浅谈对黄土的理解

浅谈对黄土的理解1.湿陷性土的概念：湿陷性土是指那些非饱和的结构不稳定的土，在一定压力下受水浸湿时，其结构迅速破坏，并发生显著的下沉。在划分指标上规定，在200kPa压力下，浸水载荷试验的湿陷量与承压板宽度之比大于0.023的土应判别为湿陷性土，包括湿陷性黄土、砂土和碎石土、湿陷性填土、冲填土、由花岗岩和其他酸性岩浆岩风化而成的残积土等，此外，还有来源于火山灰沉积物、石膏质土、由可溶盐土胶结的松散砂、分散性粘土，钠蒙脱石粘土以及某些盐渍土等。其中又以湿陷性黄土为主，工程上判别湿陷性黄土的标准常用湿陷系数δS≥0.015，这与前述0.023标准其实是一致的。湿陷性土按其岩性、产状、分布特征及研究程度可分为两类：湿陷性黄土和其它湿陷性土。湿陷性黄土在我国研究已有30多年的历史，由于其分布区内，国家建设项目及农田、交通、水利工程较多，所以对它的研究程度较深，目前我国对湿陷性黄土的研究属世界领先水平，已有成熟的评价原则及方法，建筑经验丰富，处理对策成熟。而对其他湿陷性土的研究工作尚不多，在工程评价及对策上借用湿陷性黄土的处理原则。2.黄土的成因黄土的成因是一个热烈争论，尚未解决的问题。一般认为，黄土是在一定的自然条件下，由不同的物质来源，受不同的地质作用，分布在不同的地貌单元上的多种成因的堆积物。我国黄土主要是风积成因类型，也有冲积、洪积、坡积、冰水沉积等成因类型。3.黄土按成因分类:黄土是一种产生于第四纪地质历史时期干旱条件下的沉积物，它的内部物质成分和外部形态特征都不同于同时期的其他沉积物。分为原生黄土和次生黄土。原生黄土:凡以风力搬运沉积又没有经过次生扰动的、无层理的黄色粉质、含碳酸盐类并具有肉眼可见的、大孔的土状沉积物称为黄土（也称为原生黄土）。次生黄土：原生黄土经过流水冲刷、搬运和重新沉积而形成的、黄色的、又常具有层理和夹有砂、砾石层的土状沉积物称为黄土状土（也称为次生黄土）。4.黄土按遇水后的工程性质分类:黄土按遇水后的工程性质表现，则可分为湿陷性黄土和非湿陷性黄土两类。非湿陷性黄土地基的设计和施工与一般粘性土地基无甚差异，而湿陷性黄土地基的设计和施工却与一般粘性土地基有着本质的区别。后面讨论的均指与工程建设关系密切的湿陷性黄土。湿陷性黄土又分为自重湿陷性和非自重湿陷性黄土两种。5.黄土按形成时代早晚分类:黄土按形成时代早晚分为老黄土与新黄土两种。我国黄土的形成时期很长，贯穿了整个第四纪地质时期。老黄土是指早更新世形成的黄土（简称Q1黄土或午城黄土）和中更新世形成的黄土（简称Q2黄土或离石黄土）；新黄土是指晚更新世形成的黄土（简称Q3黄土或午城黄土）和全新世形成的黄土（简称Q4黄土）。在Q4黄土中大约在500年内形成的黄土称为新近堆积黄土。黄土形成的年代愈久，土愈均匀致密，压缩性低而强度高，且湿陷性减小直至无湿陷性。黄土按时代早晚进行的地层分类详见表1表1黄土按时代进行的地层划分时代地层的划分说明全新世(Q4)黄土新黄土次生黄土黄土状土一般具湿陷性,有大孔、虫孔,有时有人类活动遗物,节理不发育或无节理晚更新世(Q3)黄土原生黄土马兰黄土一般具湿陷性,大孔发育,易产生天然桥及陷穴,具垂直节理中更新世(Q2)黄土老黄土离石黄土上部部分土层具湿陷性,有少量大孔,具柱状节理,抗侵蚀能力强早更新世(Q1)黄土午城黄土不具湿陷性,无大孔,柱状节理发育,土质紧密至坚硬注：全新世(Q4)黄土包括湿陷性(Q41)黄土和新近堆积(Q42)黄土6.湿陷性黄土对建筑物产生的危害湿陷性是黄土地基特有的工程地质特性，在工程建设中，如果我们对黄土湿陷性认识不足，未能采取很好的防水措施、地基处理措施和结构措施，或缺乏正确、可靠的评价，致使地基一但浸水，会使某些工程项目出现事故，如：1）.建筑物产生不均匀沉降，使建筑物产生大量裂缝，影响建筑物的正常使用。2）.使建筑物沉降过大，或产生倾斜过大，影响了建筑物的外观及正常使用。3）.使地下管道破裂，地面下陷，产生地裂缝。4）.