陕西黄土承载比值区域性分布规律

景宏彬，牛天培，景宏君，吴立岗，尹　鹏

(1.陕西省水务集团有限公司，陕西西安 710068；2.陕西省西安公路管理局，陕西 西安 710003；3.西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054；4.安康市316国道麒麟沟至旬阳公路改建工程指挥部，陕西 安康 725000；5.陕西省安康公路管理局，陕西 安康 725000)

0　引　言

黄土为一种特殊的筑路材料，因受气候环境等变化影响，其内部结构和工程性质复杂，所表现出的层间各向性能有明显差异。大量实践证明，黄土的构成和其形成地质年代的不同会很大程度影响其工程性质[1]。路基土的CBR值是公路路面结构设计重要参数，其受土的基本性质、含水率等因素影响，尤其是黄土路基，在最佳含水率和最大干密度相同情况下，若所取黄土地层不同，则路基的工程性质存在显著差异。目前填筑路基所用黄土CBR值很难达到现行规范要求，生产实践中尽管采用掺无机料、提高压实度标准等措施来提高压实路基的CBR值，但工程造价明显增加，且不具有环保节能效果。

目前在黄土工程力学性质理论结合实践方面，国内外较多学者做了大量理论与试验研究，也进行了较多生产实践检验，如邢鲜丽等利用三轴固结不排水试验测出了陕西黄陵黄土不同含水率下的抗剪强度参数[2]；廖红建等对陕西关中黄土进行了一系列动三轴试验，研究了其在动荷作用下的动力特性[3]；陈海军对兰州黄土进行了二元结构本构模型分析和采动厚湿陷性黄土破坏数值模拟研究[4]；庞奖励等对陕西关中黄土进行了微结构系统研究，得出了微结构沿黄土剖面垂直方向的变化规律[5]；景宏君研究了黄土路基压实后其积水入渗规律[6]；李健采用正交试验设计，研究了浸水时间、压实度及二者交互作用和土样冻融作用下对CBR值的影响敏感性[7]；刘钦普选择了8种微量元素和碳酸钙含量，利用计算机技术判别分析了陕西洛川黄土地层的划分[8]；姜旺恒对压实黄土进行直剪和单轴压缩试验，分析了压实黄土强度和变形指标随其物理指标等单因素变化规律[9]；BISHOP A W等研究了饱和土和非饱和土的有效应力、强度影响因素[10-11]；王雁林等研究了陕西省黄土地质灾害风险区划方法[12]；Alireza Tabarsa等研究了纳米黏土改变黄土强度的影响因素[11]；薛振年、景宏君等研究了陕西咸阳旬邑连续黄土剖面的CBR值规律[13]；吴剑云研究了甘肃西峰黄土剖面地层CBR值分布规律[14]；LOOK B研究了基于CBR试验的空间和统计分布模型[15]；等等，以及其他众多国内外学者从黄土的结构强度[16]、空间分布模型[17-18]、CBR值的影响分析[19-20]；神经网络模型预测分析CBR值[21]、提高CBR值的方法[22-24]，以及黄土的本构模型研究[25]。每位学者的研究角度不同，所得结果均有差异，但均未从黄土CBR值区域性分布规律与其地质地层构成、黏粒级含量、矿物及其黏土矿物含量相关联的角度出发进行研究。陕西境内黄土分布较广，文中探讨性研究境内黄土不同地质地层情况下，其CBR值的区域性分布规律，为该地区工程实践中CBR值合理取值提供理论指导。

1　试验方案

研究黄土，主要是掌握其工程地质性质，便于为生产服务。黄土的主要工程地质指标是相互影响、密切关联的，都受黄土自身的物质组成及形成条件共同制约。众多研究成果分析表明，陕西黄土所表现的一些基本性质，在不同区域和不同层位均存在一定差异，其变化规律为：由北而南，黄土的砂粒级含量变少，黏粒增加；一般容重与孔隙比分别有增大与减小的趋势；从平均值来看，凝聚力、塑性指数有所增大，压缩性、湿陷性区域减小。从剖面而言，由上到下，即年代上由新到老，呈现如同由北而南的变化趋势更为明显。就古土壤与相邻黄土层比较，前者工程地质性质通常较好。

