黄土迁移入海过程中工程性质的变化研究*

张 红 贾永刚② 刘晓磊② 张少同 朱超祁 单红仙②

ZHANG Hong① JIA Yonggang①② LIU Xiaolei①② ZHANG Shaotong① ZHU Chaoqi① SHAN Hongxian①②



黄土迁移入海过程中工程性质的变化研究*

张 红①贾永刚①②刘晓磊①②张少同①朱超祁①单红仙①②

黄河流经黄土高原携带巨量泥沙入海，并在河口沉积形成黄河水下三角洲。黄土沿黄河流域自西北高原迁移至东部渤海的过程中，其工程性质必然也会发生相应变化。归纳总结近30年来黄河流域地区黄土研究资料，统计不同区域黄土的物理性质、成分、结构特征、力学性质与动力特性，分析黄土从黄土高原到东部渤海发生的变迁。研究结果显示在迁移入海的过程中黄土的容重、含水量变大，可塑性减弱； 主要成分仍为粉粒，但黏粒含量增加，砂粒含量减小，于此同时，黄土孔隙也被更好地充填，结构由疏松变紧密，压缩性相应减弱； 黄土的抗剪性区域性变化，而抗震性和抗液化强度变大。本研究对深入理解黄土地质灾害机理、科学指导黄土地区工程建设具有重要意义。

黄土 迁移入海 工程性质 空间演变 黄河流域

ZHANG Hong①JIA Yonggang①②LIU Xiaolei①②ZHANG Shaotong①ZHU Chaoqi①SHAN Hongxian①②

0 引 言

中国黄土分布广泛，面积达64×104km2。其中位于中国西北地区的黄土高原是世界上面积最大的黄土分布区，约占中国黄土分布面积的70%。位于黄土高原的黄土在黄河的搬运下，最终在黄河下游和入海口附近沉积。根据渤海海水悬浮体含量分布估算，黄河入海泥沙约有70%沉积在近河口10～15km的河口三角洲附近范围内(秦蕴珊等， 1982)，快速堆积形成了现在的黄河三角洲。

图1 黄土研究区分布图

国内外对于黄土的研究方兴未艾，其研究内容主要包括黄土的成因、结构、工程性质以及黄土分布区的地质灾害等(秦蕴珊等， 1982; 刘东生等， 1985; 张炜等， 1995; 邓津等， 2007; 廖胜修等， 2007)。然而这些研究通常是相互独立地在黄河上游、中游、下游或者河口区展开，研究区之间往往缺乏联系。尤其是黄土从黄土高原迁移到河口区沉积下来，在这个从陆地向海洋的迁移过程中，土的工程性质发生何种变化，目前尚不清楚。

本文通过统计分析前人相关研究资料，论述了黄土在由陆向海迁移过程中物理性质、成分、结构特征、力学性质以及动力特性的演变规律，并尝试提出下一步研究重点。

1 研究区域概况

国内关于黄土工程性质的研究始于20世纪50年代，很多学者在黄土高原地区进行了大量研究。目前关于黄土的成因、结构以及动力特性的研究都相对成熟，关于黄河三角洲沉积物工程性质的研究也在过去30年间取得了许多进展。这些都为本文的研究提供了大量的数据和资料。总结并绘制了黄土研究区分布图 (图1)，并在此基础上沿黄河流向划分了Ⅰ～Ⅳ 4个代表性的黄土研究区域，其中Ⅰ区主要包括位于黄河上游的兰州等地， Ⅱ区位于黄河中游， Ⅲ区位于黄河下游， Ⅳ区位于黄河入海口的东营地区。本文据此分区论述了黄土从陆地迁移入海的过程中，其工程性质的变化规律。

2 黄土迁移入海过程中物理性质指标的变化

土的容重、含水量、塑性指数分别反映了土的矿物成分、水文地质条件以及土的可塑性，是反映黄土天然状态的基本物理指标。表1、表2分别列出了各个取样点和不同区域黄土物理力学指标的测试结果。

