浅析甘肃陇东地区马兰黄土工程地质特性

朱金龙

（甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000）

1 研究区马兰黄土特征

1.1 粒度成分

陇东马兰黄土从北部环县至南部灵台县，从北向南粉粒含量逐渐减小，黏粒含量逐渐增大，塬面及塬边斜坡砂粒含量变化不大。马兰黄土砂粒含量（平均值）在0.62%～7.14%之间，粉粒在83.25%～61.15%之间，黏粒在16.04%～32.38%之间。

1.2 化学成分

陇东马兰黄土化学成分有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有减少趋势，而Al2O3、Fe2O3和FeO的含量有增加的趋势，CaO、Na2O和K2O含量无明显变化规律。

2 马兰黄土物理力学性质

2.1 物理性质

根据陇东地区351组马兰黄土原状样试验结果，陇东马兰黄土在天然条件下，土体中含水量随深度增大而增加，干密度亦随深度增大而增大，孔隙比随深度增大而减小。土体在天然条件下含水量较少，土体处于坚硬～硬塑状态，孔隙较大，弱～微透水，垂直向渗透性略大于水平向。

2.2 力学性质

根据陇东地区351 组马兰黄土原状样试验结果。陇东马兰黄土湿陷性随深度先增强后减弱，但变化缓慢，湿陷起始压力随深度增大呈较大～较小～最大的趋势。一般马兰黄土在埋深6 m附近湿陷系数最大，湿陷性最强，埋深在马兰黄土底部、第一层古土壤以上附近湿陷性最小，湿陷起始压力达最大。在天然条件下，土体具中～高压缩性、中～强湿陷性土，属自重湿陷性黄土，工程地质性质不良。

3 马兰黄土工程地质特性

3.1 湿陷性

陇东地区黄土湿陷性十分复杂，与土的形成时代、成因类型、土体结构、干密度、孔隙比及附加荷载等有着十分密切的关系。陇东地区黄土主要有马兰黄土、离石黄土、古土壤及黄土状土，其中分布于陇东黄土塬、梁、峁上部及河（沟）谷斜坡及高阶地顶部的马兰黄土湿陷性最明显，湿陷土层厚度最大，而且其湿陷性比其他黄土强烈，对工程建设影响最大。

①陇东马兰黄土湿陷性总体规律：由北向南湿陷土层厚度是薄～厚～薄，湿陷性变化是弱～强～弱，环县最北端的甜水堡，接近于北面的白于山南麓，湿陷性最小，湿陷土层最薄；向南至合道川段为北部梁峁区，马兰黄土层厚达15 m，湿陷性最强；从合道川向南至灵台什字塬为陇东黄土塬区，塬区从北向南，马兰黄土层厚度逐渐变薄，湿陷土层深度逐渐减小，湿陷性逐渐减弱。

②北部梁峁区黄土湿陷性较强，湿陷类型为自重湿陷性场地，湿陷等级为Ⅳ级（很严重），马兰黄土层厚约15 m；而北部梁峁区边缘地带（甜水堡一带）湿陷较小，一般为非自重湿陷性场地，湿陷等级为Ⅱ级（中等），马兰黄土层厚度5 m左右。

③塬区北部（西峰—合水一带），上部马兰黄土层厚9.20～12.90 m，一般为自重湿陷性场地，湿陷等级为Ⅲ（严重）；中部古土壤层厚3 m左右，一般无湿陷。总体塬区北部西峰一带湿陷土层深度可达13 m，合水一带湿陷土层深度可达19 m。

④塬区中部（镇原—宁县—正宁一带），马兰黄土层厚9.20～12.00 m，一般为自重湿陷性场地，湿陷等级为Ⅱ级（中等）～Ⅲ（严重）。⑤塬区南部（崆峒—泾川—灵台一带），上部马兰黄土层厚9.90～11.70 m，一般为自重湿陷性场地，崆峒-泾川湿陷等级为Ⅱ级（中等）～Ⅲ（严重），最南部的灵台一带湿陷等级为Ⅱ级（中等）。

3.2 渗透性

陇东马兰黄土渗透性由黄土成分特征和结构特征决定。黄土中黏粒含量越高、亲水性矿物含量越多、孔隙越小、节理越不发育，黄土渗透性越差，反之亦然。

陇东马兰黄土渗透性分级属弱透水—微透水，渗透系数一般在3.8×10-6～10.5×10-5cm/s 之间，垂直向渗透性略大于水平向。从黄土分布地域上，马兰黄土黏粒含量由北向南依次增大，渗透性依次减弱，环县梁峁区黄土渗透性最大，灵台塬区渗透性最小。

