中衛(wèi)地區(qū)粉砂土濕陷特性及影響因素探討

中衛(wèi)地區(qū)粉砂土濕陷特性及影響因素探討胡瑋;李云川;史成江【摘要】結(jié)合電力工程實踐，通過室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，對中衛(wèi)地區(qū)粉砂土的濕陷特性及影響因素進行了探討，并與該地區(qū)大厚度自重濕陷性黃土進行了對比分析結(jié)果表明:不同于該地區(qū)典型濕陷性黃土，粉砂土濕陷系數(shù)與孔隙比和干密度并無明顯的相關(guān)性;粉砂土濕陷系數(shù)與含水量呈現(xiàn)出良好的非線性負相關(guān)性;當粉粒和粉砂含量相對均勻時，粉砂土會表現(xiàn)出更強的非自重濕陷性;當粉砂土顆粒成分以粗粒（或細粒）為主時，濕陷性隨細粒（或粗粒）含量增多而增強.【期刊名稱】《寧夏工程技術(shù)》【年（卷），期】2017（016）002【總頁數(shù)】5頁（P178-182）【關(guān)鍵詞】粉砂土;濕陷性;顆粒級配;含水量【作者】胡瑋;李云川;史成江【作者單位】寧夏回族自治區(qū)電力設(shè)計院，寧夏銀川750011;寧夏回族自治區(qū)電力設(shè)計院，寧夏銀川750011;寧夏回族自治區(qū)電力設(shè)計院，寧夏銀川750011【正文語種】中文【中圖分類】TU973寧夏中北部地區(qū)的地貌以干旱剝蝕和風蝕地貌為主，地表分布的風積粉細砂、風洪積壤土以及黃土狀粉土普遍具有濕陷性。中衛(wèi)位于寧夏西北部，其北端與騰格里沙漠接壤，在該地區(qū)進行的工程活動也越來越頻繁。該地區(qū)地表土體物質(zhì)組成有別于風積粉細砂和壤土，其顆粒成分以粉砂和粉粒為主，且含量相當，黏粒含量較少，習慣上稱之為〃粉砂土”（砂質(zhì)粉土和粉土質(zhì)砂的統(tǒng)稱）。由于表觀上與南部大厚度自重濕陷性黃土有顯著差異，加之厚度普遍不大，且現(xiàn)場獲取原狀土樣不易，實際工程中往往因重視不夠而容易忽略其可能存在的濕陷特性。截至目前，對風積砂及風洪積壤土濕陷性的研究比較少。賈劍［1］對華北地區(qū)風積砂的濕陷機理進行了論述。曾正中等［2］認為：風積砂中的細粒成分（粉粒）含量越多，土體濕陷程度越高；風洪積壤土的干密度隨埋深增加而增大；風積砂及風洪積壤土的濕陷系數(shù)均隨干密度的增大而顯著減小。武立波［3］等對寧東地區(qū)粉細砂濕陷特性進行了研究后認為，孔隙比對粉細砂濕陷性影響較大。本文結(jié)合電力工程實踐，通過室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，對該地區(qū)甘塘、宣和、迎水橋、羅鎮(zhèn)等地的濕陷性粉砂土工程地質(zhì)特性及濕陷性影響因素進行了探討，并與南部黃土進行了對比分析，以期對該地區(qū)粉砂土有更深入的了解，以便工程建設(shè)人員更合理地利用其工程地質(zhì)特性。相信隨著荒漠區(qū)工程建設(shè)的發(fā)展，相關(guān)研究會更加深入。1.1粉砂土顆粒組成統(tǒng)計分析顯示，所研究的4個小區(qū)域地緣差異性小，各地區(qū)粉砂土以粉砂和粉土為主，粉砂含量25%~70%，粉土含量65%~20%，黏粒含量3%~7%;粉粒和粉砂含量多數(shù)集中在45%~55%。根據(jù)定義，以顆粒含量50%為界，可將粉砂土劃分為砂質(zhì)粉土和粉土質(zhì)砂。