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阅读 7334 次 黄土的工程地质特征及分类命名的建议

摘要:鉴于目前各种地基基础规范和工程地质勘探报告对黄土地层的分类命名比较混乱,现行规范虽然反映了各种工程的特殊性,但未能反映黄土的本质。本文对现有分类命名作了分类比较,以土的本质为基础,反映黄土的特性,提供几种黄土分类命名供参考。...

黄土的工程地质特征及分类命名的建议

刘祖典郭增玉

(西安理工大学岩土所710048  西安)

1、黄土的工程地质牲

    黄土是第四纪陆相的特殊沉积物,它的生成和发育随着时代成因、自然环境条件的不同,具有不同的发展规律和性质。因此它的物理力学性也随着时代成因和地区的不同,某些特性有所改变。西北是我国黄土分布最广最多的地区,沉积厚度大,地层特征和物理力学性质都表现出明显差异和变化,一般我们在鉴别什么是原生黄土时认为原生黄土具有以下特征:

    1)颜色是黄色、淡黄色或棕红色等;

    2)多孔性,有肉眼可看到的大孔隙,孔隙比一般为0812   

    3)含有大量的石灰质(CaC03)结核,具有条状、粒状和层理;

    4)土颗粒组成以粉粒为主,约占总量的60-70%,原生黄土中以005~0Olmm的较粗颗粒占优势,次生黄土中以001~0O05mm的较细颗粒占优势;

    5)具有结构性和垂直节理,在天然状态下能保持直立边坡;

    6)水敏性强,即它的变形强度和稳定性对水的作用特别敏感,常造成工程事故。

    关于黄土命名问题,根据不同工程的不同需要,曾提出许多不同名称,如老黄土(原生黄土)、新黄土(次生黄土)、砂黄土、粘黄土等。

    总之,黄土的命名极其广泛,由于它具有不同时代成因和地区性的特点,所以在命名时要求完全统一有一定的困难;黄土的地貌类型主要取决于古地貌的形状,也受自然条件如地层构造运动、雨水浸蚀、气候变化、土质演化等情况的影响,所以性质也显得千差万别。

    关于黄土的成因众说纷纭,但总的来说可归纳为风成、洪积和坡积,还有可能在不同条件下产生不同成因复合类型的土壤,多种成因和区域性的条件是研究黄土成因命名的重要前提,肯定一种学说,显然不符合客观实际。

    正确认识黄土,找出黄土的一般固有特性和工程特性规律,可在工程实践中结合实际,应用这些规律分析判断采取处理措施是十分重要的。

    我们经常通过黄土的颗粒分析,对黄土级配中砂粒、粉粒及粘粒含量进行系统地分析研究,找出级配组成的规律,以其颗粒、级配组合、本质特征予以分类定名是比较科学切合实际的,但未能反映黄土特性的全貌,未反映黄土颗粒胶结和微结构特征等。

    塑性指数(plasticity index),是黄土分类命名的敏感性指标,根据它可以近似了解黄土的物理、力学性质,如颗粒组构、水理性和强度变形的特性等。

    对于黄土的分类,从地质方面通常将黄土分为原生黄土(标准黄土或典型黄土)和次生黄土(黄土状土或亚黄土)。原生黄土,经过水流冲刷、自然营力、地质构造运动形成次生黄土,如冲积、洪积、坡积和冰积黄土等,这些黄土不像原生黄土质地均匀,无层理,结构密实、均匀,而具有层理,颗粒组成比较复杂,物理力学性质也较差。一般情况将粘性土分成三大类,即粘质土、砂质粘土和粉质粘土,黄土基本属于粉质粘土。

    目前对黄土的分类命名大致有四种方法,简述如下:

