盛海洋

(福建船政交通职业学院，福建福州 350007)

0 引言

黄土是一种结构疏松、具有大孔隙和湿陷性的黄色沉积土层的统称。荥阳是豫西黄土沉积的典型地区之一，研究荥阳黄土的工程地质性质，对于评价和解决豫西黄土区有关环境问题和工程问题有较普遍的意义。研究是以南水北调中线工程总干渠荥阳索河和枯河工程为研究对象，以野外工程地质勘察与室内试验和微观分析为手段，借助现代计算机技术来研究荥阳黄土的工程地质性质。

由于古、老、新黄土其沉积环境与成壤程度的不同，其物质组成与微结构特征有明显的差异，因而各层黄土的岩土工程性质有明显的差别［1，2］。

1 物质组成及微观结构特征

荥阳黄土颗粒(见表1)，经分析粒径基本上由0.25 mm以下的颗粒组成，且以粉土颗粒(0.05 mm～0.005 mm)为主，其含量一般为50%～70%，平均值多大于56%。粘粒含量只有10%～26%。在alQ13之前砂粒平均值多大于粘粒。其次黄土各粒组的变化情况是:砂粒组和粉粒组自上而下含量有逐渐减少的趋势，粘粒组自上而下含量有逐渐增加的趋势。古土壤中砂粒和粉粒含量明显减少，而粘粒含量明显增加。

黄土化学成分以SiO2，Al2O3为主，两者之和占75%以上，K2O和Na2O的含量相对较高，CaO的含量相对较低［3］。其主要矿物为伊利石、高岭石、绿泥石、石英、长石、辉石、云母和碳酸盐矿物等。

从微观结构上看［4，5］，以微晶碳酸盐、粘土胶结的集聚体以及长石、石英等碎屑构成了黄土类土结构的骨架颗粒，颗粒的排列具随机性，呈接触式弱胶结，集聚体和碎屑间存在孔隙。黄土类土的许多工程特性都与这种结构有关。

2 黄土的物理力学性质

2.1 天然湿度及密度

黄土由于其特殊的形成条件，天然状态下的湿度较低，密度不高，孔隙较大，具有低容重、低含水和高孔隙的特点。荥阳黄土的孔隙率为33%～64%，且常具有虫孔、植物根孔等大孔构成垂直方向的管道，黄土的这种大孔隙和柱状垂直节理构成黄土的主要特点。

2.2 天然含水量

黄土的天然含水量与湿陷性关系密切［6，7］。黄土在饱水情况下产生较大变形的特性称为黄土的湿陷性。三门峡地区，当含水量大于23%时，西安地区当含水量大于24%时，兰州地区当含水量大于25%时土就不具湿陷性［8］。荥阳黄土天然含水量，索河勘察区当含水量大于21.8%时，枯河勘察区当含水量大于22.0%时，土就不具湿陷性。试验结果表明，在垂直方向上黄土自新而老，湿陷性由强变弱。

表1 索河不同成因时代黄土粒度组成的变化范围

2.3 饱和度

饱和度Sr越小，土的湿陷系数δs越大。西安地区当 Sr＞70%时，只有3%左右的土具有轻微湿陷性 δs＜0.03，当 Sr＞75%，土已不具湿陷性［8］。荥阳黄土区当Sr＞63%时，土已不具湿陷性。

2.4 孔隙比

黄土孔隙比变化在0.85～1.24之间，大多数在1.0～1.1之间。孔隙比是影响黄土湿陷性的主要指标之一。西安地区当e＜0.9，兰州地区当 e＜0.86，一般湿陷性不明显［8］。而荥阳黄土孔隙比变化在0.675～0.823之间，大多数在 0.700～0.712之间。在工作区，黄土层自新而老由大变小，并且黄土层天然孔隙比大于古土壤层。索河勘察区当 e＜0.746，枯河勘察区当e＜0.712，一般湿陷性不明显。

2.5 可塑性

液塑限是决定黄土性质的一个重要指标，当液限在30%以上时，黄土的湿陷性较弱且多为非自重湿陷性黄土［9］。而荥阳黄土，当索河勘察区黄土的液限在28.5%，枯河勘察区黄土的液限在29.3%时，黄土的湿陷性较弱且多为非自重湿陷性黄土。其次荥阳黄土塑性指数自新而老由小变大。其三，荥阳黄土塑性指数和液限之间有很好的线性相关性［10］。

