0 引言

我国地域广阔，地质条件错综复杂，地理环境、气候条件、物质组成成分等存在的差异性，使得各类黄土质具有显著不同的工程性质^[1]。近年来，随着“一带一路”倡议的兴起，西北地区经济的发展成为世人关注的焦点，其中以全国乃至全球黄土层最厚的陇东黄土塬地区为典型代表。而且随着城市化进程不断加快，人口增长、用地紧缺等问题越来越突出，加上人们对现代化生活的憧憬，解决办法就是在该地区修建超高层建筑。为此，复杂的地质条件仍值得学者们继续去深究。

早在先前，蒲毅彬等^[2-3]通过不同压力下土体的CT(计算机断层扫描仪)结构变化，对黄土的湿陷过程进行了试验，认为水进入到原状土中，松散的毛细孔隙形成渗透通路，土骨架瓦解，填补了大孔洞，导致整体湿陷。刘志斌等^[4-5]针对压实的黄土展开了研究，认为当含水率保持一定时，压实黄土的抗剪强度指标值(内摩擦角c、黏聚力φ)均随干密度的增大而增大，压实度越高，电阻率越小；干密度或压实度保持不变时，抗剪强度与电阻率均随含水率的增大而减小。孙海妹等^[6]采用反压饱和法对原状黄土液化试验进行了室内研究，黄土在均压固结条件下，孔压前期缓慢增长，随着循环次数的增多，其迅速增长直到形成有效围压；应力-应变滞回特性曲线也发生改变，塑性随试验次数的增加逐渐增大。

尽管众多学者^[7-10]从不同角度对湿陷性黄土特性做了详尽的阐述，但较系统全面地把土的物理性能与力学性能^[11]综合起来进行分析研究的目前尚少，尤其对于陇东这片超大厚度黄土来讲。文中以陇东黄土塬地区庆阳市拟建的首幢42层超高层建筑为例，就该地区湿陷性黄土的工程及地质特性进行测试、分析、研究及评价，以期为工程实践提供指导性建议。

1 研究区地理位置及岩土工程地质条件

甘肃省庆阳市位于陇东黄土塬上，地处106°22′12″E—108°42′35″E，35°14′23″N—37°10′12″N，东邻西安、咸阳，西连兰州，南通天水、宝鸡，北接银川，场地位置图见图 1。庆阳市属温带大陆性气候，年平均温度10 ℃，年降水量486~660 mm，冻土深度0.67 m，地下水位埋深一般在62.0 m左右。

场地地形平坦开阔，地层完整，层序清楚。塬区100 m以内地层由黑垆土(Q₄^eo1粉质黏土)、马兰黄土(Q₃^eo1粉质黏土)、离石黄土(Q₂^eo1粉质黏土)和午城黄土(Q₁^eo1粉质黏土)组成，其间夹多层古土壤(粉质黏土)。根据中国黄土区地层划分的相关规范^[12-14]，本区地层主要由29层粉质黏土(含14层古土壤)组成，自地基表面开始，从上至下依次为：黑垆土及其以上沉积的地层为全新世，即Q₄时代的次生黄土，厚度2.0~3.0 m，形成年代不足1万a，研究区场地未见其分布；中更新世与晚更新世的界限，在第1层古土壤底部，即为Q₃时代的马兰黄土，揭露地层为12层，厚度10.0~12.0 m，沉积年代为10万~11万a；早更新世与中更新世的界限，在第2层古土壤底部，场地揭露的地层为314层，即为Q₂时代离石黄土，厚度40.0~42.0 m；第14层古土壤层底部以下为早更新世地层，即为Q₁时代的午城黄土，揭露地层1529层，厚度大于200.0 m，黄土具体的地层分布(包括较厚黄土和古土壤层)及物理指标见表 1。

