滎陽黃土的工程地質(zhì)性質(zhì)分析★

盛海洋

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福建福州 350007)

0 引言

黃土是一種結(jié)構(gòu)疏松、具有大孔隙和濕陷性的黃色沉積土層的統(tǒng)稱。滎陽是豫西黃土沉積的典型地區(qū)之一，研究滎陽黃土的工程地質(zhì)性質(zhì)，對(duì)于評(píng)價(jià)和解決豫西黃土區(qū)有關(guān)環(huán)境問題和工程問題有較普遍的意義。研究是以南水北調(diào)中線工程總干渠滎陽索河和枯河工程為研究對(duì)象，以野外工程地質(zhì)勘察與室內(nèi)試驗(yàn)和微觀分析為手段，借助現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)來研究滎陽黃土的工程地質(zhì)性質(zhì)。

由于古、老、新黃土其沉積環(huán)境與成壤程度的不同，其物質(zhì)組成與微結(jié)構(gòu)特征有明顯的差異，因而各層黃土的巖土工程性質(zhì)有明顯的差別［1，2］。

1 物質(zhì)組成及微觀結(jié)構(gòu)特征

滎陽黃土顆粒(見表1)，經(jīng)分析粒徑基本上由0.25 mm以下的顆粒組成，且以粉土顆粒(0.05 mm～0.005 mm)為主，其含量一般為50%～70%，平均值多大于56%。粘粒含量只有10%～26%。在alQ13之前砂粒平均值多大于粘粒。其次黃土各粒組的變化情況是:砂粒組和粉粒組自上而下含量有逐漸減少的趨勢，粘粒組自上而下含量有逐漸增加的趨勢。古土壤中砂粒和粉粒含量明顯減少，而粘粒含量明顯增加。

黃土化學(xué)成分以SiO2，Al2O3為主，兩者之和占75%以上，K2O和Na2O的含量相對(duì)較高，CaO的含量相對(duì)較低［3］。其主要礦物為伊利石、高嶺石、綠泥石、石英、長石、輝石、云母和碳酸鹽礦物等。

從微觀結(jié)構(gòu)上看［4，5］，以微晶碳酸鹽、粘土膠結(jié)的集聚體以及長石、石英等碎屑構(gòu)成了黃土類土結(jié)構(gòu)的骨架顆粒，顆粒的排列具隨機(jī)性，呈接觸式弱膠結(jié)，集聚體和碎屑間存在孔隙。黃土類土的許多工程特性都與這種結(jié)構(gòu)有關(guān)。

2 黃土的物理力學(xué)性質(zhì)

2.1 天然濕度及密度

黃土由于其特殊的形成條件，天然狀態(tài)下的濕度較低，密度不高，孔隙較大，具有低容重、低含水和高孔隙的特點(diǎn)。滎陽黃土的孔隙率為33%～64%，且常具有蟲孔、植物根孔等大孔構(gòu)成垂直方向的管道，黃土的這種大孔隙和柱狀垂直節(jié)理構(gòu)成黃土的主要特點(diǎn)。

2.2 天然含水量

黃土的天然含水量與濕陷性關(guān)系密切［6，7］。黃土在飽水情況下產(chǎn)生較大變形的特性稱為黃土的濕陷性。三門峽地區(qū)，當(dāng)含水量大于23%時(shí)，西安地區(qū)當(dāng)含水量大于24%時(shí)，蘭州地區(qū)當(dāng)含水量大于25%時(shí)土就不具濕陷性［8］。滎陽黃土天然含水量，索河勘察區(qū)當(dāng)含水量大于21.8%時(shí)，枯河勘察區(qū)當(dāng)含水量大于22.0%時(shí)，土就不具濕陷性。試驗(yàn)結(jié)果表明，在垂直方向上黃土自新而老，濕陷性由強(qiáng)變?nèi)酢?/p>

表1 索河不同成因時(shí)代黃土粒度組成的變化范圍

2.3 飽和度

飽和度Sr越小，土的濕陷系數(shù)δs越大。西安地區(qū)當(dāng) Sr＞70%時(shí)，只有3%左右的土具有輕微濕陷性 δs＜0.03，當(dāng) Sr＞75%，土已不具濕陷性［8］。滎陽黃土區(qū)當(dāng)Sr＞63%時(shí)，土已不具濕陷性。

2.4 孔隙比

黃土孔隙比變化在0.85～1.24之間，大多數(shù)在1.0～1.1之間。孔隙比是影響黃土濕陷性的主要指標(biāo)之一。西安地區(qū)當(dāng)e＜0.9，蘭州地區(qū)當(dāng) e＜0.86，一般濕陷性不明顯［8］。而滎陽黃土孔隙比變化在0.675～0.823之間，大多數(shù)在 0.700～0.712之間。在工作區(qū)，黃土層自新而老由大變小，并且黃土層天然孔隙比大于古土壤層。索河勘察區(qū)當(dāng) e＜0.746，枯河勘察區(qū)當(dāng)e＜0.712，一般濕陷性不明顯。

2.5 可塑性

液塑限是決定黃土性質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)，當(dāng)液限在30%以上時(shí)，黃土的濕陷性較弱且多為非自重濕陷性黃土［9］。而滎陽黃土，當(dāng)索河勘察區(qū)黃土的液限在28.5%，枯河勘察區(qū)黃土的液限在29.3%時(shí)，黃土的濕陷性較弱且多為非自重濕陷性黃土。其次滎陽黃土塑性指數(shù)自新而老由小變大。其三，滎陽黃土塑性指數(shù)和液限之間有很好的線性相關(guān)性［10］。

