赤峰地区湿限性黄土探究

2013-05-14张雄锋冀珊珊

实验流体力学 2013年3期

张雄锋冀珊珊

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

赤峰地区黄土主要分布在北部低山丘陵区，厚度变化较大，垂直分布广泛，物理特征变化明显，湿限性差异较大。依据某铁路勘探和室内试验资料，分析了赤峰地区黄土的物理特征和湿限性参数，总结了湿限系数随黄土埋藏深度、孔隙比、上覆土压力以及含数量之间的关系和变化规律。

1 赤峰黄土的工程地质特性

通过对424个土样的试验结果统计分析可知，该地区黄土厚度最大可达70 m，上部为第四系晚更新统至全新统风积或风积-冲积黄土，该层黄土颗粒均匀、物质成分较单一，孔隙比较大，湿限系数较大；下部黄土主要为第四系早-中更新统冲洪积黄土，颗粒成分不均，多含角砾，一般不具湿限性。

2 赤峰黄土的组成结构

经对其中67个勘探点，270组试样进行室内试验分析，本地区黄土塑性指数小于10，即主要为砂质黄土。通过对其他地区的黄土研究，土体中的黏粒存在于粗颗粒中，起一定的胶结和支撑作用，黏粒含量越多，湿限性相对较小。赤峰地区土体中粉粒约占%41～62%，黏粒和砂粒约占13%～18%和35%～40%，粉粒含量较多，砂粒、黏粒含量较少，因而湿限性相对较大。

3 黄土的湿限性

3.1 湿限性机理

赤峰黄土大部分是在干旱或半干旱气候条件下形成的，因气候干燥，土体中的水分不断蒸发，水中所含的碳酸钙、硫酸钙等盐类在土体颗粒表面析出，并沉淀下来形成胶结物。由于土体颗粒间的分子引力、薄膜水和毛细水形成水膜联结，增强了土颗粒之间抵抗移动的能力，阻碍土骨架在其上覆土自重压力的作用下可能发生的压密，从而形成肉眼可见的大孔结构，土体处于欠固结状态。当黄土受水浸湿时，结合水膜便会增厚，并楔入土颗粒之间，进而破坏联结薄膜，并逐渐溶解盐类，使得土体强度显著降低。在自重应力和附加应力的作用下，土体的结构逐渐破坏，土颗粒向大孔隙中滑动，骨架被挤紧，从而发生塌陷。

3.2 初始孔隙比与土层深度的变化规律

采用钻探和挖探的方法共采取了270组黄土试样，样品为Ⅰ～Ⅱ级，基本未扰动。根据不同深度试样的试验数据分析，统计得出初始孔隙比与土层深度的变化规律(见图1)，实验室数据见表1。

表1 土层深度与天然孔隙比

图1 孔隙比e0与土层深度H的关系

从表1和图1可以看出，赤峰地区黄土的天然孔隙比为0.56～0.95。随着深度的增加，天然孔隙比逐渐减小，尤其在5 m深度以下，这种规律更明显。5 m以上的表层土因受外部扰动，物理力学性质发生了一些变化，导致孔隙比随深度变化不一致。

3.3 湿限系数与土层深度的关系

根据室内试验数据，统计得出赤峰地区黄土湿限系数与土层埋置深度的变化关系(见图2)，实验室数据见表2。

表2 土层深度与湿限系数

图2 土层深度H与湿限系数的关系

由表2和图2可知，湿限系数随着深度的增大而逐渐减小，14 m以下的土层湿限系数小于0.015，即没有湿限性。湿限系数可简单地按照以下线性关系式计算，即

δs=0.068-H/274.6

式中δs——湿限系数；

H——土层埋置深度/m。

3.4 湿限系数与压力的关系

选取天然含水量下初始孔隙比e0分别为0.66、0.84和0.94的3组试样，采用双线法压缩试验，测得该四组试样在不同压力下对应的湿限系数(见表3)，据此绘制压力P与湿限系数δs的关系曲线(见图3)。

表3 不同孔隙比的土层压力与湿限系数

图3 不同孔隙比的土层湿限系数与压力P的关系

由图3可见，对于同一组试样，湿限系数随着压力的增大而增大，当压力达到某一数值时，湿限系数达到最大值，此后，湿限系数随着压力的增大而急剧减小。按照《铁路工程特殊岩土勘察规程》(TB10038—2012)中有关黄土的规定，据图3选取湿限系数为0.015时对应的压力作为湿限起始压力，可知，赤峰地区黄土的湿限起始压力为12～24 kPa之间。