張 威,王文霞
(北京市地質(zhì)工程勘察院,北京 100048)
延慶新城位于首都“兩軸—兩帶—多中心”結(jié)構(gòu)的西部發(fā)展帶中,是首都重要的生態(tài)屏障。延慶規(guī)劃新城范圍內(nèi)黃土狀土分布較少,但其周邊即勘查工作區(qū)范圍內(nèi)的東南部分布有黃土狀土,因其直觀的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)較好,工程建設(shè)中往往容易被人忽略,但其作為一種特殊土,具有疏松多孔、大孔隙、垂直節(jié)理及裂隙的結(jié)構(gòu);其在自重或一定壓力作用下,受水浸濕后結(jié)構(gòu)迅速破壞從而產(chǎn)生顯著的附加沉陷。其濕陷性對建構(gòu)筑物的影響主要是浸水后在附加荷載作用下發(fā)生濕陷,地基承載力降低,并產(chǎn)生較大的變形,嚴(yán)重影響建筑物的安全,在未來新城建設(shè)及配套工程的建設(shè)中會產(chǎn)生較大影響,因此對黃土狀土的研究具有重要的意義。
工作區(qū)內(nèi)黃土狀土呈淺黃色或黃色,以粉粒為主,顆粒較均勻,結(jié)構(gòu)疏松,有蟲孔及植物根系,具有肉眼可見的大孔隙,垂直節(jié)理較發(fā)育,屬上更新統(tǒng)洪沖積黃土狀土,分布于延慶新城工作區(qū)的東南部(圖1),面積約為62.97km2。黃土狀土厚度分布不均,厚度平均9m,局部大于11m。
圖1 延慶新城工作區(qū)黃土狀土厚度分布圖
由黃土狀土的X射線粉晶衍射分析結(jié)果表明,工作區(qū)內(nèi)的黃土狀土主要是>0.05mm的碎屑粉粒及>0.01mm的粗粉砂顆粒構(gòu)成的,膠結(jié)物質(zhì)以粒徑在500~200 μm以下的石英、長石、云母、非晶質(zhì)碳酸鈣微粒和粘粒礦物最為多見,其中石英含量約40%,長石含量約30%,非晶質(zhì)碳酸鈣微粒含量約10%,伊利石、綠泥石和蒙脫石等粘粒礦物含量各約5%左右。
區(qū)內(nèi)黃土狀土顆粒組成見表1, 從表中可以看出,黃土狀土以粉粒為主,其含量為57%~68%,砂粒含量在24%~33%之間,而粘粒含量為8%~16%。黃土狀土粒度成分隨深度有明顯變化,砂粒含量隨深度減小,而粉粒和粘粒含量隨深度逐漸增大。
通過延慶新城大榆樹鎮(zhèn)大泥河附近及楊戶莊南區(qū)附近黃土狀土的掃描電鏡顯微圖像(照片1)觀察,黃土狀土微結(jié)構(gòu)以粒狀顆粒為主,顆粒形狀多呈棱角狀,少數(shù)磨圓度較好,碳酸鈣未被淋浴,顆粒連接以點(diǎn)接觸為主,存在明顯的架空現(xiàn)象。膠結(jié)物主要是伊利石,高嶺石粘土礦物,呈鱗片狀粘附在粗顆粒表面,膠結(jié)物的含量較少,成薄膜狀包著顆粒,以顆粒直接接觸為主,接觸點(diǎn)處有極少的碳酸鈣和粘膠微粒,連接脆弱,多屬接觸式膠結(jié),膠結(jié)程度較弱。顆粒間孔隙發(fā)育,并含有蟲孔,孔隙聯(lián)通。
本區(qū)黃土狀土的天然密度ρ為1.5~1.89 g/cm3,含水量w為4.0%~14.3%,孔隙比e0為0.51~0.96,塑性指數(shù)Ip為5~8.5,液性指數(shù)IL均小于0。黃土狀土的壓縮模量為5.4~25.3MPa,內(nèi)摩擦角為6.6°~23.7°,粘聚力c為6.0~22.0kPa,標(biāo)貫擊數(shù)N為7~37,承載力為150~180kPa,黃土狀土的強(qiáng)度具有隨深度增大,壓縮性隨深度減小的特點(diǎn)。
黃土狀土濕陷系數(shù)是評價其濕陷性的重要參數(shù)。區(qū)內(nèi)黃土狀土具有不同程度的濕陷性,濕陷系數(shù)δs為0.002~0.067。濕陷性屬輕微—中等。
在JH1(大泥河村南)和JH2(上辛莊村西)兩個探坑中對黃土狀土進(jìn)行了為期14天的現(xiàn)場浸水試驗(yàn),探坑內(nèi)各布置觀測點(diǎn)5個。JH1探坑最大濕陷量達(dá)8.8mm,JH2探坑最大濕陷量達(dá)6.3mm,濕陷曲線見圖2和圖3。
