陜北不同地區黃土濕陷性試驗研究

蘇盛偉，王明甫，鐘建平

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

文章編號：1006—2610(2015)02—0020—03

陜北不同地區黃土濕陷性試驗研究

蘇盛偉，王明甫，鐘建平

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

通過室內試驗和原位測試成果，對比分析了陜北郝灘鄉和狄青塬風電場黃土的含水率、孔隙比、飽和度、密實度與濕陷系數的關系及其相關性，為初步判斷黃土濕陷性提供參考依據。

黃土；濕陷系數；孔隙比；飽和度；含水率；密實度

0 前 言

中國的黃土主要分布在北緯 33°～47°之間，主要分布區域是太行山以西，秦嶺、大別山以北，遍及甘肅、陜西、山西、河南、寧夏、新疆、內蒙古等省區。濕陷性黃土在地域分布上由西北向東南，黃土的密度、含水量和強度由小變大，滲透性、壓縮性和濕陷性由大變小，顆粒組成由粗變細，黏粒含量由少變多，易溶鹽由多變少等規律。

濕陷是在一定壓力作用下，由于水的滲入而使土的連結顯著減弱的一種特殊變形[1]。黃土濕陷性機理國內外學者提出了包括結構學說、水膜楔入說、毛細管假說、溶鹽假說、欠壓密理論等在內的眾多學說[2-7]。其根本原因是：土中水分增加導致土顆粒結合水膜增厚，分子間的作用力被液體摩擦力所取代，從而降低了黃土的結構強度發生濕陷。

濕陷性黃土在一定條件下具有保持土的原始基本結構形式不被破壞的能力，這是由于黃土在沉積過程中的物理化學因素促使相互接觸產生了固化聯結鍵，這種固化聯結鍵構成的土骨架具有一定的結構強度，使得濕陷性黃土的應力應變關系和強度特性表現出與其他土類明顯不同的特點。濕陷性黃土在其結構強度未被破壞或軟化的壓力范圍內表現出低壓縮性、高強度等特性。但其結構性一旦遭到破壞時，其力學性質將呈現軟化、濕陷等性狀。影響黃土濕陷性的外界因素主要是外力和水分，內在的結構特性是其根本[8-10]，黃土產生濕陷的最根本原因是由于其特殊的結構組成在外界條件下由緊密逐漸變化為疏松破壞[11]。

文章通過對陜北地區定邊縣郝灘鄉和橫山縣狄青塬黃土的室內試驗結果和原位測試結果的總結，揭露影響黃土濕陷性大小的主要內在因素。

1 取樣與研究方法

黃土取樣區主要位于：① 定邊縣郝灘鄉，高程1 500～1 780 m，為黃土高原北部的黃土低崗斜坡；② 橫山縣塔灣鎮狄青塬，場址區高程在1 300～1 500 m之間，為黃土塬和丘陵地貌。

巖土試樣采用薄壁取土器(直徑120 mm)，快速靜力連續壓入法，自地面以下2 m開始取樣，2～10 m取樣間距2 m；10～35 m取樣間距為3 m采集原狀樣品。為保持土樣的原始結構不被破壞，采集的樣品密封。樣品運回實驗室后，用常規壓縮實驗的方法確定黃土的濕陷性。

濕陷系數δs是判定黃土濕陷性的定量指標，由室內壓縮試驗測定。計算公式[12]:

(1)

自重濕陷系數計算公式[12]:

(2)

濕陷性黃土的濕陷程度可根據濕陷系數δs的大小分為：在2 kg壓力下,濕陷系數δs<0.015為非濕陷性；0.015≤δs≤0.03為濕陷性輕微；0.03≤δs≤0.07為濕陷性中等；δs>0.07為濕陷性強烈。

土的孔隙比e是土試樣中孔隙體積(Vn)與土粒體積(V)之比，表達式為[12]:

(3)

土的飽和度Sr是土層孔隙中所含水的體積(Vw)與土層孔隙體積(Vn)的比值，表達式為[12]:

(4)

2 試驗結果

所取黃土物理性質室內試驗統計成果見表1。黃土標準貫入統計成果見表2。

3 討 論

3.1 場址區濕陷性黃土分布深度與濕陷等級

根據地基土濕陷性試驗成果綜合分析：郝灘鄉地層中②層上更新統黃土主要為自重濕陷性土(表3)，自重濕陷量25.0～204.5 mm，其平均值為103.7 mm，總濕陷量72.5～453.0 mm，其平均值為264.3 mm，濕陷深度10.5～22.0 m，濕陷等級主要為自重濕陷Ⅱ級，濕陷性中等；地層中④層中更新統風積黃土為非濕陷黃土，基本不具濕陷性。

表1 黃土物理性質試驗成果統計表

表2 標準貫入試驗擊數(N)成果統計表

狄青塬地層中②層上更新統黃土自重濕陷量280～1 096 mm，其平均值約為709.3 mm，總濕陷量587.4～2 077.5 mm，其平均值為1 344.1 mm，濕陷深度29.5～35.0 m，濕陷等級為Ⅳ級，濕陷性很嚴重。

