中卫地区粉砂土湿陷特性及影响因素探讨

中卫地区粉砂土湿陷特性及影响因素探讨胡玮;李云川;史成江【摘要】结合电力工程实践，通过室内试验数据统计分析，对中卫地区粉砂土的湿陷特性及影响因素进行了探讨，并与该地区大厚度自重湿陷性黄土进行了对比分析结果表明:不同于该地区典型湿陷性黄土，粉砂土湿陷系数与孔隙比和干密度并无明显的相关性;粉砂土湿陷系数与含水量呈现出良好的非线性负相关性;当粉粒和粉砂含量相对均匀时，粉砂土会表现出更强的非自重湿陷性;当粉砂土颗粒成分以粗粒（或细粒）为主时，湿陷性随细粒（或粗粒）含量增多而增强.【期刊名称】《宁夏工程技术》【年（卷），期】2017（016）002【总页数】5页（P178-182）【关键词】粉砂土;湿陷性;颗粒级配;含水量【作者】胡玮;李云川;史成江【作者单位】宁夏回族自治区电力设计院，宁夏银川750011;宁夏回族自治区电力设计院，宁夏银川750011;宁夏回族自治区电力设计院，宁夏银川750011【正文语种】中文【中图分类】TU973宁夏中北部地区的地貌以干旱剥蚀和风蚀地貌为主，地表分布的风积粉细砂、风洪积壤土以及黄土状粉土普遍具有湿陷性。中卫位于宁夏西北部，其北端与腾格里沙漠接壤，在该地区进行的工程活动也越来越频繁。该地区地表土体物质组成有别于风积粉细砂和壤土，其颗粒成分以粉砂和粉粒为主，且含量相当，黏粒含量较少，习惯上称之为〃粉砂土”（砂质粉土和粉土质砂的统称）。由于表观上与南部大厚度自重湿陷性黄土有显著差异，加之厚度普遍不大，且现场获取原状土样不易，实际工程中往往因重视不够而容易忽略其可能存在的湿陷特性。截至目前，对风积砂及风洪积壤土湿陷性的研究比较少。贾剑［1］对华北地区风积砂的湿陷机理进行了论述。曾正中等［2］认为：风积砂中的细粒成分（粉粒）含量越多，土体湿陷程度越高；风洪积壤土的干密度随埋深增加而增大；风积砂及风洪积壤土的湿陷系数均随干密度的增大而显著减小。武立波［3］等对宁东地区粉细砂湿陷特性进行了研究后认为，孔隙比对粉细砂湿陷性影响较大。本文结合电力工程实践，通过室内试验数据统计分析，对该地区甘塘、宣和、迎水桥、罗镇等地的湿陷性粉砂土工程地质特性及湿陷性影响因素进行了探讨，并与南部黄土进行了对比分析，以期对该地区粉砂土有更深入的了解，以便工程建设人员更合理地利用其工程地质特性。相信随着荒漠区工程建设的发展，相关研究会更加深入。1.1粉砂土颗粒组成统计分析显示，所研究的4个小区域地缘差异性小，各地区粉砂土以粉砂和粉土为主，粉砂含量25%~70%，粉土含量65%~20%，黏粒含量3%~7%;粉粒和粉砂含量多数集中在45%~55%。根据定义，以颗粒含量50%为界，可将粉砂土划分为砂质粉土和粉土质砂。为了判断两者的差异性，对粉粒含量超过55%的砂质粉土和粉砂含量超过55%的粉土质砂的基本物理力学指标进行了统计（表1）。统计结果显示，两种土质各指标基本一致。由于粉砂为单粒结构，颗粒间分子吸引力小，因此粉土质砂黏聚力偏低；而粉土颗粒间吸引力大于重力而形成具有大孔隙的蜂窝状结构，持水能力较粉砂强，故砂质粉土含水量偏高。统计显示，主要物理力学指标偏差值均小于20%，考虑到基于大量数据的整体规律性分析，这种差异性可以忽略，因此，无需对粉砂土的类别进行细分。鉴于此，后文将两者合并统计分析。1.2易溶盐特征对在地表浅部1~3m内取得扰动土样进行易溶盐成分测试，并与中卫南部黄土易溶盐含量进行对比分析（表2）。与黄土相比，粉砂土中易溶盐总量偏低，但Cl-相对含量更高。中卫属于干旱与半干旱地区，北部地区降雨量较南部少且蒸发量极大，并且粉砂土下伏地层为残积黏土质岩，重力水和毛细水的作用较弱，导致盐分的运移和富集受阻，此外，风的吹蚀作用也带走部分矿物质，因而粉砂土中易溶盐含量普遍较低；粉砂土中Cl-含量可高达30%，而黄土中这一值仅为5%~15%。