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摘要：本文是通過在關(guān)中東部渭河南岸某地的黃土室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場浸水試驗(yàn)的結(jié)果對比分析，指出該區(qū)域黃土濕陷性的特性，并通過對試驗(yàn)區(qū)域Q3晚更新世黃土的厚度及顆粒分析，指出該區(qū)域黃土形成的物質(zhì)來源，并在此基礎(chǔ)上對該區(qū)域黃土特殊的濕陷特性加以解釋。...
 
關(guān)中東部黃土濕陷特性及物源分析
 
萬再新     劉俊峰   張繼文      劉爭宏
（1.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院 陜西西安710043 ;2.咸陽市建筑設(shè)計(jì)研究院地基公司 陜西咸陽712000）

1、前言
    黃土古稱“黃壤”，是一種第四紀(jì)沉積物，具有濕陷性這一特殊的工程性質(zhì)。我國的黃土和黃土狀土的分布面積約64萬km2,占國土面積的6.3%。在黃河中游地區(qū)，西起賀蘭山，東到太行上，北起長城，南到秦嶺幾乎全部都被黃土覆蓋。
 
    典型的黃土一般具有以下特征：
    （1）顏色以黃色、褐黃色為主，有時呈灰黃色；
    （2）顆粒組成以粉粒（0.05~0.005mm）為主，含量一般在60%以上，粒徑大于0.25mm的較少。
    （3）有肉眼可見的大孔隙，較大孔隙，一般在1.0mm左右；
    （4）富含碳酸鹽類，垂直節(jié)理發(fā)育。
 
    由于各地的地理、地質(zhì)和氣候條件不同，使黃土的沉積厚度，地層特征和物理力學(xué)性質(zhì)上都表現(xiàn)出明顯的差異性和變化，已有的研究表明，黃土高原的黃土在粒度組成、厚度及工程特征方面具有一定的變化規(guī)律：從西北向東南，黃土的粒度組成由粗變細(xì)，黃土堆積的厚度逐漸變小，黃土的濕陷性由強(qiáng)變?nèi)酢?/DIV>
 
2、關(guān)中東部黃土的工程性質(zhì)
    關(guān)中地區(qū)包括陜西的關(guān)中、山西西南部和河南西部，西界寶雞峽谷，東接三門峽一帶和中條山的北支附近（包括山西運(yùn)城地區(qū)），北自北山、黃龍山，南至秦嶺。
 
    該區(qū)內(nèi)關(guān)于濕陷性黃土的一般認(rèn)識為：濕陷性黃土層厚度在低階地一般為4～10m，高階地為6～23m，渭河流域兩岸多為4～10m。濕陷性和濕陷敏感性中等，低階地多屬非自重濕陷性黃土，高階地多屬自重濕陷性黃土。自重濕陷性黃土層一般埋藏較深，自重濕陷發(fā)展較緩慢，濕陷量小。地基濕陷等級一般為Ⅱ～Ⅲ級。
 
    該區(qū)內(nèi)濕陷性黃土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。
表1 “關(guān)中地區(qū)”濕陷性黃土物理力學(xué)性指標(biāo)
地貌
含
水
量
w
(%)
天然
密度
ρ
（g/cm3）
液限
wL
(%)
塑性
指數(shù)
IP
孔
隙
比
e
壓縮
系數(shù)
a
(MPa-1)
濕陷
系數(shù)
δs
自重濕陷系數(shù)
δzs
低階地
14
～
28
1.50
～
1.80
22
～
32
9
～
12
0.94
～
1.13
0.24
～
0.64
0.029
～
0.076
0.003
～
0.039
高階地
11
～
21
1.40
～
1.70
27
～
32
10
～
13
0.95
～
1.21
0.17
～
0.63
0.030
～
0.080
0.005
～
0.042
    通過近幾年在關(guān)中東部渭河南岸某地對濕陷性黃土進(jìn)行的一系列室內(nèi)及現(xiàn)場試驗(yàn)研究，我們發(fā)現(xiàn)關(guān)中東部渭河南岸晚更新世黃土的濕陷性與人們原來認(rèn)識的有很大的不同。
現(xiàn)通過對關(guān)中東部的黃土濕陷性試驗(yàn)，來說明該地區(qū)黃土的濕陷特性，并對其加以分析和研究。
 