3.3 压缩性

陇东马兰黄土不论是天然状态下，还是饱和状态下，土体极易压缩，一般具中～高压缩性。土体抵抗外部荷载压缩变形能力较差，地基土体极易沉降变形。

从地域上，一般阶地黄土比塬区黄土难于压缩，梁峁区黄土比塬区易于压缩，这主要是因为压缩性不仅与黄土的孔隙比和颗粒组成有关，也与天然含水量有关。

3.4 抗剪性

陇东马兰黄土天然状态下黏聚力c=7.40～96.40 kPa，平均值36.39 kPa，内摩擦角φ=15.40°～26.50°，平均值22.17°；饱和状态下黏聚力c=1.10～36.10 kPa，平均值11.16 kPa，内摩擦角φ=9.00°～21.50°，平均值13.00°。陇东马兰黄土中的含水量对其抗剪强度影响较大，饱水后强度降低明显，其黏聚力大幅降低，内摩擦角降低幅度较小。土体饱和后黏聚力降低了85%～63%，平均降低了69%；内摩擦角降低了42%～19%，平均降低41%。

3.5 击实性

64组土样的室内击实试验、37组击实后土样的压缩试验、抗剪试验和渗透试验表明，陇东马兰黄土击实前后工程地质特性和变化如下。

①马兰黄土击实后最大干密度一般为1.64～1.77 g/cm3，平均值1.71 g/cm3；最优含水量一般为15.70%～20.80%，平均值17.82%。②马兰黄土击实后自然状态下土体压缩系数一般为0.06～0.3 MPa-1，平均值0.17 MPa-1，压缩模量一般为6.53～28.54 MPa，平均值12.25 MPa；饱和状态下压缩系数一般为0.06～0.30 MPa-1，平均值0.19 MPa-1，压缩模量一般为5.71～19.04 MPa，平均值10.77 MPa。③马兰黄土击实后自然状态下土体抗剪强度黏聚力一般为28.30～93.30 kPa，平均值52.06 kPa，内摩擦角一般为20.50°～57.65°，平均值29.88°；饱和状态下土体抗剪强度黏聚力一般为12.40～59.10 kPa，平均值30.45 kPa，内摩擦角一般为10.69°～29°，平均值20.23°。④马兰黄土击实后土体垂直方向渗透系数一般为7.5×10-8～1.5×10-5cm/s，平均值1.6×10-6cm/s；水平方向渗透系数一般为8.6×10-8～2.35×10-5cm/s，平均值4.26×10-6cm/s。水平方向渗透性大于垂直方向，而天然状态下土体垂直方向渗透性大于水平方向。⑤马兰黄土击实后自然状态下压缩系数（按平均值）降低了73%，压缩模量提高了107%，即压缩模量增加了1倍多，土体从高压缩性变为中等压缩性。饱和状态下压缩系数降低了81%，压缩模量提高了334%，即压缩模量增加了3 倍多。说明马兰黄土经过碾压夯实处理后，地基土体抵抗压缩变形的能力有了较大提高，尤其是饱和状态提高幅度较大。⑥马兰黄土击实后自然状态下土体黏聚力（平均值计）提高了43%，内摩擦角提高了35%；饱和状态下黏聚力提高了173%，内摩擦角提高了56%。说明马兰黄土经过击实后，自然状态下抗剪强度提高幅度较饱和状态下小，不同状态下黏聚力提高幅度均大于内摩擦角，也就是说马兰黄土经过击实后抗剪强度的提高，黏聚力起主要作用。⑦马兰黄土击实后垂直方向渗透系数（平均值计）降低了93%，水平方向降低了76%。马兰黄土天然状态下由于垂直节理发育，导致土体垂直方向渗透性较强，而土体经过击实后，天然垂直节理已破坏，垂直向渗透能力下降。

4 结语

①陇东马兰黄土层厚深度由北向南，由浅变深，再变浅；湿陷性由北向南由弱变强，再变弱。②陇东马兰黄土渗透性由黄土成分特征和结构特征决定。黄土中黏粒含量越高、亲水性矿物含量越多、孔隙越小、节理越不发育，黄土渗透性越差，反之亦然。③陇东马兰黄土压缩性不仅与黄土的孔隙比和颗粒组成有关，也与天然含水量有关。一般土体极易压缩，具中-高压缩性。阶地黄土比塬区黄土难于压缩，梁峁区黄土比塬区易于压缩。④陇东马兰黄土中的含水量对其抗剪强度影响较大，饱水后强度降低明显，其黏聚力大幅降低，内摩擦角降低幅度较小。⑤陇东马兰黄土击实后，自然状态下抗剪强度提高幅度较饱和状态下小，不同状态下黏聚力提高幅度均大于内摩擦角，也就是说马兰黄土经过击实后抗剪强度的提高，黏聚力的贡献占主导地位。