不同成因砂质黄土物理力学特性和湿陷性评价研究

刘柏林

(中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600)

1 引言

黄土是地质时代中第四纪期间在干旱、半干旱地区沉积形成的一种陆相沉积物[1]，在我国具有分布范围广泛、连续、地层发育完整、厚度大等特点[2]，由于独特的地理环境和地质生成条件，黄土具有特殊的地质特征[3]。目前，已有很多学者开展了黄土物理力学性质和湿陷性评价研究，李保雄、梁庆国等人对马兰黄土进行了物理力学性质和工程地质特性研究[4-6]；宋瑞霞、陈伟等人分别进行了不同地区不同地貌和单一地区不同成因黄土的物理力学特性研究[7-8]；武小鹏、邵生俊等通过建立湿陷系数与其基本物理指标的关系来评价黄土的湿陷性[9-12]。

由于铁路工程常常跨越不同的地貌单元，黄土成因较多，单一成因黄土的研究成果在一定程度上还不能满足不同成因黄土场地工程建设需求，而且地质条件具有较强的地域特征，不同地区黄土性质具有明显的区域性差别。本文分别以西北某铁路第四系全新统冲洪积砂质黄土和第四系上更新统风积砂质黄土为研究对象，通过室内试验结果分析了不同成因砂质黄土物理力学参数变化规律，通过不同成因砂质黄土湿陷系数相关性分析，提出该区域不同成因砂质黄土湿陷性评价方法。

2 研究背景

2.1 工程概况

铁路沿线经过地貌单元为河谷阶地区、山前及山间冲洪积倾斜平原区、低中山区和黄土梁峁及宽谷区，沿线地表大面积覆盖第四系全新统冲洪积和第四系上更新统风积砂质黄土，湿陷性黄土层厚度多为20～35 m，局部厚度可达50 m，湿陷等级多为Ⅲ级(严重)～Ⅳ级(很严重)自重湿陷性场地。场地湿陷类型及湿陷等级决定着地基处理方案的合理选择和设计，严重影响着工程投资与施工进度，因此准确查明和评价黄土场地的湿陷性尤为重要。

2.2 取样场地概况

本次取样地选择西北某铁路DK139+428～DK141+150段和DK226+467～DK227+718段，其中，DK139+428～DK141+150段位于黄河河谷阶地区，以冲洪积砂质黄土为主；DK226+467～DK227+718段位于黄土梁峁区，以风积砂质黄土为主。两处试验场地砂质黄土湿陷程度相对严重，均为Ⅳ级(很严重)自重湿陷场地，湿陷性黄土厚度大且分布连续，试验结果代表性强，对工程具有指导意义，场地条件见表1。

表1 取样场地黄土地层概况

3 不同成因砂质黄土物理力学特性分析

3.1 不同成因砂质黄土基本物理力学指标概况

为了客观反映不同成因砂质黄土基本物理力学性质指标，本文对所取土样的室内试验结果进行了统计分析，得到不同成因砂质黄土含水率、孔隙比、干密度、液性指数、压缩系数、自重湿陷系数等基本物理力学指标最大值、最小值以及标准值，取样区砂质黄土物理力学指标见表2。

表2 不同成因黄土物理力学指标

3.2 不同成因砂质黄土物理指标分析

含水率是指砂质黄土中水的质量与土粒质量之比，其大小与场地的地下水位深度和年平均降雨量有关。该铁路位于陇西地区，属中温带干旱、半干旱气候区，以干燥少雨、夏季炎热、冬季寒冷，昼夜及四季温差大、降雨集中、蒸发强烈为特征。在大多数情况下，该区域年降雨量较小，DK226+467～DK227+718段由于地下水位埋深较大(大于100 m)，砂质黄土含水率较低且随深度变化较小；DK139+428～DK141+150段位于黄河阶地上，地下水位埋深较浅(小于50 m)，砂质黄土含水率相对较高且含水率随深度逐渐增加，到达地下水位时达到饱和状态。另外，同一深度冲洪积砂质黄土含水率较风积砂质黄土高，如图1所示。

图1 不同成因砂质黄土含水率随深度变化曲线

孔隙比是衡量孔隙体积率的重要指标，间接反映了黄土的微结构特征。由表2可知，风积砂质黄土孔隙比为0.762～1.469，冲洪积砂质黄土孔隙比为0.599～1.363。不同成因砂质黄土孔隙比随深度增加呈较小趋势，同一深度风积砂质黄土孔隙比较冲洪积砂质黄土大，如图2所示。

图2 不同成因砂质黄土孔隙比随深度变化曲线

黄土干密度是黄土的颗粒质量与土的总体积之比，反映黄土密实程度的指标之一。由表2可知，风积砂质黄土干密度为1.09～1.53 g/cm3，冲洪积砂质黄土干密度为1.14～1.68 g/cm3。不同成因黄土干密度随深度增加呈增大趋势，同一深度风积砂质黄土干密度较冲洪积砂质黄土小，如图3所示。

图3 不同成因砂质黄土干密度随深度变化曲线

3.3 不同成因砂质黄土力学指标分析

黄土的压缩性和湿陷性是其主要的力学性质，也是地基变形、失稳的主要因素。

黄土的压缩性是指黄土在压力作用下体积缩小的特性，常用压缩系数表示。由表2可知，风积砂质黄土压缩系数一般为0.11～0.50 MPa-1，冲洪积砂质黄土压缩系数一般为0.09～0.36 MPa-1，属于中等压缩性土。分析发现不同成因砂质黄土压缩系数随深度增加呈递减趋势，当取样深度小于20 m时，同一深度风积砂质黄土压缩系数较冲洪积砂质黄土大；当取样深度大于20 m时，同一深度风积砂质黄土压缩系数较冲洪积砂质黄土小，如图4所示。

