晉西北區和晉中區大厚度黃土特征分析對比

石 峰 越 強

(山西省第三地質工程勘察院，山西 晉中 030620)

0 引言

山西地處黃河中游華北黃土高原上，輪廓近似于平行四邊形，總面積約15.7萬km2，其中山地和丘陵占80%以上，平原和臺地近20%，濕陷性黃土在全省分布范圍廣泛，在六大盆地和八大河流的河谷階地均有分布。而晉西北地區的黃土梁、峁、塬區和汾河流域的高階地和黃土丘陵區則為大厚度(厚度大于15 m)濕陷性黃土的主要分布區。

山西某氧化鋁廠和山西某汽車零部件有限公司場地分別位于晉西北保德縣霍家梁區和晉中貓兒嶺區，我單位對其建筑場地分別進行了巖土工程勘察。工作區位置見圖1，圖2，以下簡稱“晉西北區”和“晉中區”。

1 概述

晉西北保德縣霍家梁區為黃土高原區，區內黃土溝壑縱橫，黃土梁、塬、峁發育，黃土梁、塬上地形較狹窄，場地周邊發育大量黃土沖溝，海拔高程920 m～1 040 m之間，中部高，南北低，東高西低。

晉中貓兒嶺區主要指晉中盆地東北部邊山地帶黃土丘陵區，處于盆地和山前沖洪扇的過渡地帶，主要為黃土梁、塬，地形較開闊，周邊黃土沖溝一般發育，海拔高程880 m～920 m之間，東、北高，西、南低。

2 地層情況

晉西北區：工作區均為黃土覆蓋，厚度達60 m，主要為第四系風成及坡積堆積物，其中第四系全新統的黃土狀土主要分布于黃土梁峁表層、斜坡前緣及黃土沖溝內，厚度較小，巖性為粉土，具濕陷；上更新統的馬蘭黃土為主要濕陷性黃土，厚度較大，巖性以粉土為主，含少量鈣質結核。濕陷性土層總厚度約15 m～30 m，屬自重濕陷性黃土；中更新統的離石黃土(以下稱老黃土)，巖性以粉土為主，中下部以粉質粘土為主，高壓力下偶具濕陷性，低壓力下基本無濕陷。地層情況見圖3。

晉中區：工作區均為黃土覆蓋，厚度達40 m，主要為第四系風積及坡積堆積物，其中第四系全新統的黃土狀土主要分布于黃土梁、塬表面和坡腳處，厚度小，巖性以粉土為主，具濕陷；上更新統的馬蘭黃土具濕陷性，巖性主要為粉土和粉質粘土，厚度大，含大量鈣質結核。濕陷性土層總厚度約15 m～25 m，屬自重濕陷性黃土；中更新統的老黃土，巖性以粉質粘土和粉土為主，高壓力下偶具濕陷性，低壓力下基本無濕陷，地層情況見圖4。

