晉北地區(qū)黃土濕陷系數(shù)與其物理力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性分析

張光明

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津　300142)

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晉北地區(qū)黃土濕陷系數(shù)與其物理力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性分析

張光明

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300142)

通過對晉北地區(qū)大量的黃土室內(nèi)濕陷性試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究黃土濕陷系數(shù)與天然孔隙比、天然密度、天然含水量、壓縮模量、塑性指數(shù)和液性指數(shù)6種常規(guī)物性參數(shù)之間的相關(guān)性，結(jié)果顯示：黃土濕陷系數(shù)與天然孔隙比之間呈正相關(guān)關(guān)系；與天然密度、天然含水量、壓縮模量、塑性指數(shù)和液性指數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；探討不同濕陷強(qiáng)度黃土的天然孔隙比、天然密度、天然含水量及液性指數(shù)的分布規(guī)律，結(jié)果顯示：該地區(qū)濕陷性黃土的天然孔隙比大于0.6，天然密度小于1.9 g/cm3，天然含水量小于22%，液性指數(shù)小于0.25。

黃土；濕陷性；孔隙比；密度；含水量

黃土作為一種特殊土，具有直立性、大孔隙、濕陷性等特點(diǎn)，其濕陷性對鐵路工程的危害性巨大，嚴(yán)重威脅鐵路的運(yùn)營安全。要求在鐵路勘察期間必須查明黃土的濕陷強(qiáng)度和等級。目前對黃土濕陷性的評價(jià)主要是根據(jù)室內(nèi)黃土濕陷性試驗(yàn)來進(jìn)行的，所以在勘察過程中除了需對黃土進(jìn)行常規(guī)的土工試驗(yàn)外，還要進(jìn)行室內(nèi)濕陷性試驗(yàn)，而有時(shí)很多黃土土樣的濕陷性試驗(yàn)結(jié)果顯示其并不具有濕陷性，這樣就造成了部分試驗(yàn)的浪費(fèi)，通過探討黃土濕陷強(qiáng)度與天然密度、天然含水量、孔隙比、壓縮模量等常規(guī)試驗(yàn)參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，將有助于今后在該地區(qū)進(jìn)行類似的工程勘察時(shí)，根據(jù)常規(guī)土工試驗(yàn)結(jié)果對黃土的濕陷性進(jìn)行初步判定，這樣可有效地減少這種試驗(yàn)浪費(fèi)，提高該地區(qū)濕陷性黃土的勘察效率。

1　黃土濕陷的機(jī)理

黃土濕陷的產(chǎn)生是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)過程，是內(nèi)部因素和外部條件共同作用下的結(jié)果。首先，濕陷性黃土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由顆粒骨架及骨架與顆粒之間的空洞兩部分組成，其高孔隙度為黃土濕陷的產(chǎn)生提供了空間條件；其次，黃土的強(qiáng)度取決于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，即顆粒間的相互連接強(qiáng)度。黃土顆粒間的點(diǎn)接觸面積小，顆粒之間除了包裹顆粒的黏土“薄殼”和鹽晶膜外，只有極少的鹽晶和粘膠微粒附在接觸點(diǎn)處，這種點(diǎn)接觸的連接強(qiáng)度低，在較小的壓力作用下即可遭到破壞；最后，黃土浸水后，在水膜的楔入作用、水溶解作用以及黏土顆粒吸水膨脹作用下黃土顆粒之間的連接強(qiáng)度遭到破壞，導(dǎo)致黃土的強(qiáng)度急劇下降，在外力作用下黃土顆粒發(fā)生重新排列組合，即產(chǎn)生黃土的沉陷。

2　黃土濕陷系數(shù)與其物理力學(xué)參數(shù)的相關(guān)性分析

對山西晉北地區(qū)某鐵路工程勘察過程中黃土的室內(nèi)濕陷性試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，分析了黃土的濕陷強(qiáng)度與其物理力學(xué)參數(shù)之間的相關(guān)性。

2.1濕陷性與天然孔隙比的相關(guān)性分析

圖3　黃土濕陷系數(shù)與含水量及飽和度的關(guān)系

天然孔隙比是反映土體孔隙體積大小的指標(biāo)之一，黃土的孔隙性為其濕陷產(chǎn)生提供了空間條件，孔隙度越高，黃土發(fā)生濕陷的潛力也越大。圖1中的試驗(yàn)結(jié)果也證明了這一點(diǎn)：黃土濕陷系數(shù)隨天然孔隙比增大而增大。

