晋北地区黄土湿陷系数与其物理力学性质的相关性分析

张光明

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300142)



晋北地区黄土湿陷系数与其物理力学性质的相关性分析

张光明

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300142)

通过对晋北地区大量的黄土室内湿陷性试验数据进行分析，研究黄土湿陷系数与天然孔隙比、天然密度、天然含水量、压缩模量、塑性指数和液性指数6种常规物性参数之间的相关性，结果显示：黄土湿陷系数与天然孔隙比之间呈正相关关系；与天然密度、天然含水量、压缩模量、塑性指数和液性指数呈负相关关系；探讨不同湿陷强度黄土的天然孔隙比、天然密度、天然含水量及液性指数的分布规律，结果显示：该地区湿陷性黄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%，液性指数小于0.25。

黄土；湿陷性；孔隙比；密度；含水量

黄土作为一种特殊土，具有直立性、大孔隙、湿陷性等特点，其湿陷性对铁路工程的危害性巨大，严重威胁铁路的运营安全。要求在铁路勘察期间必须查明黄土的湿陷强度和等级。目前对黄土湿陷性的评价主要是根据室内黄土湿陷性试验来进行的，所以在勘察过程中除了需对黄土进行常规的土工试验外，还要进行室内湿陷性试验，而有时很多黄土土样的湿陷性试验结果显示其并不具有湿陷性，这样就造成了部分试验的浪费，通过探讨黄土湿陷强度与天然密度、天然含水量、孔隙比、压缩模量等常规试验参数之间的内在联系，将有助于今后在该地区进行类似的工程勘察时，根据常规土工试验结果对黄土的湿陷性进行初步判定，这样可有效地减少这种试验浪费，提高该地区湿陷性黄土的勘察效率。

1　黄土湿陷的机理

黄土湿陷的产生是一个复杂的物理、化学过程，是内部因素和外部条件共同作用下的结果。首先，湿陷性黄土的内部结构是由颗粒骨架及骨架与颗粒之间的空洞两部分组成，其高孔隙度为黄土湿陷的产生提供了空间条件；其次，黄土的强度取决于结构强度，即颗粒间的相互连接强度。黄土颗粒间的点接触面积小，颗粒之间除了包裹颗粒的黏土“薄壳”和盐晶膜外，只有极少的盐晶和粘胶微粒附在接触点处，这种点接触的连接强度低，在较小的压力作用下即可遭到破坏；最后，黄土浸水后，在水膜的楔入作用、水溶解作用以及黏土颗粒吸水膨胀作用下黄土颗粒之间的连接强度遭到破坏，导致黄土的强度急剧下降，在外力作用下黄土颗粒发生重新排列组合，即产生黄土的沉陷。

2　黄土湿陷系数与其物理力学参数的相关性分析

对山西晋北地区某铁路工程勘察过程中黄土的室内湿陷性试验结果进行了统计，分析了黄土的湿陷强度与其物理力学参数之间的相关性。

2.1湿陷性与天然孔隙比的相关性分析

图3　黄土湿陷系数与含水量及饱和度的关系

天然孔隙比是反映土体孔隙体积大小的指标之一，黄土的孔隙性为其湿陷产生提供了空间条件，孔隙度越高，黄土发生湿陷的潜力也越大。图1中的试验结果也证明了这一点：黄土湿陷系数随天然孔隙比增大而增大。

图1　黄土湿陷系数与天然孔隙比的关系

2.2湿陷性与天然密度的相关性分析

图2显示，黄土湿陷系数与黄土的天然密度存在一定的相关性：整体上看，黄土的湿陷系数随天然密度的增大而减小。对这一规律的解释为，黄土的天然密度在一定程度上代表了其天然密实程度，天然密度越大，说明其密实度也越大，黄土的孔隙度就越小，并且颗粒之间的固结程度也越高，所以其产生湿陷的能力也就越低。

图2　黄土湿陷系数与天然密度的关系

2.3湿陷系数与天然含水量的相关性分析

水是黄土产生湿陷的最重要的外部因素，文献[1]认为黄土的湿陷系数与其天然含水量不呈线性相关；文献[2]认为黄土湿陷性与含水量呈正比关系，即含水量越高，湿陷性越强。而从图3可以明显看出：黄土的天然含水量越大，饱和度越高，其湿陷系数越小，二者呈负相关关系。

天然含水量少，说明在天然条件下水对土体结构的破坏程度有限，土颗粒间的剩余连接强度依然较大，土体仍然保持着较高的孔隙度；而天然含水量较大时，土颗粒间的连接可能已经遭受水的严重破坏，部分或大部分土体颗粒在外力作用下已发生过重新排列组合，此时土体再度浸水发生湿陷的能力比较弱。