由圖中可以明顯的看出本區(qū)黃土狀土的濕陷變化的5個階段,即初期平緩段、初期陡降段、中期平緩段、中期陡降段和后期穩(wěn)定段。
初期平緩發(fā)展段:在浸水試驗(yàn)開始至2~3天左右,黃土狀土濕陷呈現(xiàn)平緩發(fā)展的狀態(tài),此期間是表層的黃土狀土由天然含水狀態(tài)逐漸向飽和狀態(tài)的發(fā)展階段,濕陷量隨著土體的飽和而逐漸發(fā)展。
初期陡降段:隨著表層黃土狀土的含水狀態(tài)逐漸達(dá)到飽和,濕陷量迅速增大,達(dá)到初期濕陷量的最大值。
中期平緩段:當(dāng)表層黃土狀土達(dá)到飽和狀態(tài)濕陷穩(wěn)定時,中下部的土體尚未被水浸泡,濕陷量未出現(xiàn)明顯的增長。
中期陡降段:在中下部土體逐漸隨著水的下滲由天然含水狀態(tài)過渡到飽和狀態(tài)的過程中,濕陷量快速增長直至土體完全飽和。
圖2 JH1探坑黃土狀土浸水試驗(yàn)濕陷曲線
圖3 JH2探坑黃土狀土浸水試驗(yàn)濕陷曲線
后期穩(wěn)定段:在中下部土體達(dá)到完全飽和的狀態(tài)后,土體的濕陷量也達(dá)到相對穩(wěn)定的階段,這個階段黃土狀土的濕陷量增長緩慢或幾乎不再增加。
影響黃土狀土濕陷性強(qiáng)弱的因素是多方面的,可歸納為內(nèi)因和外因兩個方面,其本身的物質(zhì)組成和微觀結(jié)構(gòu)是內(nèi)因,水和應(yīng)力的作用是外因。研究表明,影響黃土狀土濕陷的主要因素有物質(zhì)組分、微觀結(jié)構(gòu)、天然含水量、孔隙比、干密度、飽和度等。
①物質(zhì)組分
試驗(yàn)表明,本區(qū)黃土狀土以粗粉粒占優(yōu)勢,砂粒和粘粒含量比較少。砂粒和粗粉??梢詾槭?、長石等原生礦物碎屑。黃土狀土的骨架顆粒主要是>0.05mm的碎屑粉粒及>0.01mm的粗粉砂顆粒構(gòu)成的,膠結(jié)物質(zhì)以粒徑在500~200μm以下的石英、長石、云母、非晶質(zhì)碳酸鈣微粒和粘粒礦物最為多見。黃土狀土中骨架顆粒大小懸殊,導(dǎo)致其分布的復(fù)雜性,從而可能造成在荷載時應(yīng)力集中于粗大的顆粒上,另一些細(xì)顆?;蚰z結(jié)物上應(yīng)力相應(yīng)分散,促使骨架顆粒之間相對位移的發(fā)生;同時骨架顆粒周圍的粘粒分布不均,使得土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度各處不一。一般粉粒含量越高,濕陷性越強(qiáng),而粘粒含量增多,濕陷性減弱。
②微結(jié)構(gòu)
由黃土狀土的電鏡顯微圖像觀察可知,區(qū)內(nèi)黃土狀土微結(jié)構(gòu)以粒狀顆粒為主,顆粒形狀多呈棱角狀,砂粒和粗粉粒以點(diǎn)接觸為主或彼此分離,顆粒連接膠結(jié)程度弱, 存在明顯的架空空隙,呈粒狀架空結(jié)構(gòu)。當(dāng)水侵入并削弱連接強(qiáng)度時,在一定壓力下就會失去穩(wěn)定, 孔隙周圍的顆粒落入孔內(nèi),造成濕陷現(xiàn)象,尤其是點(diǎn)接觸的架空孔隙更易產(chǎn)生濕陷。膠結(jié)物主要是粘土礦物伊利石,呈鱗片狀粘附在粗顆粒表面,膠結(jié)物的含量較少,成薄膜狀包著顆粒,以顆粒直接接觸為主,接觸點(diǎn)處有極少的鹽品和粘膠微粒,連接脆弱,多屬接觸式膠結(jié)。因而從微觀結(jié)構(gòu)特征上看黃土狀土濕陷性相對較強(qiáng)。
③含水量
水對黃土狀土濕陷性主要是通過影響黃土狀土物質(zhì)(膠結(jié)物)并進(jìn)而影響微結(jié)構(gòu)來體現(xiàn)的,黃土狀土微結(jié)構(gòu)的形成需要適量的水分,如通過溶解淋濾等水化學(xué)作用,膠結(jié)物使顆粒之間相互連接,膠結(jié)物的狀態(tài)及其在黃土狀土顆粒間的分布受水分控制,有各種不同的膠結(jié)方式及連接牢固程度,因此適量的水有利于黃土狀土形成較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),是黃土狀土微結(jié)構(gòu)的有利因素。
