郑州黄土状粉质黏土力学特性研究

Study on Mechanical Properties of Loess Silty Clay in Zhengzhou

摘要

黄土遇水易湿陷、软化，研究黄土水敏软化的力学特性对于工程设计中参数的合理选取至关重要。通过原位静力触探试验、十字板剪切试验、标准贯入试验、旁压试验等现场试验与室内物理力学试验相结合的手段，研究郑州地区某铁路沿线黄土状粉质黏土不同含水率状态下的物理性质、力学性质及地基承载力，提出黄土状粉质黏土不排水抗剪强度、标准贯入击数及剪切模量的计算式。结果表明：郑州黄土状粉质黏土黏聚力与内摩擦角均随含水率的增大而减小，含水率从10.1%增大至29.3%时，黏聚力损失65.2%，内摩擦角损失22.1%；郑州黄土状粉质黏土不排水抗剪强度分别与静力触探试验锥尖阻力、比贯入阻力之间呈线性相关，提出的计算式可用于快速计算土体的不排水抗剪强度；含水率由9.3%增大至25.5%时，郑州黄土状粉质黏土标准贯入击数、剪切模量与含水率之间呈分段线性相关，该计算式可用于现场勘察，快速计算地基承载力与剪切模量；郑州黄土状粉质黏土因其干密度大、孔隙比小，与西北黄土相比密实程度高，基本不具备湿陷性。研究成果可为郑州地区某铁路沿线土性参数的合理选取提供参考。

Abstract

Loess is prone to collapse and softening upon water exposure. Studying the mechanical characteristics of loess water-sensitive softening is crucial for the rational selection of parameters in engineering design. By combining in-situ tests such as cone penetration tests, vane shear tests, standard penetration tests, pressuremeter tests with indoor physical and mechanical tests, this study investigates the physical properties, mechanical properties, and foundation bearing capacity of loess silty clay under various moisture contents along a railway line in Zhengzhou. Calculation formulas for undrained shear strength, standard penetration blow count, and shear modulus of loess silty clay are proposed. The results indicate that the cohesion and internal friction angle of loess silty clay in Zhengzhou decrease with the increase of moisture content. The moisture content increases from 10.1% to 29.3%, resulting in a cohesion loss of 65.2% and an internal friction angle loss of 22.1%. The undrained shear strength of loess silty clay in Zhengzhou is linearly correlated with the cone tip resistance and specific penetration resistance obtained from cone penetration tests. The proposed calculation formula can be used to quickly calculate the undrained shear strength of soil. When the moisture content increases from 9.3% to 25.5%, there is a segmented linear correlation between the standard penetration blow count, shear modulus, and moisture content of Zhengzhou loess silty clay. The proposed formula can be used for rapid calculation of foundation bearing capacity and shear modulus in field investigations. Zhengzhou loess silty clay, due to its high dry density and low porosity, has a higher degree of compaction compared to northwest loess and essentially lacks collapsibility. The research findings provide valuable reference for the appropriate selection of soil parameters along the discussed railway line in Zhengzhou area.

Graphical abstract

关键词

铁路路基 / 郑州黄土状粉质黏土 / 力学特性 / 不排水抗剪强度 / 原位试验

Key words

Railway subgrade / Zhengzhou loess silty clay / Mechanical properties / Undrained shear strength / In-situ tests

我国黄土分布广泛，现阶段针对黄土力学特性的研究多集中于西北黄土高原地区^［1-6］，众多学者研究了降雨灌溉条件下西北黄土力学性质的水敏劣化机制^［7-12］，对于河南黄土的研究则多集中于省内西部三门峡、洛阳地区^［13-14］，针对郑州黄土的研究较少。郑州地区黄土从成因来看属于次生黄土，即黄土状土，由冲积或洪积而成，在形成过程中被流水冲刷，受水流营力搬运沉积而成，其土性以黄土状粉质黏土为主，故其工程地质特性与西北黄土高原地区风积而成的原生黄土相比存在明显差异性。在工程设计时如果套用三门峡、洛阳地区的黄土参数，难以准确反映郑州黄土状粉质黏土真实的物理力学性质，因此亟须对郑州黄土状粉质黏土特有的力学特性进行研究。

21世纪以来，随着高速铁路的建设以及南水北调等工程的实施，学者们依托工程建设，对郑州黄土状粉质黏土的湿陷性以及微观特征开展研究，王家鼎等^［15］选取郑西高铁沿线荥阳市乔楼乡索河黄土剖面与巩义市北宫庄后寺河黄土剖面分析黄土地层成因，探究湿陷性黄土层厚度。罗保才等^［16］依托南水北调中线工程，探究了郑州次生黄土的矿物成分、化学性质、物理力学性质以及湿陷性，得出了郑州地区次生黄土湿陷性质轻微的结论，其湿陷系数仅为0.015~0.07。盛海洋^［17］通过地质勘查手段研究南水北调荥阳段黄土工程地质条件，得出了郑州次生黄土湿陷性较轻的结论。王志良等^［18］研究巩义黄土浸水饱和前后的抗剪强度，得出了浸水饱和前后巩义黄土黏聚力与内摩擦角的变化规律。谭东岳等^［19-20］、杨永俊^［21］采用动扭剪试验仪，研究了巩义黄土的动强度。现阶段针对郑州黄土状粉质黏土物理性质与微观成分的研究取得一定的成果，然而针对郑州黄土状粉质黏土力学特性的研究仍存在进一步完善空间。

