段永樂(lè)，高 陽(yáng)，張莉輝

(1.中國(guó)兵器工業(yè)北方勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，河北省石家莊市建設(shè)南大街45號(hào) 050011;2.河北省地下空間工程巖土技術(shù)創(chuàng)新中心,河北省石家莊市建設(shè)南大街45號(hào) 050011)

石家莊市區(qū)地處華北平原西部，屬西北黃土高原與華北沖洪積平原的過(guò)渡地帶，受西部高原山區(qū)物質(zhì)成分遷移作用影響，該地區(qū)第四系全新統(tǒng)地層具有次生黃土特征，為非自重濕陷性黃土[1]。根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，濕陷性黃土層厚度一般不大于8.0 m，這個(gè)深度是大部分工業(yè)及民用建筑的主要受力層。特別是作為多層建筑的受力層時(shí)，地基埋深淺，上覆荷載較小，地基持力層遇水后很有可能會(huì)發(fā)生濕陷性不均勻沉降，造成建筑物損壞危及人身財(cái)產(chǎn)安全，應(yīng)該引起巖土工程技術(shù)人員的足夠重視。

黃土具有結(jié)構(gòu)性、欠壓密性和濕陷性，這種強(qiáng)度特性主要是由黃土的沉積過(guò)程決定的。黃土的結(jié)構(gòu)性表現(xiàn)為土體具有保持原始基本單元結(jié)構(gòu)不被破壞的能力，是導(dǎo)致黃土欠壓密性的根本原因。黃土在沉積過(guò)程中，上覆荷載不斷增大，黃土的結(jié)構(gòu)性使土體的固化抗壓能力增長(zhǎng)緩慢，無(wú)法完成固結(jié)過(guò)程而處于欠固結(jié)狀態(tài)[2]。黃土的結(jié)構(gòu)狀態(tài)一旦遭到破壞，其力學(xué)特性就會(huì)發(fā)生顯著變化，處于欠壓密狀態(tài)的黃土在浸水及一定豎向壓力作用的情況下會(huì)產(chǎn)生顯著沉降變形，這種現(xiàn)象被稱為黃土的濕陷性。

為了研究本地區(qū)黃土狀土的濕陷特性，文中選用該地區(qū)59個(gè)項(xiàng)目的試樣為研究對(duì)象，共計(jì)765個(gè)探井樣本。探井試樣均采用人工洛陽(yáng)鏟挖掘，井深為8.0～9.0 m或至第一層砂土，施工人員下井自地表下1.0或1.5 m在井壁刻取土樣，自上而下取土間距為1.0 m。探井樣送出地面后馬上用塑料膜包裹，并于當(dāng)天送入試驗(yàn)室，避免對(duì)土樣產(chǎn)生擾動(dòng)。探井樣雖然在取樣時(shí)原位應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了改變，但土的結(jié)構(gòu)、密度和含水量變化很小，能滿足室內(nèi)試驗(yàn)各項(xiàng)要求，是獲取土體物理力學(xué)參數(shù)的理想土樣。

1 地層巖性

石家莊市區(qū)濕陷性黃土包括黃土狀粉質(zhì)黏土和黃土狀粉土兩種地層，其中：黃土狀粉質(zhì)黏土為黃褐色～褐色、紅褐色，稍濕～濕，可塑～硬塑為主，土質(zhì)較均勻，局部夾粉土薄層，可見(jiàn)條帶狀鐵錳氧化物、姜石、少量錳結(jié)核、白色菌絲及大孔隙、蟲孔等，層位穩(wěn)定，分布較連續(xù)；黃土狀粉土為褐黃色～黃褐色，稍濕～濕，稍濕為主，稍密～密實(shí)，土質(zhì)較均勻，局部夾粉質(zhì)黏土團(tuán)塊，可見(jiàn)條帶狀鐵氧化物、姜石、白色菌絲及大孔隙、蟲孔等，層位穩(wěn)定，分布較連續(xù)。

2 濕陷性評(píng)價(jià)

