黃土濕陷和塌陷機理研究

扶濤濤

摘 要：本文首先分析黃土的成因及黃土分布，然后探討黃土主要成分、地貌類型和性質(zhì)，最后探討黃土濕陷和塌陷的原因，以期為預防自然災害提供科學依據(jù)。

關(guān)鍵詞：黃土濕陷；塌陷；黃土滑坡；黃土陷穴

中圖分類號：P642.26 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）23-0104-02

Discussion on Collapsibility and Collapse Mechanism of Loess

FU Taotao

（Zhengzhou Civil Service Project Administration Bureau，Zhengzhou Henan 450053）

Abstract： This paper first analyzed the causes of loess formation and loess distribution， then discussed the main components of loess， landform types and properties， and finally discussed the causes of loess collapsibility and collapse， in order to provide a scientific basis for the prevention of natural disasters.

Keywords： loess collapsibility；collapse；loess landslide；loess cave

1 黃土成因及黃土分布

黃土是在干旱條件下形成的一種有特殊性狀的土。關(guān)于其成因到目前為止尚無定論，主要有風成說、水成說及冰緣堆積說。其中，風成說為大多數(shù)學者所認可。持風成說觀點的學者認為，世界上大部分黃土都是由風力搬運堆積形成的。其主要論據(jù)有：黃土分布不受地形高低限制；黃土粒度由北向南逐漸變細，這是風力分選的結(jié)果；黃土的礦物組分與下伏基巖無關(guān)，在廣大分布區(qū)域內(nèi)相似而均勻；黃土中的生物化石以干旱地區(qū)的嚙齒類動物和干旱氣候條件下的植物孢粉為主。

黃土在我國分布范圍廣、厚度大、地層全，主要分布區(qū)有陜西、甘肅、山西、河南、河北、山東、內(nèi)蒙古、青海、新疆和東北（三?。?，此外，江蘇、四川也有分布。黃土及黃土狀土總面積約為63.25萬km2。其厚度從數(shù)十米到百余米不等，如涇河、洛河流域厚度達200m[1]。

2 黃土主要成分、地貌類型和性質(zhì)

2.1 黃土的成分

2.1.1 主要礦物成分。黃土的主要礦物成分如下。

①重礦物。包括角閃石、輝石、黑云母和陽起石、綠泥石、褐鐵礦和磁鐵礦等，約占黃土的4%～7%。

②輕礦物和黏土礦物。輕礦物有石英、長石和云母等，約占80%，鹽類礦物有方解石、石膏和重品石及黏土礦，如伊利石和蒙脫石等。

③化學成分。主要有SiO2（>50%）、Al2O3（>10%）、CaO（>7.9%），其次為Fe2O3、MgO、K2O和CaCO3等。

2.1.2 粒度組成。黃土的粒度成分以粉土粒（d為0.05～0.005mm）為主，占30%～60%。其次為細砂（d>0.05mm），約占10%，黏粒（d<0.005mm）占15%～25%。

2.2 黃土地貌特征

黃土地貌按其成因分為堆積地貌和侵蝕地貌。

2.2.1 堆積地貌。堆積地貌又分為以下兩種。

①黃土塬。范圍比較大、桌狀平坦的高地，塬的四周常為深溝切割，有些塬面也為深溝切碎。塬的基底為第四紀堆積物和前第四紀不同時代的地層，上覆厚層黃土。

②黃土梁峁。黃土梁是長條狀垅崗高地，梁的兩側(cè)為深的溝谷。峁是一種圓丘狀高地，是在梁的基礎上發(fā)展起來的，梁被切割成孤立的地塊，再進一步侵蝕形成圓丘。

2.2.2 侵蝕地貌。黃土侵蝕地貌主要有河（溝）谷和沖溝。黃土沖溝是地形低洼地段在水流作用下形成的。由于黃土結(jié)構(gòu)疏松，所以沖溝發(fā)展很快，溝壁常伴隨有崩塌和滑坡。河谷是在大流域沖溝的基礎上發(fā)展起來的，由于大的河谷形成期早，所以后期的風積黃土常覆蓋在河谷的階地上。

2.3 黃土的物理力學性質(zhì)及水理性質(zhì)

2.3.1 比重、容重。黃土的比重一般為24 892～27 832N/m3，平均比重為26 166N/m3，干容重為11 760～17 542N/m3。

2.3.2 黃土的力學性質(zhì)。黃土在干燥狀態(tài)下（天然含水量為10%～15%），壓縮性中等，一般a1-2為0.002～0.006cm2/N，抗剪強度較高，一般內(nèi)摩擦角[?]為15°～25°，凝聚力c為3～6N/cm2。但是，當濕度增加時，壓縮性增大，抗剪強度降低。老黃土壓縮小，抗剪強度大；新近堆積的黃土（Q24），土質(zhì)流松，壓縮性大，抗剪強度低。

2.3.3 黃土的水理性質(zhì)。黃土的塑限Wp為10%～20%；液限WL為26%～34%；塑性指數(shù)Ip為8～14。一般無膨脹性，易崩解。黃土的透水性中等，港透系數(shù)K>1m/d，具有明顯的各向異性，垂直方向滲透系數(shù)比水平方向的滲透系數(shù)大1.5～15倍。

2.3.4 黃土的空隙性。由于黃土是呈骨架式海綿狀結(jié)構(gòu)，因此黃土特別疏松，一般層理不明，孔隙度大，即n為35%～64%，孔隙比e為0.8～1.1。