因浸水使黄土产生湿陷、造成黄土的强度降低，产生建筑基坑的失稳，影响基坑周边建筑物和地下管道的安全。5）.因浸水使黄土产生附加湿陷，对桩基础产生负的摩擦阻力，使桩的承载力不能满足要求而产生工程事故。6）.因地下水位上升使黄土产生湿陷、造成黄土的强度降低，引起黄土本身或它与下伏地层接触面上的滑坡，也能使原已稳定的边坡会重新产生滑坡，使边坡上的建筑物受到破坏，人员生命受到威胁。由此可见，因黄土湿陷会产生很严重的工程事故，影响很坏，会给国家和人民的生命财产带来无法挽回的损失。7.黄土和黄土状土（以下统称为黄土）的分布范围从湿陷性黄土的分布特征来看，它主要受地理位置和气候条件制约，一般均属于干旱及半干旱气候类型，降雨量少，蒸发量大，年降雨量一般小于500㎜。在年降雨量大于750㎜的地区，一般不存在湿陷性土。目前黄土在全世界分布面积达1300万km2,约占陆地总面积的9.3%。我国黄土面积约64万km2，占我国陆地总面积的6.58%，地理位置约在北纬30°～48°之间，而以34°～45°之间最为发育，其中黄土状土面积约20万km2，黄土面积约44万km2。黄土中湿陷性黄土约38万km2，约占我国黄土总面积的60%左右。主发分布于黄河中游，即河南西部、山西南部，陕西和甘肃的大部分，其次是宁夏、青海、河北的部分地区，此外，新疆维吾尔自治区、山东、辽宁等省也有局部分布。我国的国家标准《湿陷性黄土地区建筑规范》GB50025-2004(以下简称黄土规范),给出了我国湿陷性黄土工程地质分区略图,把黄土按工程地质特性分为七个大区（基本上是按湿陷性强弱程度排列的），并给出每个区的湿陷性黄土的地貌概况、黄土层厚度、地下水埋深、各项物理力学性质指标，及特征简述。我国各地黄土的厚度不一，一般来说，高原上的厚度要比河谷地区的为大，如陕甘黄土高原上的黄土厚达100～200m，而河谷地区I、II级阶地上一般只有几米或十几米。黄土高原以老黄土为主体，而覆盖在它上面的湿陷性新黄土一般只占问厚度的1/10～1/3。河谷地区的黄土层常缺失老黄土，主要由新黄土组成。掌握我国湿陷性黄土工程地质分区略图的意义：我国湿陷性黄土工程地质分区略图是表明湿陷性黄土在我国分布的宏观概况，通过工程实践证明它基本上反映了我国湿陷性黄土在各地区的特征，方向是正确的。它使人们对全国范围内的湿陷性黄土和分布有一个概括的认识和了解，对我们日常的勘察、设计、施工具有非常重要的指导意义。例如：当我们接受一个新的勘察设计任务时，根据场区的地理位置和湿陷性黄土工程地质分区略图，我们可以知道该场区是否在湿陷性黄土分布范围内，从而决定我们的勘察设计工作是按照黄土地区原则还是按照一般粘性土的设计原则来做，从而使我们的工作可以提前做到有的放矢，实事求是，否则就会偏离实际，酿成事故。我国湿陷性黄土工程地质分区略图中所标明的湿陷性黄土层厚度和高低阶地的湿陷系数平均值，大多数资料的收集和整理源于建筑物集中的城镇区，而对于该区台塬、大的冲积扇、河漫滩等地貌单元的资料或湿陷性黄土层厚度与湿陷系数值，则应查阅当地的工程地质资料或分区详图。8.湿陷性黄土的特性湿陷性黄土具有与一般粘性土和粉土不同的特性，主要如下：1）.一般在自然界用肉眼即可见土中有大孔隙。2）.在一定压力作用下受水浸湿后，土的结构迅速被破坏并发生显著附加下沉的现象。3）.天然孔隙比e较大，大多数一般在1.0～1.1之间，随深度而减小。孔隙比是影响黄土湿陷性的主要指标之一，在其它条件相同时，土的孔隙比越大，湿陷性越强。4）.颗粒组成以粉粒为主，常在60%以上。当粘土粒的含量增多时，特别是当粒径小于0.001㎜的土粒含量大于20%时并均匀分布在骨架颗粒之间又具有较大的胶结作用时，则土的湿陷性愈弱。5）.含有大量的可溶盐，如碳酸钙、石膏、氯化物、硫酸盐和重碳酸盐等。可溶盐的含量与土的PH值有关，一般来说，黄土中碳酸钙的含量愈大并以薄膜分布与粘土颗粒混在一起而具有胶结作用时，石膏及可溶盐含量愈大时，PH值愈大时，则黄土的湿陷性愈强。6）.