定西至臨洮高速公路黃土濕陷性試驗研究

孫小紅 （中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430071）

0 前言

黃土在干燥時具有較高的強(qiáng)度，而遇水后表現(xiàn)出明顯的濕陷性，淺部工程力學(xué)性質(zhì)較差，易引發(fā)路基沉降失穩(wěn)，且易形成黃土陷穴、崩塌體，對路基危害較大[1-2]。因此，正確認(rèn)識公路沿線黃土地層工程特性并準(zhǔn)確評價黃土濕陷性對擬建工程具有重要意義。

定西至臨洮高速公路是甘肅東部地區(qū)通往臨夏、甘南、青海南部地區(qū)的一條便捷快速通道。項目主線設(shè)計速度80 km/h、路基寬度25.5m,雙向四車道；全長33.019km。路線區(qū)位見圖1。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，線路處于隴西黃土高原的西部，該地區(qū)干旱少雨，帶有大陸性氣候的特點，沿線廣布風(fēng)積、洪積成因類型的黃土類土。

黃土的濕陷性機(jī)理目前眾多學(xué)者提出了各種假說，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[3-5]。一般來說，黃土濕陷性是由黃土本身特殊的成分和結(jié)構(gòu)所決定的：以石英和長石組成的粉粒為主，礦物親水性較弱，粒度細(xì)而均一，連接雖較強(qiáng)但不抗水；未經(jīng)很好壓實，結(jié)構(gòu)疏松多孔，大孔性明顯。

圖1.路線區(qū)位圖

所以，黃土具有明顯的遇水連接減弱，結(jié)構(gòu)趨向緊密的傾向，即濕陷性。表現(xiàn)為黃土陷穴（見圖2），黃土天生橋（見圖3），黃土柱（見圖4）等微地貌。

圖2 黃土陷穴

圖3 黃土天生橋

圖4 黃土柱

圖5 黃土試樣

本文通過取樣并進(jìn)行測試，對路基沿線黃土濕陷性及工程性質(zhì)進(jìn)行分析，為工程建設(shè)提供合理的理論依據(jù)。

2 黃土濕陷性試驗研究

本次研究在探井和部分鉆孔中采取黃土原狀樣（見圖5）進(jìn)行了420組濕陷性試驗（室內(nèi)壓縮試驗）及常規(guī)物理力學(xué)試驗。土樣試驗主要包括濕陷系數(shù)、含水率、密度、孔隙比、稠度指標(biāo)、壓縮、快剪（直剪）等。

2.1 濕陷程度統(tǒng)計

經(jīng)統(tǒng)計，濕陷系數(shù)大于等于0.015的共275組數(shù)據(jù)，濕陷性黃土試樣比例65.5%。其中，49組濕陷性輕微；98組濕陷性中等的；128組濕陷性強(qiáng)烈?？梢姡蟛糠衷囼灳邼裣菪?，且多為濕陷性中等～強(qiáng)烈。如圖6所示。

2.2 濕陷等級評價

根據(jù)濕陷性試驗數(shù)據(jù)，對場地沿線主要工點進(jìn)行單孔濕陷性判別，根據(jù)濕陷量計算可知，沿線工點黃土多為自重濕陷性，濕陷等級多為Ⅲ～Ⅳ（嚴(yán)重～很嚴(yán)重）；局部為非自重濕陷性黃土，濕陷等級多為Ⅱ～Ⅳ級（中等～很嚴(yán)重）。判別情況見表1。

2.3 黃土物理試驗成果統(tǒng)計及相關(guān)性分析

黃土濕陷性機(jī)理比較復(fù)雜，影響因素眾多，如成因、埋深、含水率、孔隙比、密度、飽和度等與濕陷系數(shù)之間均存在一定的相關(guān)性，本文通過對大量室內(nèi)試驗成果的分析對此進(jìn)行探討。黃土物理性質(zhì)試驗結(jié)果統(tǒng)計見表2。

圖6 試樣濕陷程度統(tǒng)計

黃土濕陷性判別情況一覽表 表1

黃土物理性質(zhì)試驗結(jié)果統(tǒng)計 表2

試驗結(jié)果表明，場地黃土定名可分為粉土及粉質(zhì)粘土兩大類，大部分指標(biāo)離散程度較低，含水率、飽和度及濕陷系數(shù)離散程度略高，特別是濕陷系數(shù)，可見其受到了多因素的復(fù)雜影響。經(jīng)過對黃土物理性質(zhì)指標(biāo)與濕陷性系數(shù)之間的對比分析，得到如下成果：

2.3.1 黃土濕陷性與埋深的關(guān)系

黃土濕陷系數(shù)與埋深的關(guān)系如圖7所示，其中粉土類黃土與粉質(zhì)粘土類黃土在數(shù)據(jù)整體分布上沒有明顯差異，初步分析黃土的濕陷性與塑性指數(shù)無明顯相關(guān)性。

