王 倩
(甘肃中建市政工程勘察设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730000)
黄土在我国广泛分布，总面积达到了63.5万km2，约占我国国土面积的6.61 %[1]，其中，湿陷性黄土约占全部黄土面积的3/4[2]，由于黄土具有大孔隙性和弱胶结性等特殊性质，对线路、厂房、基础设施建设等有着极其重要的影响，常引起路基变形、边坡的破坏等，据统计显示，我国近1/3的滑坡灾害，都发生在黄土地区[3]。
目前关于黄土物理力学性质及其湿陷性有着大量的研究，如周杰等人对黄土基本物理指标与湿陷系数的相关性研究[4-5]、黄建军等对于黄土湿陷性评价模型[6]、黄土湿陷特性[7]等方面进行了一定研究。然而，这些研究主要集中于黄土基本物理指标与湿陷系数的相关性、黄土湿陷特性等相关研究，对于成因、形成条件、地形地貌、气候等条件相同，而湿陷性却差异巨大的马兰黄土缺乏相关的研究，该文以兰州地区马兰黄土为例，对其物理力学参数分析，并对湿陷性马兰黄土和非湿陷性马兰黄土的特性进行深入的对比分析。
文中研究场地选取兰州市黄河北岸黄土梁峁、沟壑区域，场地及周边地形起伏相对起伏较大，局部区域地势相对高差可达200 m以上，场地及周边主要出露地层为加里东中期花岗岩，下白垩系河口群粉砂岩、细砂岩，第四系中、晚更新统冲洪积碎石土，第四系晚更新统风积马兰黄土等，其中马兰黄土是区内分布最广泛的地层，其湿陷性随位置、深度不同而有所不同。
区内气候属大陆性季风气候，气候干燥、降水量少、年内降水极不均匀且具有周期性特征，场区及周边无区域性断层，区内地下水主要由大气降水补给。
为详细查明场地内马兰黄土工程特征，在前期调查、测绘的基础上，制定详细的试验方案，主要研究内容及思路如下。
(1)由于场地内马兰黄土湿陷性随区域及深度有一定变化，且同时存在湿陷性马兰黄土和非湿陷性马兰黄土，因此，对二者分别研究并作对比分析、研究。
(2)通过钻探、挖探，取得相应符合试验标准的试样，分别测定湿陷性及非湿陷性黄土的含水率、干密度、孔隙比、压缩系数、液塑限等基本物理力学性质指标。
(3)对部分试样进行高压力下压缩试验，分析研究湿陷性及非湿陷性马兰黄土在不同压力的孔隙比变化特征。
(4)对该区域内湿陷性马兰黄土进行湿陷变形特征分析。
对于该场地湿陷性和非湿陷性马兰黄土，分别进行含水率、孔隙率、塑性指数、压缩模量等试验，根据现场实际情况、试样情况、试验情况，剔除异常值，物理力学指标试验均超过500组，可排除样本数量对统计结果的影响。
3.1 马兰黄土物理力学参数特征
根据室内试验及统计，结果显示见表1、表2。
表2 非湿陷性马兰黄土物理力学指标Tab.2 Physical mechanical indicators of non-collapsible Malan loess
结果显示，该区域内马兰黄土含水率介于1.0 %～16.0 %，干密度介于1.21～1.69 g/cm3，孔隙比介于0.608～1.246，塑性指数介于8.3～9.9。此外，各指标中，马兰黄土的干密度、孔隙比的变异系数相对较小，含水率、饱和度、压缩系数、压缩模量等的变异系数相对较大。
3.2 湿陷性与非湿陷性马兰黄土物理力学参数对比分析
根据大量的试验结果显示见表1-2、图1，该场地湿陷性马兰黄土和非湿陷性马兰黄土基本物理力学指标存在一定的差异及规律，主要特征为：
图1 孔隙比与试样深度关系图Fig.1 Curves of void ratio and sample depth
(1)含水率：湿陷性马兰黄土含水率1.0 %～16.0 %，标准值7.80，非湿陷性马兰黄土含水率1.3 %～14.4 %，标准值7.0 %，非湿陷性马兰黄土含水率相对较低。
(2)干密度：湿陷性马兰黄土干密度1.21～1.59 g/cm3，标准值1.39 %，非湿陷性马兰黄土1.37～1.69 g/cm3，标准值1.53 %，非湿陷性马兰黄土干密度较大。
