定西至臨洮高速公路黃土濕陷性試驗研究

孫小紅 （中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430071）

0 前言

黃土在干燥時具有較高的強度，而遇水后表現(xiàn)出明顯的濕陷性，淺部工程力學性質(zhì)較差，易引發(fā)路基沉降失穩(wěn)，且易形成黃土陷穴、崩塌體，對路基危害較大[1-2]。因此，正確認識公路沿線黃土地層工程特性并準確評價黃土濕陷性對擬建工程具有重要意義。

定西至臨洮高速公路是甘肅東部地區(qū)通往臨夏、甘南、青海南部地區(qū)的一條便捷快速通道。項目主線設計速度80 km/h、路基寬度25.5m,雙向四車道；全長33.019km。路線區(qū)位見圖1。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，線路處于隴西黃土高原的西部，該地區(qū)干旱少雨，帶有大陸性氣候的特點，沿線廣布風積、洪積成因類型的黃土類土。

黃土的濕陷性機理目前眾多學者提出了各種假說，包括結(jié)構(gòu)學說、水膜楔入說、毛細管假說、溶鹽假說、欠壓密理論等在內(nèi)的眾多學說[3-5]。一般來說，黃土濕陷性是由黃土本身特殊的成分和結(jié)構(gòu)所決定的：以石英和長石組成的粉粒為主，礦物親水性較弱，粒度細而均一，連接雖較強但不抗水；未經(jīng)很好壓實，結(jié)構(gòu)疏松多孔，大孔性明顯。

圖1.路線區(qū)位圖

所以，黃土具有明顯的遇水連接減弱，結(jié)構(gòu)趨向緊密的傾向，即濕陷性。表現(xiàn)為黃土陷穴（見圖2），黃土天生橋（見圖3），黃土柱（見圖4）等微地貌。

圖2 黃土陷穴

圖3 黃土天生橋

圖4 黃土柱

圖5 黃土試樣

本文通過取樣并進行測試，對路基沿線黃土濕陷性及工程性質(zhì)進行分析，為工程建設提供合理的理論依據(jù)。

2 黃土濕陷性試驗研究

本次研究在探井和部分鉆孔中采取黃土原狀樣（見圖5）進行了420組濕陷性試驗（室內(nèi)壓縮試驗）及常規(guī)物理力學試驗。土樣試驗主要包括濕陷系數(shù)、含水率、密度、孔隙比、稠度指標、壓縮、快剪（直剪）等。

2.1 濕陷程度統(tǒng)計

經(jīng)統(tǒng)計，濕陷系數(shù)大于等于0.015的共275組數(shù)據(jù)，濕陷性黃土試樣比例65.5%。其中，49組濕陷性輕微；98組濕陷性中等的；128組濕陷性強烈。可見，大部分試驗具濕陷性，且多為濕陷性中等～強烈。如圖6所示。

2.2 濕陷等級評價

根據(jù)濕陷性試驗數(shù)據(jù)，對場地沿線主要工點進行單孔濕陷性判別，根據(jù)濕陷量計算可知，沿線工點黃土多為自重濕陷性，濕陷等級多為Ⅲ～Ⅳ（嚴重～很嚴重）；局部為非自重濕陷性黃土，濕陷等級多為Ⅱ～Ⅳ級（中等～很嚴重）。判別情況見表1。

2.3 黃土物理試驗成果統(tǒng)計及相關性分析

黃土濕陷性機理比較復雜，影響因素眾多，如成因、埋深、含水率、孔隙比、密度、飽和度等與濕陷系數(shù)之間均存在一定的相關性，本文通過對大量室內(nèi)試驗成果的分析對此進行探討。黃土物理性質(zhì)試驗結(jié)果統(tǒng)計見表2。

圖6 試樣濕陷程度統(tǒng)計

黃土濕陷性判別情況一覽表 表1

黃土物理性質(zhì)試驗結(jié)果統(tǒng)計 表2

試驗結(jié)果表明，場地黃土定名可分為粉土及粉質(zhì)粘土兩大類，大部分指標離散程度較低，含水率、飽和度及濕陷系數(shù)離散程度略高，特別是濕陷系數(shù)，可見其受到了多因素的復雜影響。經(jīng)過對黃土物理性質(zhì)指標與濕陷性系數(shù)之間的對比分析，得到如下成果：

