研究結(jié)果在其相應(yīng)地區(qū)具有代表性。

表3 濕陷量及濕陷等級統(tǒng)計(jì)表

3.2 黃土含水率、孔隙度、飽和度和密實(shí)度與濕陷系數(shù)的相關(guān)性

試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明：兩處取樣地第1層古土壤上部的黃土(②層黃土)大部分都具有不同程度的濕陷性和自重濕陷性；古土壤下部的黃土(④層黃土)大部分不具有濕陷性和自重濕陷性。

(1) 含水率(W)與濕陷系數(shù)的關(guān)系

如圖1曲線所示，相同性質(zhì)的黃土層，含水率增大，其對應(yīng)的濕陷系數(shù)(δs2.0)減小，所對應(yīng)的黃土的濕陷性減小。

圖1 含水率(W)與濕陷系數(shù)(δs2.0)的關(guān)系圖

(2) 孔隙比(e)與濕陷系數(shù)的關(guān)系

如圖2曲線所示，相同性質(zhì)的黃土層，孔隙比增大，其對應(yīng)的濕陷系數(shù)(δs2.0)增大，所對應(yīng)的黃土的濕陷性變大；當(dāng)孔隙比e<0.75，即達(dá)到密實(shí)程度，濕陷系數(shù)小于0.005。

(3) 飽和度(Sr)與濕陷系數(shù)的關(guān)系

如圖3曲線所示，相同性質(zhì)的黃土層，飽和度增大，其對應(yīng)的濕陷系數(shù)(δs2.0)減小，所對應(yīng)的黃土的濕陷性減小，黃土層飽和度明顯小于相鄰的古土壤，古土壤黏性土含量高、持水性和吸水性較強(qiáng)，使其飽和度明顯大于臨近的黃土層。

圖2 孔隙比(e)與濕陷系數(shù)(δs2.0)的關(guān)系圖

圖3 飽和度(Sr)與濕陷系數(shù)(δs2.0)的關(guān)系圖

(4) 標(biāo)貫擊數(shù)(N)與濕陷系數(shù)的關(guān)系

如圖4曲線所示，不同土層的黃土當(dāng)標(biāo)貫擊數(shù)越高(密實(shí)程度越高)其對應(yīng)的濕陷系數(shù)越小，濕陷性相對越小，據(jù)此可通過原位測試初步判斷黃土濕陷程度。

圖4 標(biāo)貫擊數(shù)(N)與濕陷系數(shù)(δs2.0)的關(guān)系圖

4 結(jié) 語

根據(jù)文章所列舉的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場試驗(yàn)資料可以得出如下結(jié)論：

(1) 具有濕陷性的同一性質(zhì)的黃土層中，含水率與濕陷系數(shù)呈負(fù)相關(guān)性；孔隙比與濕陷系數(shù)呈正相關(guān)性；飽和度與濕陷系數(shù)呈負(fù)相關(guān)性；黃土的密實(shí)度越高，其對應(yīng)的濕陷系數(shù)越小。

(2) 古土壤層的含水率、飽和度和標(biāo)貫擊數(shù)明顯高于臨近的黃土層，孔隙比小于臨近的黃土層，其所對應(yīng)的濕陷系數(shù)(δs2.0)遠(yuǎn)小于臨近的黃土層。

(3) 土層的孔隙比越大，飽和度即越小，所對應(yīng)的濕陷系數(shù)越大?？紫侗群惋柡投染纱硗林锌紫扼w積的大小，有指示黃土濕陷性強(qiáng)弱的作用。

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Study on Collapsibility Tests of Loess in Different North Shaanxi Regions

SU Sheng-wei, WANG Ming-pu, ZHONG Jian-ping

(POWERCHINA Xibei Engineering Co., Ltd., Xi'an 710065,China)

Through the results of lab tests and in situ tests, relationship and correlation of moisture content, porosity ratio, saturation degree, density and collapsibility coefficient of loess in the wind farms in HaotanTownship and Diqingyuan are compared and analyzed. This provides primary judgment of loess collapsibility with reference.

loess, collapsibility coefficient; porosity ratio; saturation degree; moisture content; density

2015-01-08

蘇盛偉(1985- )，男，遼寧省海城市人,助理工程師，主要從事工程勘察設(shè)計(jì)工作.

TU444

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.02.006