湿陷性黄土的工程性质及相关研究进展

湿陷性黄土的工程性质及相关研究进展

姓名：陈俊捷

班级：土木1212班

学号：110420216

摘要：本文根据黄土的微结构、物理化学性质及一般力学性质等基本性质对湿陷性黄土的工程性质进行研究，探寻湿陷性黄土在各类工程中的处理方法。

关键词：黄土，湿陷性，性质，评价，工程

目录

摘要： (1)

一、黄土的基本性质 (2)

1. 黄土的微结构特征 (2)

2. 黄土的物理化学性质 (2)

3. 黄土的一般力学性质 (3)

4. 非饱和黄土力学与黄土的结构性 (3)

二、黄土的湿陷性及其评价 (3)

1. 黄土的湿陷机理和评价指标 (3)

2. 黄土的湿陷性评价 (4)

三、湿陷性黄土地基及黄土工程 (4)

1. 湿陷性黄土地基处理方法 (4)

2. 黄土滑坡工程 (6)

3. 湿陷性黄土场地的桩基础 (6)

4. 湿陷性黄土的震害防治 (7)

5. 特殊工程中的湿陷性黄土地基处理 (7)

四、总结 (7)

参考文献: (7)

在工程地质和土质学中，黄土是一种特殊性土，具体表现在，从颗粒级配上看，黄土属于粉土或粉质黏土；但从土的力学与工程性质上看，黄土又区别于一般的粉土或粉质黏土，如非饱和黄土较强的结构性、可能的湿陷性、液化及振陷等。这些特性决定了黄土的土力学及工程意义和地位，对黄土地区的工程建设有重要影响。

一、黄土的基本性质

黄土的性质包括其物理性质、力学性质及工程性质。后二者受前者及黄土的微结构特征的影响。认识到其性质的多因素影响特点，对于解决黄土地区的实际工程问题有重要意义。

1.黄土的微结构特征

黄土的微结构特征是指构成土体的固体颗粒（包括成土过程中比较稳定的大于0.005mm的骨架颗粒及在成土过程中易于变化，可再分配的小于0.005mm的黏粒物质）和与其有关的孔隙特征，以及它们在空间上的排列形式。

一般地，黄土中的骨架颗粒主要是大于0.005mm的碎屑颗粒，其中又以0.01mm的“粗粉砂颗粒”为主。此外，黄土中还存在一种特殊的骨架颗粒——集粒。骨架颗粒是黄土中最坚固的部分，在土体受外力影响时起支撑作用，黄土的湿陷和压缩变形往往是通过其连接点的断裂或错动造成的。因此，骨架颗粒的接触关系（即排列方式）和连接的牢固性直接影响到整个体系的稳定性。

黄土富含孔隙，孔隙率一般为42%-55%，孔隙比一般为0.8-1.2。黄土孔隙与颗粒大小、相互组合排列方式、生成气候条件、压实作用及风化成土作用等因素有关。

黄土中的主要胶结物是粘土矿物和碳酸钙。黄河中游东南地区的黄土随着碳酸钙的淋湿，部分黏粒分散在孔隙中，充填孔隙，使颗粒间由接触连接变为胶结连接形态。根据赋存形态，黄土的胶结物质分为薄膜状、填隙状和聚集状三种。

2.黄土的物理化学性质

黄土的物理性质与湿陷性有很大关系，主要包括土的粒度成分、可塑性、含水量和孔隙比等。

在粒度组成方面，黄土以0.05-0.005mm的粉粒为主，其含量可达60%以上；粒径小于0.005mm的黏粒含量在一定程度上决定着黄土的物理力学性质，其含量在各地地层剖面中变化非常显著，变化幅度在5%-33%之间。

我国黄土的粒度分布有如下特点：在我国黄土的主要分布区内，西黏粒少、中黏粒增多、东则黏粒下降或持平。在六盘山和吕梁山之间的南北带内，黄土粒度中北部沙粒多，自北往南沙粒含量减少，黏粒相应增多。

湿陷性黄土的液限和塑限含水量分别在20%-35%和14%-21%变化，塑性指数为3.3-17.5，大多数为9-12。土的塑性指标显示了与黄土的力度成分相似的区域性规律及差异，而且，无论是自西向东或自北向南，黄土的液限变化显著，当液限小于30%时，湿陷性一般较强烈。

一般情况下，干重度小，孔隙比大时，湿陷性强。在黄土形成过程中，干重度超过某一数值时，黄土就由湿陷性转变为非湿陷性，且湿陷性黄土的干重度在1.14-1.69g/cm3之间变化。另外，对于全新世或晚更新世黄土，孔隙比在0.85-1.24时常具有湿陷性，大多为1.0-1.1。

