陳 柳，李松磊

（中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

工程學(xué)界將風(fēng)成的黃土稱為原生黃土，水成的黃土稱為次生黃土。原生黃土多分布在山脊、高階地，次生黃土多分布在河谷沖積平原、山前洪積扇和低階地。次生黃土的物質(zhì)來源仍是風(fēng)積的黃土，經(jīng)過地表水的搬運和沉積作用形成。次生黃土的物理性質(zhì)依然符合黃土的一些典型特征：①土體呈黃、灰黃或褐黃色；②顆粒以粉粒（0.075～0.005 mm）含量為主，含量通常高于60%；③孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育，孔隙比高；④發(fā)育有垂直節(jié)理。

1 工程場區(qū)簡介

平魯區(qū)位于山西省北部，地理坐標(biāo)為東經(jīng)111°52′～112°41′、北緯39°21′～39°58′。工程場區(qū)屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，春季涼爽，夏季炎熱，秋季晚涼，冬季嚴(yán)寒，氣溫年差和日差較大；以西北風(fēng)為主，全年雨少、蒸發(fā)量大，無霜期短，地域差異明顯，受季節(jié)風(fēng)的影響，在一年之內(nèi)各月降水極不均勻，一般6—8月間降水量占全年降水總量的65.2%，屬半干旱地區(qū)。

平魯區(qū)地處山西最北部的洪濤山西延和管涔山北延斜軸部，東西兩側(cè)為高山，中部只有大沙溝兩岸是沖積而成的斷陷小塊盆地；屬黃土丘陵地貌，地勢北高南低，其間低山和剝蝕谷地相間分布，地面高程一般為1 200～1 400 m，全森林覆蓋率較低，水土流失、地面割切嚴(yán)重。平魯區(qū)工業(yè)園區(qū)位于朔州市平魯區(qū)北坪鎮(zhèn)，微地貌為沖積的山間平地，地形平坦。大沙溝為該區(qū)最大的河流，位于園區(qū)的西北側(cè)，是平魯城區(qū)最大的行洪河道和工業(yè)園區(qū)的排污河。

2 次生黃土物理化學(xué)性質(zhì)

該區(qū)域黃土為第四系上更新統(tǒng)沖洪積（Q3al+pl）的堆積物，屬次生黃土的范疇。與典型的風(fēng)成黃土存在著差異，主要表現(xiàn)在：①顏色較雜，有灰黃、褐黃、褐灰色和褐紅色等；②土質(zhì)不純，多處夾有黏土薄層，并局部含砂粒，在大沙溝兩側(cè)的邊坡可見土層中夾有砂卵礫石透鏡體；③偶見薄層理；④孔隙不甚發(fā)育，僅在大沙溝岸坡裸露的土體可見孔隙和垂直的節(jié)理；⑤因為存在的黏土薄層形成相對隔水層，土體中存在上層滯水，局部土體含水率高，為飽和黃土。

通過探井取原狀樣進行土體的室內(nèi)化學(xué)物理力學(xué)性質(zhì)試驗，試樣為Ⅰ級樣，試驗成果詳實可靠，能滿足工程要求。

2.1 土體的化學(xué)性質(zhì)

對試樣進行了化學(xué)分析試驗，成果見表1。

表1 土樣化學(xué)指標(biāo)成果統(tǒng)計

土體中易溶鹽包括所有的氯化物鹽類，易溶鹽的硫酸鹽類和碳酸鹽類；中溶鹽是指土中所含的石膏；難溶鹽是指鈣、鎂的碳酸鹽類[1]。

工程場區(qū)土體呈弱堿性，以重碳酸和硫酸鹽為主，陰離子主要為HCO3-和SO42-，陽離子主要為Ca2+；且難溶的CaCO3、MgCO3含量極低，易溶的Cl-、Mg2+、K++Na+鹽類含量偏低；易溶鹽含量主要集中在0.31～0.57 g/kg，平均值為0.41 g/kg，在深度分布上主要集中在2～6 m。該次生黃土化學(xué)成分以易溶鹽和中溶鹽（CaSO4）為主，難溶鹽含量極低。