颜色通常为黄色或褐黄色，只有老黄土略带有红色。7）.天然剖面一般多形成垂直节理，多形成陡壁。8）.天然含水量低，一般w为10%～20%，含水量低时，湿陷性强烈，但土的承载力很高，随含水量的增加，湿陷性逐渐减弱当含水量＞23%时，土已不具有湿陷性或湿陷性轻微，但土的承载力却大幅度降低。当含水量相同时，黄土的湿陷变形量将随浸湿程度的增加而增大。9）.塑性指数中偏低，Ip一般为7～13，多属粉土或粉质粘土。压缩系数α为0.2～0.6，属中、高压缩性土。天然重度小，γ多为14.0～16.5KN/m3，10）.饱和度低，且随着饱和度的增大，湿陷性逐渐减小，西安地区当饱和度Sr＞75%时,土已不具湿陷性。11）.液限值,液限指标是决定黄土性质的另一个重要指标，当液限在30%以上时，黄土的湿陷性较弱，且多为非自重湿陷性黄土。当液限小于30%时，则湿陷性一般较强烈。液限越高，黄土的承载力也越高。12）.抗剪强度受水的影响因素大，其值变化范围较大。当黄土的含水量低于塑限时，水分变化对强度的影响最大，随含水量的增加，土的强度降低较多，但当含水量大于塑限时，含水量对抗剪强度的影响减小，而超过饱和含水量时，抗剪强度的变化就不大。当黄土的含水量相同时，则土的干重度越大，其抗剪强度也越高。浸水湿陷性过程中土的抗剪强度降低最多，当湿陷结束后，此时土的含水量虽然很高，但抗剪强度却高于湿陷过程。因此在地下水位变动带时，其抗剪强度最低，而地下水位以下的黄土其抗剪强度反而高些。9.黄土的湿陷原因黄土的湿陷现象是一个复杂的地质、物理、化学过程，对其湿陷的原因和机理，半个世纪来一直是国内外岩土工程工作者所探求的重要课题，虽然已提出了多种不同的理论和假说，如毛细管假说、溶盐假说、胶体不足假说、水膜楔入假说、欠压密理论和结构学说。但至今尚未得到一种大家公认的理论能够充分地解释所有的湿陷现象和本质。下面简单介绍一下被公认为能比较合理解释湿陷现象的欠压密理论、溶盐假说和结构学说。1）.黄土的欠压密理论：黄土的欠压密理论认为，在干旱、少雨的气候条件下，黄土沉积过程中水分不断蒸发，土粒间的盐类析出，胶体凝固，形成固化粘聚力，从而阻止了上面的土对下面的土的压密作用而成为欠压密状态，时间长了，堆积的欠压密土层越来越厚，因而形成了这种高孔隙比、低湿度的湿陷黄土。一旦水浸入较深，固化粘聚力消失，就产生了湿陷。2）.溶盐假说：溶盐假说认为，黄土湿陷性原因是由于黄土中存在大量的易溶盐。当黄土中含水量较低时，易溶盐溶解，胶结作用丧失，产生湿陷。但溶盐假说并不能解释所有的湿陷现象，例如我国湿陷性黄土中易溶盐含量就较少。3）.结构学说：结构学说认为，黄土湿陷的根本原因是由于湿陷性黄土所具有的特殊结构体系所造成的。这种结构体系是由集粒和碎屑组成的骨架颗粒相互连接形成的一种粒状架空结构体系，颗粒间的连接强度是在干旱、半干旱条件下形成的，来源于上覆土重的压密，少量的水在粒间接触处形成的毛管压力，粒间电分子力，粒间摩擦力及少量胶结物质的固化粘聚等。该结构体系在水各外荷载共同作用下，必然导致连接强度降低、连接点破坏，使整个结构体系失去稳定。尽管解释黄土湿陷原因的观点各异，但从上面归纳起来可以分为外因和内因两方面。黄土受水浸湿和荷载作用是湿陷发生的外因，黄土的结构特征及物质成分是产生湿陷性的内在原因。10.影响黄土的湿陷性的因素影响黄土湿陷性的因素来自组成黄土的物质成分和其特殊结构。在组成黄土的物质成分中，粘粒含量对湿陷性有一定影响，一般粘粒含量越多湿陷性越小，我国黄土湿陷性存在着由西北向东南递减的趋势，这与自西北向东南方向砂粒含量减少而粘粒含量增多情况是一致的。另外黄土中盐类及其存在状态对湿陷性有直接影响，如以较难溶解的碳酸钙含量为主，则湿陷性减弱，而以其他碳酸盐、硫酸盐和氯化物等易溶盐含量越多，则湿陷性越强。黄土的湿陷性与孔隙比和含水量大小有关。天然孔隙比越大，或天然含水量越小则湿陷性越强。黄土的湿陷性还与外加压力有关，外加压力大湿陷量也显著增加，但当压力超过