淺析甘肅隴東地區馬蘭黃土工程地質特性

朱金龍

（甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000）

1 研究區馬蘭黃土特征

1.1 粒度成分

隴東馬蘭黃土從北部環縣至南部靈臺縣，從北向南粉粒含量逐漸減小，黏粒含量逐漸增大，塬面及塬邊斜坡砂粒含量變化不大。馬蘭黃土砂粒含量（平均值）在0.62%～7.14%之間，粉粒在83.25%～61.15%之間，黏粒在16.04%～32.38%之間。

1.2 化學成分

隴東馬蘭黃土化學成分有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、FeO、MnO、TiO2，其中SiO2、Al2O3、CaO 含量占60%～70%。自北向南SiO2和MgO有減少趨勢，而Al2O3、Fe2O3和FeO的含量有增加的趨勢，CaO、Na2O和K2O含量無明顯變化規律。

2 馬蘭黃土物理力學性質

2.1 物理性質

根據隴東地區351組馬蘭黃土原狀樣試驗結果，隴東馬蘭黃土在天然條件下，土體中含水量隨深度增大而增加，干密度亦隨深度增大而增大，孔隙比隨深度增大而減小。土體在天然條件下含水量較少，土體處于堅硬～硬塑狀態，孔隙較大，弱～微透水，垂直向滲透性略大于水平向。

2.2 力學性質

根據隴東地區351 組馬蘭黃土原狀樣試驗結果。隴東馬蘭黃土濕陷性隨深度先增強后減弱，但變化緩慢，濕陷起始壓力隨深度增大呈較大～較小～最大的趨勢。一般馬蘭黃土在埋深6 m附近濕陷系數最大，濕陷性最強，埋深在馬蘭黃土底部、第一層古土壤以上附近濕陷性最小，濕陷起始壓力達最大。在天然條件下，土體具中～高壓縮性、中～強濕陷性土，屬自重濕陷性黃土，工程地質性質不良。

3 馬蘭黃土工程地質特性

3.1 濕陷性

隴東地區黃土濕陷性十分復雜，與土的形成時代、成因類型、土體結構、干密度、孔隙比及附加荷載等有著十分密切的關系。隴東地區黃土主要有馬蘭黃土、離石黃土、古土壤及黃土狀土，其中分布于隴東黃土塬、梁、峁上部及河（溝）谷斜坡及高階地頂部的馬蘭黃土濕陷性最明顯，濕陷土層厚度最大，而且其濕陷性比其他黃土強烈，對工程建設影響最大。

①隴東馬蘭黃土濕陷性總體規律：由北向南濕陷土層厚度是薄～厚～薄，濕陷性變化是弱～強～弱，環縣最北端的甜水堡，接近于北面的白于山南麓，濕陷性最小，濕陷土層最薄；向南至合道川段為北部梁峁區，馬蘭黃土層厚達15 m，濕陷性最強；從合道川向南至靈臺什字塬為隴東黃土塬區，塬區從北向南，馬蘭黃土層厚度逐漸變薄，濕陷土層深度逐漸減小，濕陷性逐漸減弱。

②北部梁峁區黃土濕陷性較強，濕陷類型為自重濕陷性場地，濕陷等級為Ⅳ級（很嚴重），馬蘭黃土層厚約15 m；而北部梁峁區邊緣地帶（甜水堡一帶）濕陷較小，一般為非自重濕陷性場地，濕陷等級為Ⅱ級（中等），馬蘭黃土層厚度5 m左右。

③塬區北部（西峰—合水一帶），上部馬蘭黃土層厚9.20～12.90 m，一般為自重濕陷性場地，濕陷等級為Ⅲ（嚴重）；中部古土壤層厚3 m左右，一般無濕陷。總體塬區北部西峰一帶濕陷土層深度可達13 m，合水一帶濕陷土層深度可達19 m。

④塬區中部（鎮原—寧縣—正寧一帶），馬蘭黃土層厚9.20～12.00 m，一般為自重濕陷性場地，濕陷等級為Ⅱ級（中等）～Ⅲ（嚴重）。⑤塬區南部（崆峒—涇川—靈臺一帶），上部馬蘭黃土層厚9.90～11.70 m，一般為自重濕陷性場地，崆峒-涇川濕陷等級為Ⅱ級（中等）～Ⅲ（嚴重），最南部的靈臺一帶濕陷等級為Ⅱ級（中等）。

3.2 滲透性

隴東馬蘭黃土滲透性由黃土成分特征和結構特征決定。黃土中黏粒含量越高、親水性礦物含量越多、孔隙越小、節理越不發育，黃土滲透性越差，反之亦然。

隴東馬蘭黃土滲透性分級屬弱透水—微透水，滲透系數一般在3.8×10-6～10.5×10-5cm/s 之間，垂直向滲透性略大于水平向。從黃土分布地域上，馬蘭黃土黏粒含量由北向南依次增大，滲透性依次減弱，環縣梁峁區黃土滲透性最大，靈臺塬區滲透性最小。