區(qū)內(nèi)黃土狀土的天然含水率w為4.0%~16.9%,天然含水量w與濕陷系數(shù)δs的關(guān)系見圖4,從圖中可知,天然含水量對黃土狀土濕陷性影響較大,二者呈負(fù)指數(shù)關(guān)系,這是由于黃土狀土中的天然含水量越大,其遇水后結(jié)構(gòu)改變的幅度就越小,故濕陷性越小,當(dāng)含水量大于13%時,該區(qū)的黃土狀土基本不具有濕陷性。
④孔隙比
圖4 濕陷系數(shù)與含水量之間的關(guān)系曲線
孔隙比是反映黃土狀土中孔隙和裂隙的多少以及結(jié)構(gòu)特征的指標(biāo)。黃土狀土的一大特點(diǎn)是富含孔隙,正因?yàn)橛腥绱酥嗟目紫?,有利于水入滲及與顆粒發(fā)生作用,同時為黃土狀土濕陷提供了空間??紫侗鹊拇笮S土狀土本身的強(qiáng)度、濕陷性都有很大影響。在一般情況下,孔隙比大的大孔架空結(jié)構(gòu)的黃土狀土在外力和內(nèi)力作用下容易破壞,易濕陷;相反,孔隙比小的結(jié)構(gòu)膠結(jié)程度好的黃土狀土在相同力的作用下不易濕陷。一般在其他條件相同時的情況下,孔隙比越大,孔隙和裂隙越多,濕陷性越強(qiáng)。
區(qū)內(nèi)黃土狀土的孔隙比e為0.50~0.96,黃土狀土孔隙比e與濕陷系數(shù)δs之間的關(guān)系見圖5,由圖可知,孔隙比對黃土狀土濕陷性有顯著影響,陷性系數(shù)δs與孔隙比e呈指數(shù)正相關(guān)關(guān)系,即孔隙比大,濕陷系數(shù)越大。如大榆樹鎮(zhèn)等地的黃土狀土孔隙比為0.8~0.9,土處于稍密~松散狀態(tài),濕陷系數(shù)較大,最大達(dá)0.067,當(dāng)其孔隙比小于0.65時,該區(qū)的黃土狀土基本不具有濕陷性。
圖5 濕陷系數(shù)與孔隙比之間的關(guān)系曲線
⑤干容重
干容重是黃土狀土的主要物理指標(biāo),區(qū)內(nèi)黃土狀土的干容重為1.39~1.70 g/cm3,黃土狀土干容重與濕陷系數(shù)關(guān)系如圖6所示,兩者基本成負(fù)的線性相關(guān)性,干密度越小,濕陷性越強(qiáng),當(dāng)黃土狀土ρd>1.65g/cm3,濕陷性不明顯。干容重與深度的關(guān)系較大,埋深深度越深,隨著深度的增加,土樣的特大孔隙和大孔隙逐漸減少,中孔隙、小孔隙、微孔隙增加,土體逐漸變得密實(shí),故濕陷性在深度上呈現(xiàn)減弱的趨勢。
圖6 濕陷系數(shù)與干容重之間的關(guān)系曲線
(1)黃土狀土主要分布于延慶新城勘查工作區(qū)的東南部,屬于局部分布,且具有一定聚集性。
(2)延慶新城工作區(qū)內(nèi)的黃土狀土以粉粒為主,其濕陷性屬輕微—中等,濕陷性隨深度呈逐漸減弱的趨勢,其濕陷經(jīng)歷五級變化階段才能最終達(dá)到穩(wěn)定。
(3)粘粒含量、含水量、孔隙比及干容重是影響該區(qū)黃狀土土濕陷性的主要因素,隨著含水量的增大,該區(qū)黃土狀土濕陷性呈現(xiàn)負(fù)指數(shù)變化的趨勢。當(dāng)含水量大于13%時,該區(qū)的黃土狀土基本不具有濕陷性;隨著孔隙比的增大,濕陷性逐漸增強(qiáng),二者成指數(shù)相關(guān)關(guān)系,當(dāng)其孔隙比小于0.65時,該區(qū)的黃土狀土基本不具有濕陷性;干容重指標(biāo)與濕陷性成負(fù)相關(guān)關(guān)系,且該區(qū)黃土在干容重大于1.65g/cm3時,基本不具有濕陷性。
(4)工作區(qū)內(nèi)黃土狀土以自重濕陷為主,濕陷性屬輕微—中等,濕陷性隨深度呈逐漸減弱的趨勢。
(5)對規(guī)劃新城工作區(qū)內(nèi)的黃土狀土,在未來詳細(xì)勘察階段宜有針對性地開展工作,進(jìn)一步查明其工程性狀,并采取相應(yīng)工程處理措施,對于淺基礎(chǔ)工程、道路工程、潛埋線性工程尤其是水工類工程具有重要意義。
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