对表1，表2中统计的数据进行分析，绘制了不同采样点黄土的容重、含水量、塑性指数的散点图及各分区平均值的变化曲线 (图2)。从图中可以看出，不同采样点的容重散点图与不同区域黄土容重平均值曲线有着相同的变化趋势。黄土从陆地向海洋的迁移过程中，容重逐渐变大。含水量曲线表明黄土由陆上迁移入海的过程中，含水量变化范围很大，为3%～27%，平均值为12%～26%。整体来看，陆上黄土含水量明显低于河口区黄土的含水量。而在陆源区，从上游到下游黄土的含水量逐渐减小。塑性指数曲线与含水量曲线呈现出完全相反的变化趋势。在陆源地区，黄土的塑性指数自黄河上游到下游逐渐变大。随着向河口区的迁移，土体塑性指数骤减。总的来说在黄土迁移入海的过程中黄土的塑性指数减小。整体来看，在黄土迁移入海的过程中，黄土的塑性指数是减小的。推测这可能与黄土迁移入海过程中，其物质组成的变化密切相关。

图2 不同区域黄土的容重、含水量、塑性指数变化曲线

3 黄土迁移入海过程中粒度成分特征的变化

基于表2中的数据，本文绘制了不同分区黄土颗粒级配的累计曲线 (图3)。从图中可以发现， Ⅲ区的粒径曲线与其他分区差别最大。该区级配曲线最陡，粒径变化范围小，砂粒含量少，不均匀系数最小，级配差。这可能与黄土的成因有关。因为Ⅲ区主要位于黄河下游，主要包括豫西、鲁中周边区域等，本区黄土除了接受大量从西北方向通过大气系统以尘暴形式搬运来的粉尘外，还接受了从东部出露陆架吹向陆地的粉尘(秦蕴珊等， 1982)。

总体而言，自西北到东南，从上游至下游，即黄土在迁移入海过程中，黏粒含量、粉粒含量逐渐增加，砂粒含量逐渐减小。这可能与黄土的成因有关。在风暴和河流作用下，上游粗颗粒物质只能短距离地被搬运，而细颗粒物质则可能向东更远地被搬运(刘东生等， 1985)。

图3 不同分区土颗粒级配的累计曲线

4 黄土迁移入海过程中结构特征的变化

4.1 微观结构特征

土的微结构是指在显微镜下观测到的土的微观结构，是在成土作用过程中形成的。总体来看，黄土由于其特定的生成环境和地质历史，具有大孔隙结构特征(刘东生等， 1985)。

表1 研究区位置以及资料来源

续表1

表2 不同分区黄土的基本物理力学指标(平均值)

Table 2 Basic physical parameters of undisturbed loess for different zones

编号天然容重/kN·m-2含水量/%孔隙比塑性指数黏粒含量/%粉粒含量/%砂粒含量/%黏聚力/kPa内摩擦角/(°)压缩系数/MPa-1压缩模量/MPaⅠ14.7214.671.1310.0312.5070.5017.0021.8325.390.2110.41Ⅱ15.1713.840.9710.5315.3265.3419.6738.8330.050.3613.92Ⅲ16.1312.170.9010.5615.9680.613.4441.3322.000.3011.07Ⅳ19.6725.640.718.3616.7670.7612.4818.3026.400.1712.68

本文依次选取永登、西安、山西以及东营大王北作为Ⅰ-Ⅳ区的代表性研究点，并利用其电镜扫描照片进行微结构分析 (图4)。从图4 发现，黄土在从黄土高原迁移入海的过程中，黄土颗粒先是粒状架空排列，之后土颗粒之间相互结合形成团块，以絮状凝块形式存在，过渡到河口区，土颗粒之间紧密胶结，孔隙极少。总之，在黄土迁移入海的过程中黄土的结构由疏松变得致密。

图4 不同区域黄土微结构电镜扫描照片

4.2 孔隙特征

对表1，表2中统计的数据进行分析，绘制了不同研究点黄土孔隙比的散点图及各分区平均值的变化曲线 (图5)。从图5 中可以发现，在迁移入海的过程中黄土孔隙比是持续变小的。而孔隙比是图中孔隙与固体体积的比值，这就说明在迁移入海的过程中黄土的结构由疏松变得紧密。推测这是由于黄河携带的泥沙在输运过程中，粗颗粒更易沉积，细颗粒则被更多的搬运到河口近海区，而粒径小的颗粒，能够更大限度地充填孔隙。

