山西平魯工業園區次生黃土的濕陷性分析

陳 柳，李松磊

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222）

工程學界將風成的黃土稱為原生黃土，水成的黃土稱為次生黃土。原生黃土多分布在山脊、高階地，次生黃土多分布在河谷沖積平原、山前洪積扇和低階地。次生黃土的物質來源仍是風積的黃土，經過地表水的搬運和沉積作用形成。次生黃土的物理性質依然符合黃土的一些典型特征：①土體呈黃、灰黃或褐黃色；②顆粒以粉粒（0.075～0.005 mm）含量為主，含量通常高于60%；③孔隙結構發育，孔隙比高；④發育有垂直節理。

1 工程場區簡介

平魯區位于山西省北部，地理坐標為東經111°52′～112°41′、北緯39°21′～39°58′。工程場區屬北溫帶大陸性季風氣候，四季分明，春季涼爽，夏季炎熱，秋季晚涼，冬季嚴寒，氣溫年差和日差較大；以西北風為主，全年雨少、蒸發量大，無霜期短，地域差異明顯，受季節風的影響，在一年之內各月降水極不均勻，一般6—8月間降水量占全年降水總量的65.2%，屬半干旱地區。

平魯區地處山西最北部的洪濤山西延和管涔山北延斜軸部，東西兩側為高山，中部只有大沙溝兩岸是沖積而成的斷陷小塊盆地；屬黃土丘陵地貌，地勢北高南低，其間低山和剝蝕谷地相間分布，地面高程一般為1 200～1 400 m，全森林覆蓋率較低，水土流失、地面割切嚴重。平魯區工業園區位于朔州市平魯區北坪鎮，微地貌為沖積的山間平地，地形平坦。大沙溝為該區最大的河流，位于園區的西北側，是平魯城區最大的行洪河道和工業園區的排污河。

2 次生黃土物理化學性質

該區域黃土為第四系上更新統沖洪積（Q3al+pl）的堆積物，屬次生黃土的范疇。與典型的風成黃土存在著差異，主要表現在：①顏色較雜，有灰黃、褐黃、褐灰色和褐紅色等；②土質不純，多處夾有黏土薄層，并局部含砂粒，在大沙溝兩側的邊坡可見土層中夾有砂卵礫石透鏡體；③偶見薄層理；④孔隙不甚發育，僅在大沙溝岸坡裸露的土體可見孔隙和垂直的節理；⑤因為存在的黏土薄層形成相對隔水層，土體中存在上層滯水，局部土體含水率高，為飽和黃土。

通過探井取原狀樣進行土體的室內化學物理力學性質試驗，試樣為Ⅰ級樣，試驗成果詳實可靠，能滿足工程要求。

2.1 土體的化學性質

對試樣進行了化學分析試驗，成果見表1。

表1 土樣化學指標成果統計

土體中易溶鹽包括所有的氯化物鹽類，易溶鹽的硫酸鹽類和碳酸鹽類；中溶鹽是指土中所含的石膏；難溶鹽是指鈣、鎂的碳酸鹽類[1]。

工程場區土體呈弱堿性，以重碳酸和硫酸鹽為主，陰離子主要為HCO3-和SO42-，陽離子主要為Ca2+；且難溶的CaCO3、MgCO3含量極低，易溶的Cl-、Mg2+、K++Na+鹽類含量偏低；易溶鹽含量主要集中在0.31～0.57 g/kg，平均值為0.41 g/kg，在深度分布上主要集中在2～6 m。該次生黃土化學成分以易溶鹽和中溶鹽（CaSO4）為主，難溶鹽含量極低。

土體呈堿性時，土粒表面容易形成較擴展的擴散雙電層，使土粒處于松散狀態[1]，土體結構疏松，存在較大的孔隙比，也是加劇濕陷性的潛在因素。當土中易溶鹽含量＜0.5%，對黃土的性狀影響甚微[1]；工程場區土體中易溶鹽含量＜0.5%的組數占試驗組數的33%，易溶鹽的含量對場區的黃土濕陷性具有較大的影響。中溶鹽含量對黃土結構的影響作用有多大，目前仍不是很清楚，持有影響和無影響的觀點都有[2]。難溶鹽的含量對土體的工程力學性質有影響，由于難溶鹽構成土體骨架水理性很差，遇水后仍能保持較高的強度；難溶鹽含量越高，一般情況下土體強度越高，濕陷程度相對就較低。

2.2 次生黃土的物理性質

對次生黃土的土工試驗成果分別按粒徑、物性、稠度進行統計分析，見表2—4。

表2 次生黃土顆粒分析統計

表3 次生黃土的物性指標統計

表4 次生黃土稠度指標統計

次生黃土顆粒分析表明，粉粒含量占絕對優勢，含量在56.5%～91.3%，平均值為83.2%。液限為24.7%～43.7%，均小于50%；塑性指數為9.0～21.4，均大于7。根據塑性圖法，該次生黃土定名為低液限黏土。根據三角坐標分類，該次生黃土可分為黏土、粉質黏土、壤土和粉土，個別處夾有砂粒。