2 黄土工程特性试验方法 2.1 试点布置

在已有地质资料的基础上，按照建筑物边界，呈方格网状布置，试点间距一般为19.0~22.0 m，共布设21个。其中：控制性钻孔4个；先静力触探试验后钻孔6个；标准贯入孔9个，孔深均为80.0~100.0 m；波速试验孔2个，孔深80.0 m。部分试点平面布置见图 2。

2.2 现场试验

根据试验需求，在现场所采用的大型试验设备有：YD—Ⅱ型汽车钻机一台及配套钻具、探井设备一台及配套钻具、静力触探设备及JC—X3型多功能测试仪一套、波速测试仪及分析软件各一套、GPS map 60CSx一套。

1) 按照《建筑工程地质勘探与取样技术规程》(JGJ/T87-2012)^[15]操作要求，选取直径为127 mm的螺旋钻头回转钻进与岩心管回转钻进方式，在预定取样深度采取原土样，随即进行原位测试。

标准贯入试验(SPT)：0~60 m范围内采用螺旋钻进工艺，利用薄壁取土器静压法取土；大于60 m的深度内采用回转钻进，双管单动取样器采集原状土样进行标准贯入试验。

静力触探试验(CPT)：采用双桥探头，车载全液压传动加压，利用地锚作为反力进行试验。

2) 波速测试：采用单孔检层法测试地基土层的剪切和压缩波速度，获得地基的密实性及各地基土层的剪切波速，进行场地类别划分。

2.3 室内试验

室内所用主要土工试验仪器有：高压固结仪、三轴剪切仪、击实试验仪器及土工试验数据处理系统软件等。

1) 湿陷性试验：考虑到拟建工程为超高层，基底压力较大，为了深入分析场地湿陷特征，采用双线法压缩试验测定相关系数。

2) 依据《土工试验方法标准》(GB/T 50123-1999)^[16]，对收集的土样在实验室内利用WG－1A型高压固结仪及SJ－20型三轴压缩仪进行各项物理力学指标试验。

3) 击实试验：用击实试验仪器对土体的相关参数进行实测。

2.4 评价参数

通过原位试验SPT与CPT，分别对地基土的力学性能和侧壁摩阻力及锥尖阻力等力学参数进行分析；利用波速测试试验，为场地地震效应评价提供科学依据。

通过室内试验，对土样的密度(包括最大干密度)、含水率(包括最优含水率)、液限、塑限、塑性指数、饱和度、孔隙比、黏聚力、内摩擦角、地基土承载力、压缩模量、湿陷性土层的湿陷系数及湿陷起始压力等进行试验分析。

3 试验结果分析及评价 3.1 三轴剪切试验指标的变化规律

为得到所在场地拟建工程土体抗剪强度指标参数，并为后续的基坑支护设计、地基承载力计算提供依据，采用三轴剪切试验(不固结不排水)对不同深度处黄土的黏聚力和内摩擦角进行了统计(图 3)。在试验范围内，黏聚力均在26.1 kPa以上；内摩擦角变化幅度较小，为15.8°~20.3°，原因是由于不同土层土颗粒的级配、形状、矿物成分、密度、含水率及孔隙比等差异，其表面接触的粗糙程度不同，导致内摩擦角发生变化。当含水率适中、颗粒级配较好、孔隙比较小时，内摩擦角增大；反之减小。

3.2 击实试验中含水率和干密度的变化规律

为评价工程场地黄土的击实性，代表性地选取不同深度土体，采取扰动样进行标准击实试验，所得结果如表 2所示。在深度为2.0~5.0 m时，粉质黏土(马兰黄土)最大干密度与最优含水率分别为1.76 g/cm³与16.6%；对于深度在10.0~12.0 m的古土壤段来讲，最优含水率为17.2%，对应地最大干密度为1.69 g/cm³；到了离石黄土段(12.0~15.0 m)，最大干密度与最优含水率分别为1.67 g/cm³和17.7%。结果显示，在试验场地15.0 m深度范围内，最大干密度与最优含水率变化差异不大。原因是在此深度范围内地层较浅。由图 3也可看出，黏聚力与内摩擦角变化幅度不大，土质均匀。