湿陷性黄土的天然含水量在 3.3%-25.3%变化，其大小与场地的地下水位深度和年降雨量有关，含水量越低，则湿陷性越强烈。就同一土层而言，它在我国黄土的主要分布区的西部和北部较低，往东和往南逐渐增高。

3.黄土的一般力学性质

黄土的一般力学性质包括压缩性、强度特性、应力应变关系和动力特性。

黄土的强度主要取决于含水量和密实程度，含水量越低，密实程度越高，则强度越大。相关研究表明，相同基质吸力条件下，原状黄土的总应力强度指标均大于重塑黄土；且随着基质吸力增大，两种土黏聚力的差异显著增大，摩擦角差异较小。原状黄土和重塑黄土的总应力强度指标随构度指标的变化具有基本一致的变化规律。

黄土的应力应变关系通常通过常规三轴剪切试验取得，一般表现为硬化型和软化型。相关试验得出，重塑非饱和黄土主要表现为硬化型，原状非饱和黄土主要受围压和含水量影响，在低围压和低含水量的情况为软化型，随着围压和含水量的增加，由软化型转化为硬化型。还有学者通过对重塑非饱和黄土应力应变曲线的对比，提出了非饱和黄土的结构应力分担比概念。

黄土动力特性的核心内容是土的动强度、动变形及反映动应力-动应变的动本构关系。在小动荷作用下以应力应变关系（或动模量与阻尼比）为主；在大动荷作用下，黄土的振陷成为较突出的问题，干燥黄土在强大动应力作用下会出现剪切液化现象。

4.非饱和黄土力学与黄土的结构性

在非饱和土中，结构性和非饱和性常常共同影响着土的力学性质。

当代的非饱和土力学把吸力作为各种土性特征的纽带，他的定性定量特性决定着非饱和土的应力特性、渗透特性、强度特性、变形特性和固结特性。

黄土的结构性是描述土物理本质中比粒度、密度、湿度更为重要的一个侧面, 它是指黄土的骨架颗粒成分、形态、排列方式、孔隙特征、胶结物种类以及胶结程度等对黄土的工程性质的影响。

二、黄土的湿陷性及其评价

1.黄土的湿陷机理和评价指标

黄土湿陷性的发生有其内在因素和外在因素两个方面。内因主要是由于土本身的物质成分（指颗粒组成、矿物成分和化学成分）、结构及含水量，这是湿陷

性的根本原因。外因主要是水和压力的作用。

反映黄土湿陷性的主要指标有湿陷系数δs 、自重湿陷系数δzs 和湿陷起始压力p sh 。

研究表明，湿陷系数与其累计主成分呈正比关系，因此，可以根据黄土微观结构的主成分预测黄土的湿陷性。

按室内浸水（饱和）压缩试验在一定压力下测定的湿陷系数进行判定：当湿陷系数δs 值小于0.015时，应定为非湿陷性黄土；当湿陷系数δs 值等于或大于0.015时，应定为湿陷性黄土。

2. 黄土的湿陷性评价

黄土湿陷性评价包括场地和地基两个方面。

湿陷性黄土场地的湿陷类型(即区别自重湿陷性黄土场地或非自重湿陷性黄土场地)的评价按自重湿陷量的实测值△zs ’或计算值△zs 确定：当△zs ’或△zs 小于或等于70mm 时，应定为非自重湿陷性黄土场地；当△zs ’或△zs 大于70mm 时，应定为自重湿陷性黄土场地；若两者矛盾，则按实测值判定。

湿陷性黄土地基是由基底下不同厚度的湿陷性黄土层所组成，湿陷等级用以表示地基的湿陷程度。湿陷性黄土场地的湿陷等级可按下表判定。

表2-1 湿陷性黄土地基的湿陷等级

在黄土地区修建建筑物, 应首先考虑选用非湿陷性黄土地基, 它较经济可靠, 如确定基础位于湿陷性黄土上, 则应尽量利用非自重湿陷性黄土地基, 因为这种地基的处理与自重湿陷性黄土地基相比, 要求较低。

三、湿陷性黄土地基及黄土工程

1. 湿陷性黄土地基处理方法

湿陷性黄土的干密度小，含水量较低，属于欠压密的非饱和土，其可压（或夯）实和可挤密的效果好，采取地基处理措施应根据湿陷性黄土的特点和工程要

△s/mm

湿陷类型

非自重湿陷性场地 自重湿陷性场地 备注 △zs ≤70 70＜△zs ≤350 △zs ＞350

*，当湿陷量的计算值△s ＞600mm ，自重湿陷量的计算值△zs ＞300mm 时，可判为Ⅲ级，其他情况可判为

Ⅱ级 △s ≤300 Ⅰ(轻微)

