延安新区黄土湿陷性与其物性指标的相关性分析_唐辉.pdf
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1、第 5 卷第 1 期 地 基 处 理 Vol.5 No.1 2023 年 1 月 Journal of Ground Improvement Jan.2023 延安新区黄土湿陷性与其物性指标的相关性分析 唐 辉1,张瑞松1,高建中2(1.机械工业勘察设计研究院有限公司/陕西省特殊岩土性质与处理重点实验室,陕西 西安 710043;2.延安市新区管理委员会,陕西 延安 716000)摘 要:湿陷系数是评价黄土湿陷性的重要指标,根据黄土物理力学指标可快速预测和评价其湿陷系数,故有必要对黄土湿陷性与其物性指标之间的关系进行研究。针对延安新区湿陷性马兰黄土,采用数理统计及理论分析,系统研究了马兰黄土湿
2、陷系数与含水量、干重度、孔隙比、饱和度之间的关系。研究结果表明:对于延安新区马兰黄土,湿陷系数与含水量、干重度、饱和度呈负相关,与孔隙比呈正相关;湿陷性的界限含水量为 17%,界限干重度为 14.5 kN m3,起始孔隙比为 0.9,界限饱和度为 50%;相对比而言,对湿陷系数影响最大的因子为饱和度,孔隙比、干重度次之,含水量与湿陷系数相关性较低。最后通过多元线性回归分析,提出了用多个物理指标评价及预测黄土湿陷性的经验公式,并验证了该公式的准确性和合理性,在工程实践中具有一定的参考价值。关键词:湿陷性评价;延安新区;马兰黄土;相关性分析;回归分析 中图分类号:TU472 文献标识码:A 文章编
3、号:20967195(2023)01001906 Correlation analysis between collapsibility and physical properties of loess in Yanan New District TANG Hui1,ZHANG Rui-song1,GAO Jian-zhong2(1.China Jikan Institute of Engineering Investigation and Design Co.,Ltd./Shaanxi Key Laboratory for the Property and Treatment of Spec
4、ial Soil and Rock,Xian 710043,Shaanxi,China;2.Yanan New District Management Committee,Yanan 716000,Shaanxi,China)Abstract:The collapsibility coefficient is an important index to evaluate the collapsibility of loess.According to the physical and mechanical indexes,the collapsibility coefficient of lo
5、ess can be quickly predicted and evaluated.Therefore,it is necessary to study the relationship between the collapsibility of loess and its physical properties.Using mathematical statistics and theoretical analysis,the relationship between the collapsibility coefficient and water content,dry weight,v
6、oid ratio and saturation of Malan Loess in Yanan New District is systematically studied.The results show that for Malan Loess in Yanan New District,the collapsibility coefficient is negatively correlated with the water content,dry weight and saturation,but positively correlated with void ratio.The l
7、imit moisture content of collapsibility of Malan Loess is 17%,the limit dry weight is 14.5 kN m3,the initial void ratio is 0.9,and the limit saturation is 50%.In comparison,the factor that has the greatest influence on the collapsibility coefficient is the saturation,followed by pore ratio and dry w
