延庆规划新城黄土状土湿陷性研究

张 威，王文霞

（北京市地质工程勘察院，北京 100048）

0 绪论

延庆新城位于首都“两轴—两带—多中心”结构的西部发展带中，是首都重要的生态屏障。延庆规划新城范围内黄土状土分布较少，但其周边即勘查工作区范围内的东南部分布有黄土状土，因其直观的物理力学性质指标较好，工程建设中往往容易被人忽略，但其作为一种特殊土，具有疏松多孔、大孔隙、垂直节理及裂隙的结构；其在自重或一定压力作用下，受水浸湿后结构迅速破坏从而产生显著的附加沉陷。其湿陷性对建构筑物的影响主要是浸水后在附加荷载作用下发生湿陷，地基承载力降低，并产生较大的变形，严重影响建筑物的安全，在未来新城建设及配套工程的建设中会产生较大影响，因此对黄土状土的研究具有重要的意义。

1 黄土状土成因及分布特征

工作区内黄土状土呈浅黄色或黄色，以粉粒为主，颗粒较均匀，结构疏松，有虫孔及植物根系，具有肉眼可见的大孔隙，垂直节理较发育，属上更新统洪冲积黄土状土，分布于延庆新城工作区的东南部（图1），面积约为62.97km2。黄土状土厚度分布不均，厚度平均9m，局部大于11m。

图1 延庆新城工作区黄土状土厚度分布图

2 物质组成和结构特征

（1）矿物成分

由黄土状土的X射线粉晶衍射分析结果表明，工作区内的黄土状土主要是＞0.05mm的碎屑粉粒及＞0.01mm的粗粉砂颗粒构成的，胶结物质以粒径在500～200 μm以下的石英、长石、云母、非晶质碳酸钙微粒和粘粒矿物最为多见，其中石英含量约40%，长石含量约30%，非晶质碳酸钙微粒含量约10%，伊利石、绿泥石和蒙脱石等粘粒矿物含量各约5%左右。

（2）粒度成分

区内黄土状土颗粒组成见表1， 从表中可以看出，黄土状土以粉粒为主，其含量为57%～68%，砂粒含量在24%～33%之间，而粘粒含量为8%～16%。黄土状土粒度成分随深度有明显变化，砂粒含量随深度减小，而粉粒和粘粒含量随深度逐渐增大。

（3）结构特征

通过延庆新城大榆树镇大泥河附近及杨户庄南区附近黄土状土的扫描电镜显微图像（照片1）观察，黄土状土微结构以粒状颗粒为主，颗粒形状多呈棱角状，少数磨圆度较好，碳酸钙未被淋浴，颗粒连接以点接触为主，存在明显的架空现象。胶结物主要是伊利石，高岭石粘土矿物，呈鳞片状粘附在粗颗粒表面，胶结物的含量较少，成薄膜状包着颗粒，以颗粒直接接触为主，接触点处有极少的碳酸钙和粘胶微粒，连接脆弱，多属接触式胶结，胶结程度较弱。颗粒间孔隙发育，并含有虫孔，孔隙联通。

3 物理力学性质

本区黄土状土的天然密度ρ为1.5～1.89 g/cm3，含水量w为4.0%～14.3%，孔隙比e0为0.51～0.96，塑性指数Ip为5～8.5，液性指数IL均小于0。黄土状土的压缩模量为5.4～25.3MPa，内摩擦角为6.6°～23.7°，粘聚力c为6.0～22.0kPa，标贯击数N为7～37，承载力为150～180kPa，黄土状土的强度具有随深度增大，压缩性随深度减小的特点。

4 湿陷性特征与影响因素分析

（1）湿陷性特征

黄土状土湿陷系数是评价其湿陷性的重要参数。区内黄土状土具有不同程度的湿陷性，湿陷系数δs为0.002～0.067。湿陷性属轻微—中等。

在JH1（大泥河村南）和JH2（上辛庄村西）两个探坑中对黄土状土进行了为期14天的现场浸水试验，探坑内各布置观测点5个。JH1探坑最大湿陷量达8.8mm，JH2探坑最大湿陷量达6.3mm，湿陷曲线见图2和图3。