2.6 渗透性

影响土的渗透性质的因素很多，如土的孔隙比、颗粒形状、大小、成分、粘粒含量以及土的结构等［11-13］。对荥阳黄土来说，由于它具有大量的根管及垂直方向的孔洞，构造特殊，因此形成了它的特殊的渗透性质。黄土的渗透系数及其各向异性试验统计资料见表2。

表2 黄土渗透系数及其各向异性比较表

由试验资料看出，黄土垂直方向的渗透系数大于其水平方向的渗透系数，垂直方向的渗透系数多为其水平方向渗透系数的1倍～2倍。在少数情况下，也有垂直渗透系数小于水平渗透系数的情况。在一般情况下，时代新的黄土比时代老的黄土渗透系数大。

2.7 崩解性

黄土的崩解性根据崩解试验确定。试验中将原状黄土试样(体积5 cm×5 cm×5 cm)浸入水中，观察试样达到完全崩解所需的时间［8］。试验表明:荥阳新黄土崩解速度较快，浸水后立即有大量气泡冒出，并产生粒状崩落，一般经3 min～5 min即可达到完全崩解;老黄土完全崩解需4 min～7 min;古土壤因粘粒含量较高，崩解速度较慢，同样大小的试样达到完全崩解需要20 min～40 min。野外新黄土层、古土壤层较老黄土层薄，故新黄土较老黄土抗侵蚀能力弱，从而造成新黄土厚的地方地表土壤侵蚀严重。

2.8 压缩性

荥阳黄土天然状态下，黄土的压缩系数多在0.12 MPa－1～0.39 MPa－1之间，具中等压缩性，但也有少数呈低压缩性，压缩系数0.08 MPa－1。浸水后，压缩系数大幅度增加，一般可达0.32 MPa－1～0.89 MPa－1，这主要是颗粒间胶结物被溶解的结果［14］。

2.9 强度特征

黄土具有特殊的强度特征，其抗剪强度除与土的颗粒组成、矿物成分和可溶盐含量有关外，还取决于土体的含水量和密度［8，15］。一般情况下，自然快剪的强度大于浸水后的快剪值。经试验表明荥阳黄土有以下强度特征:

1)当含水量低于塑限，水分变化对强度的影响最大，但当含水量大于塑限时，含水量对抗剪强度的影响减小，而超过饱和含水量时，抗剪强度的变化不大。

2)在土的含水量相同的情况下，土的干重度越大，其抗剪强度越高。

3)浸水过程中黄土湿陷处于发展过程，此时土的抗剪强度降低最多，但当黄土的湿陷压密过程已基本结束，此时土的含水量虽很高，但抗剪强度却高于湿陷过程。因此湿陷性黄土处于地下水位变动带时，其抗剪强度最低，而处于地下水以下的黄土，抗剪强度反而高些。

［1］盛海洋.索河渡槽及退水闸工程地质勘察分析［J］.人民长江，2001，32(6)：34-36.

［2］朱海之.黄土结构某些特征的初步研究［M］.北京：科学出版社，1964：140-150.

［3］孙福庆.古土壤地球化学的某些问题［J］.土壤学报，1983(2)：101-110.

［4］高国瑞.黄土显微结构分类与湿陷性［J］.中国科学，1980(12)：1203-1208.

［5］雷祥义.西安黄土显微结构类型［J］.西北大学学报，1983(4)：56-63.

［6］曾国红.关于黄土湿陷起始压力、湿陷起始含水量的探讨［J］.太原工业大学学报，1997，28(S4)：17-20.

［7］郑建国.黄土的湿陷起始压力和起始含水量［J］.工程勘察，1989(2)：6-10.

［8］《简明工程地质手册》编写委员会.简明工程地质手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，1998：225-242.

［9］GB 50021-2001，岩土工程勘察规范［S］.

［10］SD 128-84，土工试验规程［S］.

［11］朱海之.黄土结构某些特征的初步研究［M］.北京：科学出版社，1964：140-150.

［12］王永炎.兰州黄土物质成分及结构特征［J］.西北大学学报，1978(2)：1-27.

［13］王永炎.中国黄土的结构特征及物理力学性质［M］.北京：科学出版社，1990：107-121.

［14］刘祖典.黄土的变形特性［J］.土木工程学报，1985，18(1)：73-75.

［15］GBJ 25-90，湿陷性黄土地区建筑规范［S］.