图4 不同成因砂质黄土压缩系数随深度变化曲线

黄土的湿陷性是指黄土在上覆土的自重压力作用下，或在上覆土的自重压力与附加压力共同作用下，受水浸湿后结构迅速破坏而发生显著下沉的现象，一般采用湿陷系数进行评价，当δ＞0.015时，具有湿陷性；当δ≤0.015时，不具有湿陷性。分析发现不同成因砂质黄土湿陷系数随深度增加呈递减趋势，同一深度风积砂质黄土湿陷系数较冲洪积砂质黄土大，湿陷更强烈，如图5所示。

图5 不同成因砂质黄土湿陷系数随深度变化曲线

4 不同成因砂质黄土相关性分析与评价

4.1 不同成因砂质黄土湿陷系数相关性分析

黄土的湿陷性与诸多因素有关，而黄土的物理力学性质反映和体现了黄土的结构、成分、赋存状态[13]，因此可以通过黄土的物理力学性质来反映黄土的湿陷性。

水是引起湿陷的根本因素，含水量越低，则湿陷性越强烈，随着含水量增大，湿陷性逐渐减弱；饱和度对于黄土湿陷性的影响具有和天然含水率同样的原理；孔隙比间接反映了黄土的微结构特征，孔隙比越大，则其压缩性越高，发生湿陷变形的空间越大；干密度反映了黄土的密实程度，干密度越大，黄土越密实，其发生湿陷变形的可能性越小。因此，参考相关研究成果，本文选择含水率/饱和度、孔隙比和干密度研究不同成因砂质黄土物理力学指标与湿陷系数的关系，如图6～图8所示。

图6 不同成因砂质黄土含水率/饱和度与湿陷系数关系

图7 不同成因砂质黄土孔隙比与湿陷系数的关系

图8 不同成因砂质黄土干密度与湿陷系数的关系

可见，不同成因砂质黄土物理力学参数与湿陷系数具有一定的相关性，其中砂质黄土含水率/饱和度、孔隙比与湿陷系数呈正相关，干密度和湿陷系数呈负相关。相同成因砂质黄土不同物理力学参数与湿陷系数的相关程度不同，其中风积砂质黄土物理力学参数与湿陷系数的相关性为:含水率/饱和度＞干密度＞孔隙比，冲洪积砂质黄土物理力学参数与湿陷系数的相关性为孔隙比＞含水率/饱和度＞干密度。不同成因砂质黄土同一物理力学参数与湿陷性系数的相关程度也不同，除液性指数外，风积砂质黄土各物理力学指标与湿陷系数的相关性均好于冲洪积砂质黄土。不同成因砂质黄土各物理力学指标与湿陷系数的拟合方程和相关系数见表3。

表3 不同成因砂质黄土各物理力学指标与湿陷系数相关性

续表3

4.2 不同成因砂质黄土湿陷性评价

湿陷性是黄土地区主要工程地质问题之一，湿陷系数是评价土体湿陷变形特征的重要参数。由于影响黄土湿陷性的因素较多，且各影响因素对黄土湿陷性的影响较为复杂且并非完全独立，因此，采用多个物理力学指标建立与湿陷系数的关系作为评价砂质黄土湿陷性具有重要意义。由前文分析可知，不同成因砂质黄土物理力学参数与湿陷系数的相关程度不同，其中含水率/饱和度、孔隙比、干密度与湿陷系数的相关程度均较高，因此，本文选择含水率/饱和度、孔隙比、干密度采用多元线性回归分析得到不同成因砂质黄土湿陷系数的计算方法，见式(1)和式(2)，其相关系数分别为0.92和0.84，相关程度高，因此可用于不同成因砂质黄土湿陷性评价。

5 结束语

(1)西北某山区铁路不同成因砂质黄土物理力学特性存在一定的规律性和差异性，不同成因砂质黄土含水率、干密度随深度增加呈递增趋势，孔隙比、压缩系数和湿陷系数随深度增加呈递减趋势。同一深度风积砂质黄土含水率、干密度较冲洪积砂质黄土小，孔隙比、湿陷系数较冲洪积砂质黄土大。当取样深度小于20 m时，同一深度风积砂质黄土压缩系数较冲洪积砂质黄土大；当取样深度大于20 m时，同一深度风积砂质黄土压缩系数较冲洪积砂质黄土小。

(2)通过湿陷系数相关性分析发现砂质黄土含水率/饱和度、孔隙比与湿陷系数呈正相关，干密度和湿陷系数呈负相关。相同成因砂质黄土不同物理力学参数与湿陷系数的相关程度不同，其中风积砂质黄土排序为含水率/饱和度＞干密度＞孔隙比，风积砂质黄土排序为孔隙比＞含水率/饱和度＞干密度；不同成因砂质黄土同一物理力学参数与湿陷性系数的相关程度也不同，风积砂质黄土各物理力学指标与湿陷系数的相关性均好于冲洪积砂质黄土。

(3)利用含水率/饱和度、孔隙比、干密度采用多元线性回归分析得到不同成因砂质黄土湿陷系数的计算方法的相关系数分别为0.92和0.84，相关程度高，可用于本地区不同成因砂质黄土湿陷性评价。