延慶規(guī)劃新城黃土狀土濕陷性研究

張 威，王文霞

（北京市地質工程勘察院，北京 100048）

0 緒論

延慶新城位于首都“兩軸—兩帶—多中心”結構的西部發(fā)展帶中，是首都重要的生態(tài)屏障。延慶規(guī)劃新城范圍內(nèi)黃土狀土分布較少，但其周邊即勘查工作區(qū)范圍內(nèi)的東南部分布有黃土狀土，因其直觀的物理力學性質指標較好，工程建設中往往容易被人忽略，但其作為一種特殊土，具有疏松多孔、大孔隙、垂直節(jié)理及裂隙的結構；其在自重或一定壓力作用下，受水浸濕后結構迅速破壞從而產(chǎn)生顯著的附加沉陷。其濕陷性對建構筑物的影響主要是浸水后在附加荷載作用下發(fā)生濕陷，地基承載力降低，并產(chǎn)生較大的變形，嚴重影響建筑物的安全，在未來新城建設及配套工程的建設中會產(chǎn)生較大影響，因此對黃土狀土的研究具有重要的意義。

1 黃土狀土成因及分布特征

工作區(qū)內(nèi)黃土狀土呈淺黃色或黃色，以粉粒為主，顆粒較均勻，結構疏松，有蟲孔及植物根系，具有肉眼可見的大孔隙，垂直節(jié)理較發(fā)育，屬上更新統(tǒng)洪沖積黃土狀土，分布于延慶新城工作區(qū)的東南部（圖1），面積約為62.97km2。黃土狀土厚度分布不均，厚度平均9m，局部大于11m。

圖1 延慶新城工作區(qū)黃土狀土厚度分布圖

2 物質組成和結構特征

（1）礦物成分

由黃土狀土的X射線粉晶衍射分析結果表明，工作區(qū)內(nèi)的黃土狀土主要是＞0.05mm的碎屑粉粒及＞0.01mm的粗粉砂顆粒構成的，膠結物質以粒徑在500～200 μm以下的石英、長石、云母、非晶質碳酸鈣微粒和粘粒礦物最為多見，其中石英含量約40%，長石含量約30%，非晶質碳酸鈣微粒含量約10%，伊利石、綠泥石和蒙脫石等粘粒礦物含量各約5%左右。

（2）粒度成分

區(qū)內(nèi)黃土狀土顆粒組成見表1， 從表中可以看出，黃土狀土以粉粒為主，其含量為57%～68%，砂粒含量在24%～33%之間，而粘粒含量為8%～16%。黃土狀土粒度成分隨深度有明顯變化，砂粒含量隨深度減小，而粉粒和粘粒含量隨深度逐漸增大。

（3）結構特征

通過延慶新城大榆樹鎮(zhèn)大泥河附近及楊戶莊南區(qū)附近黃土狀土的掃描電鏡顯微圖像（照片1）觀察，黃土狀土微結構以粒狀顆粒為主，顆粒形狀多呈棱角狀，少數(shù)磨圓度較好，碳酸鈣未被淋浴，顆粒連接以點接觸為主，存在明顯的架空現(xiàn)象。膠結物主要是伊利石，高嶺石粘土礦物，呈鱗片狀粘附在粗顆粒表面，膠結物的含量較少，成薄膜狀包著顆粒，以顆粒直接接觸為主，接觸點處有極少的碳酸鈣和粘膠微粒，連接脆弱，多屬接觸式膠結，膠結程度較弱。顆粒間孔隙發(fā)育，并含有蟲孔，孔隙聯(lián)通。

3 物理力學性質

本區(qū)黃土狀土的天然密度ρ為1.5～1.89 g/cm3，含水量w為4.0%～14.3%，孔隙比e0為0.51～0.96，塑性指數(shù)Ip為5～8.5，液性指數(shù)IL均小于0。黃土狀土的壓縮模量為5.4～25.3MPa，內(nèi)摩擦角為6.6°～23.7°，粘聚力c為6.0～22.0kPa，標貫擊數(shù)N為7～37，承載力為150～180kPa，黃土狀土的強度具有隨深度增大，壓縮性隨深度減小的特點。

4 濕陷性特征與影響因素分析

（1）濕陷性特征

黃土狀土濕陷系數(shù)是評價其濕陷性的重要參數(shù)。區(qū)內(nèi)黃土狀土具有不同程度的濕陷性，濕陷系數(shù)δs為0.002～0.067。濕陷性屬輕微—中等。