    2.1 基本性質(zhì)
    該試驗(yàn)點(diǎn)位于關(guān)中東部渭河南岸某地，試驗(yàn)場地位于山前黃土臺塬的渭河階地上。根據(jù)在試驗(yàn)場地內(nèi)開挖探井揭示的地層條件，試驗(yàn)場地附近的地貌單元屬渭河Ⅱ級階地（低階地）。現(xiàn)場開挖探井兩口，在24.5m的深度范圍內(nèi)，地基土可根據(jù)形成的地質(zhì)年代分為4層。試驗(yàn)場地地基土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見下表2
 
    2.2濕陷特性
    2.2.1室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果
    根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》（GB 50025—2004）有關(guān)規(guī)定計(jì)算自重濕陷量的計(jì)算值，因地區(qū)土質(zhì)而異的修正系數(shù)βo取0.90，得出
表2  地基土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)
地層
含
水
量
w
(%)
液限
wL
(%)
塑性
指數(shù)
IP
孔
隙
比
e
壓縮
系數(shù)
a
(MPa-1)
濕陷
系數(shù)
δs
自重濕陷系數(shù)
δzs
①黏質(zhì)
粉土
17.1
28.4
10.9
1.026
1.32
0.045
0.003
②粘質(zhì)
粉土
16.6
28.4
10.9
1.026
1.32
0.056
0.040
③1砂質(zhì)黃土
14.1
26.6
9.9
1.034
0.68
0.038
0.027
③2砂質(zhì)黃土
16.0
27.1
10.2
0.999
0.23
0.033
0.029
④粘質(zhì)
黃土
20.2
29.5
11.4
0.800
0.15
0.009
0.005
    口探井的自重濕陷量計(jì)算值Δzs分別為531.1mm和396.3mm，按此判定試驗(yàn)場地的濕陷類型為自重濕陷性黃土場地。兩口探井的濕陷量計(jì)算值Δs分別為963mm和722mm，由此判定地基濕陷等級為Ⅳ（很嚴(yán)重）級。
 
    2.2.2現(xiàn)場浸水試驗(yàn)結(jié)果
    現(xiàn)場浸水試驗(yàn)試坑呈圓形，直徑25m，深度0.5m。在浸水坑底部鋪設(shè)10cm厚的砂礫石。試坑平面布置見圖1。深層標(biāo)點(diǎn)埋設(shè)在試坑底面以下2～24.5m深度范圍內(nèi)。
 
    經(jīng)過114天的試驗(yàn)，試坑內(nèi)淺標(biāo)點(diǎn)的平均沉降達(dá)到《黃土規(guī)范》規(guī)定的試驗(yàn)終止條件，試驗(yàn)終止時A和B測線淺標(biāo)點(diǎn)及地面標(biāo)點(diǎn)沉降組成的沉降剖面如圖2所示。從圖2可以看出，本次試驗(yàn)黃土的自重濕陷表現(xiàn)出均質(zhì)黃土的自重濕陷特征：濕陷中心和試坑中心重合，隨著距試坑中心徑向距離的增大，沉降逐漸減小，表現(xiàn)出相對于試坑中心呈中心對稱的沉降規(guī)律，試坑范圍內(nèi)的地面沉降近似于拋物面。
 