(3)孔隙比：湿陷性马兰黄土孔隙比0.701～1.246，标准值0.961非湿陷性马兰黄土孔隙比0.608～0.933，标准值0.781，非湿陷性马兰黄土孔隙比较低。
(4)饱和度：饱和度5.00 %～58.00 %，湿陷性马兰黄土与非湿陷性马兰黄土饱和度无明显差异。
(5)液塑限指标：该区域湿陷性马兰黄土与非湿陷性马兰黄土液限、塑限、塑性指数相差较小，其中液限25.0 %～27.1 %，塑限16.8 %～17.2 %，塑性指数8.3～9.9。
非湿陷性马兰黄土含水率相对较低、干密度相对较大、孔隙比相对较低，饱和度、液塑限指标无明显差异，可见孔隙比、干密度、含水率对马兰黄土湿陷性有着重要的影响。
3.3 高压力压缩试验下变形特征
在探井中以人工刻槽法采取Ⅰ级不扰动试样，进行了高压力下压缩试验，结果见表3-4、图2。
表3 压缩系数平均值统计表Tab.3 Averages of compression factors
表4 压缩模量平均值统计表Tab.4 Averages of compression modulus
图2 平均压缩曲线特征图Fig.2 Average compression curves
对比湿陷性及非湿陷性马兰黄土分别在天然和浸水条件下的压缩指标来看，与天然状态相比，湿陷性马兰黄土与非湿陷性马兰黄土在浸水条件下压缩系数均有所增大，压缩模量有所降低。
此外，分别在天然和浸水条件下，分析压缩指标变化幅度，结果显示，浸水条件对湿陷性马兰黄土压缩指标影响较大，而浸水条件对非湿陷性黄土压缩影响相对较小。
3.4 湿陷起始压力及湿陷变形特征分析
根据对该地区马兰黄土湿陷性试验成果统计总结，每5 m选取1组数据，结果见图3、图4。
图3 非湿陷性马兰黄土湿陷系数与试验压力关系图Fig.3 Curves of collapsibility factor and test pressure of non-collapsible Malan loess
图4 湿陷性马兰黄土湿陷系数与试验压力关系图Fig.4 Curves of collapsibility factor and test pressure of collapsible Malan loess
(1)非湿陷性马兰黄土
湿陷起始压力与黄土孔隙比密切相关，在正常压力下不具有湿陷性，孔隙比e0在0.85～0.90区间内时，湿陷起始压力>300 kPa，部分在压力>400 kPa时才具有湿陷性，试验压力在400～600 kPa之间，呈现轻微-中等湿陷性。
孔隙比e0<0.85，试验样品在600 kPa压力前，绝大多数未出现湿陷系数>0.015的情况，表明在600 kPa压力范围内，基本不具湿陷性，即湿陷起始压力≥600 kPa。
(2)湿陷性马兰黄土
湿陷性马兰黄土压密固结作用较差，一般孔隙比e0>0.85，大多在0.90以上，在常规试验压力下即呈现出轻微-中等湿陷性，湿陷起始压力≤200 kPa。
(1)与湿陷性马兰黄土相比而言，非湿陷性马兰黄土含水率相对较低、干密度相对较大、孔隙比相对较低，饱和度、液塑限指标无明显差异，非湿陷性马兰黄土孔隙比、干密度、含水率对该地区马兰黄土湿陷性有着重要的影响。
(2)浸水条件对马兰黄土均存在一定的影响，会使压缩系数均有所增大，压缩模量有所降低，相比而言，其对湿陷性马兰黄土压缩指标影响更大。
(3)非湿陷性马兰黄土在正常压力下不具有湿陷性，孔隙比e0在0.85～0.90区间内时，湿陷起始压力>300 kPa，部分在压力>400 kPa时才具有湿陷性，孔隙比e0<0.85，在600 kPa压力范围内，基本不具湿陷性；
湿陷性马兰黄土孔隙比e0>0.85，大多在0.90以上，常规试验压力下，即呈现出轻微-中等湿陷性，湿陷起始压力≤200 kPa。湿陷性马兰黄土一般情况下湿陷起始压力相对较小。