3 黃土的濕陷和塌陷

3.1 黃土濕陷

黃土濕陷是指表層黃土浸水后產(chǎn)生的沉陷，具有這種沉陷性能的黃土稱為濕陷性黃土。黃土浸水后在自重作用下產(chǎn)生的沉陷稱為自重濕陷，黃土在外部載荷作用下產(chǎn)生的沉陷稱為非自重濕陷。

黃土的濕陷性對建筑工程的基礎穩(wěn)定性有很大的影響。為了保證建筑物的安全，常需要拿出大筆資金對濕陷性黃土基礎進行處理，如西安地區(qū)對黃土的基礎處理費一般占工程費用的4%～8%，個別高達30%。因此，對黃土濕陷性研究，一直是黃土地區(qū)工程地質(zhì)研究的重要課題。

黃土是一種具有特殊性狀的土類。如前所述，黃土結(jié)構(gòu)松散，垂直裂隙發(fā)育，因此有利于大氣降水的入滲。水滲入到土層中之后，會引起黃土骨架式海綿構(gòu)破壞，使黃土中的小顆粒充填到大顆粒之間的孔隙中去，產(chǎn)生所謂結(jié)構(gòu)破壞性沉陷。這是主要是因為，幾乎所有的黃土中都含有少量的黏土礦物。雖然黏土礦物含量很少，但對黃土的結(jié)構(gòu)卻起著很大的作用。在黃土含水量很低時，黏土礦物的黏粒能將黃土中粗細不同的顆粒粘結(jié)在一起，形成海綿狀結(jié)構(gòu)，使黃土保持較高的強度；當黃土浸水后，黏粒的水化膜增厚，使黏結(jié)力降低，骨架式海綿結(jié)構(gòu)解體，黃土顆粒重新排列，使黃土密度變大，孔隙度變小，造成黃土壓縮沉陷。除此以外，造成黃土濕陷的另一個原因是潛蝕作用。當水流沿黃土的垂直裂隙向下運動時，不僅使黃土結(jié)構(gòu)受到破壞，而且還能使一部分小顆粒被流水挾帶，繼續(xù)向更深裂隙的孔隙運動，這樣使表層黃土變得更加疏松。在水流向下運動的同時，水還要溶濾黃土中的可溶鹽，這些可溶鹽被溶解，不僅使黃土空隙進一步增大，還會使黃土結(jié)構(gòu)被破壞。因此，潛蝕作用會使黃土變得疏松、強度降低，其是造成黃土濕陷的另一個原因。

3.2 黃土塌陷

黃土塌陷是由于水流集中沿低洼地段的裂隙向下作垂直方向的涉透運動，產(chǎn)生強烈的機械潛蝕和化學潛蝕作用，使黃土產(chǎn)生類似巖溶的現(xiàn)象。其主要包括黃土碟、黃土陷穴、黃土天生橋、黃土柱。

3.2.1 黃土碟。黃土碟是黃土塬上的一種碟形洼地，其形狀為圓形或橢圓形。一般深可達數(shù)米，直徑為十幾米至二十米，其是由于地表水在較小范圍內(nèi)集中均勻下滲，產(chǎn)生潛蝕作用，使下滲區(qū)內(nèi)黃土產(chǎn)生較大的孔隙。這些孔隙在黃土自身重力作用下壓密，造成地面沉陷。從實質(zhì)來看，其是黃土的自重濕陷，不過這種濕陷的幅度大，主導因素是潛蝕。

3.2.2 黃土陷穴。黃土陷穴也是一種圓形或橢圓形的洼地，其深度要比黃土碟大得多，其直徑和深度之比大至為1∶10。黃土陷穴是在黃土碟的基礎上進一步發(fā)展起來的。黃土陷穴底部有和巖溶落水洞類似的黃土井。黃土陷穴常呈串珠狀分布，在串珠狀陷穴方向，下伏黃土集中徑流帶，類似巖溶暗河。這種“暗河”進一步擴展，造成上覆黃土塌陷形成黃土陷溝，在這種陷溝的局部地段，黃土會形成架空狀態(tài)，就是所謂的黃土天生橋。

3.2.3 黃土滑坡。黃土滑坡形成的機理和其他巖土滑坡形成的機理是相同的，但黃土地區(qū)的滑坡遠較其他地區(qū)頻繁。這是由于黃土地區(qū)易形成陡坡，特別在第四紀以來地殼上升地區(qū)更明顯。另外，黃土的垂直方向節(jié)理發(fā)育，雨季降水易于入滲，造成黃土的內(nèi)聚力和摩擦力降低，加上黃土的潛蝕作用強烈，這些都為黃土的滑坡提供了充分和必要條件。例如，寧夏巴謝河流域在不足500km2范圍內(nèi)，古滑坡和新老滑坡就有200余處，其中大中型滑坡50余處，大多數(shù)是在古滑坡基礎上復活形成的，其中，1983年發(fā)生的灑勒山大滑坡，滑動土石方量達5 000×104m3，推毀了三個村莊。由此可見黃土地區(qū)滑坡的頻繁和破壞性的嚴重。

黃土，這種具有特殊性狀的土，在我國分布范圍廣，對其進行研究對我國內(nèi)陸地區(qū)的建設具有十分重要的意義。

參考文獻：

[1]許領，戴福初，金艷麗.從非飽和土力學角度探討黃土濕陷機制[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2009（4）：62-65.

[2]許領，戴福初.黃土濕陷機理研究現(xiàn)狀及有關(guān)問題探討[J].地質(zhì)力學學報，2009（1）：88-94.