    現(xiàn)場浸水試驗(yàn)結(jié)果表明試驗(yàn)場地屬自重濕陷黃土場地，試驗(yàn)終止時試坑地面沉降量最大值為1602.8mm，試坑內(nèi)地面標(biāo)點(diǎn)的沉降量平均值（各標(biāo)點(diǎn)所代表平面面積加權(quán)平均）為1360.0mm。我們定義實(shí)測修正系數(shù)β0’為實(shí)測濕陷沉降量與室內(nèi)實(shí)測濕陷量（不乘因地區(qū)土質(zhì)而異的修正系數(shù)β0）之比，則以最大沉降量作為實(shí)測自重濕陷量，可得兩口探井的βo’分別為2.72和3.64；若以沉降量平均值作為實(shí)測自重濕陷量，可計(jì)算得βo’分別為2.30和3.09，計(jì)算出來的β0’與β0的建議值0.90相差極大。表3、圖3為西安南郊某地及河南西部某地同類試驗(yàn)的結(jié)果，關(guān)中渭河南岸的黃土濕陷性十分顯著，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它地區(qū)。
表3  各地室內(nèi)與現(xiàn)場試驗(yàn)濕陷量表
試驗(yàn)點(diǎn)
自重濕陷量
西安南郊某地
關(guān)中東部某地
河南西部某地
室內(nèi)計(jì)算值
（mm）
141~458
396.3~531.1
350
現(xiàn)場試驗(yàn)最大值(mm)
106
1602.8
103.0
計(jì)算β0’值
0.21~0.68
2.72~3.64
0.267~0.277
    備注：圖中現(xiàn)場試驗(yàn)值是沉降量最大值，室內(nèi)計(jì)算值是以現(xiàn)場開各個挖探井的計(jì)算值的平均值。
    圖3   試驗(yàn)場地自重濕量計(jì)算值與實(shí)測值對比圖
    根據(jù)已有的研究成果，黃土高原從東向西，黃土自重濕陷性是由強(qiáng)變?nèi)醯模谖己幽习赌车氐脑囼?yàn)點(diǎn)所表現(xiàn)出來的這種強(qiáng)烈濕陷性，是關(guān)中其它地區(qū)從來沒有過的，該試驗(yàn)場地黃土的這種特殊性，應(yīng)與其沉積成因、土的結(jié)構(gòu)及顆粒組成有一定的關(guān)系。
 
3、關(guān)中東部黃土的粒度特征
    為研究黃土顆粒組成對地基土濕陷的影響，在場地內(nèi)采取了土樣進(jìn)行了顆粒分析試驗(yàn)，其中砂質(zhì)黃土③層的顆粒分析粒徑級配曲線及其級配散點(diǎn)圖見圖4、5。
    注：圖中陜西關(guān)中黃土平均顆粒組成資料來源于文獻(xiàn) 表2-1。
 
    分析砂質(zhì)黃土③層中的顆粒分析結(jié)果，有如下特點(diǎn)：
    （1）該地區(qū)砂質(zhì)黃土的顆粒成分以砂粒和粉粒為主，其中砂粒（粒徑>0.05mm）含量超過50%的土樣占42.1%，粉粒（粒徑在0.005～0.05mm之間）含量超過50％的土樣占47.4%；
 
    （2）平均含量砂粒為42％，粉粒為62％，粘粒為6％；與陜西關(guān)中黃土平均顆粒組成（砂粒14％，粉粒63％，粘粒23％）相比,存在較大差異（圖5），表現(xiàn)為砂粒含量偏大，粘粒含量偏小，粉粒含量接近。
 
    （3）粒徑大于0.01mm所占的質(zhì)量百分比為86％～93％，粘粒含量均不大于10％，為4％～8％。
 
    通過以上分析可知，本試驗(yàn)場地土層在顆粒組成方面具有其特殊性，較關(guān)中地區(qū)原有認(rèn)識相比，其顆粒組成中粘粒含量偏少，砂粒含量偏大。4 關(guān)中東部黃土的物源分析通過對試驗(yàn)場地土層分析，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域沉積環(huán)境與關(guān)中其它地區(qū)有較大差異，第一層古土壤上部的Q3黃土厚度為19m，位于該試驗(yàn)場以東渭河南岸潼關(guān)列斜溝，其Q3黃土厚度達(dá)到35.2m，而在西安地區(qū)該層黃土厚度一般在8m左右，例如位于西安市東南郊某地，該層黃土的厚度為9m。試驗(yàn)場地附近地區(qū)Q3黃土層的這種特殊性，表明該層黃土沉積物源豐富，沉積速率快，顆粒間的固結(jié)、膠結(jié)程度較弱。
 