1.1　试验所取典型黄土剖面

文中所讨论黄土主要选取了陕西境内榆林横山狄青塬、延安洛川黑木沟、咸阳旬邑下墙和渭南临渭吴田典型黄土剖面做为研究对象，因这4个黄土剖面地层齐全，地层分布明显，就陕西而言，从北到南，由西至东，基本上已经覆盖了全省黄土分布区，所研究成果应该具有普遍性和代表性。

横山狄青塬黄土剖面：位于陕西省榆林市横山县塔湾镇狄青塬东侧，剖面总厚度230.2 m，其中黄土厚197 m，缺失L0层，S0层较薄，仅为0.2 m，其他地层从S0到L16，剖面地层除L0层外完整无缺失。

洛川黑木沟黄土剖面：位于陕西省延安市洛川县城南黑木沟东侧(黄土博物馆)，由上游的秦家寨剖面与下游的谷咀剖面连接而成。剖面总厚度143 m，地层从L0到L15完整无缺失。

旬邑下墙黄土剖面：位于陕西省咸阳市旬邑县职田镇下墙村，剖面总厚度141.2 m，地层从L0到S43完整无缺失。

临渭吴田黄土剖面：位于陕西省渭南市临渭区丰原镇吴田村，剖面总厚度128.5 m，地层L0到S21完整无缺失。

1.2　试验方法

加州承载比(CBR)试验目前已成为评价路面材料强度和稳定性的一项重要技术指标，其值为表征路基填料的一项指标，也即其值表征的是标准试件在贯入量为2.5 mm时所施加试验荷载，与标准碎石材料在相同贯入量时所施加荷载之比值(用百分率表示)。

文中试验材料采用榆林横山狄青塬剖面、延安洛川黑木沟剖面、咸阳旬邑县职田镇下墙剖面和渭南临渭吴田剖面上的各层黄土(层数分别为15，16，43和22)，取样原则为：顺序从剖面顶层至低层，每层黄土每间隔1 m取一个样(土层不足1 m时，按一层取样)，试验确定其加州承载比(即CBR值)、颗粒组成、矿物成分及其含量。

2　陕西黄土的区域性分布与CBR值关系

大量研究表明，采用细粒土(黏粒土)填筑路基，土体颗粒组成、矿物成分及含量对土体CBR值影响很大。黄土作为特殊土，属于低液限黏土，其物理化学性质表现较为复杂。文中针对陕西黄土地域不同，自陕北到关中，由关中西部至关中东部，选用具有代表性的剖面，从黄土的不同地质地层、颗粒组成、矿物成分及其含量方面进行研究，以期找寻陕西黄土的区域性分布与其CBR值的关系规律。

2.1　不同地质地层

文中选取陕西境内榆林横山狄青塬、延安洛川黑木沟、咸阳旬邑下墙和渭南临渭吴田典型黄土剖面，从不同地质地层(Q纪)黄土CBR值分析研究其区域性分布规律，主要体现如图1和表2所示规律。可以看出，陕西黄土典型剖面总体厚度规律呈现由西北向东南，由厚变薄趋势，各层黄土CBR值呈现由西向东、由北至南减小趋势(Q2值由西向东略有差异)，在上半部分较为平缓，下半部分变化比较突出。对于同地质年代CBR值相差不大，偏差量均不超过0.4%.不同剖面按不同地质地层分析，具体表现为：延安洛川黑木沟和咸阳旬邑下墙Q4黄土的CBR值高于其他3个时代黄土的CBR值，前者呈现Q4>Q2>Q1>Q3，后者呈现Q4>Q1>Q2>Q3，榆林横山狄青塬呈现Q2>Q4>Q1>Q3，渭南临渭吴田呈现Q2>Q1>Q4>Q3.分析原因，一是上半部分地质层厚都较大，每一地层CBR值变化相对较小；二是黄土L层和古土壤S层性质完全不同，故其CBR值会出现较大变化，尤其处于2层分界点时，即为CBR值变化的“拐点”，通常前者值较后者要小；三是对于Q2层，当其总厚度巨大时(如横山狄青塬剖面和临渭吴田断面厚度分别为132.9和93.6 m，其CBR值较前后2个地质年代高，且差异明显)，L层厚度也明显大于S层，故所表现性质较为特殊，即CBR值较前后2个地质年代高，甚至较Q4还要高。