    1)工程地质分类法是以黄土的地层、年代、成因为基础的体系分类,如下表l

1按时代成因分类

时代

名称

全新世Q4

新黄土2

马兰黄土2

上更新世Q3

新黄土1

马兰黄土l

新黄土

中更

上部Q22

老黄土上部

离石黄土上部

新世

下部Ql2

老黄土下部

离石黄土下部

下更

老黄土下部

午城黄土

老黄土

新世

Q1

尚有更老的黄土

    工程地质特征分类是地质工作者经过长期对黄土地层的成因和构造、勘探调查的结果,反映了成因时代、地层结构的实际情况;也是近期刘东生院士总结各家分类成果的研究结果,对此分类大家都认可,无什么非议之处。

    2)土力学和水工建筑学,以土的颗粒组成分类。这样的分类便于判定土的组构、级配和胶结情况。

    因为黄土的颗粒组成以粉粒为主(50%一70),其命名均冠以粉质,其次为粘粒,所以称为粉质粘壤土(silty clay loam)。又以含粘量多少区分为重、中、轻粉质壤土(loam);粉质砂壤土(silt sand loam),以粉粒和砂粒为主及一定的粘粒,所以称之为粉质砂壤土,又以其含粘量多少区分为重、中、轻粉质砂壤土,如下表2所示。

2按黄土的颗粒组成分类

粉质粘壤土(亚粘土)

silt clay loam

含粘量

粉质砂壤土(亚砂土)

silt sand loam

含粘量

重粉质壤土

3020

重粉质砂土

106

中粉质壤土

20~15

轻粉质砂壤土

6-3

轻粉质壤土

1510

粉土

<3

    按黄土颗粒组构和级配分类方法,反映黄土颗粒组成的三大主要组成部分,如粉粒、砂粒和粘粒,由于各种颗粒含量比例不同,又分为粉质壤土(亚粘土),其中颗粒含量为粉粒>粘粒>砂粒;粉质砂壤土(亚砂土),其中颗粒含量为粉粒>砂粒>粘粒;这种分类不仅反映了黄土颗粒组成级配,也反映黄土物理力学性的差异,同时也反映黄土在形成的过程中由于自然营力的强弱,如风力和水力的冲运,其颗粒组成由西向东,由北向南由粗变细的变化规律,结构疏密情况,如表3所示。粉粒和砂粒构成黄土的骨架,粘粒及其他化学成分为骨架颗粒的胶结物,由于胶结牢固程度不同,致使黄土结构疏松、紧密、软硬状态,孔隙大小、多少不同。从而显示出黄土不同的物理力学性质和不同的工程性质。

3  黄河中游各省黄土的颗粒组成

>0.05ram

0.05一0.005mm

<0.005mm

地区名称\

均值

均值

均值

Ip

分类名称

颗粒组成

青海

20.83

60.75

18.40

甘肃

19.94

65.60

14.06

l<Ip<lO

黄土质

砂粒>

兰州

2029

5872

815

砂粘土

粘粒

陕北

27.60

61.50

10.90

陕西关中

14.08

63.00

22.44

黄土质粘砂

粘粒>

山西太原

1725

5565

1825

10<Ip<17

砂粒

河南洛阳

11-18

53-66

1926

    注:表中只给出各地区黄土组成颗粒的总平均值,其变化范围可参考[12]

    3)建筑地基基础设计规范以黄土的塑性指数为基础的分类定名,塑性指数是反映土的物理力学性质的重要指标,按塑性指数大小的分类命名如表4

4黄土按塑性指数分类

分类名称

塑性指数

土粒成分

粉质亚砂土

l<Ip<lO

粉粒>砂粒>粘粒

粉质亚粘土

lO<Ip<17

粉粒>粘粒>砂粒

粉质粘土

Ip17

粉粒>粘粒≥砂粒

    建筑地基基础设计规范的分类,以塑性指数(Ip)为分类依据。塑性指数(Ip)是反映黄土的物理力学性质的重要指标,它与黄土的颗粒组成、变形强度有密切关系,通常与黄土的含粘量、变形模量(E)、强度指标(cφ)建立了相关关系,以其判定黄土的承载力(R)和变形量大小,变形速率等,这种分类公认是合理的,也是比较容易测定的,广泛用于土质地基基础建筑设计规范,但未反映黄土的本质特征。

