兰州地区黄土性质特征的研究

许顺贵 李晓坤 兰惠子

摘 要：通过对兰州地区黄土物理、力学及湿陷性等性质特征的研究，根据含水率的变化总结出物理性质及湿陷性质的变化规律，并且通过比较相同干密度不同含水率的剪切试验，揭示出含水率是影响黄土剪切强度的主要因素，含水率愈小抗剪强度愈大，凝聚力与含水率成幂函数关系。此外，对该地区的湿陷性进行评价，为中等—强烈湿陷地区，为工程的设计施工提供数据支持。

关键词：黄土性质 湿陷性 幂函数

1概述

黄土是第四纪产生的一种特殊的大陆堆积物，主要有以下特点：颜色呈棕黄、灰黄或黄褐色，天然剖面上垂直裂隙发育，孔隙比一般较大，常具有肉眼可见的大孔隙；颗粒组成以粉粒为主，含量可达50%以上；含碳酸盐成分，有时含有钙质结核；水理性敏感，受水浸湿后易发生附加沉陷。在湿陷性黄土地区进行建筑易发生地基失稳事故，因而对黄土各项性质的分析和评价是避免工程事故，合理设计施工的前提。

本次分析的黄土样品来自包兰线兰州至皋兰段详勘工程采取的原状黄土。通过室内土工试验测试出黄土的物理、力学性质及湿陷性等数据，通过不同条件的对比总结出相应的性质特征。

2土样的物理性质

通过土工室内试验得出的数据见表1，做出如下分析：

根据含水率大小将土样分为4%~8% 和17%~23%两个区段来分析土样各项性质的差异和规律。根据现场采样分析造成含水率差异主要是由于地形条件决定的，在深度一样的条件下含水率小的样品采自地势较高的台土，而含水率大的样品采自地势低洼的河谷阶地。

本次所要研究的土样深度都在0~30米之间，属于全新世新近堆积黄土，根据颗粒密度试验数据可以看出其范围在2.69~2.70g/cm3 。干密度在1.30-1.65 g/cm3之间，含水率4%~8%的土样干密度主要集中在1.30~1.40 g/cm3，含水率17%-23%的土样干密度主要集中在1.40~1.55 g/cm3之间。

土样液限与塑限值随含水率的增加略有增加，含水率4%~8%的土样液限集中于24%~25%，塑限集中于16%-17%。含水率17%~23%的土样液限集中于25%~27%，塑限集中于17%~19%。

土样孔隙比一般在0.8~1.2之间。含水率4%~8%的土样孔隙比一般大于1.0。含水率17%~23%的土样孔隙比一般小于1.0。

3土样的剪切性质

试验采用直接剪切快剪试验方法[3]，试样高度2cm，面积30cm2，剪切速率0.8mm/min，剪切时间为3~5min，取其峰值为抗剪强度值，无明显峰值取剪切位移4mm所对应的剪应力为抗剪强度。试验结果见表2。

黄土剪切过程的应变与应力关系曲线见图1所示。从图上可以看出曲线有明显峰值，且峰值基本发生在应变量20%~40%之间。

图1黄土剪切应力与应变关系曲线

（含水量8.8%，干密度1.33g/cm3）

表2 剪切试验结果

从表2试验结果中可以看出，在干密度变化不大的情况下，剪切试验的凝聚力随着含水率的增大而明显减小，而摩擦角变化不大。选取BB7, BD15, BD18, BD17, 四个样品绘制含水率与凝聚力关系曲线见图2。可以看出，在干密度一样时，含水率与凝聚力呈幂函数关系[4]：C=w-b。

图2 凝聚力与含水率关系曲线

4土样的湿陷性质

黄土湿陷性是指黄土在一定压力下受水浸湿，土结构迅速破坏并产生显著附加下沉的性质。湿陷性黄土分为[5]：自重湿陷性黄土（在上覆土的自重压力下受水浸湿，发生显著附加下沉的湿陷性黄土）和非自重湿陷性黄土（在上覆土的自重压力下受水浸湿，不发生显著附加下沉的湿陷性黄土）。

本次分析的黄土样品采用室内试验双线法测试土样的湿陷性特征。具体方法是：在同一取土点的同一深度处，取3个环刀试件（密度差值控制在0.03g/cm3以内），一个在天然湿度下分级加荷，加至规定压力下沉稳定后为止。另一个在天然湿度下加第一级荷载，下沉稳定后浸水，至湿陷稳定再分级加荷，加荷过程始终保持试件处于饱和状态，至规定压力下稳定为止。第三个试件根据取土深度及密度指标计算其上覆土层的自重压力，根据自重压力加荷实测自重湿陷系数。

在试验过程中发现，黄土变形是压缩变形、湿陷变形、及渗透溶滤变形三种变形综合作用的结果[6]。压缩变形产生于湿陷起始压力之前，黄土受水浸湿后的残余结构强度使土体只发生压密变形，不产生湿陷变形。当外界压力超过土的残余结构强度，土体结构破坏开始湿陷，产生湿陷变形。双线法由于浸水时间长，土中可溶性盐和胶体物质溶滤作用充分，相应会产生一定的溶滤变形。从试验结果中可以看出：含水率在4%~8%的土样具有明显的湿陷性，而含水率在大于20%以后基本失去湿陷性。选择其中干密度相近的试样绘制含水率与湿陷系数关系图3。

图3 含水率与湿陷系数关系

可以看出含水率小于10%的土样其湿陷系数及自重湿陷系数均大于0.02，属于自重湿陷性黄土，而含水率大于20%的土样湿陷系数及自重湿陷系数均小于0.015，属于非湿陷性黄土。

5结论

（1）土样的各项物理指标随着含水率的变化呈现一定规律，含水率由小变大，土样的密度，液塑限随之增大，孔隙率随之减小。

（2）从剪应力与剪应变关系曲线上可以看出，原状土在快剪试验条件下，曲线有明显的转折点，在转折点之前应力-应变基本呈线性关系，曲线较陡。而在转折点之后，应力-应变曲线比较平缓。其剪切峰值发生在应变量20%~40%之间。

（3）含水率和干密度是影响黄土剪切强度的重要因素，含水率是影响剪切强度的主要因素。含水率愈小抗剪强度愈大，凝聚力与含水率成幂函数关系。

（4）在這一地区原状黄土湿陷性的大小主要由含水率来决定，一般含水率愈大，湿陷系数愈小。含水率小于10%的黄土其湿陷性评价已达到中等或强烈湿陷性。是危害工程质量安全的灾害类土，对其应重点防治。

参考文献：

[1] 焦贇. 兰州地区黄土湿陷地质灾害危险行分析[J]. 甘肃科学学报,2008 .

[2] 刘东升. 黄土与环境[M].北京：科学出版社,1985.

[3] 杨磊. 黄土抗剪强度特征分析[J].水利与建筑工程学报,2010:167-169.

[4] GB/T50025-2004.湿陷性黄土地区建筑规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2004.

[5] 张利生. 关于用室内试验测定黄土湿陷性方法的探讨[J].勘探科学技术,2000:35-38.

[6] 雷祥义.黄土高原地质灾害与人类活动[M].北京:地质出版社,2001.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。