本文对微结构与孔隙比的分析都发现，黄土的结构在迁移入海的过程中变得致密。

图5 不同区域黄土的孔隙比变化曲线

5 黄土迁移入海过程中力学性质的变化

黄河流域人类活动频繁，也是进行工程建设的重要区域。对黄土力学性质的分析能够为工程活动提供有效指导，减少地质灾害的发生。因此，本文探讨了不同分区黄土抗剪性及压缩性的变化。

5.1 抗剪性指标

黄土的抗剪强度主要由摩擦强度和黏聚强度两部分组成。摩擦强度是土体抗剪强度的重要组成部分，反映指标为土体的内摩擦角φ； 黏聚强度的反应指标为黏聚力c。下文探讨了黄土迁移入海过程中黏聚力c、内摩擦角φ的变化规律。

对表1，表2中统计的数据进行分析，绘制了不同研究点黄土黏聚力及各分区平均值的柱状图 (图6)。对平均值分析发现，黄土迁移入海过程中黏聚力变化范围很大，为18～42kPa，黏聚力的大小随着黄土分布地域的不同而呈现出区域性规律。Ⅱ区、Ⅲ区黄土的黏聚力平均值均大于40kPa，明显大于其他两个分区。在陆源区域，黄土的黏聚力随着黄河流动的方向逐渐变大，黄河中下游黄土黏聚力要高于上游区域。但总体来看，陆上黄土黏聚力要高于河口区。

图6 不同区域黄土的黏聚力变化曲线

同样基于表1、表2数据，绘制了不同研究点黄土内摩擦角及各分区平均值的柱状图 (图7)。单就某一个区来看，内摩擦角相对都比较稳定，在平均值上下小幅度变化。总体来看，河口区黄土的内摩擦角大于陆源区域。这是由于内摩阻力包括土颗粒之间的表面摩擦力以及土颗粒之间接触、充填产生的咬合力。土颗粒越密实，咬合力越强。如前文所述，河口区黄土颗粒更小，颗粒与颗粒之间紧密接触，孔隙也都大范围被充填，因而河口区黄土的内摩擦角要大于陆源黄土。

图7 不同区域黄土的内摩擦角变化曲线

5.2 压缩性指标

基于表1，表2中统计的数据，绘制了不同研究点黄土压缩系数的散点图及各分区平均值的变化曲线 (图8)。单就某一区来看， Ⅰ区、Ⅱ区黄土的压缩系数变化不大，基本稳定在0.25MPa-1左右，而Ⅲ区黄土压缩系数变化范围很大，在0.1～0.7MPa-1之间变化。推测这与该区黄土的物质来源以及粒度成分有关。如上文所述，该区黄土同时接受西部高原和东部陆架的物质，而且不均匀系数也小，这都导致了该区黄土的多样性，从而出现压缩系数大范围变化的现象。对平均值进行分析，发现Ⅱ区黄土的压缩性最高，这与本区黄土结构疏松以及弱胶结的特征相符。就陆上与河口区比较，黄河口沉积物的压缩性要小于陆上黄土，这与土的结构变化趋势相吻合。

图8 不同区域黄土的压缩系数变化曲线

6 黄土迁移入海过程中动力特性的变化

黄土震陷、液化以及地震滑坡是黄土地区最为常见的动力地质灾害。本文选取室内振动三轴试验得到的有效动力参数对黄土迁移入海过程中的动力特性变化进行分析。

6.1 抗震性

动弹性模量的大小反映了土的抗震性，而黄土的物理力学性质与结构特征影响着黄土的动弹性模量，这些因素的变化，势必造成土的动模量的区域性分布规律。在60～80kPa的固结压力下，甘肃地区黄土在10-3应变下动弹性模量平均为49MPa，山西地区平均为56MPa，陕西、山西等地黄土的动弹性模量明显高于陇西黄土(王兰民等， 2003)。黄河口沉积物动模量的研究发现，在10-3应变下黄土动弹性模量平均为67MPa(马德翠等， 2005)。整体来看，自西北到东南，从上游到下游，即黄土的动弹性模量在迁移入海的过程中逐渐增大。这与黄土的容重以及结构有关，一般来说土的动弹性模量随容重的增大而增大，随结构的稳定而增大。