Ⅱ（中等） - 300＜△s ≤

700

Ⅱ（中等） *Ⅱ（中等）或 Ⅲ（严重） Ⅲ（严重） △s ＞700 Ⅱ（中等） Ⅲ（严重） Ⅳ（很严重）

求，确定地基处理的厚度及平面尺寸。地基通过处理可改善土的物理力学性质，使拟处理层的干密度增大、渗透性减小、压缩性降低、承载力提高、湿陷性消除。

1)垫层法

该方法适用于地下水位以上、局部或整片处理，可处理的湿陷性黄土层的厚度为1～3m。施工时应先将基底下拟处理的湿陷性黄土挖出，并利用基坑内的黄土或就地挖出的其他黏性土作填料，灰土应过筛和拌合均匀，然后根据所选用的夯实设备，在最优或接近最优含水量下分层回填、夯实至设计表高。它消除了垫层范围内的湿陷性，减轻或避免了地基因附加压力产生的湿陷，可以使地基的自重湿陷表现不出来。这种方法施工简易，效果显著，是一种

常用的地基浅层处理或部分湿陷性处理方法。

2)强夯法

该方法适用于地下水位以上，饱和度小于等于60% 的湿陷性黄土，局部或整片处理，可处理的湿陷性黄土层的厚度为3～12m。强夯法亦称动力固结法，通过重锤的自由落下，对土体进行强力夯实，以提高其强度，降低其压缩性，该法设备简单，原理直观，适用广泛，特别是对非饱和土加固效果显著。这种方法加固地基速度快，效果好，投资省，是当前最经济简便的地基加固方法之一。

3)挤密法

该方法适用于地下水位以上且饱和度小于等于65%的湿陷性黄土, 可处理

的湿陷性黄土层厚度为5～15m。挤密法是指用沉管、冲击、夯扩、爆破等方法成孔, 然后用填料, 如素土、灰土必要时用水泥分层回填夯实的一种地基处理方法。这种方法施工简便, 是一种效果好较经济的方法。

4)孔内深层强夯（DDC）法

该法适用于处理杂填土、软弱土、湿陷性黄土和可液化土地基。在对孔内填料强夯的过程中，迫使孔内填料侧向挤出，使桩周一定范围内的土体受到挤压、扰动和重塑，同时，强夯产生的巨大的夯击能量产生的波和动应力反复作用，迫使土骨架产生塑性变形，从而提高土的密实度和抗剪强度，改善土的变形特性，所形成的复合地基在消除湿陷性的同时，也大幅提高了地基的承载力。较之土或灰土挤密桩，该法处理后的复合地基承载力更高且均匀，处理深度更深，效果也更为理想。

以西安市南郊少陵塬某拟建场地为例。地层主要由①杂填土(Q4ml) 、②黄土(Q3eol) 、③黄土(Q3eol)、④古土壤(Q3el)、⑤黄土(Q2eol)、⑥古土壤(Q2el) 、⑦黄土(Q2eol) 、⑧古土壤(Q2el) 、⑨黄土(Q2eol) 、⑩古土壤(Q2el)等组成，其中②、③、④、⑤、⑥具有中等湿陷性，湿陷土层深度约18m。为自重湿陷性黄土场地，地基湿陷等级为III级（严重）湿陷性黄土地基。拟建建筑为地上24 层，地下3 层，力墙结构，筏板基础，基础埋深9.000m。

该建筑物属于自重湿陷性黄土场地上的甲类建筑。依据国家标准《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB50025-2004)，甲类建筑应消除地基的全部湿陷量或采用桩基础穿透全部湿陷性黄土层，或将基础设置在非湿陷性黄土层上，必须针对湿陷性进行地基处理。本工程采用DDC法。经试桩实验，在桩距为950mm时，满足设计要求。

为检测灰土挤密桩（DDC 法）处理后复合地基的处理效果，挤密桩施工后进行了单桩复合地基静载荷试验，桩身灰土密度试验和桩间土一般常规试验及湿陷性试验。检测结果表明：地基土的承载力由处理前的170kPa提高到340 kPa（复合地理），桩间土的干容重明显增大，孔隙比明显减小，压缩系数明显降低，压

缩模量显著提高，地基处理效果良好。

2.黄土滑坡工程

黄土滑坡是黄土地区常见的地质灾害之一。大多数黄土滑坡是多种内外因素综合作用的结果，具有相当长的形成过程，加之地震或暴雨诱发形成滑坡。因此，治理黄土滑坡相当重要。

以新寨村湿陷性黄土滑坡位于陕西省子长县余家坪乡新寨村南侧为例，该滑坡西侧主滑方向为314°，东侧主滑方向为354°，整体上呈后缘缓，前缘陡，中部较缓，滑体前缘直达秀延河沟底，为一中型湿陷性黄土质滑坡，由于该滑坡具有下滑趋势，将对其滑体前缘方向的西气东输管道工程造成巨大影响和危害，威胁管道输气的安全，所以有必要对其进行治理。

