吕梁山区黄土物理性质力学参数区域分布特征

2022-04-29钱法桥邓亚虹慕焕东唐亚明宋焱勋李艳杰

中国地质灾害与防治学报 2022年2期

钱法桥，邓亚虹,2，慕焕东，唐亚明，宋焱勋，李艳杰，山聪

（1.长安大学地质工程与测绘学院,陕西西安 710054；2.矿山地质灾害成灾机理与防控重点实验室,陕西西安 710054；3.西安理工大学岩土工程研究所,陕西西安 710048；4.中国地质调查局西安地质调查中心,陕西西安 710054）

0 引言

黄土作为一种大孔隙、松软，且多具有湿陷性的特殊性质的土，在世界范围内广泛分布。我国黄土分布面积约640 000 km2，其中黄土高原总面积约为380 000 km2[1]，黄土广泛分布于甘肃、陕西、山西、内蒙古、宁夏、青海等地。其中，晋陕黄土高原地区黄土堆积物厚度大、地层完整，发育典型，是我国第二级阶梯的重要组成部分。近年来，晋陕黄土高原地区由于强烈的水土流失、与日俱增的人类工程活动以及极端的气候条件，诸如黄土崩塌、滑坡、泥流、黄土洞穴、地裂缝等一系列典型地质灾害频发，已成为我国黄土地区受灾最为严重的区域之一，制约着当地城镇化建设，危及公路、铁路、水利等重大工程建设运营。上述地质灾害的广泛发育受控于两个方面，以岩土特性为代表的自然环境条件及以人类活动为代表的诱发条件。其中，岩土特性是根本条件。因此系统研究区域性黄土物理力学参数变化规律对该地区黄土地质灾害评价具有重要的实际意义。

黄土物理力学性质比较特殊，学者们一般从黄土微结构及其沉积环境入手开展研究。高国瑞[2−3]探讨了兰州黄土的显微结构和湿陷机理，研究了显微结构分类与湿陷性的关系，指出黄土的显微结构特征有着明显的区域性变化规律。雷祥义[4]指出从黄土高原西北部到东南部，第四纪黄土的显微结构在区域上呈现出从微胶结结构向半胶结结构、胶结结构的规律性变化，反映出黄土形成时期，西北部比较干冷东南部比较湿温的气候状况。丁仲礼等[5]通过选取黄土剖面，得出黄土砂粒含量与空间分布的关系，并且考虑了源区范围变化、风力强度及风化作用对黄土颗粒含量的影响。李同录等[6]通过试验，研究了黄土的孔隙分布和土—水特征曲线与黄土沉积环境间的关系。随着研究的进一步深入，学者们尝试从物理力学指标的相互关系和区域性的角度入手进行研究，包括黄土的物理力学性质、水理性质等。李萍等[7]在分析讨论黄土湿陷性与各个性质指标关系的基础上，通过基本物理指标与回归模型，得到湿陷性系数与其他参数间的计算公式。Wen 等[8]通过比较原状黄土与重塑黄土的抗剪强度及其它参数，研究了结构性对兰州市非饱和黄土抗剪强度特性的影响。慕焕东等[9]通过实验研究表明，砂质黄土随砂砾含量增加，其孔隙比、压缩性、抗剪强度都会有所增大。袁中夏等[10]研究了不同含水量下黄土抗剪强度参数值，并分析四个边坡模型的稳定性系数随含水量的变化，得到黄土边坡稳定性随天然含水率的变化规律。刘钊钊等[11]以不同地貌区原状黄土作为研究对象，研究了黄土梁峁区、塬区和台塬区三类黄土的孔隙特征。鲁拓等[12]通过试验，揭示了马兰黄土孔隙分形特征与渗透性之间的关系，从孔隙性的角度评价其渗透性。杨泽等[13]通过野外取样及室内试验，将所获得的数据与规范进行对比，得到了陇东地区典型黄土各个参数的分布类型。张卜平等[14]梳理、总结了黄土潜蚀相关研究成果，阐述了黄土潜蚀现象成因机理及其致灾效应。张玲玲等[15]研究了吕梁地区原状马兰黄土在反复冻融作用下，黄土抗剪强度参数的变化规律及对边坡稳定性的影响。Tang等[16]以吕梁山区作为研究对象，对试样进行干密度、孔隙比、液性指数以及CT 扫描等试验，建立了CT 图像扫描与物理指标之间的数学关系。随着吕梁地区经济的不断发展、工程建设规模的逐步扩大以及国家战略计划的实施，吕梁地区黄土滑坡、崩塌等地质灾害愈发严重，越来越多的研究学者开始关注吕梁山区地质灾害发育特征、分布规律，并获得了宝贵的成果[17−20]。

