黄土湿陷性评价方法浅析

陈秀荣，吴建喜，罗新燕，崔永波，贾 丽

(内蒙古自治区水利水电勘测设计院，内蒙古 呼和浩特 010020)

0 引言

黄土湿陷是湿陷性黄土在一定压力(自重或外荷)作用下，受水浸湿后原有土体结构发生破坏而产生的下沉变形。由于黄土的湿陷常造成建筑物地基、公路和铁路路基、边坡等的破坏，影响构筑物的正常使用和运营［1］。因此，有必要对黄土场地的湿陷性做出正确评价，为优化设计和施工提供依据，从而达到构筑物经济合理、安全运营的目的。

本文以宁夏回族自治区盾安风电有限公司固原市原州区寨科风电场48MW 风电场区的湿陷性黄土为研究对象，分析了黄土的天然含水量、孔隙比、干密度、湿陷系数在垂向上的变化规律及黄土孔隙比、干密度等物理性质指标与湿陷系数的关系，探讨了利用黄土物理性质指标进行湿陷性评价方法的可行性，为黄土的湿陷性评价及地基处理方案的优化设计提供依据。

1 黄土物理性质指标及湿陷系数垂向分布特征

风电场区地层为第四系上更新统风积层(Qeol3)，岩性以黄土状粉土为主，浅黄色，稍湿，稍密，土质不均匀，垂直节理发育，具有大孔隙性，结构疏松。根据《湿陷性黄土地区建筑规范》GB50025—2004 附录B 黄土层的划分，地层属于具有典型湿陷性的马兰黄土。场区地下水埋藏深度较深，＞60 m［2］。

为了查明场区的工程地质条件，进行岩土工程勘察时，在每个风机机位布设一个探井，每个探井内采取黄土原状样，供室内试验之用，以分析和研究黄土的物理力学性质以及黄土的湿陷性，为湿陷性评价提供资料和依据。

本节选用了场区部分钻孔土样的室内试验成果，对黄土的天然含水量、孔隙比、干密度及湿陷系数在垂向上的分布规律进行了统计分析，分析成果见图1～4。室内试验结果反映出钻孔所揭露的黄土的物理性质指标存在如下特点:

(1)天然含水量较低，介于3.1%～19.8%，含水量存在随深度增加而增大的趋势;

(2)孔隙比较大，介于0.814～1.300，孔隙比存在随深度增加而减小的趋势;

(3)干密度介于1.20～1.50 g/cm3，干密度存在随深度增加而增大的趋势;

(4)湿陷系数均值介于0.006～0.200，自重湿陷系数均值介于0.000～0.100，湿陷系数与自重湿陷系数存在随深度增加而减小的趋势。

图1 天然含水量随深度的变化规律Fig.1 The laws of water content changing with depth

图2 孔隙比随深度的变化规律Fig.2 The laws of void ratio changing with depth

图3 干密度随深度的变化规律Fig.3 The laws of dry density changing with depth

图4 湿陷系数随深度的变化规律Fig.4 The laws of collapsibility coefficient changing with depth

2 黄土湿陷性影响因素

2.1 天然含水量与湿陷性关系分析

湿陷性黄土的物理性质和其它岩、土一样，是通过某些指标反映出来的。它的主要指标有反映土骨架本身性质的比重;反映骨架和空隙相互关系的密度指标容重、干容重;反映土骨架间空隙程度的孔隙度、孔隙比;反映含水状态和可塑性的饱和度、液限、塑限、塑性指数［3］。黄土湿陷并不是达到浸水饱和时才发生的，而是当浸水到一定程度便开始湿陷。因此土样的天然含水程度对湿陷值有显著的影响。一般含水量越高，黄土湿陷性越低，当含水量达到25%时，基本没有湿陷性，它们之间呈反相关关系(见图5)。

