黃土濕陷性評價方法淺析

陳秀榮，吳建喜，羅新燕，崔永波，賈 麗

(內蒙古自治區(qū)水利水電勘測設計院，內蒙古 呼和浩特 010020)

0 引言

黃土濕陷是濕陷性黃土在一定壓力(自重或外荷)作用下，受水浸濕后原有土體結構發(fā)生破壞而產生的下沉變形。由于黃土的濕陷常造成建筑物地基、公路和鐵路路基、邊坡等的破壞，影響構筑物的正常使用和運營［1］。因此，有必要對黃土場地的濕陷性做出正確評價，為優(yōu)化設計和施工提供依據，從而達到構筑物經濟合理、安全運營的目的。

本文以寧夏回族自治區(qū)盾安風電有限公司固原市原州區(qū)寨科風電場48MW 風電場區(qū)的濕陷性黃土為研究對象，分析了黃土的天然含水量、孔隙比、干密度、濕陷系數在垂向上的變化規(guī)律及黃土孔隙比、干密度等物理性質指標與濕陷系數的關系，探討了利用黃土物理性質指標進行濕陷性評價方法的可行性，為黃土的濕陷性評價及地基處理方案的優(yōu)化設計提供依據。

1 黃土物理性質指標及濕陷系數垂向分布特征

風電場區(qū)地層為第四系上更新統(tǒng)風積層(Qeol3)，巖性以黃土狀粉土為主，淺黃色，稍濕，稍密，土質不均勻，垂直節(jié)理發(fā)育，具有大孔隙性，結構疏松。根據《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》GB50025—2004 附錄B 黃土層的劃分，地層屬于具有典型濕陷性的馬蘭黃土。場區(qū)地下水埋藏深度較深，＞60 m［2］。

為了查明場區(qū)的工程地質條件，進行巖土工程勘察時，在每個風機機位布設一個探井，每個探井內采取黃土原狀樣，供室內試驗之用，以分析和研究黃土的物理力學性質以及黃土的濕陷性，為濕陷性評價提供資料和依據。

本節(jié)選用了場區(qū)部分鉆孔土樣的室內試驗成果，對黃土的天然含水量、孔隙比、干密度及濕陷系數在垂向上的分布規(guī)律進行了統(tǒng)計分析，分析成果見圖1～4。室內試驗結果反映出鉆孔所揭露的黃土的物理性質指標存在如下特點:

(1)天然含水量較低，介于3.1%～19.8%，含水量存在隨深度增加而增大的趨勢;

(2)孔隙比較大，介于0.814～1.300，孔隙比存在隨深度增加而減小的趨勢;

(3)干密度介于1.20～1.50 g/cm3，干密度存在隨深度增加而增大的趨勢;

(4)濕陷系數均值介于0.006～0.200，自重濕陷系數均值介于0.000～0.100，濕陷系數與自重濕陷系數存在隨深度增加而減小的趨勢。

圖1 天然含水量隨深度的變化規(guī)律Fig.1 The laws of water content changing with depth

圖2 孔隙比隨深度的變化規(guī)律Fig.2 The laws of void ratio changing with depth

圖3 干密度隨深度的變化規(guī)律Fig.3 The laws of dry density changing with depth

圖4 濕陷系數隨深度的變化規(guī)律Fig.4 The laws of collapsibility coefficient changing with depth

2 黃土濕陷性影響因素

2.1 天然含水量與濕陷性關系分析

濕陷性黃土的物理性質和其它巖、土一樣，是通過某些指標反映出來的。它的主要指標有反映土骨架本身性質的比重;反映骨架和空隙相互關系的密度指標容重、干容重;反映土骨架間空隙程度的孔隙度、孔隙比;反映含水狀態(tài)和可塑性的飽和度、液限、塑限、塑性指數［3］。黃土濕陷并不是達到浸水飽和時才發(fā)生的，而是當浸水到一定程度便開始濕陷。因此土樣的天然含水程度對濕陷值有顯著的影響。一般含水量越高，黃土濕陷性越低，當含水量達到25%時，基本沒有濕陷性，它們之間呈反相關關系(見圖5)。