3 黃土的工程地質特征

由于黃土主要為風成沉積，從晉西北區到晉中區，隨著風速的逐漸降低，搬運力逐漸降低，沉積環境逐漸發生變化，黃土的顆粒組成逐漸由粗變細，導致其物理力學性質也產生變化。

3.1 黃土的顆粒組成

為了查清黃土的顆粒組成，對晉西北地區54組、晉中區75組黃土的顆粒組合進行了統計，統計結果如表1所示。

表1 各類黃土的顆粒組成統計表

3.2 黃土的物理性質

黃土的物理性質包括天然含水量、孔隙比、密度、飽和度、液塑限、塑性指數，各指標統計結果見表2。

表2 黃土物理性質指標統計表

從表2中可看出，從晉西北區到晉中區黃土的物理性質既有相似性，又各具特性，具體如下：

1)天然含水量：普遍較低，一般不超過20%，但從晉西北區到晉中區呈逐漸遞增的規律，且隨深度增加而增加，但增幅逐漸減小。

2)密度：普遍較低，一般不超過1.75 g/cm3，但從晉西北區到晉中區呈逐漸遞增的規律，且隨深度增加而增加，但增幅逐漸變小。

3)天然孔隙比：普遍較高，一般大于0.800，但從晉西北區到晉中區呈逐漸遞增的規律，但增幅較小，基本不大于2.2%，且從黃土狀土到老黃土天然孔隙比逐漸減小。

4)飽和度：普遍較低，一般不超過50%，從晉西北區到晉中區呈逐漸遞增的規律，且隨深度增加逐漸增加，但增幅逐漸減小。

5)液限：從晉西北區到晉中區呈逐漸遞增的規律，但增幅不大，且隨深度增加逐漸增加，但增幅不大，基本小于10%。

6)塑限：從晉西北區到晉中區呈逐漸遞減的規律，但減幅較小，小于10%。

3.3 黃土的力學性質指標

黃土的力學強度指標包括壓縮性、抗剪強度、靜探指標，各指標統計結果見表3。

從表3中可看出，從晉西北區到晉中區，黃土的力學強度差別較大，具體如下：

表3 黃土力學性質指標統計表

1)壓縮性：從晉西北區到晉中區，各層黃土的壓縮系數呈逐漸遞增的規律，但增幅差距較大；壓縮模量呈逐漸遞減的規律，但減幅差距較大；且從黃土狀土到老黃土壓縮性地區性差異越來越小。

2)抗剪強度：從晉西北區到晉中區，各層黃土的粘聚力和內摩擦角呈逐漸遞減的規律，且粘聚力遞減幅度較大，基本大于25%；而內摩擦角的遞減幅度較小，基本小于15%。

3)側摩阻力和端阻力：從晉西北區到晉中區，各層黃土的側摩阻力和端阻力大幅度降低，且隨深度增加，遞減幅度逐漸變小。

從以上數據分析可知，從晉西北區到晉中區各層黃土的力學性質指標逐漸降低。

4 濕陷性黃土特征分析

4.1 濕陷類型及等級

4.1.1晉西北區

工作區濕陷性黃土的濕陷系數介于0.015 4～0.093 5之間，平均值0.039 8，在垂向上變化較大，隨深度增加逐漸遞減；濕陷起始壓力介于13 kPa～347 kPa，平均值123 kPa，在垂向上變化較大，隨深度增加逐漸遞增。

工作區總自重濕陷量介于96.4 mm～524.1 mm之間，總濕陷量介于163.9 mm～907.5 mm之間，為自重濕陷性黃土場地，結合總自重濕陷量和場地地形地貌條件，濕陷等級為Ⅱ級～Ⅲ級，屬中等～嚴重濕陷性黃土場地[10]。

4.1.2晉中區

工作區濕陷性土層的濕陷系數介于0.015 3～0.151 4之間，平均值0.058 4，中上部濕陷程度為強烈，在垂向上變化大，隨深度增加逐漸遞減；濕陷起始壓力介于4 kPa～548 kPa，平均值105 kPa，在垂向上變化較大，隨深度增加逐漸遞增。

工作區總自重濕陷量介于176.1 mm～827.6 mm之間，總濕陷量介于378.2 mm～1 266.5 mm之間，為自重濕陷性黃土場地；結合總自重濕陷量和場地地形地貌條件，濕陷等級為Ⅲ級～Ⅳ級，屬嚴重～很嚴重濕陷性黃土場地。