為了判斷兩者的差異性，對粉粒含量超過55%的砂質(zhì)粉土和粉砂含量超過55%的粉土質(zhì)砂的基本物理力學指標進行了統(tǒng)計（表1）。統(tǒng)計結(jié)果顯示，兩種土質(zhì)各指標基本一致。由于粉砂為單粒結(jié)構(gòu)，顆粒間分子吸引力小，因此粉土質(zhì)砂黏聚力偏低；而粉土顆粒間吸引力大于重力而形成具有大孔隙的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，持水能力較粉砂強，故砂質(zhì)粉土含水量偏高。統(tǒng)計顯示，主要物理力學指標偏差值均小于20%，考慮到基于大量數(shù)據(jù)的整體規(guī)律性分析，這種差異性可以忽略，因此，無需對粉砂土的類別進行細分。鑒于此，后文將兩者合并統(tǒng)計分析。1.2易溶鹽特征對在地表淺部1~3m內(nèi)取得擾動土樣進行易溶鹽成分測試，并與中衛(wèi)南部黃土易溶鹽含量進行對比分析（表2）。與黃土相比，粉砂土中易溶鹽總量偏低，但Cl-相對含量更高。中衛(wèi)屬于干旱與半干旱地區(qū)，北部地區(qū)降雨量較南部少且蒸發(fā)量極大，并且粉砂土下伏地層為殘積黏土質(zhì)巖，重力水和毛細水的作用較弱，導(dǎo)致鹽分的運移和富集受阻，此外，風的吹蝕作用也帶走部分礦物質(zhì)，因而粉砂土中易溶鹽含量普遍較低；粉砂土中Cl-含量可高達30%，而黃土中這一值僅為5%~15%。由于土體中陰離子以和Cl-為主，而Cl-抗風蝕能力較弱［4］，因此沙漠邊緣地表土體更容易被風蝕沙化。1.3基本物理力學性質(zhì)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2001）規(guī)定：對于能用取土器取得不擾動土樣的濕陷性（砂）土，其濕陷性判別和評價按《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》（GB50025—2004）執(zhí)行。對現(xiàn)場采取的不擾動土樣進行常規(guī)和濕陷性室內(nèi)試驗，然后對試驗得到的主要物理力學性質(zhì)指標按Grubbs法（a=0.05）進行統(tǒng)計分析，并與南部黃土丘陵區(qū)典型黃土物理力學性質(zhì)指標進行對比分析（表3）。與南部黃土相比，粉砂土物理力學性質(zhì)可總結(jié)為〃一高三低”：高密度，低含水量、低黏聚力、低孔隙比。這種特性不難解釋。在顆粒組成上，粉砂土中黏粒含量較南部黃土低，粉粒和砂粒含量相當。這種粒徑級配是該地區(qū)粉砂土保持〃一高三低”特征和濕陷特性的根本原因所在。1.4粉砂土濕陷特性室內(nèi)濕陷性試驗結(jié)果顯示，該類粉砂土的濕陷系數(shù)Ss值普遍大于0.015，自重濕陷系數(shù)Szs均小于0.015，為非自重濕陷性土，以中等濕陷性為主。該區(qū)濕陷性粉砂土厚度普遍在5~10m,按淺基礎(chǔ)考慮，場地濕陷等級為H級非自重濕陷，總濕陷量300~800mm。1.5粉砂土濕陷機理粉砂土因處于欠壓密狀態(tài)而具有多孔性。從顆粒成分上講，砂粒間的連接強度主要表現(xiàn)為內(nèi)摩擦力；粉粒間的連接強度表現(xiàn)為凝聚力，包括顆粒間分子引力和顆粒周圍的鹽類膠結(jié)作用。浸水時，水分子的楔入作用及水膜間的潤滑作用，使土體中膠結(jié)物濕化，引起土粒散化，使得內(nèi)摩擦力或凝聚力降低甚至消失，土體結(jié)構(gòu)遭受破壞，遂發(fā)生濕陷。