武鵬飛,趙旭陽

（中水北方勘測設計研究有限責任公司,天津 300222）

引言

我國黃土分布面積約占世界黃土分布總面積的4.9%,主要分布于黃河中、上游一帶,是世界上黃土沉積最廣闊的地區(qū)[1]。黃土由于生成的年代、成因、環(huán)境、地域以及生成后歷史變遷上的差異而具有不同的性質[2],前人對黃土所特有的濕陷特性研究取得了較大進展[3-4]。此外,對于濕陷性黃土地基的處理方法也有不同的方法和建議[5-6],均對工程建設具有一定指導意義。

本研究以天水地區(qū)某擬建調蓄水庫工程區(qū)分布的黃土為研究對象,采用宏觀和微觀相結合的方法,著重分析研究了黃土的工程特性,對工程的順利實施具有重要指導意義。

1 工程地質概況

某擬建調蓄水庫位于甘肅天水市甘谷縣附近,屬隴中黃土丘陵低中山地貌,為我國典型的黃土地貌發(fā)育區(qū),工程區(qū)內大量分布不同時代及成因的黃土。根據(jù)現(xiàn)場勘察資料,工程區(qū)內黃土主要有中更新統(tǒng)離石黃土和上更新統(tǒng)風積馬蘭黃土。

離石黃土為淺黃～褐黃色,廣泛分布于工程區(qū)內,地表出露較少,上部多為馬蘭黃土覆蓋,勘探揭露該層厚度一般在15～30 m；馬蘭黃土一般呈淺黃色,土質較均一,垂直節(jié)理發(fā)育,廣泛分布于壩址及庫區(qū)兩岸山坡,該層厚度一般為10～15 m。

2 工程特性

勘察期間,結合地質測繪成果,在勘探鉆孔及豎井中取有代表性的黃土試驗樣品進行室內物理力學試驗,對工程區(qū)分布的兩種黃土工程地特性進行詳細的分析研究。本研究對73 組馬蘭黃土（Q3eol）和167 組離石黃土（Q2）做了相關試驗統(tǒng)計分析,試驗數(shù)據(jù)過于冗長,文中并未附試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表格,下述相關試驗數(shù)據(jù)均由試驗成果統(tǒng)計所得。

2.1 粒度成分

離石黃土砂粒含量介于0.1%～2.4%之間,平均值0.5%；粉粒含量介于58.2%～80.4%之間,平均值73.3%；黏粒含量介于19.6%～41.8%之間,平均值26.6%。

馬蘭黃土砂粒含量介于0.1%～2.2%之間,平均值0.5%；粉粒含量介于62.5%～80.9%之間,平均值76.6%；黏粒含量介于18.4%～37.5%之間,平均值23.2%。

依據(jù)《土的工程分類標準》GB/T 50145-2007,工程區(qū)離石黃土和馬蘭黃土均為低液限粘土。

2.2 物理特性

離石黃土天然含水量7.5%～29%,平均值介于13.6%～22%之間；土粒比重2.68～2.73,平均值介于2.7～2.72 之間；孔隙比0.53～1.18,平均值介于0.67～0.95 之間；干密度1.24～1.81 g/cm3,平均值介于1.42～1.65 之間；塑性指數(shù)10～24,平均值介于12～17之間；液性指數(shù)-0.78～0.62,平均值介于-0.28～0.24之間；垂直向滲透系數(shù)垂9.16×10-8～2.57×10-4cm/s,平均值介于6.86×10-5～1.01×10-3cm/s 之間；水平向滲透系數(shù)2.63×10-8～1.47×10-3cm/s,平均值介于4.57×10-5～5.77×10-4cm/s 之間。

馬蘭黃土天然含水量7.0%～23.3%,平均值介于10.9%～16.1%之間；土粒比重2.68～2.72,平均值介于2.69～2.70 之間；孔隙比0.70～1.34,平均值介于0.91～1.22 之間；干密度1.15～1.61 g/cm3,平均值介于1.24～1.47 之間；塑性指數(shù)13～21,平均值介于14～16之間；液性指數(shù)-0.73～0.32,平均值介于-0.52～-0.19之間；垂直向滲透系數(shù)1.60×10-5～8.58×10-3cm/s,平均值在6.12×10-4～8.58×10-3cm/s 之間變化；水平向滲透系數(shù)3.90×10-4～1.48×10-3cm/s,平均值在5.84×10-4～1.25×10-3cm/s 之間變化。

由上述試驗數(shù)據(jù)可知,工程區(qū)馬蘭黃土天然含水量、干密度普遍低于離石黃土,而孔隙比明顯高于離石黃土,天然含水量、干密度隨深度增大而增大,孔隙比隨深度增大而減小。

2.3 力學特性

離石黃土天然狀態(tài)壓縮系數(shù)0.12～0.27,平均值介于0.14～0.25 之間；濕陷系數(shù)0.00～0.160,平均值介于0.008～0.062 之間；自重濕陷系數(shù)0.00～0.102,平均值介于0.004～0.030 之間；天然狀態(tài)黏聚力12.6～59.8 kPa,平均值介于26.7～49.5 kPa 之間,內摩擦角21.1°～34.0°,平均值介于24.6°～31.3°之間。