根据该滑坡的实际情况，考虑滑坡土质为湿陷性黄土，根据湿陷性黄土的特点，为保障输气管道的安全，采取了如下治理方案:

1)西侧滑坡体前缘临空面上发育有一条冲沟，在该冲沟上设置过水管涵，

在过水涵上部采用原土夯实回填，以减小西侧滑坡体上的临空面，从而

增强滑坡的稳定性。

2)在过水管涵前缘设置排水沟，与管涵连接，把水引入秀延河。

3)在滑坡体前缘设置重力式抗滑挡土墙，并设置护岸，防止秀延河水对滑

坡体前缘侧岸的冲刷和淘蚀。

4)针对滑坡体上的裂缝、落水洞，采取回填并夯实的方式进行处理，以减

少降水进入滑坡体，增强滑带的抗剪能力。

治理效果描述：

拉张裂缝及落水洞的夯实，有效地减少了地表水大量渗入滑体内，缓解了滑体的恶化。

截排水系统和排水沟的设置，减少了地表水对湿陷性黄土的危害，提高了湿陷性黄土的强度。设置重力式抗滑挡土墙后，滑坡体的变形得到明显的控制，抗滑挡土墙和岩体的相互协调作用明显增加。

3.湿陷性黄土场地的桩基础

桩基础的使用在黄土地区很普遍，根据工程要求、场地湿陷类型、湿陷性黄土层厚度、桩端持力层的土质情况等因素可选用不同的桩基础，如钻挖孔灌注桩、挤土成孔灌注桩、静压或打入的预制钢筋混凝土桩等。

对于地处强地震区及地震多发区又是强烈湿陷性黄土区的地区, 如甘肃省，根据《建筑抗震设计规范》和《湿陷性黄土地区建筑规范》既要考虑抗震设计，又要考虑防湿陷设计。这时需把桩周土湿陷产生的负摩阻力与地震作用产生的桩顶轴力都一律按外荷载对待。湿陷与地震在一定条件下可能遇合，依建筑物地基浸水可能性与建筑物重要性确定遇合可能，且控制在小范围内较合理。

湿陷性黄土兼地震区建筑桩基竖向承载力计算应考虑两类组合4 种情况，即无湿陷、无地震与有湿陷、有地震(荷载效应基本组合)；无湿陷、有地震与有湿陷、有地震(地震作用效应组合)。大厚度自重湿陷性黄土上的预制桩，由第2 组合(无地震、有湿陷)中的湿陷所控制，说明自重湿陷性黄土区负摩阻力影响不可忽视。

4.湿陷性黄土的震害防治

考虑到地震区的建筑抗震设计，需要有较强的结构措施；湿陷性黄土地基上的建筑也需要柑应的结构设计措施。

当地基发生湿陷时，则可利用建筑的空间刚度，使上部结构和地基产生共同作用，而对地基压力重新分配调整, 以减少不均匀沉降，从而减轻或避免建筑的损坏。加强建筑空间刚度的主要措施有：空置房屋的长高比（2.5-3.5左右），合理设置横墙（考虑侧向刚度），承重墙尽量对齐贯通，窗间墙留有足够宽度等。

5.特殊工程中的湿陷性黄土地基处理

对于湿陷性黄土的老采空区这一特殊条件下的地基，在建筑设计时, 要充分考虑老采空区可能产生的残余沉陷变形, 以及湿陷性黄土等特殊土地基对建筑物的不均匀沉降影响, 要采取适当的抗变形措施, 以保证建筑物的安全。

机场工程飞行区地基与建筑及公路地基有相似之处，但仍有其自身独有的特点（横断面宽度大；可能的填方高度大，如地基湿陷等级在Ⅱ～Ⅲ级的山西吕梁机场其最大填方高度达

82.6米），地基实际受力与建筑地基有很大不同，若仍按一般方法判定湿陷性，可能会夸大或低估黄土地基的湿陷性，或由于地基处理方法的不当而引起工程事故。因此，有必要针对机场工程的典型特征而考虑湿陷系数的压力问题。

四、总结

对于黄土工程特性研究，前人通过大量的实践经验，总结并认识了湿陷性黄土的主要特征并应用在实际工程中。未来黄土地区的工程数量和难度将越来越多，黄土地区的工程建设将面对更大的技术挑战。

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