2.2 孔隙比與濕陷性關系分析

土的孔隙比是反映土的疏密程度的指標，是土中孔隙與固體體積之比。黃土的一大特點是富含孔隙，正因為有如此之多的孔隙，才為黃土濕陷提供了空間，是黃土產生濕陷的主要原因［4］。濕陷性系數與孔隙比有相當好的正相關，即孔隙比越大，濕陷系數越高(見圖6)。孔隙比大的大孔架空結構的黃土在外力和內力作用下容易破壞，極易濕陷;相反，孔隙比小的結構膠結程度好的黃土在相同力的作用下不易濕陷。

因此，孔隙比作為黃土濕陷性的主要影響因素，并用于濕陷性評價，具有重要的意義。

圖5 天然含水量與濕陷系數的關系Fig.5 The relationship between the water content and coefficient of collapsibility

圖6 孔隙比與濕陷系數的關系Fig.6 The relationship between the void ratio and coefficient of collapsibility

圖7 干密度與濕陷系數的關系Fig.7 The relationship between the dry density and coefficient of collapsibility

2.3 干密度與濕陷性關系分析

黃土干密度一方面反映了黃土的物質成分，另一方面反映了孔隙特征和土體的密實程度，干密度越大，則土體越密實，就越不利于黃土濕陷的發(fā)生。

2.4 粘粒含量與濕陷性關系分析

黃土的顆粒是指那些巖石、礦物和非晶體化合物的零散碎片或碎屑。顆粒本身既可以是礦物質的結晶構造，也可以是非結晶構造，如SiO2和Fe2O3。黃土中的顆粒組成能反映第四紀松散堆積體的主要特征，它不僅是松散堆積體分類、命名的基礎，也是查明這些沉積物的來源、搬運介質、沉積環(huán)境及其變化的主要依據，更重要的是隨著土顆粒組成的變化，土的結構也相應地發(fā)生改變，進而影響了土的物理力學性質和水文地質條件。因此，對該指標的研究也是研究工程地質的關鍵，對評價工程地質特征有著重要意義。

圖8 塑性指數與濕陷系數的關系Fig.8 The relationship between the plastic index and coefficient of collapsibility

黃土的顆粒組成有兩個特點，絕大多數顆粒均＜0.25 mm;另外是以粉土顆粒(0.05～0.005 mm)為主。它的含量占總含量的52%～72%，尤以占55%～65%者居多，粘土顆粒成分(＜0.005 mm)占10%～25%;砂土顆粒成分(＞0.05 mm)占10%～30%，一般為20%左右。主要為黃土區(qū)外圍地區(qū)或邊緣黃土區(qū)，濕陷性黃土的顆粒成分同樣也以粉土顆粒為主。各地黃土的顆粒組成存在很大的差異。黃土的顆粒成分，對濕陷性有一定的影響。這種影響表現在各個方面，譬如顆粒的組合結構狀態(tài)，顆粒的含量等。雖然粘粒含量成分占的比例較小，但其對黃土濕陷性有著非常大的影響。

由于粘粒含量與常規(guī)測試的塑性指數有極大的相關性，從理論上講，塑性指數進一步體現粘粒對水的敏感性，所以采用塑性指數代替粘粒含量進行濕陷系數的分析，更具有工程實際意義［5，6］。

3 濕陷性評價

根據國家標準《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》(GB50025—2004)，土層的濕陷性通過δs評定。當Δs＞0.015時，為濕陷性黃土;否則，為非濕陷性黃土。而黃土的濕陷程度可根據濕陷系數δs分為三種:當0.015≤δs≤0.03 時，濕陷性輕微;當0.03 ＜δs≤0.07時，濕陷性中等;當δs＞0.07 時，濕陷性強烈。場地濕陷性初步評價的內容主要為判定場地土層是否具有濕陷性，據此確定濕陷性黃土層的厚度及其在空間上的分布，在此基礎上判定濕陷性土層的濕陷程度。風電場區(qū)探井黃土濕陷系數室內試驗成果見表1。

黃土濕陷性的影響因素是多方面的，但是目前依據微結構對黃土濕陷性進行定量評價較為困難，而黃土的物理性質和力學性質(包括濕陷性)均是其成分和結構的綜合反映和表現，也反映了當前的賦存狀態(tài)。因此，這些指標可以反映黃土的成分、結構、賦存環(huán)境特征。實際工作中采用物理指標較為方便，一方面物理指標易于測定，另一方面表征黃土物理性質的指標較多，它們從不同方面反映了黃土的成分和結構［7］。因此，通過反映黃土成分和結構特征的物理性質指標來評價黃土的濕陷性具有一定的理論指導意義。