3.3 液限、塑限、塑性指数、孔隙比的变化规律

液限、塑限及塑性指数是评价黄土的主要指标。图 4给出了场地土100.0 m范围内的液限和塑限数值。由图 4可以看到，在马兰黄土层、离石黄土层及午城黄土层曲线均呈波浪形变化，规律性不明显。塑性指数图形变化规律(图 5a)与液限、塑限大体相同：马兰黄土(12层)地基土塑性指数平均值为11.5%~14.5%；离石黄土(314层)塑性指数为11.1%~15.8%；午城黄土(1529层)塑性指数为8.9%~15.2%。塑性指数较大时，表明所在土层颗粒较细，黏粒多，比表面积大，亲水性增强。

孔隙比与深度的变化关系如图 5b所示。随着深度的增加，土体产生的自重应力不断增大，孔隙比逐渐减小，密实度逐渐增强；孔隙比主要为0.6~1.0，马兰黄土属于中等压缩性土，离石黄土及午城黄土属于中等偏低压缩性土。

3.4 不同深度处黄土孔隙比与压力之间的关系

在室内，对不同深度的黄土进行了高压固结试验(图 6)。从总体来看，不同深度黄土(含古土壤)的孔隙比均随着压力的增大呈逐渐减小的趋势。其中：马兰黄土(含古土壤)段(图 6a)，由于组成成分的差异性，在相同压力下，古土壤1段(2层)的孔隙比小于马兰黄土1段(1层)，说明其压缩性更小；离石黄土(含古土壤)段(314层)(图 6b)在同一压力下，其多层土体孔隙比小于马兰黄土，随着深度的增加，地基土孔隙比减小，在800~1 000 kPa压力下，各层离石黄土基本为低压缩性；进入地层较深的午城黄土(含古土壤)段(1529层)(图 6c)，曲线变化规律与前两种黄土相似，但孔隙比减小速度更慢，在200 kPa压力下，午城黄土孔隙比均小于0.75，表现为低压缩性。

由此可以得出，随着地基土深度的增加与埋藏年代的持久，孔隙比和变形减小、压缩性降低、承载力提高，工程性质变好。

3.5 静力触探试验中各阻力的变化规律

图 7通过锥尖阻力与侧摩阻力对地基土的力学性质进行了综合分析，试验结果结合表 1表明，60.0 m测试深度范围内，锥尖阻力及侧摩阻力在粉质黏土层中普遍高于古土壤层，但随着深度的增加，这种规律性减弱。马兰黄土平均锥尖阻力和侧摩阻力分别为1.66 MPa、69.5 kPa；离石黄土(含古土壤)锥尖阻力值为1.72~5.75 MPa，平均值为3.61 MPa，侧摩阻力值为40.7~265.2 kPa，平均值为129.5 kPa；在深度51.9 m后的午城黄土(含古土壤)段，锥尖阻力平均值为4.57 MPa，侧摩阻力平均值为172.8 kPa。由以上参数可清晰地看到，锥尖阻力与侧摩阻力均随着深度的增加总体呈增大趋势。

3.6 标贯试验中地基承载力与压缩模量的变化规律

地基承载力是衡量土体力学性能的重要参数，由图 8a可以清楚地看到试验深度范围内各土层地基承载力数值及变化规律：上部土层地基承载力较下部土层小且分散；深度为60.0 m时，地基承载力数值集中且相对稳定。土体压缩模量(图 8b)进一步验证了该场地土的力学性能，该曲线变化规律与地基承载力变化图线基本吻合，即：地基土整体层位稳定、连续，层面平缓且埋深均匀，压缩性为中等偏低。

本试验离石黄土段与方祥位^[17]对Q₂黄土变形特征的研究成果基本一致。

3.7 剪切波速的变化规律

在试验孔部位测得不同深度黄土的剪切波速见图 9。此孔深度大于63.0 m，随着深度的增加，土体密实度增强，剪切波速也逐渐增大。根据不同土层的剪切波速，采用加权平均值算得等效剪切波速为241.8 m/s，属于150~250 m/s范围内，因此地基土类型属于中软—中硬场地土，场地类别为Ⅲ类。