2.3.1 黃土濕陷性與埋深的關系

黃土濕陷系數(shù)與埋深的關系如圖7所示，其中粉土類黃土與粉質(zhì)粘土類黃土在數(shù)據(jù)整體分布上沒有明顯差異，初步分析黃土的濕陷性與塑性指數(shù)無明顯相關性。

統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示淺層數(shù)據(jù)分布較均勻，10m以下濕陷系數(shù)數(shù)值及分布密度明顯降低。由此可見，隨著埋深的增加，黃土濕陷性整體減弱，但表層數(shù)據(jù)的分布表明黃土的濕陷性顯然與物理結(jié)構(gòu)關聯(lián)更大。統(tǒng)計中將濕陷系數(shù)小于0.015的數(shù)據(jù)剔除，根據(jù)埋深可見本線路中濕陷地層埋深下限約為18.5m。

2.3.2 黃土濕陷性與天然含水率的關系

黃土濕陷系數(shù)與天然含水量的關系如圖8所示，其中粉質(zhì)粘土類黃土含水率相對略高，整體數(shù)據(jù)分布顯示濕陷系數(shù)隨含水率上升而減小，且濕陷情形下，粉土類天然含水率在21.2%以內(nèi)，粉質(zhì)粘土類天然含水率在24%以內(nèi)。

圖7 濕陷系數(shù)與埋深關系

圖8 濕陷系數(shù)與天然含水量關系

2.3.3 黃土濕陷性與濕密度的關系

黃土濕陷系數(shù)與濕密度的關系如圖9，其中粉土與粉質(zhì)黏土數(shù)據(jù)分布上沒有顯著差異，整體呈現(xiàn)濕陷系數(shù)隨著濕密度增大而不斷減小的趨勢。

圖9 濕陷系數(shù)與濕密度關系

2.3.4 黃土濕陷性與飽和度的關系

黃土濕陷系數(shù)與飽和度的關系如圖10，其中粉質(zhì)黏土的起始飽和度整體略高，統(tǒng)計表明濕陷系數(shù)隨著飽和度的增大而逐步減小，而濕陷條件下飽和度的上限約為60%。

圖10 濕陷系數(shù)與飽和度關系

2.3.5 黃土濕陷性與孔隙比的關系

黃土濕陷系數(shù)與孔隙比的關系如圖11，其中粉質(zhì)黏土的孔隙比數(shù)值整體略高，但統(tǒng)計后數(shù)據(jù)分布趨勢較為一致，濕陷系數(shù)隨著孔隙比的增大而逐步增大。圖中可見起始孔隙比約為0.7，上限孔隙比在1.5附近。

2.3.6 黃土濕陷性與液限的關系

黃土濕陷系數(shù)與液限的關系如圖12，數(shù)據(jù)顯示二者無明顯相關性，對比塑限等稠度指標亦可以發(fā)現(xiàn)如此規(guī)律。由此說明黃土濕陷性與稠度指標關聯(lián)不大。

圖11 濕陷系數(shù)與孔隙比關系

圖12 濕陷系數(shù)與液限關系

3 結(jié)語

在黃土濕陷性機理的基礎上，結(jié)合濕陷性試驗數(shù)據(jù)，對場地的濕陷量進行了計算，評價了濕陷等級，進而分析了濕陷系數(shù)與各影響因素之間的相關性，得出了場地黃土濕陷性特性：

①場地沿線濕陷性黃土比例為65.5%，多為自重濕陷，濕陷等級多為Ⅲ～Ⅳ，粉土與粉質(zhì)黏土類黃土在濕陷特性上沒有明顯差異；

②隨著埋深的增加，黃土濕陷性整體減弱，10m以下濕陷系數(shù)數(shù)值及分布密度明顯降低，濕陷地層埋深下限約為18.5m；

③濕陷系數(shù)隨含水率、濕密度、飽和度的增大而減小，濕陷性黃土天然含水率＜21.2%～24%，飽和度上限約為60%；

④濕陷系數(shù)隨孔隙比的增大而逐步增大，孔隙比范圍約為0.7～1.5，與稠度指標關聯(lián)不大。

[1]聶衛(wèi)東.濕陷性黃土地基設計[J].安徽建筑，2014，21(06):84-85.

[2]岳彩坤，張立奇.濕陷性黃土地基處理方案比選及應用[J].安徽建筑，2011，18(06):108-109+116.

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

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

[5]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):1-2.