總之，從晉西北區至晉中區黃土濕陷性逐漸增強。

4.2 影響黃土濕陷的主要因素

影響黃土濕陷的因素主要有：黃土的顆粒組成、天然含水量、天然密度、天然孔隙比等。

4.2.1顆粒組成的影響

晉西北地區、晉中區的黃土的顆粒組成情況見圖5。

由于濕陷性黃土的粒度組成以粗粉粒占優勢，顆粒間彼此分離或很少直接接觸，形成粒狀架空體系，易形成各類粒間孔隙、膠結物隙孔隙、根洞、蟲孔、節理裂隙及溶蝕孔洞，顆粒間裝填疏松，天然狀態時，含水量低，由于膠結物質構成的結構強度阻礙了土的壓密作用，使其具有較多的孔隙，同時由于這些膠結物質的聯結作用，使土體具有較大的結構力，表現出欠壓密性和較高的結構強度及力學強度；而當浸水后，顆粒間連接迅速破壞，結構強度降低，直接發生物理化學作用，導致內部聯結力降低，顆粒移動，重新組合，粒間大孔隙被逐漸充填，導致黃土體積顯著減小，即產生濕陷[3]。而從晉西北區至晉中區濕陷性黃土的粉粒(0.05 mm～0.005 mm)含量逐漸增加，因此從晉西北區到晉中區，黃土的濕陷性逐漸增強。

4.2.2天然含水量的影響

濕陷性黃土的天然含水量普遍較低，有利于吸收水分。晉西北區、晉中區的濕陷系數與天然含水量的關系圖見圖6,圖7。

由表2和圖6,圖7可看出，晉西北區的濕陷性黃土的天然含水量主要介于5%～15%之間，天然含水量大于15%時，低壓力下基本不濕陷；而晉中區濕陷性黃土的天然含水量主要介于9%～20%之間，天然含水量大于20%時，低壓力下基本不濕陷。天然含水量愈低，濕陷性愈強，從晉西北區至晉中區濕陷性黃土的天然含水量逐漸增加。

4.2.3密度的影響

由于濕陷性黃土的孔隙較發育，一般呈欠壓密狀態，因此天然密度一般較低。晉西北區、晉中區黃土的濕陷系數與天然密度的關系見圖8，圖9。

由表2和圖8,圖9可看出，晉西北區濕陷性黃土的天然密度多集中于1.35 g/cm3～1.60 g/cm3之間，當天然密度大于1.60 g/cm3時，低壓力下基本無濕陷；晉中區濕陷性黃土的天然密度多集中于1.30 g/cm3～1.75 g/cm3之間，當天然密度大于1.75 g/cm3時，低壓力下基本無濕陷。密度越小，濕陷性越強烈；隨著密度增加，濕陷性逐漸減弱。

4.2.4天然孔隙比的影響

由于濕陷性黃土一般具大孔隙，且節理較發育，因此天然孔隙比一般較高。晉西北區、晉中區黃土的濕陷系數與天然孔隙比的關系見圖10,圖11。

由表2和圖10,圖11可看出，濕陷性黃土的天然孔隙比越大，濕陷性越強烈。晉西北區濕陷性黃土的天然孔隙比多集中在0.860～1.120之間，當黃土的天然孔隙比小于0.860時，一般不具濕陷性，當黃土的天然孔隙比大于0.860時，濕陷性隨孔隙比增大逐漸增強。而晉中區濕陷性黃土的天然孔隙比多集中在0.780～1.380之間，當黃土的天然孔隙比小于0.780時，一般不具濕陷性；當黃土的天然孔隙比大于0.780時，濕陷性隨孔隙比增大逐漸增強。