3.8 湿陷性系数的变化规律

湿陷性也是黄土最基本的特性，考虑到在该地区修建超高层建筑，其基底压力较大，结合杨校辉等^[18]对黄土湿陷性评价的研究，进一步深入地对建筑场地各类土层的湿陷特征进行试验分析。如图 10所示：在5.0 m以内的马兰黄土层，各试验孔湿陷系数较大，整体湿陷性较强烈，局部系数高达0.09；5.0 m以下的部分马兰黄土、所有离石黄土及以下部土层湿陷系数较小，呈轻微—中等湿陷性。

此外，实测数据对陇东地区黄土的湿陷变形特征、地基处理、地基基础方案设计等提供参考。

3.9 不同土层湿陷性系数与压力之间的关系

湿陷性系数不仅与黄土层深度有关系，而且与所给压力也密切相关。在马兰黄土层(图 11a)，不同深度处的湿陷系数总体趋势为随着压力的增加先增大后减小，呈抛物线型，当试验压力在300~400 kPa时，各土层湿陷系数达到峰值，其中深度3.0 m处与9.0 m处湿陷系数最大差值为0.047；5.0~10.0 m深度的马兰黄土在800 kPa下仍具有湿陷性，大于10.0 m深度的马兰黄土湿陷性将会消除；在同一压力下，湿陷系数随深度增加大体呈减小趋势。离石黄土层(图 11b)相比马兰黄土湿陷系数减小且比较集中，曲线变化趋势大体相似，但湿陷系数峰值点随着压力的增大逐渐向后延伸，400~600 kPa压力时，湿陷系数达到峰值，离石黄土层具有轻微湿陷性；在600 kPa以下，湿陷系数均小于0.015，密实度显著增强，几乎不具有湿陷性。

3.10 地基土含水率、饱和度的变化规律

由图 12a可知：在地下水位62.0 m以上地基土含水率为15.0%~30.0%，上层土壤随着深度的增加含水率有逐渐增大的趋势，深度在25.0 m处时，含水率最大，随后降低，40.0 m以后又有所增加；62.0 m深度以下，地基土含水率整体增大且相对集中，主要为20.0%~27.0%。从图 12b看出，地下水位(62.0 m)以上饱和度在40.0%~95.0%范围之内，相对零散，随深度先增大后减小；但在地下水位以下，饱和度几乎都大于90.0%，地基土呈饱和状态。

4 结论

1) 陇东庆阳地区黄土上表面马兰黄土孔隙比较大，黏聚力较小；到中间离石黄土层压缩性减小，黏聚力增加；随着深度逐渐加深，午城黄土孔隙比减小率进一步降低，地基土基本稳定，呈低压缩性，变形减小，承载力提高。

2) 在60.0 m深度范围内，锥尖阻力及侧摩阻力在各土层中粉质黏土高于古土壤；60.0 m以下，这种变化规律随深度减弱，但是随着深度的不断增加，锥尖阻力与侧摩阻力都呈增大趋势，到午城黄土段，其平均值达到最大，分别为4.57 MPa，172.8 kPa。

3) 黄土湿陷系数随深度逐渐减小，5.0 m以内马兰黄土具有强烈湿陷性，此深度以下土层呈轻微—中等湿陷性；湿陷系数随压力的增加先增大后减小，压力大于400 kPa的马兰黄土和600 kPa的离石黄土(含古土壤)及受压超过200 kPa的午城黄土均无湿陷性。

4) 深度在15.0 m以内，最大干密度为1.67~1.76 g/cm³，最优含水率为16.6%~17.7%；在地下水位(62.0 m)以下，地基土含水率增大且相对集中，为20.0%~27.0%；饱和度达90.0%以上，土体呈饱和状态。