文中的試驗(yàn)樣本深度均小于10.0 m，濕陷系數(shù)δs的試驗(yàn)壓力取200 kPa，利用單線法壓縮試驗(yàn)或雙線法壓縮試驗(yàn)繪制試樣高度與壓力關(guān)系曲線及濕陷系數(shù)與壓力關(guān)系曲線，計(jì)算黃土的濕陷系數(shù)和濕陷起始?jí)毫3]。黃土濕陷壓縮試驗(yàn)同時(shí)可以測(cè)定原狀土體的壓縮模量，文中給出的壓縮模量均為100～200 kPa壓力段的壓縮模量。

2.1 濕陷系數(shù)與物理力學(xué)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)關(guān)系

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021-2001)[4]，塑性指數(shù)介于10～17之間的黏性土為粉質(zhì)黏土，粉粒含量不超過(guò)50%且塑性指數(shù)≤10的土為粉土。粉質(zhì)黏土中黏粒含量一般較高，介于30%～50%，而粉土的黏粒含量一般<20%，粉粒含量相對(duì)較高。粉質(zhì)黏土與粉土微觀顆粒構(gòu)成的不同，造成了相同深度和沉積環(huán)境下的粉質(zhì)黏土與粉土的物理力學(xué)性質(zhì)存在顯著的差別，因此有必要對(duì)二者的濕陷性分別進(jìn)行分析。

選取試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠度及關(guān)聯(lián)性較高的指標(biāo)與濕陷系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其中含水率、密度、飽和度、孔隙比的試驗(yàn)方法簡(jiǎn)單，影響試驗(yàn)結(jié)果的客觀因素較少，是進(jìn)行回歸分析的理想指標(biāo)；壓縮模量及壓縮系數(shù)通過(guò)濕陷壓縮試驗(yàn)獲取，具有較高的關(guān)聯(lián)度，可從黃土的壓縮特性角度對(duì)其濕陷性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

由圖1和圖2可知，具有濕陷性的黃土狀土的濕陷系數(shù)與濕陷起始?jí)毫Τ手笖?shù)分布，并且兩項(xiàng)指標(biāo)之間具有較高的相關(guān)性。

圖1 粉質(zhì)黏土濕陷系數(shù)與濕陷起始?jí)毫Φ年P(guān)系Fig.1 Relationship between collapsibility coefficient and initial collapsibility pressure of silty clay

圖2 粉土濕陷系數(shù)與濕陷起始?jí)毫Φ年P(guān)系Fig.2 Relationship between collapsibility coefficient and initial collapsibility pressure of silt

以全部黃土狀土為研究對(duì)象，分別對(duì)其飽和度、孔隙比、天然干密度及天然含水率與濕陷系數(shù)繪制關(guān)系曲線(見(jiàn)圖3～圖10)。粉質(zhì)黏土的濕陷系數(shù)與飽和度呈一元二次函數(shù)分布，飽和度大于85%時(shí)黃土狀粉質(zhì)黏土無(wú)濕陷性，隨著飽和度的降低，濕陷系數(shù)呈增大趨勢(shì)。飽和度的最小值趨近于30%，由擬合方程計(jì)算濕陷系數(shù)結(jié)果為0.0845，超越概率約為1.98%。次生黃土不均勻濕陷性較高，黃土狀粉土濕陷系數(shù)與飽和度關(guān)聯(lián)性弱，二者的關(guān)系圖以100%飽和度為起始點(diǎn)，濕陷系數(shù)等于0為分布下邊界，沿飽和度降低方向呈45°扇形分布，黃土狀粉土的飽和度最低值約為18%。

圖3 粉質(zhì)黏土濕陷系數(shù)與飽和度的關(guān)系Fig.3 Relationship between collapsibility coefficient and saturation of silty clay

圖4 粉土濕陷系數(shù)與飽和度的關(guān)系Fig.4 Relationship between collapsibility coefficient and saturation of silt

黃土狀土的濕陷系數(shù)與其天然孔隙比呈正相關(guān)性，與天然干密度呈負(fù)相關(guān)性，與天然含水率呈負(fù)相關(guān)性。挖探取濕陷性土樣的深度可以根據(jù)堆積環(huán)境、顏色、結(jié)構(gòu)、包含物及區(qū)域工程經(jīng)驗(yàn)綜合確定。

圖5 粉質(zhì)黏土濕陷系數(shù)與天然孔隙比的關(guān)系Fig.5 Relationship between collapsibility coefficient and natural void ratio of silty clay

圖6 粉土濕陷系數(shù)與天然孔隙比的關(guān)系Fig.6 Relationship between collapsibility coefficient and natural void ratio of silt

