蘭州地區黃土性質特征的研究

許順貴 李曉坤 蘭惠子

摘 要：通過對蘭州地區黃土物理、力學及濕陷性等性質特征的研究，根據含水率的變化總結出物理性質及濕陷性質的變化規律，并且通過比較相同干密度不同含水率的剪切試驗，揭示出含水率是影響黃土剪切強度的主要因素，含水率愈小抗剪強度愈大，凝聚力與含水率成冪函數關系。此外，對該地區的濕陷性進行評價，為中等—強烈濕陷地區，為工程的設計施工提供數據支持。

關鍵詞：黃土性質 濕陷性 冪函數

1概述

黃土是第四紀產生的一種特殊的大陸堆積物，主要有以下特點：顏色呈棕黃、灰黃或黃褐色，天然剖面上垂直裂隙發育，孔隙比一般較大，常具有肉眼可見的大孔隙；顆粒組成以粉粒為主，含量可達50%以上；含碳酸鹽成分，有時含有鈣質結核；水理性敏感，受水浸濕后易發生附加沉陷。在濕陷性黃土地區進行建筑易發生地基失穩事故，因而對黃土各項性質的分析和評價是避免工程事故，合理設計施工的前提。

本次分析的黃土樣品來自包蘭線蘭州至皋蘭段詳勘工程采取的原狀黃土。通過室內土工試驗測試出黃土的物理、力學性質及濕陷性等數據，通過不同條件的對比總結出相應的性質特征。

2土樣的物理性質

通過土工室內試驗得出的數據見表1，做出如下分析：

根據含水率大小將土樣分為4%~8% 和17%~23%兩個區段來分析土樣各項性質的差異和規律。根據現場采樣分析造成含水率差異主要是由于地形條件決定的，在深度一樣的條件下含水率小的樣品采自地勢較高的臺土，而含水率大的樣品采自地勢低洼的河谷階地。

本次所要研究的土樣深度都在0~30米之間，屬于全新世新近堆積黃土，根據顆粒密度試驗數據可以看出其范圍在2.69~2.70g/cm3 。干密度在1.30-1.65 g/cm3之間，含水率4%~8%的土樣干密度主要集中在1.30~1.40 g/cm3，含水率17%-23%的土樣干密度主要集中在1.40~1.55 g/cm3之間。

土樣液限與塑限值隨含水率的增加略有增加，含水率4%~8%的土樣液限集中于24%~25%，塑限集中于16%-17%。含水率17%~23%的土樣液限集中于25%~27%，塑限集中于17%~19%。

土樣孔隙比一般在0.8~1.2之間。含水率4%~8%的土樣孔隙比一般大于1.0。含水率17%~23%的土樣孔隙比一般小于1.0。

3土樣的剪切性質

試驗采用直接剪切快剪試驗方法[3]，試樣高度2cm，面積30cm2，剪切速率0.8mm/min，剪切時間為3~5min，取其峰值為抗剪強度值，無明顯峰值取剪切位移4mm所對應的剪應力為抗剪強度。試驗結果見表2。

黃土剪切過程的應變與應力關系曲線見圖1所示。從圖上可以看出曲線有明顯峰值，且峰值基本發生在應變量20%~40%之間。

圖1黃土剪切應力與應變關系曲線

（含水量8.8%，干密度1.33g/cm3）

表2 剪切試驗結果

從表2試驗結果中可以看出，在干密度變化不大的情況下，剪切試驗的凝聚力隨著含水率的增大而明顯減小，而摩擦角變化不大。選取BB7, BD15, BD18, BD17, 四個樣品繪制含水率與凝聚力關系曲線見圖2。可以看出，在干密度一樣時，含水率與凝聚力呈冪函數關系[4]：C=w-b。

圖2 凝聚力與含水率關系曲線

4土樣的濕陷性質

黃土濕陷性是指黃土在一定壓力下受水浸濕，土結構迅速破壞并產生顯著附加下沉的性質。濕陷性黃土分為[5]：自重濕陷性黃土（在上覆土的自重壓力下受水浸濕，發生顯著附加下沉的濕陷性黃土）和非自重濕陷性黃土（在上覆土的自重壓力下受水浸濕，不發生顯著附加下沉的濕陷性黃土）。

本次分析的黃土樣品采用室內試驗雙線法測試土樣的濕陷性特征。具體方法是：在同一取土點的同一深度處，取3個環刀試件（密度差值控制在0.03g/cm3以內），一個在天然濕度下分級加荷，加至規定壓力下沉穩定后為止。另一個在天然濕度下加第一級荷載，下沉穩定后浸水，至濕陷穩定再分級加荷，加荷過程始終保持試件處于飽和狀態，至規定壓力下穩定為止。第三個試件根據取土深度及密度指標計算其上覆土層的自重壓力，根據自重壓力加荷實測自重濕陷系數。

在試驗過程中發現，黃土變形是壓縮變形、濕陷變形、及滲透溶濾變形三種變形綜合作用的結果[6]。壓縮變形產生于濕陷起始壓力之前，黃土受水浸濕后的殘余結構強度使土體只發生壓密變形，不產生濕陷變形。當外界壓力超過土的殘余結構強度，土體結構破壞開始濕陷，產生濕陷變形。雙線法由于浸水時間長，土中可溶性鹽和膠體物質溶濾作用充分，相應會產生一定的溶濾變形。從試驗結果中可以看出：含水率在4%~8%的土樣具有明顯的濕陷性，而含水率在大于20%以后基本失去濕陷性。選擇其中干密度相近的試樣繪制含水率與濕陷系數關系圖3。

圖3 含水率與濕陷系數關系

可以看出含水率小于10%的土樣其濕陷系數及自重濕陷系數均大于0.02，屬于自重濕陷性黃土，而含水率大于20%的土樣濕陷系數及自重濕陷系數均小于0.015，屬于非濕陷性黃土。

5結論

（1）土樣的各項物理指標隨著含水率的變化呈現一定規律，含水率由小變大，土樣的密度，液塑限隨之增大，孔隙率隨之減小。

（2）從剪應力與剪應變關系曲線上可以看出，原狀土在快剪試驗條件下，曲線有明顯的轉折點，在轉折點之前應力-應變基本呈線性關系，曲線較陡。而在轉折點之后，應力-應變曲線比較平緩。其剪切峰值發生在應變量20%~40%之間。

（3）含水率和干密度是影響黃土剪切強度的重要因素，含水率是影響剪切強度的主要因素。含水率愈小抗剪強度愈大，凝聚力與含水率成冪函數關系。

（4）在這一地區原狀黃土濕陷性的大小主要由含水率來決定，一般含水率愈大，濕陷系數愈小。含水率小于10%的黃土其濕陷性評價已達到中等或強烈濕陷性。是危害工程質量安全的災害類土，對其應重點防治。

參考文獻：

[1] 焦贇. 蘭州地區黃土濕陷地質災害危險行分析[J]. 甘肅科學學報,2008 .

[2] 劉東升. 黃土與環境[M].北京：科學出版社,1985.

[3] 楊磊. 黃土抗剪強度特征分析[J].水利與建筑工程學報,2010:167-169.

[4] GB/T50025-2004.濕陷性黃土地區建筑規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2004.

[5] 張利生. 關于用室內試驗測定黃土濕陷性方法的探討[J].勘探科學技術,2000:35-38.

[6] 雷祥義.黃土高原地質災害與人類活動[M].北京:地質出版社,2001.

注：文章內所有公式及圖表請以PDF形式查看。