赤峰地區(qū)濕限性黃土探究

張雄鋒 冀珊珊

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

赤峰地區(qū)黃土主要分布在北部低山丘陵區(qū)，厚度變化較大，垂直分布廣泛，物理特征變化明顯，濕限性差異較大。依據(jù)某鐵路勘探和室內(nèi)試驗資料，分析了赤峰地區(qū)黃土的物理特征和濕限性參數(shù)，總結(jié)了濕限系數(shù)隨黃土埋藏深度、孔隙比、上覆土壓力以及含數(shù)量之間的關系和變化規(guī)律。

1 赤峰黃土的工程地質(zhì)特性

通過對424個土樣的試驗結(jié)果統(tǒng)計分析可知，該地區(qū)黃土厚度最大可達70 m，上部為第四系晚更新統(tǒng)至全新統(tǒng)風積或風積－沖積黃土，該層黃土顆粒均勻、物質(zhì)成分較單一，孔隙比較大，濕限系數(shù)較大;下部黃土主要為第四系早－中更新統(tǒng)沖洪積黃土，顆粒成分不均，多含角礫，一般不具濕限性。

2 赤峰黃土的組成結(jié)構

經(jīng)對其中67個勘探點，270組試樣進行室內(nèi)試驗分析，本地區(qū)黃土塑性指數(shù)小于10，即主要為砂質(zhì)黃土。通過對其他地區(qū)的黃土研究，土體中的黏粒存在于粗顆粒中，起一定的膠結(jié)和支撐作用，黏粒含量越多，濕限性相對較小。赤峰地區(qū)土體中粉粒約占%41～62%，黏粒和砂粒約占13%～18%和35%～40%，粉粒含量較多，砂粒、黏粒含量較少，因而濕限性相對較大。

3 黃土的濕限性

3.1 濕限性機理

赤峰黃土大部分是在干旱或半干旱氣候條件下形成的，因氣候干燥，土體中的水分不斷蒸發(fā)，水中所含的碳酸鈣、硫酸鈣等鹽類在土體顆粒表面析出，并沉淀下來形成膠結(jié)物。由于土體顆粒間的分子引力、薄膜水和毛細水形成水膜聯(lián)結(jié)，增強了土顆粒之間抵抗移動的能力，阻礙土骨架在其上覆土自重壓力的作用下可能發(fā)生的壓密，從而形成肉眼可見的大孔結(jié)構，土體處于欠固結(jié)狀態(tài)。當黃土受水浸濕時，結(jié)合水膜便會增厚，并楔入土顆粒之間，進而破壞聯(lián)結(jié)薄膜，并逐漸溶解鹽類，使得土體強度顯著降低。在自重應力和附加應力的作用下，土體的結(jié)構逐漸破壞，土顆粒向大孔隙中滑動，骨架被擠緊，從而發(fā)生塌陷。

3.2 初始孔隙比與土層深度的變化規(guī)律

采用鉆探和挖探的方法共采取了270組黃土試樣，樣品為Ⅰ～Ⅱ級，基本未擾動。根據(jù)不同深度試樣的試驗數(shù)據(jù)分析，統(tǒng)計得出初始孔隙比與土層深度的變化規(guī)律(見圖1)，實驗室數(shù)據(jù)見表1。

表1 土層深度與天然孔隙比

圖1 孔隙比e0與土層深度H的關系

從表1和圖1可以看出，赤峰地區(qū)黃土的天然孔隙比為0.56～0.95。隨著深度的增加，天然孔隙比逐漸減小，尤其在5 m深度以下，這種規(guī)律更明顯。5 m以上的表層土因受外部擾動，物理力學性質(zhì)發(fā)生了一些變化，導致孔隙比隨深度變化不一致。

3.3 濕限系數(shù)與土層深度的關系

根據(jù)室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)，統(tǒng)計得出赤峰地區(qū)黃土濕限系數(shù)與土層埋置深度的變化關系(見圖2)，實驗室數(shù)據(jù)見表2。

表2 土層深度與濕限系數(shù)

圖2 土層深度H與濕限系數(shù)的關系

由表2和圖2可知，濕限系數(shù)隨著深度的增大而逐漸減小，14 m以下的土層濕限系數(shù)小于0.015，即沒有濕限性。濕限系數(shù)可簡單地按照以下線性關系式計算，即

式中 δs——濕限系數(shù);

H——土層埋置深度/m。

3.4 濕限系數(shù)與壓力的關系

選取天然含水量下初始孔隙比e0分別為0.66、0.84和0.94的3組試樣，采用雙線法壓縮試驗，測得該四組試樣在不同壓力下對應的濕限系數(shù)(見表3)，據(jù)此繪制壓力P與濕限系數(shù)δs的關系曲線(見圖3)。

表3 不同孔隙比的土層壓力與濕限系數(shù)

圖3 不同孔隙比的土層濕限系數(shù)與壓力P的關系

由圖3可見，對于同一組試樣，濕限系數(shù)隨著壓力的增大而增大，當壓力達到某一數(shù)值時，濕限系數(shù)達到最大值，此后，濕限系數(shù)隨著壓力的增大而急劇減小。按照《鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程》(TB10038—2012)中有關黃土的規(guī)定，據(jù)圖3選取濕限系數(shù)為0.015時對應的壓力作為濕限起始壓力，可知，赤峰地區(qū)黃土的濕限起始壓力為12～24 kPa之間。

3.5 濕限系數(shù)與含水量的關系

土體的天然含水量也是影響濕限系數(shù)的一個重要因素，不同黃土的濕限系數(shù)隨著天然含水量的增大而減小，當天然含水量相同時，浸濕程度越大濕限性越強，浸濕程度越小濕限性越弱［3］。

4 結(jié)論

(1)赤峰地區(qū)黃土主要為砂質(zhì)黃土，濕限性較大，一般具有Ⅱ～Ⅲ級非自重濕限性，部分具有Ⅱ級自重濕限性，屬中等－嚴重濕限黃土。

(2)該地區(qū)濕限性黃土的天然孔隙比為0.52～1.45之間，濕限系數(shù)為0.001～0.139之間，濕限起始壓力較小，為12～24 kPa。

(3)5 m以下的黃土，深度越大孔隙比越小;天然孔隙比越大的黃土，濕限性越大;同一組黃土試樣，濕限系數(shù)隨著壓力的增大而增大，當壓力達到某一數(shù)值時，濕限系數(shù)快速減小。

(4)一般工程的基地總壓力小于12 kPa時，可忽略濕限性對工程的影響。重要工程的地基處理深度須達到14 m以下，方可消除黃土的濕限性對工程的危害。

［1］中鐵第一勘察設計院集團有限公司．鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程［S］．北京:中國鐵道出版社，2012

［2］中 鐵第一勘察設計院集團有限公司．鐵路工程土工試驗規(guī)程［S］．北京:中國鐵道出版社，2010

［3］楊 紅霞．魯中黃土濕限性研究［J］．中外公路，2006，8(4):24－26

［4］鄭 林春．不同黃土的壓縮變形特性分析［J］．西南交通大學學報，2012，5(47):115－117