山西平鲁工业园区次生黄土的湿陷性分析

陈 柳，李松磊

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

工程学界将风成的黄土称为原生黄土，水成的黄土称为次生黄土。原生黄土多分布在山脊、高阶地，次生黄土多分布在河谷冲积平原、山前洪积扇和低阶地。次生黄土的物质来源仍是风积的黄土，经过地表水的搬运和沉积作用形成。次生黄土的物理性质依然符合黄土的一些典型特征：①土体呈黄、灰黄或褐黄色；②颗粒以粉粒（0.075～0.005 mm）含量为主，含量通常高于60%；③孔隙结构发育，孔隙比高；④发育有垂直节理。

1 工程场区简介

平鲁区位于山西省北部，地理坐标为东经111°52′～112°41′、北纬39°21′～39°58′。工程场区属北温带大陆性季风气候，四季分明，春季凉爽，夏季炎热，秋季晚凉，冬季严寒，气温年差和日差较大；以西北风为主，全年雨少、蒸发量大，无霜期短，地域差异明显，受季节风的影响，在一年之内各月降水极不均匀，一般6—8月间降水量占全年降水总量的65.2%，属半干旱地区。

平鲁区地处山西最北部的洪涛山西延和管涔山北延斜轴部，东西两侧为高山，中部只有大沙沟两岸是冲积而成的断陷小块盆地；属黄土丘陵地貌，地势北高南低，其间低山和剥蚀谷地相间分布，地面高程一般为1 200～1 400 m，全森林覆盖率较低，水土流失、地面割切严重。平鲁区工业园区位于朔州市平鲁区北坪镇，微地貌为冲积的山间平地，地形平坦。大沙沟为该区最大的河流，位于园区的西北侧，是平鲁城区最大的行洪河道和工业园区的排污河。

2 次生黄土物理化学性质

该区域黄土为第四系上更新统冲洪积（Q3al+pl）的堆积物，属次生黄土的范畴。与典型的风成黄土存在着差异，主要表现在：①颜色较杂，有灰黄、褐黄、褐灰色和褐红色等；②土质不纯，多处夹有黏土薄层，并局部含砂粒，在大沙沟两侧的边坡可见土层中夹有砂卵砾石透镜体；③偶见薄层理；④孔隙不甚发育，仅在大沙沟岸坡裸露的土体可见孔隙和垂直的节理；⑤因为存在的黏土薄层形成相对隔水层，土体中存在上层滞水，局部土体含水率高，为饱和黄土。

通过探井取原状样进行土体的室内化学物理力学性质试验，试样为Ⅰ级样，试验成果详实可靠，能满足工程要求。

2.1 土体的化学性质

对试样进行了化学分析试验，成果见表1。

表1 土样化学指标成果统计

土体中易溶盐包括所有的氯化物盐类，易溶盐的硫酸盐类和碳酸盐类；中溶盐是指土中所含的石膏；难溶盐是指钙、镁的碳酸盐类[1]。

工程场区土体呈弱碱性，以重碳酸和硫酸盐为主，阴离子主要为HCO3-和SO42-，阳离子主要为Ca2+；且难溶的CaCO3、MgCO3含量极低，易溶的Cl-、Mg2+、K++Na+盐类含量偏低；易溶盐含量主要集中在0.31～0.57 g/kg，平均值为0.41 g/kg，在深度分布上主要集中在2～6 m。该次生黄土化学成分以易溶盐和中溶盐（CaSO4）为主，难溶盐含量极低。

土体呈碱性时，土粒表面容易形成较扩展的扩散双电层，使土粒处于松散状态[1]，土体结构疏松，存在较大的孔隙比，也是加剧湿陷性的潜在因素。当土中易溶盐含量＜0.5%，对黄土的性状影响甚微[1]；工程场区土体中易溶盐含量＜0.5%的组数占试验组数的33%，易溶盐的含量对场区的黄土湿陷性具有较大的影响。中溶盐含量对黄土结构的影响作用有多大，目前仍不是很清楚，持有影响和无影响的观点都有[2]。难溶盐的含量对土体的工程力学性质有影响，由于难溶盐构成土体骨架水理性很差，遇水后仍能保持较高的强度；难溶盐含量越高，一般情况下土体强度越高，湿陷程度相对就较低。

2.2 次生黄土的物理性质

对次生黄土的土工试验成果分别按粒径、物性、稠度进行统计分析，见表2—4。

表2 次生黄土颗粒分析统计

表3 次生黄土的物性指标统计

表4 次生黄土稠度指标统计

次生黄土颗粒分析表明，粉粒含量占绝对优势，含量在56.5%～91.3%，平均值为83.2%。液限为24.7%～43.7%，均小于50%；塑性指数为9.0～21.4，均大于7。根据塑性图法，该次生黄土定名为低液限黏土。根据三角坐标分类，该次生黄土可分为黏土、粉质黏土、壤土和粉土，个别处夹有砂粒。