圖7 粉質(zhì)黏土濕陷系數(shù)與天然干密度的關(guān)系Fig.7 Relationship between collapsibility coefficient of silty clay and natural dry density

圖8 粉土濕陷系數(shù)與天然干密度的關(guān)系Fig.8 Relationship between collapsibility coefficient of silt and natural dry density

圖9 粉質(zhì)黏土濕陷系數(shù)與天然含水率的關(guān)系Fig.9 Relationship between collapsibility coefficient of silty clay and natural water content

圖10 粉土濕陷系數(shù)與天然含水率的關(guān)系Fig.10 Relationship between collapsibility coefficient of silt and natural water content

2.2 濕陷性土與非濕陷性土指標(biāo)的差異性分析

試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，土體的物理參數(shù)離散性相對(duì)較小，力學(xué)參數(shù)離散性較大。將試驗(yàn)數(shù)據(jù)按濕陷性土與非濕陷性土、粉質(zhì)黏土與粉土分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)表1、表2)，結(jié)果表明，土體干密度變異系數(shù)最小，干密度和孔隙比能夠很好地反應(yīng)土骨架和孔隙的相互關(guān)系，從側(cè)面表征濕陷性土的孔隙發(fā)育程度。各項(xiàng)指標(biāo)的差異主要表現(xiàn)為以下幾方面。

(1)濕陷性粉土的干密度平均值較非濕陷性粉土小6.34%(0.09 g/cm3，括號(hào)內(nèi)均為濕陷性土與非濕陷性土相應(yīng)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)平均值的差值，下同)，孔隙比大12.42%(0.112)，根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》可以粉土的孔隙比(文中取平均值)判斷其密實(shí)狀態(tài)：濕陷性粉土處于松散接近中密狀態(tài)，非濕陷性粉土處于中密偏密實(shí)狀態(tài)。

(2)濕陷性粉質(zhì)黏土的干密度平均值較非濕陷性粉土小4.83%(0.07 g/cm3)，孔隙比大8.77%(0.076)。黃土的天然密度離散程度同干密度，受天然含水率的影響，濕陷性粉土的天然密度平均值較非濕陷性粉土小8.59%(0.14 g/cm3)，濕陷性粉質(zhì)黏土的天然密度平均值較非濕陷性粉質(zhì)黏土小8.09%(0.14 g/cm3)。

(3)粉土的粒徑構(gòu)成相對(duì)偏大、保水能力較弱，雙重因素導(dǎo)致粉土天然密度平均值較粉質(zhì)黏土低0.1 g/cm3。水是黃土產(chǎn)生濕陷的重要因素之一，黃土的天然含水率及飽和程度對(duì)濕陷系數(shù)具有顯著的影響。含水率與飽和度的離散性相對(duì)較大，相同類型的土體變異系數(shù)相近，黃土狀粉土的離散性較黃土狀粉質(zhì)黏土大，產(chǎn)生這種現(xiàn)象主要是因?yàn)榉弁恋谋Ｋ芰ο鄬?duì)粉質(zhì)黏土較弱，粉土的含水率和飽和度受周圍環(huán)境降水和蒸發(fā)影響比較大。濕陷性粉土的含水率平均值較非濕陷性粉土低17.81%(2.6%)，飽和度低36.36%(16%)；濕陷性粉質(zhì)黏土的含水率平均值較非濕陷性粉質(zhì)黏土低22.75%(4.3%)，飽和度低35.25%(21%)。

(4)壓縮模量能夠同步反應(yīng)黃土狀土在濕陷壓縮階段試樣的抵抗變形能力，上覆荷載是黃土產(chǎn)生濕陷的另外一個(gè)重要因素，因此有必要從力學(xué)角度對(duì)黃土狀土的濕陷性進(jìn)行分析。濕陷性粉土的壓縮模量平均值較非濕陷性粉土低49.38%(4.0 MPa)，壓縮系數(shù)高48.39%(0.15)；濕陷性粉質(zhì)黏土的壓縮模量平均值較非濕陷性粉質(zhì)黏土低44.62%(2.9 MPa)，壓縮系數(shù)高38.46%(0.15)。受土體結(jié)構(gòu)性的影響，濕陷程度相同的黃土中，粉土的壓縮模量較粉質(zhì)黏土大，粉土壓縮模量的離散性較粉質(zhì)黏土小。