在JH1（大泥河村南）和JH2（上辛莊村西）兩個探坑中對黃土狀土進行了為期14天的現(xiàn)場浸水試驗，探坑內(nèi)各布置觀測點5個。JH1探坑最大濕陷量達8.8mm，JH2探坑最大濕陷量達6.3mm，濕陷曲線見圖2和圖3。

由圖中可以明顯的看出本區(qū)黃土狀土的濕陷變化的5個階段，即初期平緩段、初期陡降段、中期平緩段、中期陡降段和后期穩(wěn)定段。

初期平緩發(fā)展段：在浸水試驗開始至2～3天左右，黃土狀土濕陷呈現(xiàn)平緩發(fā)展的狀態(tài)，此期間是表層的黃土狀土由天然含水狀態(tài)逐漸向飽和狀態(tài)的發(fā)展階段，濕陷量隨著土體的飽和而逐漸發(fā)展。

初期陡降段：隨著表層黃土狀土的含水狀態(tài)逐漸達到飽和，濕陷量迅速增大，達到初期濕陷量的最大值。

中期平緩段：當表層黃土狀土達到飽和狀態(tài)濕陷穩(wěn)定時，中下部的土體尚未被水浸泡，濕陷量未出現(xiàn)明顯的增長。

中期陡降段：在中下部土體逐漸隨著水的下滲由天然含水狀態(tài)過渡到飽和狀態(tài)的過程中，濕陷量快速增長直至土體完全飽和。

圖2 JH1探坑黃土狀土浸水試驗濕陷曲線

圖3 JH2探坑黃土狀土浸水試驗濕陷曲線

后期穩(wěn)定段：在中下部土體達到完全飽和的狀態(tài)后，土體的濕陷量也達到相對穩(wěn)定的階段，這個階段黃土狀土的濕陷量增長緩慢或幾乎不再增加。

（2）影響濕陷的因素分析

影響黃土狀土濕陷性強弱的因素是多方面的，可歸納為內(nèi)因和外因兩個方面，其本身的物質組成和微觀結構是內(nèi)因，水和應力的作用是外因。研究表明，影響黃土狀土濕陷的主要因素有物質組分、微觀結構、天然含水量、孔隙比、干密度、飽和度等。

①物質組分

試驗表明，本區(qū)黃土狀土以粗粉粒占優(yōu)勢，砂粒和粘粒含量比較少。砂粒和粗粉?？梢詾槭?、長石等原生礦物碎屑。黃土狀土的骨架顆粒主要是＞0.05mm的碎屑粉粒及＞0.01mm的粗粉砂顆粒構成的，膠結物質以粒徑在500～200μm以下的石英、長石、云母、非晶質碳酸鈣微粒和粘粒礦物最為多見。黃土狀土中骨架顆粒大小懸殊，導致其分布的復雜性，從而可能造成在荷載時應力集中于粗大的顆粒上，另一些細顆粒或膠結物上應力相應分散，促使骨架顆粒之間相對位移的發(fā)生；同時骨架顆粒周圍的粘粒分布不均，使得土體結構強度各處不一。一般粉粒含量越高，濕陷性越強，而粘粒含量增多，濕陷性減弱。

②微結構

由黃土狀土的電鏡顯微圖像觀察可知，區(qū)內(nèi)黃土狀土微結構以粒狀顆粒為主，顆粒形狀多呈棱角狀，砂粒和粗粉粒以點接觸為主或彼此分離，顆粒連接膠結程度弱， 存在明顯的架空空隙，呈粒狀架空結構。當水侵入并削弱連接強度時，在一定壓力下就會失去穩(wěn)定， 孔隙周圍的顆粒落入孔內(nèi)，造成濕陷現(xiàn)象，尤其是點接觸的架空孔隙更易產(chǎn)生濕陷。膠結物主要是粘土礦物伊利石，呈鱗片狀粘附在粗顆粒表面，膠結物的含量較少，成薄膜狀包著顆粒，以顆粒直接接觸為主，接觸點處有極少的鹽品和粘膠微粒，連接脆弱，多屬接觸式膠結。因而從微觀結構特征上看黃土狀土濕陷性相對較強。

③含水量

水對黃土狀土濕陷性主要是通過影響黃土狀土物質（膠結物）并進而影響微結構來體現(xiàn)的，黃土狀土微結構的形成需要適量的水分，如通過溶解淋濾等水化學作用，膠結物使顆粒之間相互連接，膠結物的狀態(tài)及其在黃土狀土顆粒間的分布受水分控制，有各種不同的膠結方式及連接牢固程度，因此適量的水有利于黃土狀土形成較穩(wěn)定的結構，是黃土狀土微結構的有利因素。

