太原市黃土臺塬區(qū)黃土濕陷性質(zhì)的研究

薛春梅

（山西省交通建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心（有限公司），山西 太原 030032）

0 引言

黃土是我國地域分布最廣的一種特殊性土類[1]，它是第四紀(jì)時期形成的一種特殊堆積物，其主要特征為：顏色以黃為主，有灰黃、褐黃等；含有大量粉粒（0.005～0.075 mm）,含量一般在55%以上，具有肉眼可見的大孔隙，孔隙比在1.0左右，富含碳酸鹽類；無層理，垂直節(jié)理發(fā)育；具有濕陷性和易溶性、易沖刷性等，對工程建設(shè)有其特殊的危害性。

濕陷性類型的黃土在某種環(huán)境下具有保持土的原始基本單元形式不被破壞的能力[2]。這是由于黃土在形成過程中的物理化學(xué)因素促使顆粒相互接觸產(chǎn)生了固化聯(lián)結(jié)鍵，這種固化構(gòu)成土骨架具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使得濕陷性黃土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和強(qiáng)度特性表現(xiàn)出與其他土類明顯不同的特點。濕陷性類型的黃土在其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度未被破壞或弱化的壓力范圍內(nèi)，表現(xiàn)出高強(qiáng)度低壓縮的特性；但結(jié)構(gòu)框架一旦遭受破壞，其力學(xué)性質(zhì)將會呈現(xiàn)屈服、弱化、濕陷等現(xiàn)象。馬愛農(nóng)[3]通過對太原東山地區(qū)某大型商住樓建筑區(qū)域的黃土濕陷數(shù)據(jù)分析匯總，得出黃土濕陷變形系數(shù)與壓縮模量衰減的規(guī)律，指出采用壓縮模量衰減來評價黃土的濕陷等級。武小鵬[4]針對鄭西高鐵沿線的黃土分析，研究了濕陷性與其物理力學(xué)指標(biāo)的關(guān)系。山西是我國濕陷性黃土主要分布地區(qū)之一，本文的著重點是通過對山西境內(nèi)的太原工程區(qū)黃土顆粒組成、濕陷變形系數(shù)等物理力學(xué)指標(biāo)的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，探究該區(qū)域黃土濕陷性的特點，為以后該地區(qū)黃土場地勘察設(shè)計階段的濕陷性評價及初步界定提供參考數(shù)據(jù)，具有一定的實用價值。

1 工程概述

太原市軌道交通某線路是東西向的一條骨干線路，起于汾河西岸片區(qū)，途經(jīng)老城區(qū)、東山片區(qū)、北營片區(qū)，止于武宿片區(qū)，呈“L”型結(jié)構(gòu)。某標(biāo)段勘察范圍共有5個站點，經(jīng)過東山黃土臺塬區(qū)，場地內(nèi)分布有濕陷性黃土，深度以見中更新世黃土地層（Q2）為準(zhǔn)，東部山地（太原東山）為太行山支脈系舟山的延續(xù)，山勢和緩。

2 試驗概況

2.1 土樣采集

該試驗選用的土樣取自太原市軌道交通某線路經(jīng)過的5個站點，各站點布置10處探井孔，各孔取樣間距為1.0 m，取樣深度均為25.2 m。所有樣品均采用人工挖探取出原狀黃土試樣，樣品質(zhì)量均能達(dá)到一級試樣要求。

2.2 試驗儀器及方法

該試驗采用WG型單杠桿固結(jié)儀；試驗方法采用雙線法對同一個樣品取兩個環(huán)刀試樣，其中一個進(jìn)行給定濕陷壓力作用下的后濕法試驗，另一個在第一級壓力作用下下沉穩(wěn)定后，進(jìn)行預(yù)濕法試驗直至加荷到與第一個試樣相同的最后一級壓力。

3 試驗數(shù)據(jù)分析

3.1 顆粒組成及分類

從表1可以看出，土樣液限為24.2%～29.4%，塑限為16.2%～17.9%,塑性指數(shù)為8.0～11.6，大于0.075 mm砂粒含量為1.6%～7.6%，粒徑0.005～0.075 mm粉粒含量為67.0%～82.6%，小于0.005 mm的黏粒含量為14.0%～23.2%，依據(jù)GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》，將塑性指數(shù)IP≤10定名為粉土，塑性指數(shù)IP＞10定名為粉質(zhì)黏土。