8、eight,and the correlation between the water content and the collapsibility coefficient is lower.Finally,an empirical formula for evaluating and predicting the loess collapsibility with multiple physical indexes is proposed through multiple linear regression analysis.The accuracy and rationality of t
9、he empirical formula are verified,and it has important reference value in engineering practice.Key words:collapsibility evaluation;Yanan New District;Malan Loess;correlation analysis;regression analysis 0 引 言 延安新区是目前世界上在湿陷性黄土地区“平山、填沟、造地、建城”规模最大的岩土工程1,共形成建设用地和生态综合治理用地 21.333 km2。场地形成后,延安新区湿陷性黄土主要是指分布
10、在 收稿日期:2022-04-15 基金项目:延安市成果转化与推广应用专项项目(2019ZCGZ-014)。作者简介:唐辉(1988),男,陕西西安人,高级工程师,主要从事岩土工程、水文地质勘察及岩土工程设计工作。E-mail:。DOI:10.3785/j.issn.2096-7195.2023.01.003 20 地 基 处 理 2023年1月 挖填交界区原始地形表层的马兰黄土,大部分具自重湿陷性,湿陷性土层厚度一般约为 1020 m,最大厚度约 30 m。对湿陷性黄土进行合理分析评价,是岩土工程勘察单位的重要任务之一2-3。目前常用的直接测定黄土湿陷性的试验方法主要有室内浸水压缩试验和现场
11、试坑浸水试验两种,由于现场试坑浸水试验周期长、费用高、效率低,工程实践中多采用室内试验方法进行黄土湿陷性评价4。根据湿陷性黄土地区建筑标准(GB 500252018)的强制性条文规定,测定湿陷性用的不扰动土样应为 级土样,且必须保持其天然的结构、密度和湿度。延安新区马兰黄土具有孔隙发育、粉粒含量高、含水量低的特点,现场在钻孔内采用黄土薄壁取土器“压入法”或“击入法”取样均不易取得结构完整性较好的级土样,人工探井可保证现场取样的质量,但取样深度浅、效率低,且在土样运输过程中由于振动等因素易发生结构破坏5。最终经常出现由于取样间距不符合规范要求或土样湿陷系数与现场实际判断不一致等状况,难以合理地进
12、行湿陷性评价,成为岩土工程勘察一大难题。近年来许多学者研究了关中地区、兰州、新疆等地黄土湿陷系数与基本物理力学指标之间的关系,并基于此进行黄土湿陷性的评价和地基处理方案的研究6-8,在工程实践中可起到一定的指导作用。延安新区是经造地工程形成的场地,与自然沉积的场地不同,可借鉴的研究成果很少。鉴于此,本文以延安新区 5 个建筑场地的马兰黄土为研究对象,基于大量室内土工试验资料,采用统计方法研究了湿陷系数与物理力学指标之间的相关性,并通过回归分析建立了延安新区马兰黄土湿陷系数与多个物理力学指标的经验关系模型,最后与实测数据进行了对比验证,对延安新区马兰黄土的湿陷性评价和预测具有一定的参考作用。1
13、延安新区马兰黄土物理力学性质 延安新区 Q3马兰黄土天然条件下呈褐黄色、疏松、颗粒较均匀、大孔隙显著、垂直节理发育、以黏性土为主、局部粉粒含量较大、硬塑-坚硬状态、一般具轻微-中等湿陷性。本次收集了 5 个建筑场地 245 件不扰动土样室内土工试验结果,土样用DPP-100 型汽车钻机螺纹钻头回转钻进,并采用黄土薄壁取土器静压取得,主要指标统计结果如表 1。从表 2 和图 1 可以看出,根据 土的工程分类标准(GB/T 501452007)规定,延安新区Q3马兰黄土微观上属细粒土,其颗粒组成总体特征为0.05 mm和0.005 mm 的颗粒含量较少,表明粉粒含量占 比很高,粉粒中又以粗粉粒(0