由图中可以明显的看出本区黄土状土的湿陷变化的5个阶段，即初期平缓段、初期陡降段、中期平缓段、中期陡降段和后期稳定段。

初期平缓发展段：在浸水试验开始至2～3天左右，黄土状土湿陷呈现平缓发展的状态，此期间是表层的黄土状土由天然含水状态逐渐向饱和状态的发展阶段，湿陷量随着土体的饱和而逐渐发展。

初期陡降段：随着表层黄土状土的含水状态逐渐达到饱和，湿陷量迅速增大，达到初期湿陷量的最大值。

中期平缓段：当表层黄土状土达到饱和状态湿陷稳定时，中下部的土体尚未被水浸泡，湿陷量未出现明显的增长。

中期陡降段：在中下部土体逐渐随着水的下渗由天然含水状态过渡到饱和状态的过程中，湿陷量快速增长直至土体完全饱和。

图2 JH1探坑黄土状土浸水试验湿陷曲线

图3 JH2探坑黄土状土浸水试验湿陷曲线

后期稳定段：在中下部土体达到完全饱和的状态后，土体的湿陷量也达到相对稳定的阶段，这个阶段黄土状土的湿陷量增长缓慢或几乎不再增加。

（2）影响湿陷的因素分析

影响黄土状土湿陷性强弱的因素是多方面的，可归纳为内因和外因两个方面，其本身的物质组成和微观结构是内因，水和应力的作用是外因。研究表明，影响黄土状土湿陷的主要因素有物质组分、微观结构、天然含水量、孔隙比、干密度、饱和度等。

①物质组分

试验表明，本区黄土状土以粗粉粒占优势，砂粒和粘粒含量比较少。砂粒和粗粉粒可以为石英、长石等原生矿物碎屑。黄土状土的骨架颗粒主要是＞0.05mm的碎屑粉粒及＞0.01mm的粗粉砂颗粒构成的，胶结物质以粒径在500～200μm以下的石英、长石、云母、非晶质碳酸钙微粒和粘粒矿物最为多见。黄土状土中骨架颗粒大小悬殊，导致其分布的复杂性，从而可能造成在荷载时应力集中于粗大的颗粒上，另一些细颗粒或胶结物上应力相应分散，促使骨架颗粒之间相对位移的发生；同时骨架颗粒周围的粘粒分布不均，使得土体结构强度各处不一。一般粉粒含量越高，湿陷性越强，而粘粒含量增多，湿陷性减弱。

②微结构

由黄土状土的电镜显微图像观察可知，区内黄土状土微结构以粒状颗粒为主，颗粒形状多呈棱角状，砂粒和粗粉粒以点接触为主或彼此分离，颗粒连接胶结程度弱， 存在明显的架空空隙，呈粒状架空结构。当水侵入并削弱连接强度时，在一定压力下就会失去稳定， 孔隙周围的颗粒落入孔内，造成湿陷现象，尤其是点接触的架空孔隙更易产生湿陷。胶结物主要是粘土矿物伊利石，呈鳞片状粘附在粗颗粒表面，胶结物的含量较少，成薄膜状包着颗粒，以颗粒直接接触为主，接触点处有极少的盐品和粘胶微粒，连接脆弱，多属接触式胶结。因而从微观结构特征上看黄土状土湿陷性相对较强。

③含水量

水对黄土状土湿陷性主要是通过影响黄土状土物质（胶结物）并进而影响微结构来体现的，黄土状土微结构的形成需要适量的水分，如通过溶解淋滤等水化学作用，胶结物使颗粒之间相互连接，胶结物的状态及其在黄土状土颗粒间的分布受水分控制，有各种不同的胶结方式及连接牢固程度，因此适量的水有利于黄土状土形成较稳定的结构，是黄土状土微结构的有利因素。

