关于沉积黄土的工程地质问题

关于沉积黄土的工程地质问题

作者：苏珊·耶林弗莱贝格工业大学

摘要：地球表面的大约百分之五的面积被黄土所覆盖。特别是在亚洲地区，许多城市都座落与黄土地区。在实践中遇到的沉积黄土的主要问题是由于加载和浸水引起的结构性塌陷。这一过程称为水固结作用。这是一个从开放的颗粒堆积状态到闭合的颗粒堆积状态的过渡。其中，这一过程取决于颗粒堆积的种类和现有成分，例如：石英、长石、云母。特别是粘土和碳酸盐的对于塌陷的烈度有着重要的决定作用。在土木工程中沉积黄土是一种特殊的工程地质问题土壤，有必要黄土塌陷的过程以防止结构性的崩塌。在自然含水条件下沉积黄土表现出很高的承载能力，但是这一能力会在饱和条件下立即丧失。由于人类对城市供水新技术的开发，这一过程的缺陷变得越来越突出。

关于黄土

定义

黄土是一种颗粒较细粉质的风成未固结的堆积物，通常是黄色或棕色包含细小的矿物颗粒由于风的搬运作用形成。这些颗粒比砂土颗粒细但是比粉土或粘土颗粒粗。平均的颗粒大小为0.02~0.06㎜。在世界上的一些地区沉积黄土在厚度上常有数米，地层稳定并且在顶土上常形成耕植土。是一种前冰川活动的产物。

结构

黄土主要由石英、长石、云母颗粒构成，颗粒角度呈现出小的抛光度和磨圆性。因为颗粒有棱角，黄土常能保持土坡的形状不坍塌很多年。黄土的这种特性称为垂直节理性，这一特性使得在黄土中营造黄土窑洞成为可能。尽管如此，水、风和地震活动对黄土的侵蚀作用还是非常巨大。分布

黄土高原广泛分布于亚洲、欧洲、北美洲和南美洲部分地区，覆盖了大约10%的世界陆地面积，风成黄土的面积约占5%。例如在过去的二百四十万年里，中国的黄土堆积形成了黄土高原，这一区域的面积约有440.000㎞²。黄土的厚度通常达到50-100m，尽管如此在西北部的半干旱的黄土高原发现了厚度超过300m的黄土。

欧洲分布地点：波兰；乌克兰地区，奥地利南部，奥地利北部，奥地利东南部的施蒂里亚等地。

德国分布地点：Jülicher Börde, Zülpicher Börde, Kölner Bucht, Ravensburger Hügelland, Leipziger Tieflandsbucht, Oberlausitz, Lommatzscher Pflege, Thüringer Becken等地。

黄土地区对于农业经济有非常重要的意义。因为土壤微小的颗粒富含空气和植物生长所需的矿物成分。这种肥沃的土也被作为一种愈疗土在医药上应用。

分类

1.黄土梯：垂直侵蚀的沟，状如楼梯。

2.黄土井：环形的隔断. (图1)

3.黄土桥：黄土井间的连接部分(图1)

图1：黄土侵蚀

形成

黄土在最后的冰河时代形成，那时巨大的冰川覆盖了地球表面的绝大部分。当气候转暖，温暖的气候使得冰盖融化并且产生水量巨大的峡谷河流和广阔的冲积淤泥平原。当这些平原干涸，强风把暴露于地表的沉积物吹走并且将更细小的矿物成分从洪积平原带到沿海地区也就形成了陡土坡，如果细粒继续堆积，更高的山丘形成了。通常若干沉积黄土层是沉积在其他黄土层顶上的，因为每个冰盖融化产生新的沉积黄土。

土力学特性

颗粒状态

湿陷土的结构是由开放性的，30μm粒径中等的棱角尖锐的颗粒组成，颗粒平均轴大约比例是8：5：2。开放性的结构是由于风成形成的，也正因此上覆土层土压力增长缓慢。颗粒间的接触常在上覆土层压力增长前就固定了。这些接触关系中一些交互接触颗粒起着更重要的作用。在黄土排水固结的过程中这些交互接触的颗粒的接触在整个黄土系统中是一个显著特色。

什么是排水固结？由于科学家使用俄文和英文对其定义，文字上的定义仍然有两种分歧。总的来说归结为“排水固结本质上是一种由开放的颗粒堆积状态转变为更紧密的颗粒堆积状态的过程”（Rogers 1994）是什么引起排水固结的？可以假定一种沉积黄土的模型，只由磨圆度差的石英和长石颗粒构成的随机开放结构，不含粘土，碳酸盐和其他矿物成分。这一理想的黄土结构模型是刚性的并具有膨胀性，由于石英——石英这种点接触不会被水削弱所以当加荷载和浸水时它不会湿陷。典型的黄土湿陷在这种特定的接触关系重建时发生。这种理想的石英——石英边界表面接触关系在湿陷性黄土中近乎不存在。两种重要的矿物成分对于接触关系重建有影响：粘土和碳酸盐。这些成分混合存在于大多数的沉积黄土中。

在图2中可以看出有下列四种重建模式：

（1）小团粘土模式-少量的您图矿物存在于黄土系统当中，集中分布于主结构间的接触表面上。

（2）少量碳酸盐模式-接触点被少量的石灰胶体粘结产生刚性的结构，这一粘合力在小范围内保持增长。

（3）大量粘土模式-粘土填充大部分基本颗粒结构间的空隙并形成连续的土相。

（4）大量碳酸盐模式-碳酸盐填充粒间空隙并且产生大范围的胶结现象。（Rogers 1994）

在图3中所示四种理想抗剪力黄土系统。应力交点对应着破坏点。曲线3b说明原始结构在小范

围内的抗破环力是很高的，但是它是刚性结构所以当其一旦发生破环抗剪能力会迅速降低。曲线3c典型地说明大范围内粘土矿物对于系统的抗破坏能力有着很强的影响，即使开始发生破坏时抗破坏能力也不会显著降低。少量粘土模式对应的曲线3a可能是最有趣的，如果粘土的量很小在系统内的小范围内的抗破坏能力还是相当高的。粘土在颗粒接触关系重建时在小范围内形变增大引起抗破坏能力缓慢降低，但是对于少量碳酸盐模式下就不同了，曲线3b和3d形状上没有显著差别，但是大量碳酸盐模式的前期抗力较大并且刚性特性可以抵抗小的形变，但是一旦失效破坏，抗力会迅速降低。

在1973年，Handy发现湿陷性黄土含有少量的粘土矿物成份，而且在粘土矿物含量越高黄土就不会发生湿陷。小团粘土系统在干燥时是刚性的但当湿润时接触发生滑移。主要的接触点因此而移动以至于结构发生破环。在大团粘土系统中没有结构性的破坏的发生但是也许有塑性变形产生。这一系统总体上前期边界接触关系表现出具有小范围内的开放性结构，在初始的边界是固定不变的，但是在水和应力的作用下侧向局部范围发生出粘土颗粒边界接触点的移动。初始的抗破坏能力也许会由于少量的碳酸盐产生的附加刚度而被强化。（Rogers 1994）

结果：在黄土区有大范围的侧向和垂直向的排水固结变异分化。

图2：四种理想的边界接触系统;棱角状的主要矿物颗粒的基本结构，加上（a）少量的粘土（b）少量的碳酸盐（c）大量的粘土（d）大量的碳酸盐（Rogers 1994）