6.2 液化特性

液化是黄土地区进行工程建设常见的地质灾害，对液化特性的分析能有效减少此种灾害的发生，而液化应力比是判断黄土抗液化强度的重要指标。对于陆上黄土研究发现，在相同的初始受力条件下，不同地区黄土发生液化时的液化应力比明显不同，其中兰州黄土初始液化应力比约为0.12，固原黄土初始液化应力比约为0.13，潼关黄土则约为0.2(王峻等， 2011)。而对黄河口沉积物液化特性研究发现，初始液化应力比约为0.25。整体来看，自西北到东南，从上游到下游，即从陆地迁移入海的过程中黄土发生液化时的初始液化应力比逐渐增大。这一结果说明从上游到下游再到河口区，土发生液化的可能性变小，抗液化强度变大。这一变化趋势可能与黄土的成分、结构密切相关。上游地区，黄土结构疏松，抗液化强度低。下游地区，黄土连接紧密，结构强度相对较高，抗液化强度也高。

对抗震性和液化特性的分析都说明，在迁移入海的过程中黄土在动力作用下更为稳定。

7 结 论

通过在黄河上游、中游、下游以及河口区搜集资料进行统计分析，初步得出黄土从陆地向海洋的迁移过程中，其工程性质有以下变化规律：

(1)黄土从陆地向海洋的迁移过程中，容重、含水量有变大趋势，可塑性减弱。

(2)黄土的主要粒度成分为粉粒，在迁移入海的过程中黏粒含量明显增加，砂粒含量减小，具有明显的区域性变化规律。

(3)黄土迁移入海过程中孔隙随黏粒的增加被更好地充填，结构也由此变得致密，压缩性相应减小。

(4)黄土迁移入海过程中各区域的黏聚力变化范围较大，总体上陆地黄土黏聚力要高于入海黄土； 内摩擦角相对稳定，由于细颗粒增加导致颗粒间咬合力增强，入海黄土的内摩擦角略大于陆上黄土。

(5)黄土的抗震性和抗液化强度在迁移入海的过程中逐渐增强。

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JournalofEngineeringGeology工程地质学报 1004-9665/2016/24(5)- 0951- 08

CHANGES OF LOESS ENGINEERING PROPERTIES DURING FLOWING PROCESS FROM YELLOW RIVER TO SEA

Millions of years ago， seemingly boundless sand storms covered northwestern China， which formed loess deposits several hundred meters deep. Some loess was transported thousands of kilometers away through the river system to the coastal area of the Bohai Sea， which generated the Modern Yellow River Delta. The engineering properties of loess changed from Yellow river to the sea. The physical mechanical properties， gradation composition， microstructure and dynamics properties of loess are obtained based on the achievements along the Yellow River in the past 30 years and researches on estuary sediment in the latest 10 years. Analysis of these data shows that the unit weight and water content increased in the process of transported into sea， while the plastic index decreased. The major contents of loess are silt， with little sand and clay. The clay content increased while sand content decreased. Consequently， the void was filled better， and the compressibility of loess reduced. The shear resistance shows big differences at different areas. The earthquake resistance and liquefaction resistance were increased. This paper is of great significance to better understanding the mechanism and prevention of the loess geological disasters．

Loess， From Yellow River in to sea， Engineering properties， Spatial evolution， Yellow River Basin

10.13544/j.cnki.jeg.2016.05.025

2016-07-27;

2016-08-19.

国家自然科学基金项目(41372287、41272316、41402253)， 国土资源部黄土地质灾害重点实验室开放基金项目(KLGLAMLR201501)资助.

张红(1992-)，女，硕士生，主要从事海洋岩土工程、第四纪地质与黄土研究. Email: 18051379505@163.com

简介： 刘晓磊(1985-)，男，博士，讲师，从事海洋工程地质与环境保护研究. Email: xiaolei@ouc.edu.cn

P642.13+1

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