2.6 滲透性

影響土的滲透性質(zhì)的因素很多，如土的孔隙比、顆粒形狀、大小、成分、粘粒含量以及土的結(jié)構(gòu)等［11-13］。對(duì)滎陽黃土來說，由于它具有大量的根管及垂直方向的孔洞，構(gòu)造特殊，因此形成了它的特殊的滲透性質(zhì)。黃土的滲透系數(shù)及其各向異性試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)資料見表2。

表2 黃土滲透系數(shù)及其各向異性比較表

由試驗(yàn)資料看出，黃土垂直方向的滲透系數(shù)大于其水平方向的滲透系數(shù)，垂直方向的滲透系數(shù)多為其水平方向滲透系數(shù)的1倍～2倍。在少數(shù)情況下，也有垂直滲透系數(shù)小于水平滲透系數(shù)的情況。在一般情況下，時(shí)代新的黃土比時(shí)代老的黃土滲透系數(shù)大。

2.7 崩解性

黃土的崩解性根據(jù)崩解試驗(yàn)確定。試驗(yàn)中將原狀黃土試樣(體積5 cm×5 cm×5 cm)浸入水中，觀察試樣達(dá)到完全崩解所需的時(shí)間［8］。試驗(yàn)表明:滎陽新黃土崩解速度較快，浸水后立即有大量氣泡冒出，并產(chǎn)生粒狀崩落，一般經(jīng)3 min～5 min即可達(dá)到完全崩解;老黃土完全崩解需4 min～7 min;古土壤因粘粒含量較高，崩解速度較慢，同樣大小的試樣達(dá)到完全崩解需要20 min～40 min。野外新黃土層、古土壤層較老黃土層薄，故新黃土較老黃土抗侵蝕能力弱，從而造成新黃土厚的地方地表土壤侵蝕嚴(yán)重。

2.8 壓縮性

滎陽黃土天然狀態(tài)下，黃土的壓縮系數(shù)多在0.12 MPa－1～0.39 MPa－1之間，具中等壓縮性，但也有少數(shù)呈低壓縮性，壓縮系數(shù)0.08 MPa－1。浸水后，壓縮系數(shù)大幅度增加，一般可達(dá)0.32 MPa－1～0.89 MPa－1，這主要是顆粒間膠結(jié)物被溶解的結(jié)果［14］。

2.9 強(qiáng)度特征

黃土具有特殊的強(qiáng)度特征，其抗剪強(qiáng)度除與土的顆粒組成、礦物成分和可溶鹽含量有關(guān)外，還取決于土體的含水量和密度［8，15］。一般情況下，自然快剪的強(qiáng)度大于浸水后的快剪值。經(jīng)試驗(yàn)表明滎陽黃土有以下強(qiáng)度特征:

1)當(dāng)含水量低于塑限，水分變化對(duì)強(qiáng)度的影響最大，但當(dāng)含水量大于塑限時(shí)，含水量對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響減小，而超過飽和含水量時(shí)，抗剪強(qiáng)度的變化不大。

2)在土的含水量相同的情況下，土的干重度越大，其抗剪強(qiáng)度越高。

3)浸水過程中黃土濕陷處于發(fā)展過程，此時(shí)土的抗剪強(qiáng)度降低最多，但當(dāng)黃土的濕陷壓密過程已基本結(jié)束，此時(shí)土的含水量雖很高，但抗剪強(qiáng)度卻高于濕陷過程。因此濕陷性黃土處于地下水位變動(dòng)帶時(shí)，其抗剪強(qiáng)度最低，而處于地下水以下的黃土，抗剪強(qiáng)度反而高些。

［1］盛海洋.索河渡槽及退水閘工程地質(zhì)勘察分析［J］.人民長江，2001，32(6)：34-36.

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［3］孫福慶.古土壤地球化學(xué)的某些問題［J］.土壤學(xué)報(bào)，1983(2)：101-110.

［4］高國瑞.黃土顯微結(jié)構(gòu)分類與濕陷性［J］.中國科學(xué)，1980(12)：1203-1208.

［5］雷祥義.西安黃土顯微結(jié)構(gòu)類型［J］.西北大學(xué)學(xué)報(bào)，1983(4)：56-63.

［6］曾國紅.關(guān)于黃土濕陷起始?jí)毫Α裣萜鹗己康奶接懀跩］.太原工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，28(S4)：17-20.

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［8］《簡明工程地質(zhì)手冊(cè)》編寫委員會(huì).簡明工程地質(zhì)手冊(cè)［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1998：225-242.

［9］GB 50021-2001，巖土工程勘察規(guī)范［S］.

［10］SD 128-84，土工試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［11］朱海之.黃土結(jié)構(gòu)某些特征的初步研究［M］.北京：科學(xué)出版社，1964：140-150.

［12］王永炎.蘭州黃土物質(zhì)成分及結(jié)構(gòu)特征［J］.西北大學(xué)學(xué)報(bào)，1978(2)：1-27.

［13］王永炎.中國黃土的結(jié)構(gòu)特征及物理力學(xué)性質(zhì)［M］.北京：科學(xué)出版社，1990：107-121.

［14］劉祖典.黃土的變形特性［J］.土木工程學(xué)報(bào)，1985，18(1)：73-75.

［15］GBJ 25-90，濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范［S］.