圖1　黃土濕陷系數(shù)與天然孔隙比的關(guān)系

2.2濕陷性與天然密度的相關(guān)性分析

圖2顯示，黃土濕陷系數(shù)與黃土的天然密度存在一定的相關(guān)性：整體上看，黃土的濕陷系數(shù)隨天然密度的增大而減小。對這一規(guī)律的解釋為，黃土的天然密度在一定程度上代表了其天然密實(shí)程度，天然密度越大，說明其密實(shí)度也越大，黃土的孔隙度就越小，并且顆粒之間的固結(jié)程度也越高，所以其產(chǎn)生濕陷的能力也就越低。

圖2　黃土濕陷系數(shù)與天然密度的關(guān)系

2.3濕陷系數(shù)與天然含水量的相關(guān)性分析

水是黃土產(chǎn)生濕陷的最重要的外部因素，文獻(xiàn)[1]認(rèn)為黃土的濕陷系數(shù)與其天然含水量不呈線性相關(guān)；文獻(xiàn)[2]認(rèn)為黃土濕陷性與含水量呈正比關(guān)系，即含水量越高，濕陷性越強(qiáng)。而從圖3可以明顯看出：黃土的天然含水量越大，飽和度越高，其濕陷系數(shù)越小，二者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

天然含水量少，說明在天然條件下水對土體結(jié)構(gòu)的破壞程度有限，土顆粒間的剩余連接強(qiáng)度依然較大，土體仍然保持著較高的孔隙度；而天然含水量較大時(shí)，土顆粒間的連接可能已經(jīng)遭受水的嚴(yán)重破壞，部分或大部分土體顆粒在外力作用下已發(fā)生過重新排列組合，此時(shí)土體再度浸水發(fā)生濕陷的能力比較弱。

2.4濕陷系數(shù)與壓縮模量的相關(guān)性分析

文獻(xiàn)[3]認(rèn)為在選定的50～100 kPa壓力區(qū)間內(nèi)，隨壓縮模量的增大黃土的濕陷系數(shù)也增大。而圖4所示黃土濕陷性與壓縮模量的關(guān)系，整體上表現(xiàn)為壓縮模量越大，黃土的濕陷性越弱。這是因?yàn)閴嚎s模量是土體強(qiáng)度的綜合反映，黃土的強(qiáng)度主要受黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度決定，壓縮模量越大說明土顆粒之間的連接和膠結(jié)強(qiáng)度也越高，抵抗水的破壞能力也就越強(qiáng)，因此高壓縮模量的黃土，其濕陷變形的能力會相對較弱[4]。

圖4　黃土濕陷系數(shù)與壓縮模量的關(guān)系

2.5濕陷系數(shù)與塑性指數(shù)的相關(guān)性分析

(1)

式中IP——塑性指數(shù)；

wL——土體液限；

wP——土體塑限。

塑性指數(shù)反映了土體中黏粒含量的多少，黏粒含量越多，土體的塑性指數(shù)越大。文獻(xiàn)[5]研究了西安地區(qū)黃土濕陷性與塑性指數(shù)的關(guān)系，認(rèn)為黃土濕陷性與塑性指數(shù)之間不呈正或負(fù)相關(guān)關(guān)系。圖5顯示，黃土濕陷性大小與塑性指數(shù)之間存在一定內(nèi)在聯(lián)系，土體的濕陷性隨塑性指數(shù)增大，黏粒含量增多，呈減弱趨勢，二者近似呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖5　黃土濕陷系數(shù)與塑性指數(shù)的關(guān)系

2.6濕陷系數(shù)與液性指數(shù)的相關(guān)性分析

(2)

式中IL——液性指數(shù)；

w——土體的含水量。

液性指數(shù)反映土體的堅(jiān)硬程度，液性指數(shù)越大，表示土體越軟。圖6顯示，黃土濕陷系數(shù)隨液性指數(shù)的增大而減小，即黃土越軟，其濕陷性越小。

圖6　黃土濕陷系數(shù)與塑性指數(shù)的關(guān)系

3　不同濕陷強(qiáng)度的黃土物理力學(xué)參數(shù)的分布規(guī)律

《鐵路工程特殊巖土工程勘察規(guī)程》中根據(jù)濕陷系數(shù)大小將黃土分為非濕陷性、輕微濕陷性、中等濕陷性及強(qiáng)烈濕陷性4類，見表1[6]。以下分析了該地區(qū)不同濕陷強(qiáng)度的黃土，其天然孔隙比、天然密度、天然含水量以及液性指數(shù)的分布規(guī)律。