在基本相同的氣候條件下，黃土的性質具有差異較小的特點[13]，所以郝灘鄉和狄青塬的黃土濕陷性分布深度的研究結果在其相應地區具有代表性。

表3 濕陷量及濕陷等級統計表

3.2 黃土含水率、孔隙度、飽和度和密實度與濕陷系數的相關性

試驗數據統計表明：兩處取樣地第1層古土壤上部的黃土(②層黃土)大部分都具有不同程度的濕陷性和自重濕陷性；古土壤下部的黃土(④層黃土)大部分不具有濕陷性和自重濕陷性。

(1) 含水率(W)與濕陷系數的關系

如圖1曲線所示，相同性質的黃土層，含水率增大，其對應的濕陷系數(δs2.0)減小，所對應的黃土的濕陷性減小。

圖1 含水率(W)與濕陷系數(δs2.0)的關系圖

(2) 孔隙比(e)與濕陷系數的關系

如圖2曲線所示，相同性質的黃土層，孔隙比增大，其對應的濕陷系數(δs2.0)增大，所對應的黃土的濕陷性變大；當孔隙比e<0.75，即達到密實程度，濕陷系數小于0.005。

(3) 飽和度(Sr)與濕陷系數的關系

如圖3曲線所示，相同性質的黃土層，飽和度增大，其對應的濕陷系數(δs2.0)減小，所對應的黃土的濕陷性減小，黃土層飽和度明顯小于相鄰的古土壤，古土壤黏性土含量高、持水性和吸水性較強，使其飽和度明顯大于臨近的黃土層。

圖2 孔隙比(e)與濕陷系數(δs2.0)的關系圖

圖3 飽和度(Sr)與濕陷系數(δs2.0)的關系圖

(4) 標貫擊數(N)與濕陷系數的關系

如圖4曲線所示，不同土層的黃土當標貫擊數越高(密實程度越高)其對應的濕陷系數越小，濕陷性相對越小，據此可通過原位測試初步判斷黃土濕陷程度。

圖4 標貫擊數(N)與濕陷系數(δs2.0)的關系圖

4 結 語

根據文章所列舉的試驗數據及現場試驗資料可以得出如下結論：

(1) 具有濕陷性的同一性質的黃土層中，含水率與濕陷系數呈負相關性；孔隙比與濕陷系數呈正相關性；飽和度與濕陷系數呈負相關性；黃土的密實度越高，其對應的濕陷系數越小。

(2) 古土壤層的含水率、飽和度和標貫擊數明顯高于臨近的黃土層，孔隙比小于臨近的黃土層，其所對應的濕陷系數(δs2.0)遠小于臨近的黃土層。

(3) 土層的孔隙比越大，飽和度即越小，所對應的濕陷系數越大。孔隙比和飽和度均可代表土中孔隙體積的大小，有指示黃土濕陷性強弱的作用。

[1] 高國瑞.我國黃土濕陷性質的形成研究[J].南京建筑工程學院學報,1994,(2):1-8.

[2] 張茂花.濕陷性黃土增(減)濕變形性狀試驗研究[D].西安:長安大學，2002:2-10.

[3] 邢志龍.引洮供水二期工程濕陷性黃土工程地質特性研究[J].西北水電,2014,(04): 20-22.

[4] 鄭晏武.中國黃土的濕陷性[M].北京:地質出版社,1982.

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

[6] 錢鴻緒,王繼唐.濕陷性黃土地基[M].北京:中國建筑工業出版社,1985.

[7] 陳正漢,劉祖典.黃土的濕陷變形機理[J].巖土工程學報，1986,12(2):1-12.

[8] 關慶華,李振作,張立英. 濕陷性黃土地區單樁豎向承載力靜載荷浸水試驗[J].西北水電,2010,(05): 83-86,91.

[9] 楊增光.黃土的濕陷性及評價[J].山西建筑,2001,28(3):41-42.

[10] 劉佑榮,張文殊,王清.工程巖土學[M].北京：地質出版社,1987,10:128-132.

[11] 王永眾,林在貫.中國黃土的結構特征及物理力學性質[M].北京:科學出版社，1990:65-67.

[12] 工程地質手冊[M].4版.北京：中國建筑工業出版社,2006,431-432.

[13] 張宗枯.中國黃土[M].石家莊:河北教育出版社,2003.

Study on Collapsibility Tests of Loess in Different North Shaanxi Regions

SU Sheng-wei, WANG Ming-pu, ZHONG Jian-ping

(POWERCHINA Xibei Engineering Co., Ltd., Xi'an 710065,China)

Through the results of lab tests and in situ tests, relationship and correlation of moisture content, porosity ratio, saturation degree, density and collapsibility coefficient of loess in the wind farms in HaotanTownship and Diqingyuan are compared and analyzed. This provides primary judgment of loess collapsibility with reference.

loess, collapsibility coefficient; porosity ratio; saturation degree; moisture content; density

2015-01-08

蘇盛偉(1985- )，男，遼寧省海城市人,助理工程師，主要從事工程勘察設計工作.

TU444

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.02.006