14、.010.05 mm)为主。表 1 天然状态下马兰黄土主要物理力学性质指标(样本数:245)Table 1 Main physical and mechanical properties of Malan Loess in natural state(sample number:245)统计项 含水量 w/%干重度 d/(kN m3)饱和度 Sr/%孔隙比 e 液性指数 IL 压缩系数 a1-2/(MPa1)塑性指数 IP 湿陷系数 s 最大值 18.50 16.30 73.20 1.16 0.20 0.23 17.00 0.056 最小值 6.60 12.52 17.84 0.66 0.98
15、 0.14 8.20 0.000 平均值 13.37 13.54 37.12 1.00 0.21 0.18 12.93 0.027 标准差 2.82 0.81 12.00 0.11 0.21 0.31 1.45 0.010 变异系数 0.21 0.06 0.32 0.11 1.00 1.72 0.11 0.370 表 2 天然状态下马兰黄土颗粒组成统计表(样本数:155)Table 2 Statistical table of particle composition of Malan Loess in natural state(sample number:155)值别/mm 最大值 最小值
16、 平均值 标准差 变异系数 1.000 100 100 100 0.500 100 87 100 2.0 0.02 0.250 100 80 98 4.3 0.04 0.075 100 72 96 7.6 0.08 0.050 91 46 70 10.9 0.16 0.010 29 8 18 4.8 0.27 0.005 17 5 11 2.8 0.26 第 1 期 唐辉,等:延安新区黄土湿陷性与其物性指标的相关性分析 21 图 1 马兰黄土颗粒粒径级配曲线 Fig.1 Particle size grading curve of Malan Loess 2 湿陷系数与单物理指标的相关性分析
17、综合前人在黄土地区研究成果9-10 和延安新区马兰黄土特点,选择马兰黄土的含水量、干重度、孔隙比、饱和度 4 个物理参数来研究其与湿陷系数的关系。2.1 湿陷系数与含水量的关系 从图 2 可以看出,马兰黄土湿陷系数与含水量之间呈现出负相关关系,即随着含水量的增加,其湿陷系数逐渐减小,当含水量 w17%时,湿陷系数一般小于 0.015,即不具有湿陷性。从组成物质和结构上分析,马兰黄土中有大量易溶盐和黏土矿物的存在,使黄土结构对含水量的变化非常敏感。一般当含水量较低时,天然黄土颗粒间的连接强度较大,自身结构稳定性较好,但随着含水量的逐渐增大,颗粒间的连接强度迅速降低,结构破坏,进而发生湿陷变形;但
18、当含水量增大到一定程度之后,水土之间发生一系列物理化学作用,黄土结构的水敏性随之降低,湿陷性也降低。根据线性拟合的结果,相关系数 R2较小,表明二者相关性并不明显。2.2 湿陷系数与干重度的关系 干重度或干密度是勘察技术人员现场判断黄土密实度的重要指标,也是湿陷性黄土的重要评价依据。从图 3 可以看出,随着干重度的增加,黄土的湿陷系数直线减小,根据线性拟合的结果,相关系数 R2为 0.742,黄土湿陷性与干重度之间基本呈负相关关系。当干重度 rd14.5 时,黄土的湿陷性表现较为突出;当干重度 rd14.5 时,湿陷系数一般小于 0.015,黄土基本不表现出湿陷性。因此,对于延安新区马兰黄土,
19、干重度为 14.5 kN m3可作为黄土是否存在湿陷性的界限干重度。图 2 湿陷系数与含水量的线性关系 Fig.2 Linear relationship between the collapsibility coefficient and the water content 图 3 湿陷系数与干重度的线性关系 Fig.3 Linear relationship between the collapsibility coefficient and the dry weight 2.3 湿陷系数与孔隙比的关系 孔隙比是黄土内孔隙分布特征的直接反映,孔隙比的大小一定程度上决定了湿陷系数。从图 4
20、可以看出,随着黄土孔隙比的增大,黄土的湿陷系数也随之增大,根据线性拟合的结果,相关系数 R2为 0.753,黄土的湿陷性与其孔隙比之间呈正相关变化关系。当孔隙比 e0.9 时,湿陷系数一般小于0.015;当孔隙比 0.9e1.05 时,湿陷系数一般介于 0.0150.030 之间,属轻微湿陷性;当孔隙比 e1.05 时,湿陷系数均大于 0.030,属中等湿陷性。因此,对于延安新区马兰黄土,孔隙比 0.9 可作为黄土出现湿陷性的起始孔隙比 e0。6 8 10 12 14 16 18 20 含水量/%湿陷系数 0.060 0.055 0.050 0.045 0.040 0.035 0.030 0.
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