图1　陕西第四纪黄土地质分层与CBR值关系Fig.1　Relationship between geological stratification and CBR value of Quaternary loess in Shaanxi

2.2　颗粒组成

从不同地质地层角度分析陕西黄土CBR值区域性分布规律，还不能深刻揭露其内在规律分布原因，文中从黄土的主要物理化学性质指标入手(如颗粒组成、矿物成分等)，分析其内在变化规律和其CBR值在区域上的表现规律。为了能使试验更能符合陕西各地黄土实际情况，提高试样CBR试验的准确性和试验结果的稳定性，试验时尽量避免试筒中的大颗粒，选取陕北(横山、延川、洛川)，关中(旬邑、西安、临渭)黄土(Q4和Q3)各3组共18组有代表性的黄土进行试验，CBR试验中

表2　陕西黄土典型剖面地层厚度与CBR加权平均值对比(浸水4天)

试件浸水时间为2 d，CBR值为Q4和Q3加权均值，结果见表3，如图2所示。可以看出，陕西黄土黏粒级含量由北到南、由西至东呈减少趋势，即存在由粗变细的规律。之所以变细，与黄土的初始粒度有关，还与第四纪以来气候环境有关，即北部地区较南部地区干旱，此环境下黄土形成过程中以及形成以后所遭受的各种风化作用北部地区较南部地区弱，因此，北部地区黄土保留更多的初始粗粒土，南部地区黄土则遭受生物化学等风化作用影响，黏粒含量相比有所增大。所表现的CBR值和塑性指数规律与黏粒级含量相同，也即黄土CBR值呈现由北到南、自西向东减小趋势。究其原因，认为黄土颗粒粒径大小与其内摩擦力呈正比关系，与粘聚力呈反比关系，也即其CBR值能反映出试件土体抗剪切强度的大小。黄土中黏粒级含量直接影响其基本结构组成。当其黏粒级含量较少时，黏粒胶结作用较小，颗粒间连接基本为粉粒接触(即点接触)，此时主要结构为单粒结构。当其黏粒含量逐渐增加，黏粒胶结作用也逐渐加强，黏土颗粒附着于粉粒表面量逐渐增多，形成少量粒状团粒结构，颗粒间连接变为“边-边接触”或“边-面接触”。此时，黏粒在粉粒中起到润滑作用，而其胶结作用不能使粉粒稳定胶结，故降低了黄土抗剪强度。因此，表现为随黄土中黏性土黏粒级含量增大，其抗剪强度降低，土体试件CBR值呈现减小现象。

通过对陕西黄土的颗粒分析试验(见表3和图2)结果比较，含粒径较大的颗粒愈多，其CBR值相应较大；反之，含黏粒级含量愈多，其CBR值相应较小。

2.3　矿物成分

由表3和图2还可以发现，陕西CBR值和塑性指数规律与黏粒级含量相同，但塑性指数Ip接近的黄土(如延长Ip为8.8与洛川Ip为8.9，旬邑Ip为13.0和西安Ip为13.3)，其CBR值却相差明显，差值分别为0.09%和0.48%.从黏粒级含量无法解释这个现象。为了进一步研究陕西黄土区域性分布规律，分析解决上述问题，文中从上述黄土试样的矿物成分入手，分析黄土中矿物尤其是黏土矿物组成与其CBR值关系。

表3　陕西黄土颗粒组成区域性分布

图2　陕西黄土颗粒组成与CBR值区域性分布关系曲线Fig.2　Regional distribution relation curves between granulometric composition and CBR value of Shaanxi loess

分析研究黄土的化学性质，有助于了解和掌握黄土的其他潜在性质。目前较多学者是从理论和实践方面来说明黄土的物理力学性质，不能从力学角度来解释之。由于固体颗粒与周围液相间的相互作用，使黄土的一些化学成分，如水溶盐成分及其含量、有机质含量等，对黄土的物理力学性质有着很大影响。只有深入研究黄土的化学性质，揭露其内在相互影响和变化规律，并在此基础上充分利用其有利因素，避免其有害影响，进一步用化学和物理化学的方法根本改善黄土的性质，以利于土木工程的建设和发展。