統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示淺層數(shù)據(jù)分布較均勻，10m以下濕陷系數(shù)數(shù)值及分布密度明顯降低。由此可見，隨著埋深的增加，黃土濕陷性整體減弱，但表層數(shù)據(jù)的分布表明黃土的濕陷性顯然與物理結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)更大。統(tǒng)計中將濕陷系數(shù)小于0.015的數(shù)據(jù)剔除，根據(jù)埋深可見本線路中濕陷地層埋深下限約為18.5m。

2.3.2 黃土濕陷性與天然含水率的關(guān)系

黃土濕陷系數(shù)與天然含水量的關(guān)系如圖8所示，其中粉質(zhì)粘土類黃土含水率相對略高，整體數(shù)據(jù)分布顯示濕陷系數(shù)隨含水率上升而減小，且濕陷情形下，粉土類天然含水率在21.2%以內(nèi)，粉質(zhì)粘土類天然含水率在24%以內(nèi)。

圖7 濕陷系數(shù)與埋深關(guān)系

圖8 濕陷系數(shù)與天然含水量關(guān)系

2.3.3 黃土濕陷性與濕密度的關(guān)系

黃土濕陷系數(shù)與濕密度的關(guān)系如圖9，其中粉土與粉質(zhì)黏土數(shù)據(jù)分布上沒有顯著差異，整體呈現(xiàn)濕陷系數(shù)隨著濕密度增大而不斷減小的趨勢。

圖9 濕陷系數(shù)與濕密度關(guān)系

2.3.4 黃土濕陷性與飽和度的關(guān)系

黃土濕陷系數(shù)與飽和度的關(guān)系如圖10，其中粉質(zhì)黏土的起始飽和度整體略高，統(tǒng)計表明濕陷系數(shù)隨著飽和度的增大而逐步減小，而濕陷條件下飽和度的上限約為60%。

圖10 濕陷系數(shù)與飽和度關(guān)系

2.3.5 黃土濕陷性與孔隙比的關(guān)系

黃土濕陷系數(shù)與孔隙比的關(guān)系如圖11，其中粉質(zhì)黏土的孔隙比數(shù)值整體略高，但統(tǒng)計后數(shù)據(jù)分布趨勢較為一致，濕陷系數(shù)隨著孔隙比的增大而逐步增大。圖中可見起始孔隙比約為0.7，上限孔隙比在1.5附近。

2.3.6 黃土濕陷性與液限的關(guān)系

黃土濕陷系數(shù)與液限的關(guān)系如圖12，數(shù)據(jù)顯示二者無明顯相關(guān)性，對比塑限等稠度指標(biāo)亦可以發(fā)現(xiàn)如此規(guī)律。由此說明黃土濕陷性與稠度指標(biāo)關(guān)聯(lián)不大。

圖11 濕陷系數(shù)與孔隙比關(guān)系

圖12 濕陷系數(shù)與液限關(guān)系

3 結(jié)語

在黃土濕陷性機(jī)理的基礎(chǔ)上，結(jié)合濕陷性試驗數(shù)據(jù)，對場地的濕陷量進(jìn)行了計算，評價了濕陷等級，進(jìn)而分析了濕陷系數(shù)與各影響因素之間的相關(guān)性，得出了場地黃土濕陷性特性：

①場地沿線濕陷性黃土比例為65.5%，多為自重濕陷，濕陷等級多為Ⅲ～Ⅳ，粉土與粉質(zhì)黏土類黃土在濕陷特性上沒有明顯差異；

②隨著埋深的增加，黃土濕陷性整體減弱，10m以下濕陷系數(shù)數(shù)值及分布密度明顯降低，濕陷地層埋深下限約為18.5m；

③濕陷系數(shù)隨含水率、濕密度、飽和度的增大而減小，濕陷性黃土天然含水率＜21.2%～24%，飽和度上限約為60%；

④濕陷系數(shù)隨孔隙比的增大而逐步增大，孔隙比范圍約為0.7～1.5，與稠度指標(biāo)關(guān)聯(lián)不大。

[1]聶衛(wèi)東.濕陷性黃土地基設(shè)計[J].安徽建筑，2014，21(06):84-85.

[2]岳彩坤，張立奇.濕陷性黃土地基處理方案比選及應(yīng)用[J].安徽建筑，2011，18(06):108-109+116.

[3]馮連昌，鄭晏武.中國濕陷性黃土[M].北京:中國鐵道出版社，1982.

[4]錢鴻緒，王繼唐.濕陷性黃土地基[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1985.

[5]陳正漢，劉祖典.黃土的濕陷變形機(jī)理[J].巖土工程學(xué)報，1986，12(2):1-2.