    土粒粒徑的大小顯示出其物質(zhì)來源的遠(yuǎn)近，我國黃土高原的黃土由西北向東南方向粒度變細(xì)，黃土層厚度是逐漸變小的。而在本試驗(yàn)區(qū)域，其顆粒組成中粘粒含量偏少，砂粒含量偏大，黃土層的厚度也呈現(xiàn)突然增厚的現(xiàn)象。而從潼關(guān)-華陰-西安方向Q3黃土層厚度變化以及華陰-西安方向沙粒含量含量的變化來看，該區(qū)域黃土的主要來源并非來之西北方向，沙粒含量的變化趨勢顯示其物質(zhì)源來自本區(qū)東部或東北部，應(yīng)主要屬于近源堆積。
 
    從試驗(yàn)點(diǎn)周邊的地質(zhì)環(huán)境來看，近源物質(zhì)的主要來源地有渭河、黃河、洛河交匯處的河漫灘地區(qū)以及潼關(guān)以東的黃河河漫灘、豫東黃河古河道沙地等物源區(qū)。
 
    關(guān)中東部渭河南岸黃土粒度及厚度的變化表明本區(qū)域既有東南偏北風(fēng)搬運(yùn)來的近源物質(zhì)（主要為砂粒）的參與，也有西北風(fēng)搬運(yùn)來遠(yuǎn)源成分（主要為粉粒和粘粒）的堆積，而不是單一的物源、單一的風(fēng)向形成的。也就是說，關(guān)中東部渭河南岸以南晚更新世以來的黃土是西北風(fēng)從西北沙漠、東北風(fēng)或東風(fēng)從渭河、黃河河漫灘、黃河古道沖積物種搬運(yùn)來的物質(zhì)混合堆積而成的，因此該地區(qū)黃土由于有近源物質(zhì)的大量堆積，使得黃土的堆積速度加快，成土成壤及固結(jié)作用相對減弱。
 
4、 結(jié)論
    （1）根據(jù)本次試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)場地所處的區(qū)域?qū)崪y修正系數(shù)βo’的比βo建議值0.90（關(guān)中地區(qū)）大出許多，這種現(xiàn)象在以前的關(guān)中地區(qū)浸水試驗(yàn)中是沒有過的，該區(qū)域有其特殊性。
    （2）本試驗(yàn)場地土層在顆粒組成方面具有其特殊性，較關(guān)中地區(qū)原有認(rèn)識相比，其顆粒組成中粘粒含量偏少，砂粒含量偏大。
    （3）通過對試驗(yàn)區(qū)域地層及顆粒分析，認(rèn)為關(guān)中東部渭河南岸以南晚更新世以來的黃土是西北風(fēng)從西北沙漠、東北風(fēng)或東風(fēng)從渭河、黃河河漫灘、黃河古道沖積物種搬運(yùn)來的物質(zhì)混合堆積而成的，因此該地區(qū)黃土主要為近源物質(zhì)的大量堆積。
    （4）由于該區(qū)域黃土顆粒的特殊性和近源物質(zhì)的大量堆積，使得黃土的堆積速度加快，成土成壤及固結(jié)作用相對減弱，導(dǎo)致該區(qū)域黃土的濕陷作用十分強(qiáng)烈。
 
參考文獻(xiàn)：
    1.劉祖典.黃土力學(xué)與工程.西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1997年.
    2.錢泓縉，王繼唐，羅宇生，等.濕陷性黃土地基.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1987年.
    3.中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范（GB 50025-2004）.北京：中國計(jì)劃出版社.2004.
    4關(guān)文章.濕陷性黃土工程性能新篇.西安：西安交通大學(xué)出版社，1992年.
    5馬侃嚴(yán).勘察科學(xué)技術(shù)，2009.10
 
(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會  文徑網(wǎng)絡(luò)：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核）
 
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