黃土濕陷性影響因素有很多，土的膠結(jié)物、顆粒組成與分布、可溶鹽分含量，以及孔隙比、含水量、先期固結(jié)壓力和試驗所施加壓力等都對濕陷性有影響。根據(jù)諸多研究結(jié)果，以孔隙比、含水量和干密度的影響最為顯著，局部地區(qū)黏粒含量的影響也極為顯著。普遍比較認可的區(qū)域性規(guī)律是：在其他條件相同時，濕陷系數(shù)隨孔隙比的增大而增大，隨干密度的增大而減??；濕陷系數(shù)隨含水量的增加而減小，當含水量超過一定值時，黃土不再具有濕陷性，但這種相關(guān)性并無孔隙比和干密度那樣明顯。中衛(wèi)南部地區(qū)的黃土就具有這種典型特征（圖1、圖3、圖6）。粉砂土膠結(jié)差，可溶鹽含量較黃土低很多，這里無法量化分析其對濕陷性的影響；通常欠固結(jié)土濕陷性較超固結(jié)土強，濕陷性隨試驗壓力的增大而增大，當壓力超過一定值時濕陷性減弱，受試驗條件及資料的限制，本文沒有展開研究。本文重點研究孔隙比、天然含水量、干密度以及顆粒組成對粉砂土濕陷性的影響。2.1粉砂土濕陷系數(shù)與天然孔隙比、干密度的關(guān)系由圖2、圖4可知，與南部黃土不同，粉砂土天然空隙比、干密度與濕陷系數(shù)并無明顯的相關(guān)性。對于砂土類非黏性土，不同級配的土體也可能表現(xiàn)出相同的孔隙比。通常用相對密度Dr而非孔隙比e來表征非黏性土的密實程度。中衛(wèi)北部地區(qū)的粉砂土膠結(jié)性差，即使對粉粒含量較高的粉砂土，現(xiàn)場獲取原狀土樣時遭受輕微擾動也會使樣品喪失完整性，因此，孔隙比和干密度這兩個表征細粒土整體密實程度和顆粒排列緊密程度的指標并不能真實地反映粉砂土的密實度。此外，黃土中孔隙形態(tài)多樣，研究普遍認為［5—7］，黃土的諸多種孔隙中，對濕陷性有實質(zhì)影響的是大孔隙及架空孔隙，不同地區(qū)黃土中這兩類孔隙所占的比例也不同。筆者曾對寧夏南部同一場地新近堆積黃土及其下伏馬蘭黃土以及臨近場地的馬蘭黃土做過統(tǒng)計分析，在幾乎所有物理力學指標均相同的前提下，新近堆積黃土表現(xiàn)出更強的壓縮性，究其原因，最主要還在于孔隙形態(tài)的差別，即使孔隙比等宏觀指標一樣。中衛(wèi)北部地區(qū)的粉砂土兼具非濕陷性砂土及南部黃土的特征，可以推想，其微觀結(jié)構(gòu)特征與粗粒含量更高的風積砂以及各種粒徑相對均勻的沙壤土有顯著不同。這種具體差異性需借助掃描電鏡進行識別。因此，以黃土或其他類別濕陷性土孔隙比與濕陷系數(shù)的關(guān)系來推斷粉砂土的相關(guān)規(guī)律，缺乏依據(jù)。根據(jù)計算公式干密度pd=(ds?pw)/(1+e)，與天然孔隙比呈反相關(guān)，也即說兩者與濕陷系數(shù)表現(xiàn)出相反的規(guī)律。這兩點或許能解釋圖2中孔隙比和圖4中干密度與濕陷系數(shù)無相關(guān)性的原因。2.2粉砂土濕陷系數(shù)與天然含水量的關(guān)系由圖5~6可知，與南部黃土相比，粉砂土的天然含水量與濕陷系數(shù)呈現(xiàn)出明顯的非線性負相關(guān)性：隨含水量的增加，濕陷系數(shù)逐漸降低，直至失去濕陷性，相關(guān)系數(shù)R2=0.94。由于粉砂土空隙較大，土體結(jié)構(gòu)以松散蜂窩狀和單粒結(jié)構(gòu)為主，滲透性好，對外力反應(yīng)靈敏，土顆粒在微弱動水或其他外力作用下都會發(fā)生移動，直至完全失去聯(lián)接，喪失穩(wěn)定。