土體呈堿性時，土粒表面容易形成較擴展的擴散雙電層，使土粒處于松散狀態(tài)[1]，土體結(jié)構(gòu)疏松，存在較大的孔隙比，也是加劇濕陷性的潛在因素。當(dāng)土中易溶鹽含量＜0.5%，對黃土的性狀影響甚微[1]；工程場區(qū)土體中易溶鹽含量＜0.5%的組數(shù)占試驗組數(shù)的33%，易溶鹽的含量對場區(qū)的黃土濕陷性具有較大的影響。中溶鹽含量對黃土結(jié)構(gòu)的影響作用有多大，目前仍不是很清楚，持有影響和無影響的觀點都有[2]。難溶鹽的含量對土體的工程力學(xué)性質(zhì)有影響，由于難溶鹽構(gòu)成土體骨架水理性很差，遇水后仍能保持較高的強度；難溶鹽含量越高，一般情況下土體強度越高，濕陷程度相對就較低。

2.2 次生黃土的物理性質(zhì)

對次生黃土的土工試驗成果分別按粒徑、物性、稠度進行統(tǒng)計分析，見表2—4。

表2 次生黃土顆粒分析統(tǒng)計

表3 次生黃土的物性指標(biāo)統(tǒng)計

表4 次生黃土稠度指標(biāo)統(tǒng)計

次生黃土顆粒分析表明，粉粒含量占絕對優(yōu)勢，含量在56.5%～91.3%，平均值為83.2%。液限為24.7%～43.7%，均小于50%；塑性指數(shù)為9.0～21.4，均大于7。根據(jù)塑性圖法，該次生黃土定名為低液限黏土。根據(jù)三角坐標(biāo)分類，該次生黃土可分為黏土、粉質(zhì)黏土、壤土和粉土，個別處夾有砂粒。

像這種似球狀的粉粒含量占主要優(yōu)勢、薄片狀黏粒含量較少的碎屑物質(zhì)，在干旱和半干旱地區(qū)形成獨特的粒狀架空結(jié)構(gòu)體系，粉粒之間的連結(jié)就構(gòu)成了架空結(jié)構(gòu)體系的骨架。這種粒狀架空結(jié)構(gòu)體系首先在堆積過程中形成非正常配位的架空孔隙，其次顆粒間的連結(jié)強度是在干旱、半干旱條件下形成的[3]。

3 濕陷程度的劃分

根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》（GB50025-2004），對試樣的濕陷性試驗成果統(tǒng)計歸類，并對濕陷程度進行劃分。濕陷系數(shù)δs＜0.015的組數(shù)占總組數(shù)的33.3%，0.015≤δs≤0.03的組數(shù)占總組數(shù)的29.9%，0.03＜δs≤0.07 的組數(shù)占總組數(shù)的32.2%，δs＞0.07的組數(shù)占總組數(shù)的4.6%。由此可以看出，同一塊場地上的次生黃土的濕陷程度具有多樣性，各種濕陷程度均有出現(xiàn)，且非濕陷性、輕微濕陷性和中等濕陷性出現(xiàn)的頻率較為接近，強烈濕陷黃土出現(xiàn)頻率相對低得多。

4 濕陷系數(shù)與試驗指標(biāo)的相關(guān)性分析

濕陷性黃土是一種非飽和的具有大孔隙結(jié)構(gòu)性土[4]；黃土中含有易溶鹽和黏土礦物，對環(huán)境水較為敏感，易破壞土體原有的骨架結(jié)構(gòu)，造成強度的喪失。所以，土體的濕陷系數(shù)與含水率、孔隙比、干密度、飽和度以及埋深分布具有一定的相關(guān)性。

對試樣的濕陷系數(shù)分別與其飽和度、干密度、孔隙比、天然含水率以及埋深進行統(tǒng)計分析，并用Excel 軟件對它們之間的相關(guān)性進行擬合。擬合曲線類型的選擇原則是相關(guān)性系數(shù)（R2）最大時的曲線類型，謀求擬合曲線反映的濕陷系數(shù)與其飽和度、干密度、孔隙比、天然含水率以及分布深度相關(guān)性更強。

4.1 濕陷系數(shù)與飽和度的關(guān)系

次生黃土的濕陷系數(shù)與飽和度的關(guān)系，如圖1所示。

圖1 濕陷系數(shù)與飽和度的相關(guān)性

從圖1可以看出，非濕陷黃土的飽和度分布范圍較廣，相對集中在80%和30%附近。飽和度超過80%的可視為飽和黃土，可以理解為其濕陷過程已完成，成為壓縮性很大的軟土[1]。輕微濕陷黃土的飽和度集中在20%～70%，分布密度較為平均。中等濕陷黃土的飽和度相對集中在20%～40%。強烈濕陷黃土的飽和度集中在20%～30%。

