蘭州地區馬蘭黃土工程特性分析

王 倩

(甘肅中建市政工程勘察設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

黃土在我國廣泛分布，總面積達到了63.5萬km2，約占我國國土面積的6.61 %[1]，其中，濕陷性黃土約占全部黃土面積的3/4[2]，由于黃土具有大孔隙性和弱膠結性等特殊性質，對線路、廠房、基礎設施建設等有著極其重要的影響，常引起路基變形、邊坡的破壞等，據統計顯示，我國近1/3的滑坡災害，都發生在黃土地區[3]。

目前關于黃土物理力學性質及其濕陷性有著大量的研究，如周杰等人對黃土基本物理指標與濕陷系數的相關性研究[4-5]、黃建軍等對于黃土濕陷性評價模型[6]、黃土濕陷特性[7]等方面進行了一定研究。然而，這些研究主要集中于黃土基本物理指標與濕陷系數的相關性、黃土濕陷特性等相關研究，對于成因、形成條件、地形地貌、氣候等條件相同，而濕陷性卻差異巨大的馬蘭黃土缺乏相關的研究，該文以蘭州地區馬蘭黃土為例，對其物理力學參數分析，并對濕陷性馬蘭黃土和非濕陷性馬蘭黃土的特性進行深入的對比分析。

1 研究區概況

文中研究場地選取蘭州市黃河北岸黃土梁峁、溝壑區域，場地及周邊地形起伏相對起伏較大，局部區域地勢相對高差可達200 m以上，場地及周邊主要出露地層為加里東中期花崗巖，下白堊系河口群粉砂巖、細砂巖，第四系中、晚更新統沖洪積碎石土，第四系晚更新統風積馬蘭黃土等，其中馬蘭黃土是區內分布最廣泛的地層，其濕陷性隨位置、深度不同而有所不同。

區內氣候屬大陸性季風氣候，氣候干燥、降水量少、年內降水極不均勻且具有周期性特征，場區及周邊無區域性斷層，區內地下水主要由大氣降水補給。

2 試驗方案

為詳細查明場地內馬蘭黃土工程特征，在前期調查、測繪的基礎上，制定詳細的試驗方案，主要研究內容及思路如下。

(1)由于場地內馬蘭黃土濕陷性隨區域及深度有一定變化，且同時存在濕陷性馬蘭黃土和非濕陷性馬蘭黃土，因此，對二者分別研究并作對比分析、研究。

(2)通過鉆探、挖探，取得相應符合試驗標準的試樣，分別測定濕陷性及非濕陷性黃土的含水率、干密度、孔隙比、壓縮系數、液塑限等基本物理力學性質指標。

(3)對部分試樣進行高壓力下壓縮試驗，分析研究濕陷性及非濕陷性馬蘭黃土在不同壓力的孔隙比變化特征。

(4)對該區域內濕陷性馬蘭黃土進行濕陷變形特征分析。

3 工程特性分析

對于該場地濕陷性和非濕陷性馬蘭黃土，分別進行含水率、孔隙率、塑性指數、壓縮模量等試驗，根據現場實際情況、試樣情況、試驗情況，剔除異常值，物理力學指標試驗均超過500組，可排除樣本數量對統計結果的影響。

3.1 馬蘭黃土物理力學參數特征

根據室內試驗及統計，結果顯示見表1、表2。

表2 非濕陷性馬蘭黃土物理力學指標Tab.2 Physical mechanical indicators of non-collapsible Malan loess

結果顯示，該區域內馬蘭黃土含水率介于1.0 %～16.0 %，干密度介于1.21～1.69 g/cm3，孔隙比介于0.608～1.246，塑性指數介于8.3～9.9。此外，各指標中，馬蘭黃土的干密度、孔隙比的變異系數相對較小，含水率、飽和度、壓縮系數、壓縮模量等的變異系數相對較大。

3.2 濕陷性與非濕陷性馬蘭黃土物理力學參數對比分析

根據大量的試驗結果顯示見表1-2、圖1，該場地濕陷性馬蘭黃土和非濕陷性馬蘭黃土基本物理力學指標存在一定的差異及規律，主要特征為：

圖1 孔隙比與試樣深度關系圖Fig.1 Curves of void ratio and sample depth

(1)含水率：濕陷性馬蘭黃土含水率1.0 %～16.0 %，標準值7.80，非濕陷性馬蘭黃土含水率1.3 %～14.4 %，標準值7.0 %，非濕陷性馬蘭黃土含水率相對較低。