像这种似球状的粉粒含量占主要优势、薄片状黏粒含量较少的碎屑物质，在干旱和半干旱地区形成独特的粒状架空结构体系，粉粒之间的连结就构成了架空结构体系的骨架。这种粒状架空结构体系首先在堆积过程中形成非正常配位的架空孔隙，其次颗粒间的连结强度是在干旱、半干旱条件下形成的[3]。

3 湿陷程度的划分

根据《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB50025-2004），对试样的湿陷性试验成果统计归类，并对湿陷程度进行划分。湿陷系数δs＜0.015的组数占总组数的33.3%，0.015≤δs≤0.03的组数占总组数的29.9%，0.03＜δs≤0.07 的组数占总组数的32.2%，δs＞0.07的组数占总组数的4.6%。由此可以看出，同一块场地上的次生黄土的湿陷程度具有多样性，各种湿陷程度均有出现，且非湿陷性、轻微湿陷性和中等湿陷性出现的频率较为接近，强烈湿陷黄土出现频率相对低得多。

4 湿陷系数与试验指标的相关性分析

湿陷性黄土是一种非饱和的具有大孔隙结构性土[4]；黄土中含有易溶盐和黏土矿物，对环境水较为敏感，易破坏土体原有的骨架结构，造成强度的丧失。所以，土体的湿陷系数与含水率、孔隙比、干密度、饱和度以及埋深分布具有一定的相关性。

对试样的湿陷系数分别与其饱和度、干密度、孔隙比、天然含水率以及埋深进行统计分析，并用Excel 软件对它们之间的相关性进行拟合。拟合曲线类型的选择原则是相关性系数（R2）最大时的曲线类型，谋求拟合曲线反映的湿陷系数与其饱和度、干密度、孔隙比、天然含水率以及分布深度相关性更强。

4.1 湿陷系数与饱和度的关系

次生黄土的湿陷系数与饱和度的关系，如图1所示。

图1 湿陷系数与饱和度的相关性

从图1可以看出，非湿陷黄土的饱和度分布范围较广，相对集中在80%和30%附近。饱和度超过80%的可视为饱和黄土，可以理解为其湿陷过程已完成，成为压缩性很大的软土[1]。轻微湿陷黄土的饱和度集中在20%～70%，分布密度较为平均。中等湿陷黄土的饱和度相对集中在20%～40%。强烈湿陷黄土的饱和度集中在20%～30%。

通过上述的分析和拟合的相关性曲线，可以得出试样的湿陷系数有着随土体饱和度的增加而减小的趋势，即湿陷系数与饱和度成负相关性。但是，拟合的相关性曲线的相关性系数为0.185 6，远离于1，表示这种相关性不强，故不能用对应的函数进行量化。

4.2 湿陷系数与干密度的关系

干密度是衡量土体密实性的重要指标之一，干密度越大说明土体越密实，土体体积缩小的空间越小，对湿陷性黄土来说就是湿陷量越小和湿陷的可能性越低。从图2 可以看出，湿陷性黄土干密度集中在1.42～1.52 g/cm3，轻微湿陷黄土的干密度集中在1.38～1.40 g/cm3，中等湿陷黄土的干密度集中在1.34～1.37 g/cm3，强烈湿陷黄土的干密度集中在1.32 g/cm3附近。

图2 湿陷系数与干密度的相关性

通过上述的分析和拟合的相关性曲线，可以得出试样的湿陷系数有着随土体干密度的增加而减小的趋势，即湿陷系数与干密度成负相关性。但是，拟合的相关性曲线的相关性系数为0.264，远离于1，表示这种相关性不强，故不能用对应的函数进行量化。

4.3 湿陷系数与孔隙比的关系

黄土独特的粒状架空结构决定了其具有较大的孔隙比，并且黄土体中存在着竖向裂隙，这些孔隙和裂隙成为加剧黄土湿陷性和湿陷量内在因素。从图3 可以看出，非湿陷性黄土的孔隙比集中在0.800～0.910，轻微湿陷性黄土的孔隙比集中在0.920～0.980，中度湿陷黄土的孔隙比集中在0.960～1.000，强烈湿陷黄土的孔隙比集中在1.040附近。

图3 湿陷系数与孔隙比的相关性

通过上述的分析和拟合的相关性曲线，可以得出试样的湿陷系数有着随土体孔隙比的增加而上升的趋势，即湿陷系数与干密度成正相关性。但是，拟合的相关性曲线的相关性系数为0.243 7，远离于1，表示这种相关性不强，故不能用对应的函数进行量化。