2.2 孔隙比与湿陷性关系分析

土的孔隙比是反映土的疏密程度的指标，是土中孔隙与固体体积之比。黄土的一大特点是富含孔隙，正因为有如此之多的孔隙，才为黄土湿陷提供了空间，是黄土产生湿陷的主要原因［4］。湿陷性系数与孔隙比有相当好的正相关，即孔隙比越大，湿陷系数越高(见图6)。孔隙比大的大孔架空结构的黄土在外力和内力作用下容易破坏，极易湿陷;相反，孔隙比小的结构胶结程度好的黄土在相同力的作用下不易湿陷。

因此，孔隙比作为黄土湿陷性的主要影响因素，并用于湿陷性评价，具有重要的意义。

图5 天然含水量与湿陷系数的关系Fig.5 The relationship between the water content and coefficient of collapsibility

图6 孔隙比与湿陷系数的关系Fig.6 The relationship between the void ratio and coefficient of collapsibility

图7 干密度与湿陷系数的关系Fig.7 The relationship between the dry density and coefficient of collapsibility

2.3 干密度与湿陷性关系分析

黄土干密度一方面反映了黄土的物质成分，另一方面反映了孔隙特征和土体的密实程度，干密度越大，则土体越密实，就越不利于黄土湿陷的发生。

2.4 粘粒含量与湿陷性关系分析

黄土的颗粒是指那些岩石、矿物和非晶体化合物的零散碎片或碎屑。颗粒本身既可以是矿物质的结晶构造，也可以是非结晶构造，如SiO2和Fe2O3。黄土中的颗粒组成能反映第四纪松散堆积体的主要特征，它不仅是松散堆积体分类、命名的基础，也是查明这些沉积物的来源、搬运介质、沉积环境及其变化的主要依据，更重要的是随着土颗粒组成的变化，土的结构也相应地发生改变，进而影响了土的物理力学性质和水文地质条件。因此，对该指标的研究也是研究工程地质的关键，对评价工程地质特征有着重要意义。

图8 塑性指数与湿陷系数的关系Fig.8 The relationship between the plastic index and coefficient of collapsibility

黄土的颗粒组成有两个特点，绝大多数颗粒均＜0.25 mm;另外是以粉土颗粒(0.05～0.005 mm)为主。它的含量占总含量的52%～72%，尤以占55%～65%者居多，粘土颗粒成分(＜0.005 mm)占10%～25%;砂土颗粒成分(＞0.05 mm)占10%～30%，一般为20%左右。主要为黄土区外围地区或边缘黄土区，湿陷性黄土的颗粒成分同样也以粉土颗粒为主。各地黄土的颗粒组成存在很大的差异。黄土的颗粒成分，对湿陷性有一定的影响。这种影响表现在各个方面，譬如颗粒的组合结构状态，颗粒的含量等。虽然粘粒含量成分占的比例较小，但其对黄土湿陷性有着非常大的影响。

由于粘粒含量与常规测试的塑性指数有极大的相关性，从理论上讲，塑性指数进一步体现粘粒对水的敏感性，所以采用塑性指数代替粘粒含量进行湿陷系数的分析，更具有工程实际意义［5，6］。

3 湿陷性评价

根据国家标准《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB50025—2004)，土层的湿陷性通过δs评定。当Δs＞0.015时，为湿陷性黄土;否则，为非湿陷性黄土。而黄土的湿陷程度可根据湿陷系数δs分为三种:当0.015≤δs≤0.03 时，湿陷性轻微;当0.03 ＜δs≤0.07时，湿陷性中等;当δs＞0.07 时，湿陷性强烈。场地湿陷性初步评价的内容主要为判定场地土层是否具有湿陷性，据此确定湿陷性黄土层的厚度及其在空间上的分布，在此基础上判定湿陷性土层的湿陷程度。风电场区探井黄土湿陷系数室内试验成果见表1。

黄土湿陷性的影响因素是多方面的，但是目前依据微结构对黄土湿陷性进行定量评价较为困难，而黄土的物理性质和力学性质(包括湿陷性)均是其成分和结构的综合反映和表现，也反映了当前的赋存状态。因此，这些指标可以反映黄土的成分、结构、赋存环境特征。实际工作中采用物理指标较为方便，一方面物理指标易于测定，另一方面表征黄土物理性质的指标较多，它们从不同方面反映了黄土的成分和结构［7］。因此，通过反映黄土成分和结构特征的物理性质指标来评价黄土的湿陷性具有一定的理论指导意义。

