太原市黃土臺塬區黃土濕陷性質的研究

薛春梅

（山西省交通建設工程質量檢測中心（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，垂直節理發育；具有濕陷性和易溶性、易沖刷性等，對工程建設有其特殊的危害性。

濕陷性類型的黃土在某種環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因素促使顆粒相互接觸產生了固化聯結鍵，這種固化構成土骨架具有一定的結構強度，使得濕陷性黃土的應力-應變關系和強度特性表現出與其他土類明顯不同的特點。濕陷性類型的黃土在其結構強度未被破壞或弱化的壓力范圍內，表現出高強度低壓縮的特性；但結構框架一旦遭受破壞，其力學性質將會呈現屈服、弱化、濕陷等現象。馬愛農[3]通過對太原東山地區某大型商住樓建筑區域的黃土濕陷數據分析匯總，得出黃土濕陷變形系數與壓縮模量衰減的規律，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指標的關系。山西是我國濕陷性黃土主要分布地區之一，本文的著重點是通過對山西境內的太原工程區黃土顆粒組成、濕陷變形系數等物理力學指標的試驗數據進行分析，探究該區域黃土濕陷性的特點，為以后該地區黃土場地勘察設計階段的濕陷性評價及初步界定提供參考數據，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，途經老城區、東山片區、北營片區，止于武宿片區，呈“L”型結構。某標段勘察范圍共有5個站點，經過東山黃土臺塬區，場地內分布有濕陷性黃土，深度以見中更新世黃土地層（Q2）為準，東部山地（太原東山）為太行山支脈系舟山的延續，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，樣品質量均能達到一級試樣要求。

2.2 試驗儀器及方法

該試驗采用WG型單杠桿固結儀；試驗方法采用雙線法對同一個樣品取兩個環刀試樣，其中一個進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定后，進行預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 試驗數據分析

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GB 50021—2001《巖土工程勘察規范》，將塑性指數IP≤10定名為粉土，塑性指數IP＞10定名為粉質黏土。

表1 黃土顆粒組成

3.2 化學成分分析

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CaCO3），易溶鹽類陽離子以K+、Na+為主，陰離子以SO42-、HCO3-為主。當水浸入黃土中，使膠結土粒的凝膠變為溶膠部分時易溶鹽被溶解帶走，黃土骨架顆粒發生位移，形成粒狀架空接觸或半膠結形式，使結合水加厚，膠結連接部分被消弱破壞，形成松散的結構形式，因此，該黃土易產生濕陷性變形。黃土主要化學成分見表2。

表2 黃土化學成分分析

3.3 濕陷系數與物理指標的相關性

從表3中可以看出，太原市東山黃土臺塬區天然含水率介于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及取樣深度的統計值，可以看出：a）東山黃土臺塬區從北往南，濕陷強度逐漸減弱，尤其到S18工點，小于等于10.2 m范圍內為雜填土，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的關系

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。表3中數據①④為各站點不同地層的濕陷變形系數與孔隙比的統計值，為便于比較，將其轉化為圖1，由圖1可看出：a）濕陷變形系數δs與土的孔隙比e的增長呈現良好的正向關系；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，濕陷性強烈。

圖1 天然孔隙比與濕陷變形系數關系圖

3.3.2 飽和度與濕陷變形系數的關系

飽和度反映土體孔隙中充滿水的程度。表3中數據①⑤為各站點不同地層的濕陷變形系數與飽和度的統計值，為便于比較，將其轉化為圖2，由圖2可看出：a）濕陷變形系數δs與土的飽和度sr的增長呈現良好的反向關系；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關系圖

3.3.3 干密度與濕陷變形系數的關系

干密度是土體被完全烘干時的密度。表3中數據①⑥為各站點不同地層的濕陷變形系數與干密度的統計值，為便于比較，將其轉化為圖3，由圖3可看出：a）濕陷變形系數δs與土的干密度的增長呈良好的反向關系；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，濕陷性強烈。

圖3 干密度與濕陷變形系數關系

4 結語

a）黃土濕陷變形系數與其孔隙比、飽和度、干密度之間有良好的相關關系。對于太原市軌道交通某線路經過的東山黃土臺塬區沿線的黃土，其物理指標具有的典型特征有：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濕陷性黃土界定的參考值。

b）太原市東山黃土臺塬區濕陷層厚度約為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雜，該次試驗對工程區黃土濕陷性的研究僅是從物理指標的角度進行分析，得到的規律對以后該地區黃土濕陷性的界定及初步判斷有一定的指導意義；今后還需要進一步從黃土的微觀結構及黃土濕陷機理的角度進行深入探討，為該地區黃土濕陷性質的認識提供更充足的依據。