區(qū)內(nèi)黃土狀土的天然含水率w為4.0%～16.9%，天然含水量w與濕陷系數(shù)δs的關系見圖4，從圖中可知，天然含水量對黃土狀土濕陷性影響較大，二者呈負指數(shù)關系，這是由于黃土狀土中的天然含水量越大，其遇水后結構改變的幅度就越小，故濕陷性越小，當含水量大于13%時，該區(qū)的黃土狀土基本不具有濕陷性。

④孔隙比

圖4 濕陷系數(shù)與含水量之間的關系曲線

孔隙比是反映黃土狀土中孔隙和裂隙的多少以及結構特征的指標。黃土狀土的一大特點是富含孔隙，正因為有如此之多的孔隙，有利于水入滲及與顆粒發(fā)生作用，同時為黃土狀土濕陷提供了空間?？紫侗鹊拇笮S土狀土本身的強度、濕陷性都有很大影響。在一般情況下，孔隙比大的大孔架空結構的黃土狀土在外力和內(nèi)力作用下容易破壞，易濕陷；相反，孔隙比小的結構膠結程度好的黃土狀土在相同力的作用下不易濕陷。一般在其他條件相同時的情況下，孔隙比越大，孔隙和裂隙越多，濕陷性越強。

區(qū)內(nèi)黃土狀土的孔隙比e為0.50～0.96，黃土狀土孔隙比e與濕陷系數(shù)δs之間的關系見圖5，由圖可知，孔隙比對黃土狀土濕陷性有顯著影響，陷性系數(shù)δs與孔隙比e呈指數(shù)正相關關系，即孔隙比大，濕陷系數(shù)越大。如大榆樹鎮(zhèn)等地的黃土狀土孔隙比為0.8～0.9，土處于稍密～松散狀態(tài)，濕陷系數(shù)較大，最大達0.067，當其孔隙比小于0.65時，該區(qū)的黃土狀土基本不具有濕陷性。

圖5 濕陷系數(shù)與孔隙比之間的關系曲線

⑤干容重

干容重是黃土狀土的主要物理指標，區(qū)內(nèi)黃土狀土的干容重為1.39～1.70 g/cm3，黃土狀土干容重與濕陷系數(shù)關系如圖6所示，兩者基本成負的線性相關性，干密度越小，濕陷性越強，當黃土狀土ρd＞1.65g/cm3，濕陷性不明顯。干容重與深度的關系較大，埋深深度越深，隨著深度的增加，土樣的特大孔隙和大孔隙逐漸減少，中孔隙、小孔隙、微孔隙增加，土體逐漸變得密實，故濕陷性在深度上呈現(xiàn)減弱的趨勢。

圖6 濕陷系數(shù)與干容重之間的關系曲線

5 結論與建議

（1）黃土狀土主要分布于延慶新城勘查工作區(qū)的東南部，屬于局部分布，且具有一定聚集性。

（2）延慶新城工作區(qū)內(nèi)的黃土狀土以粉粒為主，其濕陷性屬輕微—中等，濕陷性隨深度呈逐漸減弱的趨勢，其濕陷經(jīng)歷五級變化階段才能最終達到穩(wěn)定。

（3）粘粒含量、含水量、孔隙比及干容重是影響該區(qū)黃狀土土濕陷性的主要因素，隨著含水量的增大，該區(qū)黃土狀土濕陷性呈現(xiàn)負指數(shù)變化的趨勢。當含水量大于13%時，該區(qū)的黃土狀土基本不具有濕陷性；隨著孔隙比的增大，濕陷性逐漸增強，二者成指數(shù)相關關系，當其孔隙比小于0.65時，該區(qū)的黃土狀土基本不具有濕陷性；干容重指標與濕陷性成負相關關系，且該區(qū)黃土在干容重大于1.65g/cm3時，基本不具有濕陷性。

（4）工作區(qū)內(nèi)黃土狀土以自重濕陷為主，濕陷性屬輕微—中等，濕陷性隨深度呈逐漸減弱的趨勢。

（5）對規(guī)劃新城工作區(qū)內(nèi)的黃土狀土，在未來詳細勘察階段宜有針對性地開展工作，進一步查明其工程性狀，并采取相應工程處理措施，對于淺基礎工程、道路工程、潛埋線性工程尤其是水工類工程具有重要意義。

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