表1 粉土物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

表2 粉質(zhì)黏土物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

2.3 濕陷等級(jí)與物理指標(biāo)平均值的關(guān)系

黃土的濕陷性按濕陷系數(shù)[3]進(jìn)行判定，當(dāng)濕陷系數(shù)δs<0.015時(shí)，為非濕陷性黃土；當(dāng)濕陷系數(shù)0.015≤δs≤0.03時(shí)，為輕微濕陷性黃土；當(dāng)濕陷系數(shù)0.03<δs≤0.07時(shí)，為中等濕陷性黃土；當(dāng)濕陷系數(shù)δs>0.07時(shí)，為強(qiáng)烈濕陷性黃土。

將765個(gè)試驗(yàn)樣本按照濕陷等級(jí)進(jìn)行排序，分為非濕陷性黃土、輕微濕陷性黃土、中等濕陷性黃土和強(qiáng)烈濕陷性黃土4類，并對(duì)各組中相應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，取試樣成果中的含水率、孔隙比、天然密度、干密度及壓縮模量平均值作為研究對(duì)象，分析物理力學(xué)指標(biāo)與黃土濕陷程度的關(guān)聯(lián)性。

黃土的濕陷程度與含水率平均值呈負(fù)相關(guān)性(見(jiàn)圖11)，試驗(yàn)的天然含水率對(duì)試樣的壓縮變形和濕陷變形具有主要影響作用。粉質(zhì)黏土較粉土的黏粒含量高，保水能力較好，濕陷程度相同條件下對(duì)應(yīng)的粉質(zhì)黏土的含水率比粉土高3.7%～5.0%。粉質(zhì)黏土的含水率平均值與濕陷程度呈線性關(guān)系；輕微濕陷性粉土與中等濕陷性粉土的含水率平均值相近，說(shuō)明輕微～中等濕陷程度黃土的濕陷性對(duì)黃土天然含水率較敏感，天然含水率在一定范圍內(nèi)稍有變化，黃土的濕陷程度會(huì)發(fā)生顯著的變化；中等～強(qiáng)烈濕陷程度的黃土對(duì)天然含水率的相對(duì)遲緩，濕陷程度強(qiáng)烈的黃土一般對(duì)應(yīng)天然含水率較低。

黃土的濕陷程度與孔隙比平均值呈正相關(guān)(見(jiàn)圖12)。粉土的粉粒含量占主導(dǎo)，黏粒次之，相對(duì)粉質(zhì)黏土的平均粒徑要大。濕陷性黃土在相同孔隙比的情況下，粉土的壓縮變形和濕陷變形小于粉質(zhì)黏土；濕陷程度相同時(shí)，粉土的孔隙比平均值較粉質(zhì)黏土大，隨著濕陷程度的提高，二者的孔隙比平均值之差不斷增大?？紫侗绕骄蹬c濕陷程度的關(guān)系曲線相交于一點(diǎn)，此時(shí)粉土與粉質(zhì)黏土均為非濕陷性黃土，孔隙比平均值約為0.790。當(dāng)土體的孔隙比<0.790時(shí)，濕陷系數(shù)相同情況下，粉土的孔隙比平均值較粉質(zhì)黏土小。

圖11 不同濕陷程度對(duì)應(yīng)的含水率平均值Fig.11 Average water content corresponding to different collapsibility degrees

圖12 不同濕陷程度對(duì)應(yīng)的孔隙比平均值Fig.12 Average pore ratio corresponding to different collapse degrees

黃土的濕陷程度與天然密度平均值呈負(fù)相關(guān)(見(jiàn)圖13、圖14)，粉土與粉質(zhì)黏土相應(yīng)指標(biāo)變化率相似，粉質(zhì)黏土天然密度平均值始終大于粉土，差值約為0.09～0.10 g/cm3。由于粉質(zhì)黏土比表面積較粉土大，保水能力相對(duì)較好，含水率相對(duì)較大，非濕陷性黃土狀粉質(zhì)黏土的天然干密度與粉土接近。隨著濕陷程度的增大，粉質(zhì)黏土天然干密度與粉土的差值逐漸增大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是粉土孔隙比隨濕陷程度的增大幅度較粉質(zhì)黏土大所引起的。