像這種似球狀的粉粒含量占主要優勢、薄片狀黏粒含量較少的碎屑物質，在干旱和半干旱地區形成獨特的粒狀架空結構體系，粉粒之間的連結就構成了架空結構體系的骨架。這種粒狀架空結構體系首先在堆積過程中形成非正常配位的架空孔隙，其次顆粒間的連結強度是在干旱、半干旱條件下形成的[3]。

3 濕陷程度的劃分

根據《濕陷性黃土地區建筑規范》（GB50025-2004），對試樣的濕陷性試驗成果統計歸類，并對濕陷程度進行劃分。濕陷系數δs＜0.015的組數占總組數的33.3%，0.015≤δs≤0.03的組數占總組數的29.9%，0.03＜δs≤0.07 的組數占總組數的32.2%，δs＞0.07的組數占總組數的4.6%。由此可以看出，同一塊場地上的次生黃土的濕陷程度具有多樣性，各種濕陷程度均有出現，且非濕陷性、輕微濕陷性和中等濕陷性出現的頻率較為接近，強烈濕陷黃土出現頻率相對低得多。

4 濕陷系數與試驗指標的相關性分析

濕陷性黃土是一種非飽和的具有大孔隙結構性土[4]；黃土中含有易溶鹽和黏土礦物，對環境水較為敏感，易破壞土體原有的骨架結構，造成強度的喪失。所以，土體的濕陷系數與含水率、孔隙比、干密度、飽和度以及埋深分布具有一定的相關性。

對試樣的濕陷系數分別與其飽和度、干密度、孔隙比、天然含水率以及埋深進行統計分析，并用Excel 軟件對它們之間的相關性進行擬合。擬合曲線類型的選擇原則是相關性系數（R2）最大時的曲線類型，謀求擬合曲線反映的濕陷系數與其飽和度、干密度、孔隙比、天然含水率以及分布深度相關性更強。

4.1 濕陷系數與飽和度的關系

次生黃土的濕陷系數與飽和度的關系，如圖1所示。

圖1 濕陷系數與飽和度的相關性

從圖1可以看出，非濕陷黃土的飽和度分布范圍較廣，相對集中在80%和30%附近。飽和度超過80%的可視為飽和黃土，可以理解為其濕陷過程已完成，成為壓縮性很大的軟土[1]。輕微濕陷黃土的飽和度集中在20%～70%，分布密度較為平均。中等濕陷黃土的飽和度相對集中在20%～40%。強烈濕陷黃土的飽和度集中在20%～30%。

通過上述的分析和擬合的相關性曲線，可以得出試樣的濕陷系數有著隨土體飽和度的增加而減小的趨勢，即濕陷系數與飽和度成負相關性。但是，擬合的相關性曲線的相關性系數為0.185 6，遠離于1，表示這種相關性不強，故不能用對應的函數進行量化。

4.2 濕陷系數與干密度的關系

干密度是衡量土體密實性的重要指標之一，干密度越大說明土體越密實，土體體積縮小的空間越小，對濕陷性黃土來說就是濕陷量越小和濕陷的可能性越低。從圖2 可以看出，濕陷性黃土干密度集中在1.42～1.52 g/cm3，輕微濕陷黃土的干密度集中在1.38～1.40 g/cm3，中等濕陷黃土的干密度集中在1.34～1.37 g/cm3，強烈濕陷黃土的干密度集中在1.32 g/cm3附近。

圖2 濕陷系數與干密度的相關性

通過上述的分析和擬合的相關性曲線，可以得出試樣的濕陷系數有著隨土體干密度的增加而減小的趨勢，即濕陷系數與干密度成負相關性。但是，擬合的相關性曲線的相關性系數為0.264，遠離于1，表示這種相關性不強，故不能用對應的函數進行量化。

4.3 濕陷系數與孔隙比的關系

黃土獨特的粒狀架空結構決定了其具有較大的孔隙比，并且黃土體中存在著豎向裂隙，這些孔隙和裂隙成為加劇黃土濕陷性和濕陷量內在因素。從圖3 可以看出，非濕陷性黃土的孔隙比集中在0.800～0.910，輕微濕陷性黃土的孔隙比集中在0.920～0.980，中度濕陷黃土的孔隙比集中在0.960～1.000，強烈濕陷黃土的孔隙比集中在1.040附近。

圖3 濕陷系數與孔隙比的相關性

通過上述的分析和擬合的相關性曲線，可以得出試樣的濕陷系數有著隨土體孔隙比的增加而上升的趨勢，即濕陷系數與干密度成正相關性。但是，擬合的相關性曲線的相關性系數為0.243 7，遠離于1，表示這種相關性不強，故不能用對應的函數進行量化。