区内黄土状土的天然含水率w为4.0%～16.9%，天然含水量w与湿陷系数δs的关系见图4，从图中可知，天然含水量对黄土状土湿陷性影响较大，二者呈负指数关系，这是由于黄土状土中的天然含水量越大，其遇水后结构改变的幅度就越小，故湿陷性越小，当含水量大于13%时，该区的黄土状土基本不具有湿陷性。

④孔隙比

图4 湿陷系数与含水量之间的关系曲线

孔隙比是反映黄土状土中孔隙和裂隙的多少以及结构特征的指标。黄土状土的一大特点是富含孔隙，正因为有如此之多的孔隙，有利于水入渗及与颗粒发生作用，同时为黄土状土湿陷提供了空间。孔隙比的大小对黄土状土本身的强度、湿陷性都有很大影响。在一般情况下，孔隙比大的大孔架空结构的黄土状土在外力和内力作用下容易破坏，易湿陷；相反，孔隙比小的结构胶结程度好的黄土状土在相同力的作用下不易湿陷。一般在其他条件相同时的情况下，孔隙比越大，孔隙和裂隙越多，湿陷性越强。

区内黄土状土的孔隙比e为0.50～0.96，黄土状土孔隙比e与湿陷系数δs之间的关系见图5，由图可知，孔隙比对黄土状土湿陷性有显著影响，陷性系数δs与孔隙比e呈指数正相关关系，即孔隙比大，湿陷系数越大。如大榆树镇等地的黄土状土孔隙比为0.8～0.9，土处于稍密～松散状态，湿陷系数较大，最大达0.067，当其孔隙比小于0.65时，该区的黄土状土基本不具有湿陷性。

图5 湿陷系数与孔隙比之间的关系曲线

⑤干容重

干容重是黄土状土的主要物理指标，区内黄土状土的干容重为1.39～1.70 g/cm3，黄土状土干容重与湿陷系数关系如图6所示，两者基本成负的线性相关性，干密度越小，湿陷性越强，当黄土状土ρd＞1.65g/cm3，湿陷性不明显。干容重与深度的关系较大，埋深深度越深，随着深度的增加，土样的特大孔隙和大孔隙逐渐减少，中孔隙、小孔隙、微孔隙增加，土体逐渐变得密实，故湿陷性在深度上呈现减弱的趋势。

图6 湿陷系数与干容重之间的关系曲线

5 结论与建议

（1）黄土状土主要分布于延庆新城勘查工作区的东南部，属于局部分布，且具有一定聚集性。

（2）延庆新城工作区内的黄土状土以粉粒为主，其湿陷性属轻微—中等，湿陷性随深度呈逐渐减弱的趋势，其湿陷经历五级变化阶段才能最终达到稳定。

（3）粘粒含量、含水量、孔隙比及干容重是影响该区黄状土土湿陷性的主要因素，随着含水量的增大，该区黄土状土湿陷性呈现负指数变化的趋势。当含水量大于13%时，该区的黄土状土基本不具有湿陷性；随着孔隙比的增大，湿陷性逐渐增强，二者成指数相关关系，当其孔隙比小于0.65时，该区的黄土状土基本不具有湿陷性；干容重指标与湿陷性成负相关关系，且该区黄土在干容重大于1.65g/cm3时，基本不具有湿陷性。

（4）工作区内黄土状土以自重湿陷为主，湿陷性属轻微—中等，湿陷性随深度呈逐渐减弱的趋势。

（5）对规划新城工作区内的黄土状土，在未来详细勘察阶段宜有针对性地开展工作，进一步查明其工程性状，并采取相应工程处理措施，对于浅基础工程、道路工程、潜埋线性工程尤其是水工类工程具有重要意义。

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