馬蘭黃土天然狀態(tài)壓縮系數(shù)0.21～0.52,平均值介于0.27～0.52 之間；濕陷系數(shù)0.00～0.207,平均值介于0.081～0.155 之間；自重濕陷系數(shù)0.00～0.188,平均值在介于0.048～0.114 之間；天然狀態(tài)黏聚力12.9～81.7 kPa,平均值介于19.6～66.6 kPa 之間,內摩擦角24.3°～32.0°,平均值介于26.8°～31.0°之間。

由上述試驗數(shù)據(jù)可知,工程區(qū)馬蘭黃土具有高壓縮性,濕陷性強烈,屬自重濕陷性黃土；離石黃土具有中等～高壓縮性,濕陷性中等～強烈。濕陷系數(shù)隨深度增加而減小。

2.4 濕陷特性

根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑標準》（GB 50025-2018）,濕陷系數(shù)δs=0.015,為黃土是否存在濕陷性的分界線。當濕陷系數(shù)δs＜0.015 時,為非濕陷性黃土,反之,則為濕陷性黃土。

為研究工程區(qū)黃土濕陷性大小與深度、孔隙比、天然含水量、干密度的變化規(guī)律,據(jù)此繪制濕陷系數(shù)與深度、孔隙比、天然含水量、干密度散點圖,見圖1至圖8。

圖8 離石黃土δs 與干密度ρ 散點圖

由圖1 至圖4 可知,馬蘭黃土濕陷性強烈,其濕陷性大小與深度、天然含水率、干密度呈負相關性,與孔隙比呈正相關性,根據(jù)圖中所示回歸直線方程,可初步推測工程區(qū)馬蘭黃土濕陷臨界土層埋深為9.31 m、臨界天然含水率為19.41%、臨界孔隙比為0.80、臨界干密度為1.50 g/cm3。

圖1 馬蘭黃土δs 與深度深散點圖

圖2 馬蘭黃土δs 與含水率w%散點圖

圖3 馬蘭黃土δs 與孔隙比e 散點圖

圖4 馬蘭黃土δs 與干密度ρ 散點圖

由圖5 至圖6 可知,離石黃土濕陷性與土層深度相關性不強,當深度超過20 m 后,基本無濕陷性,當深度10～20 m 之間時,濕陷性輕微～中等為主。此外,離石黃土濕陷性大小與天然含水率、干密度呈負相關性,與孔隙比呈正相關性,根據(jù)圖中所示回歸直線方程,可初步推測工程區(qū)離石黃土臨界天然含水率為18.79%、臨界孔隙比為0.61、臨界干密度為1.50 g/cm3。

圖5 離石黃土δs 與深度散點圖

圖6 離石黃土δs 與含水率w%散點圖

3 主要工程地質問題

3.1 地基濕陷變形問題及處理建議

圖7 離石黃土δs 與孔隙比e 散點圖

馬蘭黃土壓縮系數(shù)在0.21～0.52 之間,為高壓縮性土,濕陷性強烈,地基承載力低,可能發(fā)生濕陷變形破壞,不宜作為壩基持力層。離石黃土壓縮系數(shù)在0.12～0.27,壓縮性中等～高,該層土體約10 m 以下濕陷性輕微～無,壓縮性中等,采取適當?shù)墓こ烫幚泶胧┛勺鳛閴位至印?/p>

3.2 黃土邊坡穩(wěn)定性問題及處理建議

兩岸壩基開挖后,工程邊坡以土質邊坡為主,大土體結構相對單一,其破壞形式以圓弧形滑動為主,黃土垂直節(jié)理發(fā)育,在降水或地震等作用下局部易出現(xiàn)小規(guī)模塌滑,黃土層底部與下伏基巖接觸部位一般含少量第四系孔隙潛水,土體強度低,該界面一般為潛在滑動面,建議在加強坡頂、坡面及坡腳排水的同時增加支護措施,馬蘭黃土和離石黃土臨時邊坡建議開挖坡比為1：1～1：1.25,永久邊坡建議開挖坡比1：1.25～1：1.5。

4 結論

（1） 工程區(qū)馬蘭黃土和離石黃土均為低液限粘土。

（2） 馬蘭黃土天然含水量7.0%～23.3%,干密度1.15～1.61 g/cm3,孔隙比0.70～1.34,壓縮系數(shù)0.21～0.52,黏聚力12.9～81.7 kPa,內摩擦角24.3°～32.0°；離石黃土天然含水量7.5%～29%,干密度1.24～1.81 g/cm3,孔隙比0.53～1.18,壓縮系數(shù)0.12～0.27,黏聚力12.6～59.8 kPa,內摩擦角21.1°～34.0°。

（3） 黃土濕陷性隨深度增加而減小,濕陷系數(shù)大小與天然含水量、干密度呈負相關性,與孔隙比呈正相關性；馬蘭黃土干密度大于1.50 g/cm3、天然含水量大于19.41%、孔隙比小于0.80 時,基本上可判定為無濕陷性；離石黃土干密度大于1.50 g/cm3、天然含水量大于18.79%、孔隙比小于0.61 時,基本上可判定為無濕陷性。

（4） 建議兩岸壩基持力層置于離石黃土下部,并采取適當?shù)墓こ烫幚泶胧?；兩岸黃土邊坡需加強坡頂、坡面及坡腳排水的同時增加支護措施。