通過上述的分析和擬合的相關(guān)性曲線，可以得出試樣的濕陷系數(shù)有著隨土體飽和度的增加而減小的趨勢，即濕陷系數(shù)與飽和度成負(fù)相關(guān)性。但是，擬合的相關(guān)性曲線的相關(guān)性系數(shù)為0.185 6，遠(yuǎn)離于1，表示這種相關(guān)性不強，故不能用對應(yīng)的函數(shù)進行量化。

4.2 濕陷系數(shù)與干密度的關(guān)系

干密度是衡量土體密實性的重要指標(biāo)之一，干密度越大說明土體越密實，土體體積縮小的空間越小，對濕陷性黃土來說就是濕陷量越小和濕陷的可能性越低。從圖2 可以看出，濕陷性黃土干密度集中在1.42～1.52 g/cm3，輕微濕陷黃土的干密度集中在1.38～1.40 g/cm3，中等濕陷黃土的干密度集中在1.34～1.37 g/cm3，強烈濕陷黃土的干密度集中在1.32 g/cm3附近。

圖2 濕陷系數(shù)與干密度的相關(guān)性

通過上述的分析和擬合的相關(guān)性曲線，可以得出試樣的濕陷系數(shù)有著隨土體干密度的增加而減小的趨勢，即濕陷系數(shù)與干密度成負(fù)相關(guān)性。但是，擬合的相關(guān)性曲線的相關(guān)性系數(shù)為0.264，遠(yuǎn)離于1，表示這種相關(guān)性不強，故不能用對應(yīng)的函數(shù)進行量化。

4.3 濕陷系數(shù)與孔隙比的關(guān)系

黃土獨特的粒狀架空結(jié)構(gòu)決定了其具有較大的孔隙比，并且黃土體中存在著豎向裂隙，這些孔隙和裂隙成為加劇黃土濕陷性和濕陷量內(nèi)在因素。從圖3 可以看出，非濕陷性黃土的孔隙比集中在0.800～0.910，輕微濕陷性黃土的孔隙比集中在0.920～0.980，中度濕陷黃土的孔隙比集中在0.960～1.000，強烈濕陷黃土的孔隙比集中在1.040附近。

圖3 濕陷系數(shù)與孔隙比的相關(guān)性

通過上述的分析和擬合的相關(guān)性曲線，可以得出試樣的濕陷系數(shù)有著隨土體孔隙比的增加而上升的趨勢，即濕陷系數(shù)與干密度成正相關(guān)性。但是，擬合的相關(guān)性曲線的相關(guān)性系數(shù)為0.243 7，遠(yuǎn)離于1，表示這種相關(guān)性不強，故不能用對應(yīng)的函數(shù)進行量化。

4.4 濕陷系數(shù)與含水率的關(guān)系

圖4 濕陷系數(shù)與天然含水率的相關(guān)性

因為水是濕陷性黃土發(fā)生濕陷作用的重要誘發(fā)因素，所以含水率與濕陷性關(guān)系密切。濕陷系數(shù)的大小反映了黃土對水的敏感程度。濕陷系數(shù)越大，表示土受水浸濕后的濕陷量越大，對工程的危害也越大。從圖4 可以看出，非濕陷黃土的含水率分布范圍較大，相對集中在10%～15%和27%附近；輕微濕陷黃土的含水率分布在8%～25%，且較為分散；中等濕陷黃土含水率分布在5%～18%；強烈濕陷黃土含水率分布相對較為集中，集中在10%附近。

通過上述的分析和擬合的相關(guān)性曲線，可以得出試樣的濕陷系數(shù)有著隨土體含水率的增加而下降的趨勢，即濕陷系數(shù)與含水率成負(fù)相關(guān)性。但是，擬合的相關(guān)性曲線的相關(guān)性系數(shù)為0.116 7，遠(yuǎn)離于1，表示這種相關(guān)性不強，故不能用對應(yīng)的函數(shù)進行量化。

