蘭州濕陷黃土物理力學特性分析

茍武元

（甘肅路橋公路投資有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 概述

黃土是第四紀時期的沉積物，形成于干旱、半干旱氣候條件下，并在以風力搬運為主要運動方式下堆積產生的特殊性土體[1]。我國黃土主要分布在黃河中、上游中緯度地帶，其覆蓋面積約為65 萬km2[2]。黃土在其自重壓力或者外界附加壓力作用下，同時受到水體的浸入時結構會發(fā)生顯著性破壞，產生明顯的沉降變形，這類黃土稱之為濕陷性黃土，約占我國黃土總面積的60%以上[3]。在自然界中，黃土濕陷性會造成一系列的自然地質災害，如滑坡、泥流、塌陷、地裂縫等。而在工程建設領域，黃土濕陷性往往會導致邊坡失穩(wěn)、地基沉降、路面坍塌等一系列病害，嚴重影響著修建于濕陷性黃土地區(qū)工程的安全和正常運營[4]。近年來，我國西北部經濟建設步伐明顯加快，同時，隨著國家“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略的提出和實施，我國西北濕陷性黃土地區(qū)的鐵路、公路以及其他基礎建設活動越來越多，因此，準確客觀的研究黃土的濕陷特性以及物理力學特性具有重要的科學意義和工程價值。

2 土樣來源與試驗方案

研究區(qū)域位于隴西黃土高原西部，是青藏高原向黃土高原的過渡帶。地形地貌總體為南北高（黃土溝梁區(qū)），中間低（河谷盆地區(qū)），大部為海拔1500～2000m 的黃土覆蓋的丘陵、盆地，其次為海拔較高的石質山地。按地形地貌可分為黃土梁及黃土溝谷、河流谷地和低山丘陵三個地貌單元。研究區(qū)域地層主要為第四系地層，主要以中、上更新統(tǒng)的黃土堆積為主，特別是上更新統(tǒng)疏松黃土遍布整個研究區(qū)域。研究區(qū)域濕陷性黃土主要可以分為上更新統(tǒng)沖洪積物（Q31al+pl）、上更新統(tǒng)馬蘭黃土（Q32eol）以及第四系全新統(tǒng)（Q4al+pl）三類。上更新統(tǒng)沖洪積物埋藏于馬蘭黃土之下，厚度20～30m，具層理，具有很強的自重濕陷性，夾薄層粉質粘土及中、細砂層。上更新統(tǒng)馬蘭黃土為淺黃色粉土，疏松，質地均勻，具大孔隙，垂直節(jié)理發(fā)育，土體干燥稍濕，具有濕陷性，厚度10～40m 不等。第四系全新統(tǒng)為沖洪積成因堆積層，上部為黃土狀粉土層，常呈紅褐色、褐黃色或黃褐色，具層理，厚度10～15m。

現場才用人工鉆井方式取樣，探井深度約為25m。土樣沿鉆井深度方向以2m 為間隔依次向下制取，取樣總量約為11 個。如圖（1b）所示，將現場制取的原狀試樣進行室內土工試驗，并主要測試土體的孔隙比、含水率、干密度、飽和度、濕陷系數、濕陷起始壓力等參數，分析不同地層深度土體各項物理力學指標變化規(guī)律以及濕陷特征。

圖1 研究區(qū)域以及取樣現場

3 黃土物理力學狀態(tài)和深度的關系

3.1 含水率與飽和度

黃土的含水率以及飽和度沿土體深度方向分布特征如圖2 和圖3 所示，由圖可以看出，黃土的含水率和飽和度分布規(guī)律沿深度方向發(fā)展具有高度的相似性，整體而言，土體含水率和飽和度隨著土體埋深的向下發(fā)展呈先增大后減小的趨勢，0～5m土層含水率大小分布在5.2%～8.3%范圍內，1m 處土體含水率相對較大，這是由于地面表層土體受外界降水影響較大，地表水滲入導致靠近地表的土體局部含水量較大。而隨著埋深的增大，在7～15m 深度范圍內，土體的含水量和飽和度受地下水補給影響呈急劇增大趨勢，15m 處土體的含水量和達到最大值。當深度大于15m 時，土體含水量有一定的較小，整體分布在10%～15%之間。

圖2 黃土含水率分布特征

圖3 黃土飽和度分布特征

黃土含水率及其飽和度對其濕陷性具有重要的影響，當土體含水量較高時，土顆粒間的孔隙水壓力較大，法向引力減小，圖顆粒間的摩擦力、分子引力較小，粘聚力減小，結構強度較低，因此，在漫長的搬運堆積過程中，在自重壓力以及外界壓力作用下容易形成的較為密實和穩(wěn)定的結構特征[3]。對于低含水量黃土，反之亦然，易形成松散的架空結構。因此，一般條件下，對于濕陷性黃土，低含水率一般比高含水率具有更強的濕陷性。