黄土中黏粒部分主要成分为黏土矿物，尽管含量不大，但显著影响其工程性质。黄土中矿物构成一般为原生矿物、次生矿物和有机质等。原生矿物主要有石英、斜长石、云母等，次生矿物有可溶性和不可溶性矿物，黏土矿物则属于后者。陕西黄土中黏土矿物成分伊利石占主要，高岭石、绿泥石、蒙脱石和蛭石共存，从全省区域性分布而言，这些黏土矿物只是含量有某些相对差异而已。

对上述陕西黄土土样进行X-射线衍射矿物、黏土矿物成分和化学成分分析。试验过程中，首先对土样进行化学成分分析，然后进行原生矿物和黏土矿物X-射线衍射矿物划分，定出矿物相，然后分离出黏土矿物，并对黏土矿物组成进行鉴定，试验结果见表4～表6和图3，图4所示。

由表4可以看出，陕西黄土的化学成分变化由西向东、自北而南规律为：SiO2含量略有减少，Al2O3，Fe2O3，CaO和FeO含量略有增加的趋势，MgO，K2O和Na2O含量则变化不大，但CaO含量在南部、东部略高。

表4　陕西黄土黏粒主要化学成分区域性分布

表5　各种矿物相硬度及其化学组成

图3　陕西黄土矿物主要成分对比Fig.3　Comparison of major mineral compositions of loess in Shaanxi

图4　陕西黄土矿物主要成分与CBR值及其塑性指数对比Fig.4　Comparison of major mineral composition and CBR value and its plasticity index of minerals of Shaanxi loess

从表5，图3和图4可以看出，黄土中黏土矿物含量与CBR值相关性很好，即陕西黄土中黏土矿物含量规律呈现由北到南、自西向东增大趋势，而黄土CBR值大小则呈减小趋势，也即矿物硬度值也可反映出黄土抗剪强度值大小。尤其是综合比较表3、表4和表5发现，对于塑性指数Ip相接近的黄土(如延长Ip为8.8与洛川Ip为8.9，旬邑Ip为13.0和西安Ip为13.3)，其CBR值却相差明显，差值达0.09%和0.48%.对比研究发现，处于不同纬度的延长黄土和洛川黄土，其黏土矿物总量、伊利石(蒙脱石)含量基本相同，但前者石英含量和长石含量较后者大，总量差分别达3%和5%；对于旬邑黄土和西安黄土而言，其石英含量、伊利石(蒙脱石)含量基本相同，但前者长石含量和黏土矿物总量分别要大后者2%和3%的数量级，从表5矿物硬度等级可知，对于黄土矿物整体硬度而言，延长和旬邑黄土分别高于洛川和西安黄土，这与其CBR值大小规律相同。

表6　陕西黄土矿物X-射线衍射分析结果

综上所述，陕西黄土CBR值区域性分布规律与与其地质地层构成、黏粒级含量、矿物及其黏土矿物含量有关联，CBR值整体呈现由西向东、由北至南减小趋势。按现行相关规范衡量，从不同地质地层分析角度而言，其值相差不大，偏差量最大不超过0.4%.

3　结　论

1)纵观各剖面CBR值大小，总体在1.42%～3.60%之间相对集中；

2)黄土(L层)和古土壤(S层)性质完全不同，其CBR值变化较大，通常前者值明显高于后者；

3)全更新世土的CBR值高于其他3个时代土的CBR值(横山狄青塬和临渭吴田中更新世较其全更新世略高，但偏差不超过0.4%)；

4)同一地质年代各区域黄土CBR值基本相同；

5)Q2地层厚度较大时，其CBR值较前后2个地质年代高，即Q2>Q1>Q3；

6)陕西黄土CBR值区域性分布规律与其地质地层构成、黏粒级含量、矿物及其黏土矿物含量有关联，CBR值整体呈现由西向东、由北至南减小趋势。

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