表1　黃土濕陷性分類

3.1不同濕陷強(qiáng)度黃土的孔隙特征對比

不同濕陷強(qiáng)度黃土的孔隙比分布特征如圖7所示，其中非濕陷性黃土的孔隙比為0.5～0.9；輕微濕陷性黃土的孔隙比主要分布在0.6～1.2；中等濕陷性黃土的孔隙比主要分布在0.7～1.4；強(qiáng)烈濕陷性黃土的孔隙比大于0.8。

圖7　不同濕陷強(qiáng)度黃土的孔隙性對比

3.2不同濕陷強(qiáng)度黃土的天然密度對比

不同濕陷強(qiáng)度的黃土，其天然密度的分布范圍也有一定的規(guī)律，如圖8所示，非濕陷性黃土的天然密度主要為1.6～2.1 g/cm3；輕微濕陷性黃土的天然密度主要分布在1.3～1.9 g/cm3；中等濕陷性黃土的天然密度為1.2～1.7 g/cm3；強(qiáng)烈濕陷性黃土的天然密度小于1.7 g/cm3。

圖8　不同濕陷強(qiáng)度黃土的天然密度對比

3.3不同濕陷強(qiáng)度黃土的天然含水量對比

不同濕陷強(qiáng)度黃土的天然含水量的分布特征如圖9所示。非濕陷性黃土的天然含水量分布范圍主要為8%～27%；輕微濕陷性黃土的天然含水量分布范圍為5%～22%；中等濕陷性黃土的天然含水量主要分布在5%～17%；強(qiáng)烈濕陷性黃土的天然含水量小于15%。

圖9　不同濕陷強(qiáng)度黃土的含水量對比

3.4不同濕陷強(qiáng)度黃土的液性指數(shù)對比

圖10所示，不同濕陷強(qiáng)度的黃土，其液性指數(shù)的分布范圍也不同，非濕陷性黃土的液性指數(shù)主要分布在-0.75～0.75，土體的狀態(tài)為堅(jiān)硬～軟塑；輕微濕陷性黃土的液性指數(shù)范圍為-1.5～0.25，土體的狀態(tài)為堅(jiān)硬～硬塑；中等濕陷性黃土的液性指數(shù)范圍為-1.4～0.1，土體的狀態(tài)為堅(jiān)硬～硬塑；強(qiáng)烈濕陷性黃土的液性指數(shù)小于-0.075，土體的狀態(tài)為堅(jiān)硬。

圖10　不同濕陷強(qiáng)度黃土的液性指數(shù)對比

4　結(jié)論

通過對晉北地區(qū)黃土濕陷強(qiáng)度與其物理力學(xué)參數(shù)的相關(guān)性分析，得出以下結(jié)論。

(1)黃土濕陷強(qiáng)度隨天然孔隙比增大而增大，二者呈正相關(guān)關(guān)系；而隨天然密度、天然含水量、壓縮模量、塑性指數(shù)和液性指數(shù)增大而減小，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(2)不同濕陷強(qiáng)度黃土的天然孔隙比、天然密度、天然含水量以及液性指數(shù)的主要分布范圍存在一定規(guī)律：非濕陷性黃土的天然孔隙比0.5～0.9，天然密度1.6～2.1 g/cm3，天然含水量8%～27%，液性指數(shù)-0.75～0.75；濕陷性黃土的天然孔隙比大于0.6，天然密度小于1.9 g/cm3，天然含水量小于22%，液性指數(shù)小于0.25。

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Analysis of the Correlation between Loess Collapsibility Coefficient and Its Physical Mechanics Properties in North Region of Shanxi

ZHANG Guang-ming

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300142，China)

This paper studies the correlation between loess collapsibility coefficient and natural porosity ratio，natural density，natural water content，compressibility modulus，plastic index，liquidity index based on large amount of loess collapsibility experimental data in north region of shanxi.The study results show that there is positive correlation between loess collapsibility coefficient and natural porosity ratio.The correlations between loess collapsibility coefficient and natural density，natural water content，compressibility modulus，plastic index and liquidity index are negative.The studies of the natural porosity ratio，natural density，natural water content and liquidity index in loess of different collapsibility strength show that the natural porosity ratio of collapsible loess is more than 0.6，natural density is less than 1.9 g/cm3，natural water content is less than 22%，and its liquidity index is less than 0.25.

Loess; Collapsibility; Porosity ratio; Density; Water content

2016-03-21；

2016-03-29

張光明(1986—)，男，工程師，2014年畢業(yè)于西南交通大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)，工學(xué)博士，E-mail：guangming3522@163.com。

1004-2954(2016)10-0036-04

TU444

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.10.009