综上所述，黄土湿陷性是其物质成分、结构和赋存环境共同决定和影响的。故规范采用湿陷系数δs这一单一指标来评价黄土的湿陷性，尚不足以直接从本质上反映黄土的湿陷性。鉴于此，本文尝试从黄土的物理性质指标与湿陷系数的关系进行分析，从中选择出影响湿陷的主要因素，进而探索这些影响因素与湿陷系数的关联特性，进行黄土湿陷性评价。

通过对场区180 组室内试验数据的物理性质指标与湿陷系数进行相关性分析，可以得到如下关系:湿陷系数与孔隙比的相关系数为R=0.633;与含水量的相关系数为R=－0.527;与干密度的相关系数为R=－0.225;与塑性指数的相关系数为R=0.021。相关性分析结果表明，黄土物理性质指标与黄土湿陷系数关系密切的依次为孔隙比、含水量、干密度。黄土的湿陷系数与塑性指数的相关性很小。

为了进一步了解黄土孔隙比、含水量、干密度与湿陷性的关系，对180 组数据进行多元非线性回归分析，得到风电场区黄土的湿陷系数与孔隙比、含水量、干密度的关系为式(1)所示:

式中:δs为湿陷系数;w 为含水量(%);ρd为干密度(g/cm3);e 为孔隙比。

经方差分析，F=133.01，P=0.003，方程有效。

式(1)的相关系数R=0.913，说明黄土湿陷系数与孔隙比、含水量、干密度之间有较好的相关性。

表1 探井黄土湿陷系数汇总表［2］Table 1 Results forcoefficient of loess collapsibility of exploratory wells

通过综合对比分析表明，式(1)的计算结果与采用规范所计算的湿陷系数值基本一致(见表1)。由此可见，用这些反映黄土成分、结构和赋存状态的物理指标来评价黄土的湿陷性的方法对于本工程是可行的。

4 结论

黄土湿陷是一个复杂的物理、化学变化过程，受多种因素制约，正确评价黄土的湿陷性具有较大的难度。黄土的干密度、含水率、孔隙比等，这些物理指标数值稳定，易于测定，误差小，而黄土的湿陷系数却随试验条件和测试技术的差异而不同，变化幅度较大，易影响评价的精度。因此，根据对黄土湿陷性本质的认识及工程实际研究分析，探索湿陷系数与黄土物理指标间的关系，进而对湿陷系数作出预测，可以在一定程度上减小试验工作量，简化地基湿陷性评价方法，对综合评价场地的湿陷性具有较大的实际意义。

本文仅是在宁夏回族自治区盾安风电有限公司固原市原州区寨科风电场48MW 风电项目场区黄土湿陷性研究的基础上，探讨了黄土的物理性质指标与湿陷系数的关系，具有一定的局限性。因此，用黄土的物理指标来评价其湿陷性还需要更多的工程实践来验证。

［1］冯连昌，郑晏武.中国湿陷性黄土［M］.北京:中国铁道出版社，1982.

［2］吴建喜，崔永波.宁夏回族自治区盾安风电有限公司固原市原州区寨科风电场48MW 风电项目岩土工程勘察［R］.呼和浩特:内蒙古自治区水利水电勘测设计院，2012.

［3］邢娇秀.影响黄土湿陷性因素分析研究［D］.西安:长安大学，2004:26－27.

［4］雷详义.中国黄土的孔隙类型与湿陷性［J］.中国科学，1987，12:1 310－1 316.

［5］钱鸿缙，等.湿陷性黄土地基［M］.北京:中国建筑工业出版社，1985:51.

［6］岳应利.黄土高原西部黄土工程物理性质及其原因［J］.中国沙漠，2004，24(6):680－684.

［7］王有林.黄土湿陷及评价方法［D］.兰州:兰州大学，2009:38－39.