4.4 湿陷系数与含水率的关系

图4 湿陷系数与天然含水率的相关性

因为水是湿陷性黄土发生湿陷作用的重要诱发因素，所以含水率与湿陷性关系密切。湿陷系数的大小反映了黄土对水的敏感程度。湿陷系数越大，表示土受水浸湿后的湿陷量越大，对工程的危害也越大。从图4 可以看出，非湿陷黄土的含水率分布范围较大，相对集中在10%～15%和27%附近；轻微湿陷黄土的含水率分布在8%～25%，且较为分散；中等湿陷黄土含水率分布在5%～18%；强烈湿陷黄土含水率分布相对较为集中，集中在10%附近。

通过上述的分析和拟合的相关性曲线，可以得出试样的湿陷系数有着随土体含水率的增加而下降的趋势，即湿陷系数与含水率成负相关性。但是，拟合的相关性曲线的相关性系数为0.116 7，远离于1，表示这种相关性不强，故不能用对应的函数进行量化。

图5 湿陷系数与取样深度的相关性

4.5 湿陷性埋深上分布规律

土体在不同深度上具有不同的上覆压力和不同的受水淋溶作用程度，所以土的孔隙比、含水率、易溶盐含量各有不同，间接地反映出土的湿陷性在深度上有一定的分布规律。从图5 可以看出，非湿陷黄土埋深分布在1～10 m，但多分布在7 m 以下；轻微湿陷黄土埋深分布在2～10 m，但多分布在4～10 m；中等湿陷黄土埋深分布在1.4～6.6 m；强烈湿陷黄土埋深分布在2.5～7.7 m。

通过上述的分析和拟合的相关性曲线，可以得出试样的湿陷系数有着随取样深度的增加而下降的趋势，即湿陷系数与深度成负相关性。但是，拟合的相关性曲线的相关性系数为0.226 6，远离于1，表示这种相关性不强，故不能用对应的函数进行量化。

4.6 湿陷性与湿陷起始压力的关系

湿陷起始压力是指湿陷性黄土浸水饱和，开始出现湿陷时的压力[4]。实际上，湿陷起始压力值的大小反映了黄土浸水饱和后的结构剩余强度，超过这个压力黄土结构就将失去稳定而湿陷[3]。

图6 湿陷性与湿陷起始压力的相关性

从图6可以看出，次生黄土湿陷性试验中起始压力大于400 kPa 的试样均为非湿陷性黄土；轻微湿陷黄土的湿陷起始压力集中在100～180 kPa；中等湿陷黄土的湿陷起始压力集中在50～100 kPa；强烈湿陷黄土的湿陷起始压力分布在15～63 kPa。相关系数为0.704 2，较接近于1，表示湿陷性与湿陷起始压力具有较好的相关性，呈指数函数关系，关系式为y=347.77e-37.52x。

5 结论

次生黄土在岩性上较原生黄土要复杂，土质也不均匀；所处的位置较原生黄土要低，易受到雨水和人为活动的影响，所以次生黄土的湿陷性具有离散性和湿陷程度多样性。

湿陷性产生的根本原因是其独特的粒状架空结构以及结构间的溶盐接触式连结。所以，湿陷性与表征其结构、连结方式和诱发湿陷产生的指标具有相关性。

（1）黄土的pH值越大，土体结构越疏松，存在湿陷的可能性越大。

（2）次生黄土的湿陷程度在同一块场地上可能会具有多样性。

（3）湿陷性与孔隙比成正相关性，与饱和度、干密度、天然含水率成负相关性；湿陷性与埋深也成正相关性，埋深越浅，潜在的湿陷可能性就越大。但这种相关性较弱，湿陷性单纯与 某一指标不存在对应的可靠的函数关系。

（4）湿陷性与湿陷起始压力具有较好的相关性。

（5）湿陷性是多个指标共同作用的结果，并不能用某一个化学性质或物理性质指标来表征的，但可以在一些指标相近的情况下进行定性分析。

（6）次生黄土中会有黏粒含量较高相对隔水层，存在上层滞水，部分土体因饱和而成为具有高压缩性的软土，对浅基础工程来说需要重视。

[1]林在贯，高大钊，顾宝和，等.岩土工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1996.

[2]张群.易溶盐对宁夏同心湿陷性黄土的结构作用效应研究[D].银川：宁夏大学，2013.

[3]高国瑞.黄土湿陷变形的结构理论[J].岩土工程学报，1990，（7）：1－10.

[4]GB50025-2004，湿陷性黄土地区建筑规范[S].