綜上所述，黃土濕陷性是其物質成分、結構和賦存環(huán)境共同決定和影響的。故規(guī)范采用濕陷系數δs這一單一指標來評價黃土的濕陷性，尚不足以直接從本質上反映黃土的濕陷性。鑒于此，本文嘗試從黃土的物理性質指標與濕陷系數的關系進行分析，從中選擇出影響濕陷的主要因素，進而探索這些影響因素與濕陷系數的關聯特性，進行黃土濕陷性評價。

通過對場區(qū)180 組室內試驗數據的物理性質指標與濕陷系數進行相關性分析，可以得到如下關系:濕陷系數與孔隙比的相關系數為R=0.633;與含水量的相關系數為R=－0.527;與干密度的相關系數為R=－0.225;與塑性指數的相關系數為R=0.021。相關性分析結果表明，黃土物理性質指標與黃土濕陷系數關系密切的依次為孔隙比、含水量、干密度。黃土的濕陷系數與塑性指數的相關性很小。

為了進一步了解黃土孔隙比、含水量、干密度與濕陷性的關系，對180 組數據進行多元非線性回歸分析，得到風電場區(qū)黃土的濕陷系數與孔隙比、含水量、干密度的關系為式(1)所示:

式中:δs為濕陷系數;w 為含水量(%);ρd為干密度(g/cm3);e 為孔隙比。

經方差分析，F=133.01，P=0.003，方程有效。

式(1)的相關系數R=0.913，說明黃土濕陷系數與孔隙比、含水量、干密度之間有較好的相關性。

表1 探井黃土濕陷系數匯總表［2］Table 1 Results forcoefficient of loess collapsibility of exploratory wells

通過綜合對比分析表明，式(1)的計算結果與采用規(guī)范所計算的濕陷系數值基本一致(見表1)。由此可見，用這些反映黃土成分、結構和賦存狀態(tài)的物理指標來評價黃土的濕陷性的方法對于本工程是可行的。

4 結論

黃土濕陷是一個復雜的物理、化學變化過程，受多種因素制約，正確評價黃土的濕陷性具有較大的難度。黃土的干密度、含水率、孔隙比等，這些物理指標數值穩(wěn)定，易于測定，誤差小，而黃土的濕陷系數卻隨試驗條件和測試技術的差異而不同，變化幅度較大，易影響評價的精度。因此，根據對黃土濕陷性本質的認識及工程實際研究分析，探索濕陷系數與黃土物理指標間的關系，進而對濕陷系數作出預測，可以在一定程度上減小試驗工作量，簡化地基濕陷性評價方法，對綜合評價場地的濕陷性具有較大的實際意義。

本文僅是在寧夏回族自治區(qū)盾安風電有限公司固原市原州區(qū)寨科風電場48MW 風電項目場區(qū)黃土濕陷性研究的基礎上，探討了黃土的物理性質指標與濕陷系數的關系，具有一定的局限性。因此，用黃土的物理指標來評價其濕陷性還需要更多的工程實踐來驗證。

［1］馮連昌，鄭晏武.中國濕陷性黃土［M］.北京:中國鐵道出版社，1982.

［2］吳建喜，崔永波.寧夏回族自治區(qū)盾安風電有限公司固原市原州區(qū)寨科風電場48MW 風電項目巖土工程勘察［R］.呼和浩特:內蒙古自治區(qū)水利水電勘測設計院，2012.

［3］邢嬌秀.影響黃土濕陷性因素分析研究［D］.西安:長安大學，2004:26－27.

［4］雷詳義.中國黃土的孔隙類型與濕陷性［J］.中國科學，1987，12:1 310－1 316.

［5］錢鴻縉，等.濕陷性黃土地基［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1985:51.

［6］岳應利.黃土高原西部黃土工程物理性質及其原因［J］.中國沙漠，2004，24(6):680－684.

［7］王有林.黃土濕陷及評價方法［D］.蘭州:蘭州大學，2009:38－39.