2.4湿陷系数与压缩模量的相关性分析

文献[3]认为在选定的50～100 kPa压力区间内，随压缩模量的增大黄土的湿陷系数也增大。而图4所示黄土湿陷性与压缩模量的关系，整体上表现为压缩模量越大，黄土的湿陷性越弱。这是因为压缩模量是土体强度的综合反映，黄土的强度主要受黄土的结构强度决定，压缩模量越大说明土颗粒之间的连接和胶结强度也越高，抵抗水的破坏能力也就越强，因此高压缩模量的黄土，其湿陷变形的能力会相对较弱[4]。

图4　黄土湿陷系数与压缩模量的关系

2.5湿陷系数与塑性指数的相关性分析

(1)

式中IP——塑性指数；

wL——土体液限；

wP——土体塑限。

塑性指数反映了土体中黏粒含量的多少，黏粒含量越多，土体的塑性指数越大。文献[5]研究了西安地区黄土湿陷性与塑性指数的关系，认为黄土湿陷性与塑性指数之间不呈正或负相关关系。图5显示，黄土湿陷性大小与塑性指数之间存在一定内在联系，土体的湿陷性随塑性指数增大，黏粒含量增多，呈减弱趋势，二者近似呈负相关关系。

图5　黄土湿陷系数与塑性指数的关系

2.6湿陷系数与液性指数的相关性分析

(2)

式中IL——液性指数；

w——土体的含水量。

液性指数反映土体的坚硬程度，液性指数越大，表示土体越软。图6显示，黄土湿陷系数随液性指数的增大而减小，即黄土越软，其湿陷性越小。

图6　黄土湿陷系数与塑性指数的关系

3　不同湿陷强度的黄土物理力学参数的分布规律

《铁路工程特殊岩土工程勘察规程》中根据湿陷系数大小将黄土分为非湿陷性、轻微湿陷性、中等湿陷性及强烈湿陷性4类，见表1[6]。以下分析了该地区不同湿陷强度的黄土，其天然孔隙比、天然密度、天然含水量以及液性指数的分布规律。

表1　黄土湿陷性分类

3.1不同湿陷强度黄土的孔隙特征对比

不同湿陷强度黄土的孔隙比分布特征如图7所示，其中非湿陷性黄土的孔隙比为0.5～0.9；轻微湿陷性黄土的孔隙比主要分布在0.6～1.2；中等湿陷性黄土的孔隙比主要分布在0.7～1.4；强烈湿陷性黄土的孔隙比大于0.8。

图7　不同湿陷强度黄土的孔隙性对比

3.2不同湿陷强度黄土的天然密度对比

不同湿陷强度的黄土，其天然密度的分布范围也有一定的规律，如图8所示，非湿陷性黄土的天然密度主要为1.6～2.1 g/cm3；轻微湿陷性黄土的天然密度主要分布在1.3～1.9 g/cm3；中等湿陷性黄土的天然密度为1.2～1.7 g/cm3；强烈湿陷性黄土的天然密度小于1.7 g/cm3。

图8　不同湿陷强度黄土的天然密度对比

3.3不同湿陷强度黄土的天然含水量对比

不同湿陷强度黄土的天然含水量的分布特征如图9所示。非湿陷性黄土的天然含水量分布范围主要为8%～27%；轻微湿陷性黄土的天然含水量分布范围为5%～22%；中等湿陷性黄土的天然含水量主要分布在5%～17%；强烈湿陷性黄土的天然含水量小于15%。

图9　不同湿陷强度黄土的含水量对比

3.4不同湿陷强度黄土的液性指数对比

图10所示，不同湿陷强度的黄土，其液性指数的分布范围也不同，非湿陷性黄土的液性指数主要分布在-0.75～0.75，土体的状态为坚硬～软塑；轻微湿陷性黄土的液性指数范围为-1.5～0.25，土体的状态为坚硬～硬塑；中等湿陷性黄土的液性指数范围为-1.4～0.1，土体的状态为坚硬～硬塑；强烈湿陷性黄土的液性指数小于-0.075，土体的状态为坚硬。

图10　不同湿陷强度黄土的液性指数对比

4　结论

通过对晋北地区黄土湿陷强度与其物理力学参数的相关性分析，得出以下结论。

(1)黄土湿陷强度随天然孔隙比增大而增大，二者呈正相关关系；而随天然密度、天然含水量、压缩模量、塑性指数和液性指数增大而减小，呈负相关关系。

(2)不同湿陷强度黄土的天然孔隙比、天然密度、天然含水量以及液性指数的主要分布范围存在一定规律：非湿陷性黄土的天然孔隙比0.5～0.9，天然密度1.6～2.1 g/cm3，天然含水量8%～27%，液性指数-0.75～0.75；湿陷性黄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%，液性指数小于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

张光明(1986—)，男，工程师，2014年毕业于西南交通大学地质工程专业，工学博士，E-mail：guangming3522@163.com。

1004-2954(2016)10-0036-04

TU444

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.10.009