圖5 濕陷系數(shù)與取樣深度的相關(guān)性

4.5 濕陷性埋深上分布規(guī)律

土體在不同深度上具有不同的上覆壓力和不同的受水淋溶作用程度，所以土的孔隙比、含水率、易溶鹽含量各有不同，間接地反映出土的濕陷性在深度上有一定的分布規(guī)律。從圖5 可以看出，非濕陷黃土埋深分布在1～10 m，但多分布在7 m 以下；輕微濕陷黃土埋深分布在2～10 m，但多分布在4～10 m；中等濕陷黃土埋深分布在1.4～6.6 m；強烈濕陷黃土埋深分布在2.5～7.7 m。

通過上述的分析和擬合的相關(guān)性曲線，可以得出試樣的濕陷系數(shù)有著隨取樣深度的增加而下降的趨勢，即濕陷系數(shù)與深度成負(fù)相關(guān)性。但是，擬合的相關(guān)性曲線的相關(guān)性系數(shù)為0.226 6，遠(yuǎn)離于1，表示這種相關(guān)性不強，故不能用對應(yīng)的函數(shù)進行量化。

4.6 濕陷性與濕陷起始壓力的關(guān)系

濕陷起始壓力是指濕陷性黃土浸水飽和，開始出現(xiàn)濕陷時的壓力[4]。實際上，濕陷起始壓力值的大小反映了黃土浸水飽和后的結(jié)構(gòu)剩余強度，超過這個壓力黃土結(jié)構(gòu)就將失去穩(wěn)定而濕陷[3]。

圖6 濕陷性與濕陷起始壓力的相關(guān)性

從圖6可以看出，次生黃土濕陷性試驗中起始壓力大于400 kPa 的試樣均為非濕陷性黃土；輕微濕陷黃土的濕陷起始壓力集中在100～180 kPa；中等濕陷黃土的濕陷起始壓力集中在50～100 kPa；強烈濕陷黃土的濕陷起始壓力分布在15～63 kPa。相關(guān)系數(shù)為0.704 2，較接近于1，表示濕陷性與濕陷起始壓力具有較好的相關(guān)性，呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，關(guān)系式為y=347.77e-37.52x。

5 結(jié)論

次生黃土在巖性上較原生黃土要復(fù)雜，土質(zhì)也不均勻；所處的位置較原生黃土要低，易受到雨水和人為活動的影響，所以次生黃土的濕陷性具有離散性和濕陷程度多樣性。

濕陷性產(chǎn)生的根本原因是其獨特的粒狀架空結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)間的溶鹽接觸式連結(jié)。所以，濕陷性與表征其結(jié)構(gòu)、連結(jié)方式和誘發(fā)濕陷產(chǎn)生的指標(biāo)具有相關(guān)性。

（1）黃土的pH值越大，土體結(jié)構(gòu)越疏松，存在濕陷的可能性越大。

（2）次生黃土的濕陷程度在同一塊場地上可能會具有多樣性。

（3）濕陷性與孔隙比成正相關(guān)性，與飽和度、干密度、天然含水率成負(fù)相關(guān)性；濕陷性與埋深也成正相關(guān)性，埋深越淺，潛在的濕陷可能性就越大。但這種相關(guān)性較弱，濕陷性單純與 某一指標(biāo)不存在對應(yīng)的可靠的函數(shù)關(guān)系。

（4）濕陷性與濕陷起始壓力具有較好的相關(guān)性。

（5）濕陷性是多個指標(biāo)共同作用的結(jié)果，并不能用某一個化學(xué)性質(zhì)或物理性質(zhì)指標(biāo)來表征的，但可以在一些指標(biāo)相近的情況下進行定性分析。

（6）次生黃土中會有黏粒含量較高相對隔水層，存在上層滯水，部分土體因飽和而成為具有高壓縮性的軟土，對淺基礎(chǔ)工程來說需要重視。

[1]林在貫，高大釗，顧寶和，等.巖土工程手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1996.

[2]張群.易溶鹽對寧夏同心濕陷性黃土的結(jié)構(gòu)作用效應(yīng)研究[D].銀川：寧夏大學(xué)，2013.

[3]高國瑞.黃土濕陷變形的結(jié)構(gòu)理論[J].巖土工程學(xué)報，1990，（7）：1－10.

[4]GB50025-2004，濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范[S].