上述学者对黄土特性及晋陕黄土高原开展了大量的研究工作，但对区域性黄土物理力学参数的对比分析以及区域性分布规律研究相对较薄弱。因此，文中以晋陕黄土高原吕梁山区为研究对象，通过开展室内常规物理试验、颗粒分析试验、湿陷性试验、直接剪切试验、压缩试验、渗透试验等一系列试验，得到黄土物理力学性质参数，在此基础上分析黄土土性参数的南北向及区域性分布特征，研究结果为从土性参数特征方面对地质灾害易发性评价提供基础数据支撑。

1 区域环境条件

吕梁山区位于山西省中西部地区，工作区涉及吕梁全市及临汾市、太原市、晋中市部分区县，共计4 市29 县。

在气候方面，四季分明，夏短冬长，属于典型的大陆性气候。研究区南部温度整体高于北部，年平均降水量514.9 mm，最高为985 mm（1978年交口县数据），降雨量主要集中在吕梁山区东部，时间主要集中在夏秋两季。

在地形地貌方面，吕梁山区地势中部最高，东侧较西侧低，北高南低。区内山脉高低起伏、沟壑纵横，水系发育。地形以吕梁山脉为中心可划分为东部平原区、中西部高原区、西部黄土丘陵区三类。其中，东部平原区由一系列断陷盆地及河流冲洪积物沉积所形成的平原组成，中西部高原区主要为吕梁山区的基岩山地，西部黄土丘陵区覆盖层厚度大，是吕梁山脉向黄河谷地的延伸部分。

在地层岩性方面，区内出露地层较为完整且具有一定规律性，表现为自吕梁山脉中心向两翼方向由老变新，多为第四系堆积物覆盖。岩性分布有片岩、片麻岩、斜长闪角岩、泥岩、页岩、石英岩等。东部平原区覆盖层主要为黄土、冲洪积土、砂卵砾石等第四系堆积物，中西部高原区及西部黄土丘陵区多为黄土覆盖。在地质构造方面，区内吕梁山脉东侧发育有汾渭地堑、古交隆起和宁武向斜三个一级构造单元，西侧发育有晋西挠褶带，包含吕梁山隆起在内共五个一级构造单元。区内构造多为南北向分布，并因受鄂尔多斯盆地和汾渭地堑的影响，呈现出山脉东侧构造复杂多样，西侧地质构造分布较少的特点。

区内黄土滑坡、崩塌、地面塌陷和地裂缝、泥流等地质灾害广泛发育。从地质灾害发育数量看，区内4 市均高于全省地质灾害点密度平均值，并以吕梁、临汾两市为全省前二，分别为0.118 5 处/km2与0.102 7 处/km2。在地质灾害类型方面，区内崩塌（含潜在不稳定斜坡）为主要地质灾害类型，所占比例为45%～66%，其中以临汾市最高，达66%，地面塌陷仅次于崩塌，所占比例为25%～37%。

2 黄土土性参数室内试验数据

通过对研究区内133 个取样点（图1）、340 组黄土试样进行黄土土性参数室内试验，获得一系列黄土土性参数室内试验数据，试验类型及完成情况如表1所示。

图1 研究区取样点分布图Fig.1 Distribution map of sampling points in the study area

表1 黄土土性参数室内试验类型一览表Table 1 List of laboratory test types of loess parameters

2.1 常规物理性质指标试验数据

对所取试样进行常规物理性质试验，得到相关试验数据，在此基础上，计算得到试样孔隙比、饱和度、塑性指数及液性指数。由于吕梁山脉的阻挡，黄土颗粒在搬运、沉积的过程中受其影响严重，并且，山脉两侧气候、地形地貌、风化剥蚀等因素的不同，也会对黄土性质带来影响。

因此，文中按吕梁山脉东西两侧对研究区常规物理试验数据进行分类，求取各市县参数平均值（表2、表3），分别研究其参数特征及变化规律。由于黄土地质灾害如滑坡、崩塌、侵蚀等，受浅层岩土体性质影响较大，且L1地层试验数据较其他地层数据完整，更易于分析其土性参数的规律性，在全部取样点中，含有L1层黄土的点位共计113 个，占取样点总数84.96%。故本文选取L1黄土地层为研究对象，开展物理力学特性试验并分析其参数特征。

表2 吕梁山脉东侧L1 黄土地层常规物理性质指标数据Table 2 Data of physical properties of L1 loess strata in eastern Lüliang mountains

表3 吕梁山脉西侧L1 黄土地层常规物理性质指标数据Table 3 Data of physical properties of L1 loess strata in western Lüliang mountains

2.2 其他土性参数试验数据

其他试验分为压缩试验、直剪试验、环剪试验、常规三轴试验、动三轴试验、湿陷试验、渗透试验等，据前文所述，按吕梁山脉东西两侧的原则对试验数据进行分类，求得各市县平均值（表4、表5）。因环剪试验、常规三轴试验以及动三轴试验数据并未覆盖研究区内所有市县，故表4、表5 中并未列举其数值。