(2)干密度：濕陷性馬蘭黃土干密度1.21～1.59 g/cm3，標準值1.39 %，非濕陷性馬蘭黃土1.37～1.69 g/cm3，標準值1.53 %，非濕陷性馬蘭黃土干密度較大。

(3)孔隙比：濕陷性馬蘭黃土孔隙比0.701～1.246，標準值0.961非濕陷性馬蘭黃土孔隙比0.608～0.933，標準值0.781，非濕陷性馬蘭黃土孔隙比較低。

(4)飽和度：飽和度5.00 %～58.00 %，濕陷性馬蘭黃土與非濕陷性馬蘭黃土飽和度無明顯差異。

(5)液塑限指標：該區域濕陷性馬蘭黃土與非濕陷性馬蘭黃土液限、塑限、塑性指數相差較小，其中液限25.0 %～27.1 %，塑限16.8 %～17.2 %，塑性指數8.3～9.9。

非濕陷性馬蘭黃土含水率相對較低、干密度相對較大、孔隙比相對較低，飽和度、液塑限指標無明顯差異，可見孔隙比、干密度、含水率對馬蘭黃土濕陷性有著重要的影響。

3.3 高壓力壓縮試驗下變形特征

在探井中以人工刻槽法采?、窦壊粩_動試樣，進行了高壓力下壓縮試驗，結果見表3-4、圖2。

表3 壓縮系數平均值統計表Tab.3 Averages of compression factors

表4 壓縮模量平均值統計表Tab.4 Averages of compression modulus

圖2 平均壓縮曲線特征圖Fig.2 Average compression curves

對比濕陷性及非濕陷性馬蘭黃土分別在天然和浸水條件下的壓縮指標來看，與天然狀態相比，濕陷性馬蘭黃土與非濕陷性馬蘭黃土在浸水條件下壓縮系數均有所增大，壓縮模量有所降低。

此外，分別在天然和浸水條件下，分析壓縮指標變化幅度，結果顯示，浸水條件對濕陷性馬蘭黃土壓縮指標影響較大，而浸水條件對非濕陷性黃土壓縮影響相對較小。

3.4 濕陷起始壓力及濕陷變形特征分析

根據對該地區馬蘭黃土濕陷性試驗成果統計總結，每5 m選取1組數據，結果見圖3、圖4。

圖3 非濕陷性馬蘭黃土濕陷系數與試驗壓力關系圖Fig.3 Curves of collapsibility factor and test pressure of non-collapsible Malan loess

圖4 濕陷性馬蘭黃土濕陷系數與試驗壓力關系圖Fig.4 Curves of collapsibility factor and test pressure of collapsible Malan loess

(1)非濕陷性馬蘭黃土

濕陷起始壓力與黃土孔隙比密切相關，在正常壓力下不具有濕陷性，孔隙比e0在0.85～0.90區間內時，濕陷起始壓力>300 kPa，部分在壓力>400 kPa時才具有濕陷性，試驗壓力在400～600 kPa之間，呈現輕微-中等濕陷性。

孔隙比e0<0.85，試驗樣品在600 kPa壓力前，絕大多數未出現濕陷系數>0.015的情況，表明在600 kPa壓力范圍內，基本不具濕陷性，即濕陷起始壓力≥600 kPa。

(2)濕陷性馬蘭黃土

濕陷性馬蘭黃土壓密固結作用較差，一般孔隙比e0>0.85，大多在0.90以上，在常規試驗壓力下即呈現出輕微-中等濕陷性，濕陷起始壓力≤200 kPa。

4 結 語

(1)與濕陷性馬蘭黃土相比而言，非濕陷性馬蘭黃土含水率相對較低、干密度相對較大、孔隙比相對較低，飽和度、液塑限指標無明顯差異，非濕陷性馬蘭黃土孔隙比、干密度、含水率對該地區馬蘭黃土濕陷性有著重要的影響。

(2)浸水條件對馬蘭黃土均存在一定的影響，會使壓縮系數均有所增大，壓縮模量有所降低，相比而言，其對濕陷性馬蘭黃土壓縮指標影響更大。

(3)非濕陷性馬蘭黃土在正常壓力下不具有濕陷性，孔隙比e0在0.85～0.90區間內時，濕陷起始壓力>300 kPa，部分在壓力>400 kPa時才具有濕陷性，孔隙比e0<0.85，在600 kPa壓力范圍內，基本不具濕陷性；濕陷性馬蘭黃土孔隙比e0>0.85，大多在0.90以上，常規試驗壓力下，即呈現出輕微-中等濕陷性，濕陷起始壓力≤200 kPa。濕陷性馬蘭黃土一般情況下濕陷起始壓力相對較小。