對黃土而言，一般含水量越高，濕陷性越低，當含水量達到25%時，基本不再具有濕陷性，即濕陷系數(shù)與天然含水量呈反相關(guān)，但這種整體規(guī)律性(避免了小區(qū)域取樣數(shù)據(jù)的離散型對統(tǒng)計規(guī)律的影響)并無孔隙比和干密度那樣明顯。本文研究的黃土為中衛(wèi)南部興仁鎮(zhèn)等大厚度黃土分布區(qū)，該區(qū)黃土天然含水量多數(shù)集中在6%~12%，含水量小范圍變化時這種整體規(guī)律性就不那么明顯了，這也正是圖6的散點圖所體現(xiàn)出來的。如果對數(shù)據(jù)進一步處理，如以含水量5%,7%,9%,11%,13%......為具體點進行統(tǒng)計，則黃土濕陷性隨含水量增大自然表現(xiàn)出較為明顯的負相關(guān)性，這也是區(qū)域性的整體規(guī)律，但對某一具體工程而言這種粗略近似統(tǒng)計不具實際意義。2.3粉砂土濕陷系數(shù)與顆粒級配的關(guān)系顆粒級配對粉砂土密實程度有很大影響。中衛(wèi)北部地區(qū)粉砂土中顆粒成分以粉粒和粉砂為主，兩者總量超過95%，基本上可以忽略黏粒對濕陷性的影響。為反映顆粒級配對濕陷性的影響，以粉砂土中粉砂和粉粒質(zhì)量分數(shù)之比(M)作為評價指標。該地區(qū)0.3vMv3.5。M與濕陷系數(shù)的關(guān)系見圖7。由圖7可知，濕陷系數(shù)與M呈近似正態(tài)分布。數(shù)據(jù)離散型較大，但仍能看出一些整體規(guī)律：當M值過小或過大時，濕陷系數(shù)均較低。當粉?；蚍凵昂窟^高時，濕陷性較弱；當粉砂和粉粒含量相對均勻時，粉砂土表現(xiàn)出強濕陷性(&>0.07)。當MV1.1時，濕陷系數(shù)隨粉砂含量增多而增大。當M21.1時，濕陷系數(shù)隨粉粒含量增多而增大。上述規(guī)律可歸納為：當粉砂土顆粒成分中粉砂占主導(dǎo)時，隨粉粒含量增多，濕陷性逐漸增強，這一點與曾正中等［2］的研究結(jié)論一致(細粒含量越高，濕陷性越強)；當粉砂土顆粒成分中粉粒占主導(dǎo)時，隨粉砂含量增多，濕陷性逐漸增強。通過統(tǒng)計和對比分析可得出以下結(jié)論：中衛(wèi)北部地區(qū)的粉砂土普遍具有中等一強濕陷性，粉砂土場地濕陷等級多為H級非自重濕陷。（2） 該地區(qū)粉砂土具有較強的水敏性，粉砂土的天然含水量與濕陷系數(shù)呈現(xiàn)出明顯的非線性負相關(guān)性：隨含水量的增加，濕陷系數(shù)逐漸降低，直至失去濕陷性，相關(guān)系數(shù)R2=0.94。（3） 顆粒級配對該地區(qū)粉砂土濕陷性有顯著的影響：當粉砂和粉粒含量相對均勻時，粉砂土表現(xiàn)出更強的濕陷性；當粉砂土顆粒成分中粗粒（粉砂）占主導(dǎo)時，細粒（粉土）含量越高，濕陷性越強；當粉砂土顆粒成分中細粒（粉土）占主導(dǎo)時，粗粒（粉砂）含量越高，濕陷性越強。本文只是對中衛(wèi)地區(qū)的粉砂土作了初步研究，相關(guān)規(guī)律性需要更多的實測數(shù)據(jù)和工程實例進行驗證和推廣?！鞠嚓P(guān)文獻】賈劍.風成砂土濕陷性研究[J].電力勘測，1997（2）：18-21.曾正中，張明泉，梁宗仁，等.騰格里沙漠南緣風積砂土地基的工程地質(zhì)特性[J].西北水電，2001：18-20.武立波，胡冰濤，