表4 吕梁山脉东侧L1 黄土地层其他土性参数试验数据Table 4 Data of other parameters of L1 loess strata in eastern Lüliang mountains

表5 吕梁山脉西侧L1 黄土地层其他土性参数试验数据Table 5 Data of other parameters of L1 loess strata in western Lüliang mountains

3 黄土土性参数南北向分布特征

在大量黄土土性参数数据的基础上，通过统计分析，得到研究区黄土土性参数的南北向分布特征。黄土土性参数选取考虑黄土物质组成、干湿和坚硬程度、压缩性、结构特性、渗透特性及强度特性，因此，选取黏粒含量、天然含水率、孔隙比、渗透系数、黏聚力及内摩擦角作为黄土土性分布特征研究的基本物理力学指标，按照纬度由南到北的原则，对吕梁山脉东西两侧L1黄土地层土性参数进行分析。

3.1 黏粒含量南北向分布特征研究

基于颗粒分析试验数据，绘制黏粒含量南北向分布图（图2）。结果显示，L1黄土地层粒径大小集中在0～0.25 mm，以粉粒为主，东侧黏粒含量平均值为14.11%，西侧平均值为12.53%，较东侧略低。吕梁山脉西侧黏粒含量从南向北整体呈下降趋势，规律性较好；吕梁山脉东侧黏粒含量呈现先增加后减小的趋势，该区域内黄土在沉积过程中由于山脉的阻隔、风化剥蚀、气候等因素，导致其规律性较西侧弱。

图2 吕梁山脉东西两侧L1 黄土地层黏粒含量分布Fig.2 Distribution of clay content in L1 loess strata on the east and west sides of Lüliang mountains

3.2 天然含水率南北向分布特征研究

对试样进行含水率平行测定，取平均值，得到各取样点L1黄土地层中天然含水率平均值，以百分数进行表示，并根据其纬度自南向北进行排列（图3）。实验结果表明，L1黄土地层中含水率范围在2.75%～16.1%，平均值为9.05%。吕梁山脉西侧天然含水率自南向北整体呈逐渐减小趋势，南端数据具有一定离散性。吕梁山脉东侧天然含水率自南向北呈现出先增加后减小，在北段又逐渐趋于离散的现象，整体规律较西侧差，其原因可能是与东侧自然降水较多、河流发育较为丰富等因素有关。

图3 吕梁山脉东西两侧L1 黄土地层天然含水率分布Fig.3 Distribution of natural water content in L1 loess strata on the east and west sides of Lüliang mountains

3.3 孔隙比南北向分布特征研究

根据试验所得数据，计算取样点处土体孔隙比，依据上述原则，得到研究区内孔隙比南北向分布图（图4）。图中显示，在吕梁山脉东侧，L1黄土地层中孔隙比整体呈先增加后降低的趋势，并具有较为明显的峰值。山脉西侧L1层黄土孔隙比自南向北波动起伏，数值集中于0.8～1.2，整体趋势线较为平稳。

图4 吕梁山脉东西两侧L1 黄土地层孔隙比分布Fig.4 Distribution of void ratio in L1 loess strata on the east and west sides of Lüliang mountains

3.4 抗剪强度参数南北向分布特征研究

文中抗剪强度参数选取原状土样固结快剪试验成果，试验采用应变控制式四联直剪仪，根据试验结果求得试样抗剪强度参数，得到研究区抗剪强度参数南北向分布图（图5、图6）。由图可以看出，在南北方向上，土体的抗剪强度参数离散性较大，但整体上具有一定规律性。吕梁山脉东侧黏聚力由南向北整体呈增加趋势，最大值为61.52 kPa，东侧内摩擦角整体由南向北呈递减趋势。吕梁山脉西侧黏聚力由南向北逐渐减小，内摩擦角虽波动起伏，但趋势线较为平稳，西侧内摩擦角平均值30.3°；土体抗剪强度参数的离散性反映了吕梁山区的沉积环境复杂，西侧土体处于黄土高原，东侧分布有太原盆地、临汾盆地，土体性质受搬运距离长短、土颗粒物质组成、后期环境改造等因素的影响。但数据结果显示，无论是东侧还是西侧土体，均表现为黏聚力波动起伏较大，内摩擦角趋势较为平稳。

图5 吕梁山脉东西两侧L1 黄土地层黏聚力分布Fig.5 Distribution of cohesion in L1 loess strata on the east and west sides of Lüliang mountains

图6 吕梁山脉东西两侧L1 黄土地层内摩擦角分布Fig.6 Distribution of fraction angle in L1 loess strata on the east and west sides of Lüliang mountains