由于土体中阴离子以和Cl-为主，而Cl-抗风蚀能力较弱［4］，因此沙漠边缘地表土体更容易被风蚀沙化。1.3基本物理力学性质《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）规定：对于能用取土器取得不扰动土样的湿陷性（砂）土，其湿陷性判别和评价按《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB50025—2004）执行。对现场采取的不扰动土样进行常规和湿陷性室内试验，然后对试验得到的主要物理力学性质指标按Grubbs法（a=0.05）进行统计分析，并与南部黄土丘陵区典型黄土物理力学性质指标进行对比分析（表3）。与南部黄土相比，粉砂土物理力学性质可总结为〃一高三低”：高密度，低含水量、低黏聚力、低孔隙比。这种特性不难解释。在颗粒组成上，粉砂土中黏粒含量较南部黄土低，粉粒和砂粒含量相当。这种粒径级配是该地区粉砂土保持〃一高三低”特征和湿陷特性的根本原因所在。1.4粉砂土湿陷特性室内湿陷性试验结果显示，该类粉砂土的湿陷系数Ss值普遍大于0.015，自重湿陷系数Szs均小于0.015，为非自重湿陷性土，以中等湿陷性为主。该区湿陷性粉砂土厚度普遍在5~10m,按浅基础考虑，场地湿陷等级为H级非自重湿陷，总湿陷量300~800mm。1.5粉砂土湿陷机理粉砂土因处于欠压密状态而具有多孔性。从颗粒成分上讲，砂粒间的连接强度主要表现为内摩擦力；粉粒间的连接强度表现为凝聚力，包括颗粒间分子引力和颗粒周围的盐类胶结作用。浸水时，水分子的楔入作用及水膜间的润滑作用，使土体中胶结物湿化，引起土粒散化，使得内摩擦力或凝聚力降低甚至消失，土体结构遭受破坏，遂发生湿陷。黄土湿陷性影响因素有很多，土的胶结物、颗粒组成与分布、可溶盐分含量，以及孔隙比、含水量、先期固结压力和试验所施加压力等都对湿陷性有影响。根据诸多研究结果，以孔隙比、含水量和干密度的影响最为显著，局部地区黏粒含量的影响也极为显著。普遍比较认可的区域性规律是：在其他条件相同时，湿陷系数随孔隙比的增大而增大，随干密度的增大而减小；湿陷系数随含水量的增加而减小，当含水量超过一定值时，黄土不再具有湿陷性，但这种相关性并无孔隙比和干密度那样明显。中卫南部地区的黄土就具有这种典型特征（图1、图3、图6）。粉砂土胶结差，可溶盐含量较黄土低很多，这里无法量化分析其对湿陷性的影响；通常欠固结土湿陷性较超固结土强，湿陷性随试验压力的增大而增大，当压力超过一定值时湿陷性减弱，受试验条件及资料的限制，本文没有展开研究。本文重点研究孔隙比、天然含水量、干密度以及颗粒组成对粉砂土湿陷性的影响。2.1粉砂土湿陷系数与天然孔隙比、干密度的关系由图2、图4可知，与南部黄土不同，粉砂土天然空隙比、干密度与湿陷系数并无明显的相关性。对于砂土类非黏性土，不同级配的土体也可能表现出相同的孔隙比。通常用相对密度Dr而非孔隙比e来表征非黏性土的密实程度。中卫北部地区的粉砂土胶结性差，即使对粉粒含量较高的粉砂土，现场获取原状土样时遭受轻微扰动也会使样品丧失完整性，因此，孔隙比和干密度这两个表征细粒土整体密实程度和颗粒排列紧密程度的指标并不能真实地反映粉砂土的密实度。此外，黄土中孔隙形态多样，研究普遍认为［5—7］，黄土的诸多种孔隙中，对湿陷性有实质影响的是大孔隙及架空孔隙，不同地区黄土中这两类孔隙所占的比例也不同。笔者曾对宁夏南部同一场地新近堆积黄土及其下伏马兰黄土以及临近场地的马兰黄土做过统计分析，在几乎所有物理力学指标均相同的前提下，新近堆积黄土表现出更强的压缩性，究其原因，最主要还在于孔隙形态的差别，即使孔隙比等宏观指标一样。