表1 黃土顆粒組成

3.2 化學(xué)成分分析

黃土的可溶性鹽包括易溶鹽（氯化物鹽類及硫酸鹽）、中溶鹽（石膏CaSO4）和難溶鹽（石灰質(zhì)CaCO3），易溶鹽類陽離子以K+、Na+為主，陰離子以SO42-、HCO3-為主。當(dāng)水浸入黃土中，使膠結(jié)土粒的凝膠變?yōu)槿苣z部分時易溶鹽被溶解帶走，黃土骨架顆粒發(fā)生位移，形成粒狀架空接觸或半膠結(jié)形式，使結(jié)合水加厚，膠結(jié)連接部分被消弱破壞，形成松散的結(jié)構(gòu)形式，因此，該黃土易產(chǎn)生濕陷性變形。黃土主要化學(xué)成分見表2。

表2 黃土化學(xué)成分分析

3.3 濕陷系數(shù)與物理指標(biāo)的相關(guān)性

從表3中可以看出，太原市東山黃土臺塬區(qū)天然含水率介于6.3%～21.2%之間，濕陷性黃土飽和度的范圍是16.6%～61.9%。

表3 黃土濕陷性試驗成果匯總

表3中①②為各站點的濕陷變形系數(shù)及取樣深度的統(tǒng)計值，可以看出：a）東山黃土臺塬區(qū)從北往南，濕陷強(qiáng)度逐漸減弱，尤其到S18工點，小于等于10.2 m范圍內(nèi)為雜填土，該土層沒有濕陷性；b）各站點在取樣深度大于等于22.2 m時，濕陷消失，以此可大致判定該地區(qū)的濕陷層厚度為22.2 m。

3.3.1 天然孔隙比與濕陷變形系數(shù)的關(guān)系

孔隙比表示土中孔隙的含量，它與土形成過程中所受的壓力、粒徑級配和顆粒排列的狀況有關(guān)。表3中數(shù)據(jù)①④為各站點不同地層的濕陷變形系數(shù)與孔隙比的統(tǒng)計值，為便于比較，將其轉(zhuǎn)化為圖1，由圖1可看出：a）濕陷變形系數(shù)δs與土的孔隙比e的增長呈現(xiàn)良好的正向關(guān)系；b）孔隙比e＜0.780時，δs＜0.015，即濕陷基本消失；孔隙比e＞1.026時，濕陷性強(qiáng)烈。

圖1 天然孔隙比與濕陷變形系數(shù)關(guān)系圖

3.3.2 飽和度與濕陷變形系數(shù)的關(guān)系

飽和度反映土體孔隙中充滿水的程度。表3中數(shù)據(jù)①⑤為各站點不同地層的濕陷變形系數(shù)與飽和度的統(tǒng)計值，為便于比較，將其轉(zhuǎn)化為圖2，由圖2可看出：a）濕陷變形系數(shù)δs與土的飽和度sr的增長呈現(xiàn)良好的反向關(guān)系；b）飽和度sr＞65%時，δs＜0.015，即濕陷基本消失。

圖2 飽和度與濕陷變形系數(shù)關(guān)系圖

3.3.3 干密度與濕陷變形系數(shù)的關(guān)系

干密度是土體被完全烘干時的密度。表3中數(shù)據(jù)①⑥為各站點不同地層的濕陷變形系數(shù)與干密度的統(tǒng)計值，為便于比較，將其轉(zhuǎn)化為圖3，由圖3可看出：a）濕陷變形系數(shù)δs與土的干密度的增長呈良好的反向關(guān)系；b）干密度ρd＞1.56 g/cm3時，δs＜0.015，即濕陷基本消失；干密度ρd＜1.35 g/cm3，濕陷性強(qiáng)烈。

圖3 干密度與濕陷變形系數(shù)關(guān)系

4 結(jié)語

a）黃土濕陷變形系數(shù)與其孔隙比、飽和度、干密度之間有良好的相關(guān)關(guān)系。對于太原市軌道交通某線路經(jīng)過的東山黃土臺塬區(qū)沿線的黃土，其物理指標(biāo)具有的典型特征有：孔隙比0.780、飽和度65%、干密度1.56 g/cm3時，這些臨界點可作為該地區(qū)濕陷性黃土界定的參考值。

b）太原市東山黃土臺塬區(qū)濕陷層厚度約為22.2 m；工點從北往南，濕陷性逐步減弱。

c）黃土濕陷性的誘因復(fù)雜，該次試驗對工程區(qū)黃土濕陷性的研究僅是從物理指標(biāo)的角度進(jìn)行分析，得到的規(guī)律對以后該地區(qū)黃土濕陷性的界定及初步判斷有一定的指導(dǎo)意義；今后還需要進(jìn)一步從黃土的微觀結(jié)構(gòu)及黃土濕陷機(jī)理的角度進(jìn)行深入探討，為該地區(qū)黃土濕陷性質(zhì)的認(rèn)識提供更充足的依據(jù)。