濕陷程度相同的情況下，粉土的壓縮模量平均值大于粉質(zhì)黏土(見(jiàn)圖15)。濕陷程度越高，二者的壓縮模量平均值的差值相對(duì)越小，說(shuō)明高濕陷性情況下黃土遇水所產(chǎn)生的濕陷沉降主要是由其本身的結(jié)構(gòu)性所造成的。濕陷程度為中等～強(qiáng)烈時(shí)，壓縮模量的降低幅度變緩。假設(shè)相鄰濕陷程度差值為1，壓縮模量平均值具有良好的對(duì)數(shù)分布特征。

圖13 不同濕陷程度對(duì)應(yīng)的濕密度平均值Fig.13 Average wet density corresponding to different collapsibility degrees

圖14 不同濕陷程度對(duì)應(yīng)的干密度平均值Fig.14 Average dry density corresponding to different collapsibility degrees

圖15 不同濕陷程度對(duì)應(yīng)的壓縮模量平均值

3 用統(tǒng)計(jì)指標(biāo)評(píng)價(jià)濕陷性的可靠度分析

飽和度、孔隙比、干密度、含水率4項(xiàng)指標(biāo)具有三相換算關(guān)系，且試驗(yàn)方法簡(jiǎn)單，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠度高，是評(píng)價(jià)黃土狀土是否具有濕陷性的理想指標(biāo)。按粉土及粉質(zhì)黏土分別統(tǒng)計(jì)黃土狀土對(duì)應(yīng)的濕陷性樣本數(shù)量達(dá)到全部樣本95%的限值，見(jiàn)表3。其中含水率和飽和度對(duì)濕陷系數(shù)的影響占主導(dǎo)作用，孔隙比和干密度次之。按照上述4項(xiàng)指標(biāo)同時(shí)評(píng)價(jià)黃土狀土的濕陷性，指標(biāo)①中粉土具有96.7%的可靠度確定具有濕陷性；粉質(zhì)黏土具有97.5%的可靠度確定具有濕陷性。指標(biāo)①評(píng)價(jià)的可靠度高，但是確定的濕陷性樣本數(shù)量只有全部樣本的10%～20%。

利用全部樣本的標(biāo)準(zhǔn)值(置信區(qū)間α=0.05)評(píng)價(jià)黃土狀土的濕陷性，各項(xiàng)指標(biāo)同時(shí)滿足要求時(shí)，粉土具有71.7%的可靠度確定具有濕陷性；粉質(zhì)黏土具有90.7%的可靠度確定具有濕陷性。用該方法確定濕陷性的可靠度相對(duì)較低，但是能夠捕捉到的濕陷性樣本數(shù)量能夠達(dá)到50%～60%，可以初步判別黃土狀土的濕陷性。

表3 黃土狀土的評(píng)價(jià)指標(biāo)

注：指標(biāo)①為全體樣本數(shù)量的95%對(duì)應(yīng)的濕陷性樣本的指標(biāo)。

4 結(jié)論

(1)黃土狀土的濕陷系數(shù)與濕陷起始?jí)毫Τ手笖?shù)負(fù)相關(guān)。粉質(zhì)黏土的濕陷系數(shù)與飽和度呈二次多項(xiàng)式負(fù)相關(guān)，關(guān)聯(lián)度較高；粉土的濕陷系數(shù)與飽和度呈扇形分布，離散性較大。濕陷系數(shù)與孔隙比呈正相關(guān)，與干密度、含水率呈負(fù)相關(guān)。

(2)受土體沉積環(huán)境及自身結(jié)構(gòu)的影響，濕陷性土與非濕陷性土的指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值中力學(xué)指標(biāo)差異最大，飽和度及含水率次之，含水率及密度差異最小。

(3)利用指標(biāo)①的4項(xiàng)指標(biāo)(見(jiàn)表3)確定的濕陷性黃土狀土具有較高的可靠度(粉土為96.7%，粉質(zhì)黏土為97.5%)，可以用作評(píng)價(jià)場(chǎng)地土具有濕陷性的依據(jù)；利用標(biāo)準(zhǔn)值確定濕陷性的可靠度相對(duì)較低(粉土為71.7%，粉質(zhì)黏土為90.7%)，但是捕捉的濕陷性樣本相對(duì)較多。