中卫北部地区的粉砂土兼具非湿陷性砂土及南部黄土的特征，可以推想，其微观结构特征与粗粒含量更高的风积砂以及各种粒径相对均匀的沙壤土有显著不同。这种具体差异性需借助扫描电镜进行识别。因此，以黄土或其他类别湿陷性土孔隙比与湿陷系数的关系来推断粉砂土的相关规律，缺乏依据。根据计算公式干密度pd=(ds・pw)/(1+e)，与天然孔隙比呈反相关，也即说两者与湿陷系数表现出相反的规律。这两点或许能解释图2中孔隙比和图4中干密度与湿陷系数无相关性的原因。2.2粉砂土湿陷系数与天然含水量的关系由图5~6可知，与南部黄土相比，粉砂土的天然含水量与湿陷系数呈现出明显的非线性负相关性：随含水量的增加，湿陷系数逐渐降低，直至失去湿陷性，相关系数R2=0.94。由于粉砂土空隙较大，土体结构以松散蜂窝状和单粒结构为主，渗透性好，对外力反应灵敏，土颗粒在微弱动水或其他外力作用下都会发生移动，直至完全失去联接，丧失稳定。对黄土而言，一般含水量越高，湿陷性越低，当含水量达到25%时，基本不再具有湿陷性，即湿陷系数与天然含水量呈反相关，但这种整体规律性(避免了小区域取样数据的离散型对统计规律的影响)并无孔隙比和干密度那样明显。本文研究的黄土为中卫南部兴仁镇等大厚度黄土分布区，该区黄土天然含水量多数集中在6%~12%，含水量小范围变化时这种整体规律性就不那么明显了，这也正是图6的散点图所体现出来的。如果对数据进一步处理，如以含水量5%,7%,9%,11%,13%......为具体点进行统计，则黄土湿陷性随含水量增大自然表现出较为明显的负相关性，这也是区域性的整体规律，但对某一具体工程而言这种粗略近似统计不具实际意义。2.3粉砂土湿陷系数与颗粒级配的关系颗粒级配对粉砂土密实程度有很大影响。中卫北部地区粉砂土中颗粒成分以粉粒和粉砂为主，两者总量超过95%，基本上可以忽略黏粒对湿陷性的影响。为反映颗粒级配对湿陷性的影响，以粉砂土中粉砂和粉粒质量分数之比(M)作为评价指标。该地区0.3vMv3.5。M与湿陷系数的关系见图7。由图7可知，湿陷系数与M呈近似正态分布。数据离散型较大，但仍能看出一些整体规律：当M值过小或过大时，湿陷系数均较低。当粉粒或粉砂含量过高时，湿陷性较弱；当粉砂和粉粒含量相对均匀时，粉砂土表现出强湿陷性(&>0.07)。当MV1.1时，湿陷系数随粉砂含量增多而增大。当M21.1时，湿陷系数随粉粒含量增多而增大。上述规律可归纳为：当粉砂土颗粒成分中粉砂占主导时，随粉粒含量增多，湿陷性逐渐增强，这一点与曾正中等［2］的研究结论一致(细粒含量越高，湿陷性越强)；当粉砂土颗粒成分中粉粒占主导时，随粉砂含量增多，湿陷性逐渐增强。通过统计和对比分析可得出以下结论：中卫北部地区的粉砂土普遍具有中等一强湿陷性，粉砂土场地湿陷等级多为H级非自重湿陷。（2） 该地区粉砂土具有较强的水敏性，粉砂土的天然含水量与湿陷系数呈现出明显的非线性负相关性：随含水量的增加，湿陷系数逐渐降低，直至失去湿陷性，相关系数R2=0.94。（3） 颗粒级配对该地区粉砂土湿陷性有显著的影响：当粉砂和粉粒含量相对均匀时，粉砂土表现出更强的湿陷性；当粉砂土颗粒成分中粗粒（粉砂）占主导时，细粒（粉土）含量越高，湿陷性越强；当粉砂土颗粒成分中细粒（粉土）占主导时，粗粒（粉砂）含量越高，湿陷性越强。本文只是对中卫地区的粉砂土作了初步研究，相关规律性需要更多的实测数据和工程实例进行验证和推广。【相关文献】贾剑.风成砂土湿陷性研究[J].电力勘测，1997（2）：18-21.曾正中，张明泉，梁宗仁，等.腾格里沙漠南缘风积砂土地基的工程地质特性[J].西北水电，2001：18-20.武立波，胡冰涛，