4 黄土土性参数区域分布特征

根据野外调查发现，黄土地质灾害的诱发因素可分为自然因素和人为因素两类。例如黄土滑坡，自然因素有河流下切侵蚀、冻融作用、降雨等，人类工程活动有削坡堆载、灌溉、水库蓄水等，其中，降雨和人类工程活动是最为积极的两个诱发因素。这些诱发因素都会直接或间接地引起黄土土性参数的变化，如含水量的增加、内摩擦角与黏聚力的变化等。为了更直观地反映研究区土性参数的变化特征，文中通过ArcGIS 克里金插值法，对各个取样点所得到的参数数据进行分析计算，得到研究区不同土性参数的区域分布规律。

4.1 黏粒含量区域分布特征研究

基于黏粒含量试验数据，分析计算得到研究区L1黄土地层中黏粒含量分布图（图7）。由图7 可知，黏粒含量在区域上分布不均匀，规律性较为明显。整体来看，地层中黏粒含量随纬度增加呈现出逐渐减少的趋势，与前文黏粒含量南北向分布特征相符。黏粒含量最高值为18.7%，位于研究区南端河津市，最低值为4.58%，位于研究区北端保德县。

图7 吕梁山区L1 黄土地层黏粒含量区域分布Fig.7 Regional distribution of clay content of L1 loess strata in Lüliang mountains

4.2 天然含水率区域分布特征研究

根据天然含水率试验数据，可得研究区L1地层天然含水率分布图（图8）。由图8 可知，吕梁山脉东西两侧区域分布规律有所不同，山脉东侧由南至北天然含水率逐渐升高，山脉西侧天然含水率由南至北逐渐降低。在研究区南部，东侧含水率整体较西侧低；在研究区中部，东侧含水率整体较西侧略高。

图8 吕梁山区L1 黄土地层天然含水率区域分布Fig.8 Regional distribution of natural water content of loess in L1 layer in Lüliang region

4.3 抗剪强度参数区域分布特征研究

文中通过原状土样的直剪试验，获得研究区各个取样点位的固结快剪强度参数，得到研究区抗剪强度参数区域分布图(图9、图10)。

图10 吕梁山区L1 黄土地层内摩擦角区域分布Fig.10 Regional distribution of friction angle of L1 loess strata in Lüliang mountains

从图9、10 中可以看出，吕梁地区抗剪强度参数离散度较大，其大小与研究区地形地貌、沉积环境、土层物质组成等因素有关。从区域黏聚力图中分析，主要表现为山脉西侧黏聚力从南至北逐渐降低，于南端取得最大值，山脉东侧整体较为离散。将研究区东西两侧黏聚力进行对比分析可以得知，吕梁山脉东侧L1黄土地层中黏聚力整体高于西侧。由内摩擦角分布图分析可知，研究区内摩擦角强度参数在区域上呈现不规则的态势，波动起伏，无明显规律性，与前文描述相符。

图9 吕梁山区L1 黄土地层黏聚力区域分布Fig.9 Regional distribution of cohesion of loess in L1 layer in Lüliang mountains

4.4 湿陷系数（δs）区域分布特征研究

根据湿陷试验数据结果进行计算分析，得到吕梁地区L1黄土地层湿陷系数区域分布图（图11），根据图11可以看出，研究区由北至南，湿陷性系数逐渐升高，对照黄土湿陷性分类表（表6）以及湿陷系数区域分布图得知，吕梁山区L1黄土地层大多属于湿陷性黄土，湿陷程度从无湿陷性至强烈湿陷不等，具有较好规律性。根据试验结果显示，研究区中北部L1层黄土多为无湿陷性至中等湿陷性。强烈湿陷黄土发育较少，多集中于研究区南部，如东侧临汾市、孝义市、汾阳市，西侧河津市、乡宁县、吉县、大宁县等部分点位。

图11 吕梁山区L1 黄土地层湿陷系数区域分布Fig.11 Regional distribution of collapsibility coefficient of L1 loess strata in Lüliang mountains

表6 黄土湿陷性分类Table 6 Loess collapsibility classification

4.5 黄土土性参数差异分布原因分析

从研究区取样点分布图（图1）可知，吕梁山脉几乎纵向穿越整个研究区，将研究区划分为东西两侧。在地质历史时期过程中，黄土颗粒受到风力搬运的作用，并在沉积过程中受到吕梁山脉的阻挡，使得山脉两侧黄土在物质组成、结构性等方面有所区别。并且，由于搬运距离不同，表现出研究区由南至北土性参数的差异性，如黏粒含量随纬度的变化。其次，山脉东西两侧地形地貌的不同、降水量或河流水系的差异及风化作用等因素也会对黄土土性参数产生影响，从而使得研究区内黄土土性参数呈现出差异分布的特点。