    4)按黄土的湿陷性分类

    湿陷性是新黄土(Q3Q4)--大突出力学特性。对黄土湿陷性的评定,湿陷性黄土规范以湿陷系数(δs)为主要指标,它是湿陷性黄土地基分类、划级、预测湿陷量的依据。根据湿陷系数(δs),将黄土划分为非湿陷性黄土(δs<0015,湿陷性黄土(δs>0Ol5);又由于黄土的成因时代和力学特性不同,有的黄土地层在饱和上覆土层自重压力作用下也发生湿陷(zs>7cm)称为自重湿陷性黄土,反之则称为非自重湿陷性土层。这种分类法具有一定的工程性,可变性,常随工程特性和地面标高(挖方或填方)而变化。

    这一分类定名是建国50年来学习原苏联和我国工程实际经验的总结,并制成湿陷性黄土地基规范(667890规范),在黄土地区工程建筑中发挥了重要作用。但我们应该知道,这一指标(δs)是工程实践经验的指标,有一定局限性,例如它是在侧限标准压力(200kPa)浸水压缩饱和条件下的定量指标。这与通常工程上遇到的非侧限条件有一定出入,再者,黄土地基的设计承载力一般都小于200kPa,而且在具体建筑基底压力作用下,地基中的附加应力(σ)分布随深度而减少,与它相应的湿陷系数均小于p=200kPa下的,所以一般用δs计算的湿陷量(s)均大于实测值,夸大了地基的湿陷性。图l中所示一组用双线法测定的δs—p曲线是黄土在不同起始含水量、干重度(γd)和不同压力下的饱水情况下的湿陷系数,是黄土湿焰性的固有属性,不受人为因素的影响,利用这组曲线可求得地基不同土层在不同ωoγd和附加压力作用的湿陷系数,较符合实际。该曲线族不仅可以确定不同压力(p=200kPa和自重压力)下的湿陷系数,还可以确定不同起始ωo。和γd的湿陷起始压力等,尤其便于确定地面设计标高变动时的δzs值,不需作补充试验。但它仍未克服侧限和地层中水份动态变化的影响等.看待进一步改进和提高。

2、建议的黄土分类命名

    现行地质勘测报告和地基规范,对黄土地层命名太简单,只说明地基地层的组成为黄土、古土壤、粘土和砂砾层等,未反映地基的土质特性,不能给设计工作者对黄土地层性质以明确的概念,提高地基设计的准确性。这方面今后应予以改进和加强。勘测报告中对地层的分类命名,应以塑性指数(Ip)为主,同时考虑黄土颗粒组成和特性较合适。这一命名法,既反映了黄土的强塑性特性,也反映了黄土的颗粒组成,概念清楚,也较符合实际。现建议下列两种命名方案(如表5),可予以选用。

5建议的黄土分类命名

分类原则/方案

1

2

颗粒组成

Ip

黄土质砂粘土

砂黄土

粉粒>砂粒>粘粒

l<Ip<10

按土质分类

黄土质粘砂土

粘黄土

粉粒>粘粒>砂粒

10<Ip<17

黄土质粘土

粘土

粉粒>粘粒≥砂粒

Ip17

按湿陷性分类

非湿陷性黄土8s<0.015,湿陷性黄土(含自重湿陷性)δs>0.015

    注:如为古土壤层时,可将黄土质改为古土壤。

参考文献:

[1]刘祖典《黄土力学与工程》陕西科学技术出版社,l997年;西安:pl3

[2]西北水利科学研究所《西北黄土的性质》陕西人民出版社,l957年;西安:pl26

[3]谢定义《试论我国黄土力学研究中的若干新趋向》岩土工程学报,2001N01V0123

[4]高天鹅,高玉广《黄土特征及分类命名,湿陷性黄土研究工程》中国建筑工业出版社,2001年;兰州

(本文来源:陕西省土木建筑学会  文径网络:文径 尹维维 编辑  刘真 审核)

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