3.2 干密度、孔隙比以及壓縮模量

圖4、圖5、圖6 為試驗鉆孔0m～25m 深度范圍內干密度、孔隙比以及壓縮模量的分布特征。整體而言，干密度、孔隙比以及壓縮模量作為表征土體結構密實程度的主要指標，其值的大小以及沿深度方向的分布特征直接影響著不同地層深度的黃土濕陷特性。由圖可以看出，黃土的干密度以及壓縮模量沿深度方向整體呈增大的趨勢，而孔隙比則呈降低的趨勢。分析原因，這是由于深層黃土受到其上部土體自重壓力較大，同時，由圖2、3 可以看出，較深的土層含水率以及飽和度較大，土粒間摩阻力較小，因此，在自重以及外界壓力的作用下，形成較為密實的結構，單位體積內土顆粒含量較多，土顆粒間孔隙小，可壓縮空間小，結構較為穩(wěn)定[5]。而當土體干密度較小、孔隙比較大時，土體結構較為松散，在浸水與壓力作用下結構容易產生變化，濕陷性較強。

圖4 黃土干密度分布特征

圖5 黃土孔隙比分布特征

圖6 黃土壓縮模量分布特征

4 黃土濕陷特性

黃土濕陷性是指黃土在受到自身上覆壓力或這外界附加壓力作用下，在浸水時發(fā)生結構破壞，產生沉降變形的特性。根據我國濕陷性黃土地區(qū)建筑標準（GB 50025-2018）規(guī)定，黃土濕陷性采用室內浸水壓縮試驗，在一定壓力下測得的濕陷系數δs進行判定[6]。當濕陷系數測試值小于0.015 時，為非濕陷性黃土；當濕陷系數大于0.015 時，為濕陷性黃土。在此基礎上，將黃土濕陷程度劃分為三個等級，當0.015≤δs＜0.03 時，濕陷性輕微；當0.03≤δs＜0.07，濕陷性中等；當δs≥0.07 時，濕陷性強烈。濕陷起始壓力是當黃土在浸水作用時，土體發(fā)生變形的速度和變形量迅速增大時的壓力值，是評價黃土濕陷性的重要指標之一[6]。

圖7、圖8 所示為研究區(qū)域不同深度黃土的濕陷起始壓力以及濕陷系數的分布特征。由圖可以看出，鉆孔深度范圍內黃土濕陷系數均大于0.015，具有濕陷性。土體表層濕陷性較大，1m、3m 深度處土層濕陷系數分別為0.071 和0.08，均呈強濕陷性。隨著深度的增加，在3～9m 深度范圍內，黃土的濕陷性隨著土體埋深的增大快速降低，埋深9m 處黃土濕陷系數為0.026，呈弱濕陷性。此后，隨著深度繼續(xù)增加，在9～25m 深度范圍內，黃土濕陷系數隨著深度的增加呈波動狀穩(wěn)定發(fā)展，其值介于0.022～0.034，屬于中、弱濕陷性黃土。另一方面，如圖7 所示，在淺層0～9m 范圍內，當土體在浸水作用時，外部壓力達到50KPa 時，便會產生較為明顯的變形。而當土體埋深為25m 時，需要施加180kPa 外部壓力才能使得土體發(fā)生濕陷。整體而言，隨著黃土埋深的增加，土體發(fā)生濕陷所需壓力呈增大趨勢。

圖7 黃土濕陷起始壓力分布特征

圖8 黃土濕陷性分布特征

5 結語

通過對蘭州濕陷性黃土地區(qū)不同深度地層的物理力學性質以及濕陷特性進行研究，分析了黃土各項物理力學特性在深度條件下的差異特征，并主要得到以下結論：

1）黃土的含水率以及飽和度隨著深度的發(fā)展呈先增大后減小趨勢，受地下水的補給，土體深度15m 處的含水量和飽和度達到最大值。

2）隨著土體埋深的增加，黃土的干密度、壓縮模量隨呈增大的趨勢，孔隙比則逐漸減小，土顆粒密實度越大，結構穩(wěn)定性越強。

3）黃土的濕陷性隨著土體埋深的增加呈由強濕陷性逐漸減弱至中、弱濕陷性，埋深較大的土體濕陷起始壓力大于淺層黃土。