4.3 濕陷敏感性

濕陷性黃土在天然狀態下力學強度較高，但在濕水條件下，力學強度會出現大幅度降低，稱之為濕陷敏感性。

對晉西北區、晉中區多組黃土的天然狀態和增濕狀態(含水量增至20%)的直剪試驗結果進行了統計，統計結果見表4。

表4 抗剪強度指標比較表

1)含水量的變化對濕陷性黃土的粘聚力影響較大，隨著含水量的增大，粘聚力逐漸降低；但含水量的變化對濕陷性黃土的內摩擦角影響較小。

2)含水量的變化對濕陷性黃土的粘聚力影響較大，增濕后的粘聚力(C′)比天然狀態下的粘聚力(C)有大幅度降低，相對降低比值(C-C′)/C為黃土的敏感度(η)。統計結果表明，晉西北區黃土狀土、濕陷性黃土、老黃土的敏感度η分別為33.0%,31.9%，19.1%；而晉中區黃土狀土、濕陷性黃土、老黃土的敏感度η分別為13.4%，11.2%，6.1%。說明晉西北區濕陷性黃土的敏感度高，一般超過30%；而晉中區濕陷性黃土的敏感度相對較低，一般稍大于10%；晉西北區老黃土的敏感度稍小于20%，而晉中區老黃土一般小于10%。說明從晉西北區至晉中區濕陷性黃土的敏感度逐漸減小，且敏感度隨深度增加逐漸減小，即老黃土的敏感度低于濕陷性黃土。

3)含水量的變化對濕陷性黃土的內摩擦角影響較小，增濕后的內摩擦角略有下降。晉西北區黃土狀土、濕陷性黃土、老黃土增濕后內摩擦角的下降幅度分別為5.6%，7.5%，4.9%，下降幅度基本介于5%～8%之間；而晉中區黃土狀土、濕陷性黃土、老黃土增濕后內摩擦角的下降幅度分別為3.8%，2.9%，3.7%，下降幅度均小于4%。說明從晉西北區至晉中區黃土的含水量變化對其內摩擦角的影響越來越小。

5 濕陷臨界系數

1)黃土之所以濕陷，是因為其具有較低的天然含水量W、較低的天然密度ρ0、較大的天然孔隙比e等，黃土的天然孔隙比愈大，濕陷系數愈大，濕陷性愈強，反之天然孔隙比愈小，濕陷系數愈小，濕陷性愈弱，基本呈正線性關系；而黃土的天然含水量W、天然密度ρ0愈低，濕陷系數愈大，濕陷性愈強，反之天然含水量、天然密度愈高，濕陷系數愈小，濕陷性愈弱，基本呈反線性關系。

2)黃土是否濕陷與其天然含水量W、天然密度ρ0、天然孔隙比e關系密切，且具一定線性關系，本文將e/W·ρ0稱為濕陷臨界系數(λ)，即λ=e/W·ρ0。

3)通過大量試驗數據統計，得出晉西北區、晉中區黃土的濕陷系數與濕陷臨界系數的關系散點圖見圖12，圖13。

4)晉西北區黃土的濕陷臨界系數基本為3.5，即當黃土的濕陷臨界系數小于3.5時，基本不濕陷；當黃土的濕陷臨界系數大于3.5時，具濕陷。而晉中區黃土的濕陷臨界系數基本為3.0，即當黃土的濕陷臨界系數小于3.0時，基本不濕陷；當黃土的濕陷臨界系數大于3.0時，具濕陷。

6 結論和建議

2)從晉西北區到晉中區，濕陷性黃土的天然含水量、密度、飽和度逐漸遞增，天然孔隙比遞增幅度較小，液塑限變化不大；濕陷性黃土的壓縮性逐漸遞增，抗剪強度逐漸遞減，側阻力和端阻力逐漸遞減。

3)影響黃土濕陷的主要因素有顆粒組成、天然含水量、密度、天然孔隙比等。晉西北區、晉中區濕陷性黃土的天然含水量集中在5%～15%,9%～20%之間；晉西北區、晉中區濕陷性黃土的天然密度集中在1.35 g/cm3～1.60 g/cm3,1.30 g/cm3～1.75 g/cm3之間；晉西北區、晉中區濕陷性黃土的天然孔隙比集中在0.860～1.120,0.780～1.380之間。

4)晉西北區和晉中區均為自重濕陷性黃土場地；但從晉西北區至晉中區，大厚度濕陷性黃土的濕陷等級逐漸遞增。

5)晉西北區濕陷性黃土的敏感度高，一般超過30%；而晉中區濕陷性黃土的敏感度相對較低，一般稍大于10%。

6)本文首次提出濕陷臨界系數的概念，晉西北區黃土的濕陷臨界系數為3.5，晉中區黃土的濕陷臨界系數為3.0。