4.4 濕陷系數與含水率的關系

圖4 濕陷系數與天然含水率的相關性

因為水是濕陷性黃土發生濕陷作用的重要誘發因素，所以含水率與濕陷性關系密切。濕陷系數的大小反映了黃土對水的敏感程度。濕陷系數越大，表示土受水浸濕后的濕陷量越大，對工程的危害也越大。從圖4 可以看出，非濕陷黃土的含水率分布范圍較大，相對集中在10%～15%和27%附近；輕微濕陷黃土的含水率分布在8%～25%，且較為分散；中等濕陷黃土含水率分布在5%～18%；強烈濕陷黃土含水率分布相對較為集中，集中在10%附近。

通過上述的分析和擬合的相關性曲線，可以得出試樣的濕陷系數有著隨土體含水率的增加而下降的趨勢，即濕陷系數與含水率成負相關性。但是，擬合的相關性曲線的相關性系數為0.116 7，遠離于1，表示這種相關性不強，故不能用對應的函數進行量化。

圖5 濕陷系數與取樣深度的相關性

4.5 濕陷性埋深上分布規律

土體在不同深度上具有不同的上覆壓力和不同的受水淋溶作用程度，所以土的孔隙比、含水率、易溶鹽含量各有不同，間接地反映出土的濕陷性在深度上有一定的分布規律。從圖5 可以看出，非濕陷黃土埋深分布在1～10 m，但多分布在7 m 以下；輕微濕陷黃土埋深分布在2～10 m，但多分布在4～10 m；中等濕陷黃土埋深分布在1.4～6.6 m；強烈濕陷黃土埋深分布在2.5～7.7 m。

通過上述的分析和擬合的相關性曲線，可以得出試樣的濕陷系數有著隨取樣深度的增加而下降的趨勢，即濕陷系數與深度成負相關性。但是，擬合的相關性曲線的相關性系數為0.226 6，遠離于1，表示這種相關性不強，故不能用對應的函數進行量化。

4.6 濕陷性與濕陷起始壓力的關系

濕陷起始壓力是指濕陷性黃土浸水飽和，開始出現濕陷時的壓力[4]。實際上，濕陷起始壓力值的大小反映了黃土浸水飽和后的結構剩余強度，超過這個壓力黃土結構就將失去穩定而濕陷[3]。

圖6 濕陷性與濕陷起始壓力的相關性

從圖6可以看出，次生黃土濕陷性試驗中起始壓力大于400 kPa 的試樣均為非濕陷性黃土；輕微濕陷黃土的濕陷起始壓力集中在100～180 kPa；中等濕陷黃土的濕陷起始壓力集中在50～100 kPa；強烈濕陷黃土的濕陷起始壓力分布在15～63 kPa。相關系數為0.704 2，較接近于1，表示濕陷性與濕陷起始壓力具有較好的相關性，呈指數函數關系，關系式為y=347.77e-37.52x。

5 結論

次生黃土在巖性上較原生黃土要復雜，土質也不均勻；所處的位置較原生黃土要低，易受到雨水和人為活動的影響，所以次生黃土的濕陷性具有離散性和濕陷程度多樣性。

濕陷性產生的根本原因是其獨特的粒狀架空結構以及結構間的溶鹽接觸式連結。所以，濕陷性與表征其結構、連結方式和誘發濕陷產生的指標具有相關性。

（1）黃土的pH值越大，土體結構越疏松，存在濕陷的可能性越大。

（2）次生黃土的濕陷程度在同一塊場地上可能會具有多樣性。

（3）濕陷性與孔隙比成正相關性，與飽和度、干密度、天然含水率成負相關性；濕陷性與埋深也成正相關性，埋深越淺，潛在的濕陷可能性就越大。但這種相關性較弱，濕陷性單純與 某一指標不存在對應的可靠的函數關系。

（4）濕陷性與濕陷起始壓力具有較好的相關性。

（5）濕陷性是多個指標共同作用的結果，并不能用某一個化學性質或物理性質指標來表征的，但可以在一些指標相近的情況下進行定性分析。

（6）次生黃土中會有黏粒含量較高相對隔水層，存在上層滯水，部分土體因飽和而成為具有高壓縮性的軟土，對淺基礎工程來說需要重視。

[1]林在貫，高大釗，顧寶和，等.巖土工程手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，1996.

[2]張群.易溶鹽對寧夏同心濕陷性黃土的結構作用效應研究[D].銀川：寧夏大學，2013.

[3]高國瑞.黃土濕陷變形的結構理論[J].巖土工程學報，1990，（7）：1－10.

[4]GB50025-2004，濕陷性黃土地區建筑規范[S].