3.3 壓縮性

隴東馬蘭黃土不論是天然狀態下，還是飽和狀態下，土體極易壓縮，一般具中～高壓縮性。土體抵抗外部荷載壓縮變形能力較差，地基土體極易沉降變形。

從地域上，一般階地黃土比塬區黃土難于壓縮，梁峁區黃土比塬區易于壓縮，這主要是因為壓縮性不僅與黃土的孔隙比和顆粒組成有關，也與天然含水量有關。

3.4 抗剪性

隴東馬蘭黃土天然狀態下黏聚力c=7.40～96.40 kPa，平均值36.39 kPa，內摩擦角φ=15.40°～26.50°，平均值22.17°；飽和狀態下黏聚力c=1.10～36.10 kPa，平均值11.16 kPa，內摩擦角φ=9.00°～21.50°，平均值13.00°。隴東馬蘭黃土中的含水量對其抗剪強度影響較大，飽水后強度降低明顯，其黏聚力大幅降低，內摩擦角降低幅度較小。土體飽和后黏聚力降低了85%～63%，平均降低了69%；內摩擦角降低了42%～19%，平均降低41%。

3.5 擊實性

64組土樣的室內擊實試驗、37組擊實后土樣的壓縮試驗、抗剪試驗和滲透試驗表明，隴東馬蘭黃土擊實前后工程地質特性和變化如下。

①馬蘭黃土擊實后最大干密度一般為1.64～1.77 g/cm3，平均值1.71 g/cm3；最優含水量一般為15.70%～20.80%，平均值17.82%。②馬蘭黃土擊實后自然狀態下土體壓縮系數一般為0.06～0.3 MPa-1，平均值0.17 MPa-1，壓縮模量一般為6.53～28.54 MPa，平均值12.25 MPa；飽和狀態下壓縮系數一般為0.06～0.30 MPa-1，平均值0.19 MPa-1，壓縮模量一般為5.71～19.04 MPa，平均值10.77 MPa。③馬蘭黃土擊實后自然狀態下土體抗剪強度黏聚力一般為28.30～93.30 kPa，平均值52.06 kPa，內摩擦角一般為20.50°～57.65°，平均值29.88°；飽和狀態下土體抗剪強度黏聚力一般為12.40～59.10 kPa，平均值30.45 kPa，內摩擦角一般為10.69°～29°，平均值20.23°。④馬蘭黃土擊實后土體垂直方向滲透系數一般為7.5×10-8～1.5×10-5cm/s，平均值1.6×10-6cm/s；水平方向滲透系數一般為8.6×10-8～2.35×10-5cm/s，平均值4.26×10-6cm/s。水平方向滲透性大于垂直方向，而天然狀態下土體垂直方向滲透性大于水平方向。⑤馬蘭黃土擊實后自然狀態下壓縮系數（按平均值）降低了73%，壓縮模量提高了107%，即壓縮模量增加了1倍多，土體從高壓縮性變為中等壓縮性。飽和狀態下壓縮系數降低了81%，壓縮模量提高了334%，即壓縮模量增加了3 倍多。說明馬蘭黃土經過碾壓夯實處理后，地基土體抵抗壓縮變形的能力有了較大提高，尤其是飽和狀態提高幅度較大。⑥馬蘭黃土擊實后自然狀態下土體黏聚力（平均值計）提高了43%，內摩擦角提高了35%；飽和狀態下黏聚力提高了173%，內摩擦角提高了56%。說明馬蘭黃土經過擊實后，自然狀態下抗剪強度提高幅度較飽和狀態下小，不同狀態下黏聚力提高幅度均大于內摩擦角，也就是說馬蘭黃土經過擊實后抗剪強度的提高，黏聚力起主要作用。⑦馬蘭黃土擊實后垂直方向滲透系數（平均值計）降低了93%，水平方向降低了76%。馬蘭黃土天然狀態下由于垂直節理發育，導致土體垂直方向滲透性較強，而土體經過擊實后，天然垂直節理已破壞，垂直向滲透能力下降。

4 結語

①隴東馬蘭黃土層厚深度由北向南，由淺變深，再變淺；濕陷性由北向南由弱變強，再變弱。②隴東馬蘭黃土滲透性由黃土成分特征和結構特征決定。黃土中黏粒含量越高、親水性礦物含量越多、孔隙越小、節理越不發育，黃土滲透性越差，反之亦然。③隴東馬蘭黃土壓縮性不僅與黃土的孔隙比和顆粒組成有關，也與天然含水量有關。一般土體極易壓縮，具中-高壓縮性。階地黃土比塬區黃土難于壓縮，梁峁區黃土比塬區易于壓縮。④隴東馬蘭黃土中的含水量對其抗剪強度影響較大，飽水后強度降低明顯，其黏聚力大幅降低，內摩擦角降低幅度較小。⑤隴東馬蘭黃土擊實后，自然狀態下抗剪強度提高幅度較飽和狀態下小，不同狀態下黏聚力提高幅度均大于內摩擦角，也就是說馬蘭黃土經過擊實后抗剪強度的提高，黏聚力的貢獻占主導地位。