兰州湿陷黄土物理力学特性分析

2020-05-19苟武元

甘肃科技 2020年6期

苟武元

（甘肃路桥公路投资有限公司，甘肃兰州 730000）

1 概述

黄土是第四纪时期的沉积物，形成于干旱、半干旱气候条件下，并在以风力搬运为主要运动方式下堆积产生的特殊性土体[1]。我国黄土主要分布在黄河中、上游中纬度地带，其覆盖面积约为65 万km2[2]。黄土在其自重压力或者外界附加压力作用下，同时受到水体的浸入时结构会发生显著性破坏，产生明显的沉降变形，这类黄土称之为湿陷性黄土，约占我国黄土总面积的60%以上[3]。在自然界中，黄土湿陷性会造成一系列的自然地质灾害，如滑坡、泥流、塌陷、地裂缝等。而在工程建设领域，黄土湿陷性往往会导致边坡失稳、地基沉降、路面坍塌等一系列病害，严重影响着修建于湿陷性黄土地区工程的安全和正常运营[4]。近年来，我国西北部经济建设步伐明显加快，同时，随着国家“一带一路”发展战略的提出和实施，我国西北湿陷性黄土地区的铁路、公路以及其他基础建设活动越来越多，因此，准确客观的研究黄土的湿陷特性以及物理力学特性具有重要的科学意义和工程价值。

2 土样来源与试验方案

研究区域位于陇西黄土高原西部，是青藏高原向黄土高原的过渡带。地形地貌总体为南北高（黄土沟梁区），中间低（河谷盆地区），大部为海拔1500～2000m 的黄土覆盖的丘陵、盆地，其次为海拔较高的石质山地。按地形地貌可分为黄土梁及黄土沟谷、河流谷地和低山丘陵三个地貌单元。研究区域地层主要为第四系地层，主要以中、上更新统的黄土堆积为主，特别是上更新统疏松黄土遍布整个研究区域。研究区域湿陷性黄土主要可以分为上更新统冲洪积物（Q31al+pl）、上更新统马兰黄土（Q32eol）以及第四系全新统（Q4al+pl）三类。上更新统冲洪积物埋藏于马兰黄土之下，厚度20～30m，具层理，具有很强的自重湿陷性，夹薄层粉质粘土及中、细砂层。上更新统马兰黄土为浅黄色粉土，疏松，质地均匀，具大孔隙，垂直节理发育，土体干燥稍湿，具有湿陷性，厚度10～40m 不等。第四系全新统为冲洪积成因堆积层，上部为黄土状粉土层，常呈红褐色、褐黄色或黄褐色，具层理，厚度10～15m。

现场才用人工钻井方式取样，探井深度约为25m。土样沿钻井深度方向以2m 为间隔依次向下制取，取样总量约为11 个。如图（1b）所示，将现场制取的原状试样进行室内土工试验，并主要测试土体的孔隙比、含水率、干密度、饱和度、湿陷系数、湿陷起始压力等参数，分析不同地层深度土体各项物理力学指标变化规律以及湿陷特征。

图1 研究区域以及取样现场

3 黄土物理力学状态和深度的关系

3.1 含水率与饱和度

黄土的含水率以及饱和度沿土体深度方向分布特征如图2 和图3 所示，由图可以看出，黄土的含水率和饱和度分布规律沿深度方向发展具有高度的相似性，整体而言，土体含水率和饱和度随着土体埋深的向下发展呈先增大后减小的趋势，0～5m土层含水率大小分布在5.2%～8.3%范围内，1m 处土体含水率相对较大，这是由于地面表层土体受外界降水影响较大，地表水渗入导致靠近地表的土体局部含水量较大。而随着埋深的增大，在7～15m 深度范围内，土体的含水量和饱和度受地下水补给影响呈急剧增大趋势，15m 处土体的含水量和达到最大值。当深度大于15m 时，土体含水量有一定的较小，整体分布在10%～15%之间。

图2 黄土含水率分布特征

图3 黄土饱和度分布特征

黄土含水率及其饱和度对其湿陷性具有重要的影响，当土体含水量较高时，土颗粒间的孔隙水压力较大，法向引力减小，图颗粒间的摩擦力、分子引力较小，粘聚力减小，结构强度较低，因此，在漫长的搬运堆积过程中，在自重压力以及外界压力作用下容易形成的较为密实和稳定的结构特征[3]。对于低含水量黄土，反之亦然，易形成松散的架空结构。因此，一般条件下，对于湿陷性黄土，低含水率一般比高含水率具有更强的湿陷性。

3.2 干密度、孔隙比以及压缩模量

图4、图5、图6 为试验钻孔0m～25m 深度范围内干密度、孔隙比以及压缩模量的分布特征。整体而言，干密度、孔隙比以及压缩模量作为表征土体结构密实程度的主要指标，其值的大小以及沿深度方向的分布特征直接影响着不同地层深度的黄土湿陷特性。由图可以看出，黄土的干密度以及压缩模量沿深度方向整体呈增大的趋势，而孔隙比则呈降低的趋势。分析原因，这是由于深层黄土受到其上部土体自重压力较大，同时，由图2、3 可以看出，较深的土层含水率以及饱和度较大，土粒间摩阻力较小，因此，在自重以及外界压力的作用下，形成较为密实的结构，单位体积内土颗粒含量较多，土颗粒间孔隙小，可压缩空间小，结构较为稳定[5]。而当土体干密度较小、孔隙比较大时，土体结构较为松散，在浸水与压力作用下结构容易产生变化，湿陷性较强。

图4 黄土干密度分布特征

图5 黄土孔隙比分布特征

图6 黄土压缩模量分布特征

4 黄土湿陷特性

黄土湿陷性是指黄土在受到自身上覆压力或这外界附加压力作用下，在浸水时发生结构破坏，产生沉降变形的特性。根据我国湿陷性黄土地区建筑标准（GB 50025-2018）规定，黄土湿陷性采用室内浸水压缩试验，在一定压力下测得的湿陷系数δs进行判定[6]。当湿陷系数测试值小于0.015 时，为非湿陷性黄土；当湿陷系数大于0.015 时，为湿陷性黄土。在此基础上，将黄土湿陷程度划分为三个等级，当0.015≤δs＜0.03 时，湿陷性轻微；当0.03≤δs＜0.07，湿陷性中等；当δs≥0.07 时，湿陷性强烈。湿陷起始压力是当黄土在浸水作用时，土体发生变形的速度和变形量迅速增大时的压力值，是评价黄土湿陷性的重要指标之一[6]。

图7、图8 所示为研究区域不同深度黄土的湿陷起始压力以及湿陷系数的分布特征。由图可以看出，钻孔深度范围内黄土湿陷系数均大于0.015，具有湿陷性。土体表层湿陷性较大，1m、3m 深度处土层湿陷系数分别为0.071 和0.08，均呈强湿陷性。随着深度的增加，在3～9m 深度范围内，黄土的湿陷性随着土体埋深的增大快速降低，埋深9m 处黄土湿陷系数为0.026，呈弱湿陷性。此后，随着深度继续增加，在9～25m 深度范围内，黄土湿陷系数随着深度的增加呈波动状稳定发展，其值介于0.022～0.034，属于中、弱湿陷性黄土。另一方面，如图7 所示，在浅层0～9m 范围内，当土体在浸水作用时，外部压力达到50KPa 时，便会产生较为明显的变形。而当土体埋深为25m 时，需要施加180kPa 外部压力才能使得土体发生湿陷。整体而言，随着黄土埋深的增加，土体发生湿陷所需压力呈增大趋势。