本文通过原位静力触探试验、十字板剪切试验、标准贯入试验、旁压试验等现场试验与室内物理力学试验相结合的方法，研究郑州地区某铁路沿线黄土状粉质黏土不同含水率状态下的物理性质、力学性质及地基承载力，旨在为铁路沿线土性参数的合理选取提供参考。

1 郑州黄土状粉质黏土物理性质

郑州黄土状粉质黏土的分布范围主要包括郑州西部的荥阳、巩义地区，以及郑州南部的新郑、新密、登封局部地区。郑州南部的黄土状粉质黏土仅在局部地区有所分布，不具备代表性，而郑州西部的黄土状粉质黏土在荥阳、巩义地区连续分布。因此，选取具有典型性与代表性的荥阳、巩义地区为试验区。

在试验区内选取荥阳地区与巩义地区多处取土点，于铁路沿线路堤边坡上采用干钻法钻进，使用薄壁取土器取I级不扰动样。为确保土样含水率及孔隙比等物理性质在土样运输过程中少受影响，取样后立即采用保鲜膜密封包裹，蜡封后再置入专用取土样皮保护。

1.1　常规物理状态指标

表1为荥阳与巩义地区黄土状粉质黏土常规物理状态指标统计表，其中包括含水率、相对密度、天然密度、干密度、孔隙比、饱和度、液限、塑限、塑性指数和液性指数。含水率采用烘干法测定，相对密度采用比重瓶法测定，天然密度采用环刀法测定，液限、塑限采用光电式液塑限联合测定仪测定，其余参数通过计算得出。

由于干密度、孔隙比影响着土体的压缩变形特性，液塑限影响着土体的水理特性，故进一步针对干密度、孔隙比、液塑限这4项指标参数开展细致的数据对比分析。表2为干密度、孔隙比、液塑限指标对比分析表，荥阳地区和巩义地区的样本数分别为12个和22个。

由表1和表2可知：荥阳与巩义地区黄土状粉质黏土干密度、孔隙比相近，液塑限数值差异不显著。以上分析表明，荥阳与巩义地区黄土状粉质黏土压缩变形特性相近，受水软化由固体状态进入塑性状态、由塑性状态进入液性状态的界限含水率条件相似，故在后续的试验研究中不再区分荥阳地区与巩义地区黄土状粉质黏土，统一为郑州地区黄土状粉质黏土。

1.2　湿陷性

以往学者研究均得出郑州地区黄土湿陷性轻微的结论^［15-17］，为探究试验区铁路沿线黄土状粉质黏土的湿陷性等级，依据TB 10102《铁路工程土工试验规程》取25件不扰动土样在室内开展黄土状粉质黏土自重湿陷性试验。表3为郑州地区黄土状粉质黏土自重湿陷性试验结果。

由表3可知：试验区黄土状粉质黏土自重湿陷系数均小于0.015，试验区黄土状粉质黏土基本不具备湿陷性。

1.3　矿物成分

依据SY/T 5163—2018《沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X射线衍射分析方法》，采用SmartLab-SE理学X射线衍射仪，在环境温度24 ℃、湿度55%条件下，测定郑州地区黄土状粉质黏土试样的矿物成分。表4为郑州地区黄土状粉质黏土全岩矿物成分，表5为郑州地区黄土状粉质黏土的黏土矿物成分。

由表4和表5可知：全岩矿物以石英为主，其含量超过总矿物成分的50%，全岩矿物成分中黏土总量占比17.6%；黏土矿物以伊蒙混层与伊利石为主，伊蒙混层与伊利石总含量相对黏土矿物含量占比为81%。

2 郑州黄土状粉质黏土力学性质

采用直剪试验研究试验区黄土状粉质黏土不同含水率状态下的力学性质。通过浸水增湿改变原状土样含水率，制备目标含水率分别为12%，16%，20%，24%和28%的黄土状粉质黏土样品，测定不同含水率试样的黏聚力与内摩擦角，探究含水率对黏聚力与内摩擦角的影响。

2.1　试验土样选取及制备

测定黄土状粉质黏土样品干密度及液塑限，选取其中取样深度相差不大，干密度、塑限、液限相近的15组试样进行室内增湿，保证水分在土样中扩散均匀，制备目标含水率的土样。对试样进行编号，SC代表粉质黏土，第1个数字代表试验目标含水率，第2个数字代表平行试验编号，例如SC-20-2代表粉质黏土目标含水率为20%的第2组平行试验试样。表6为试验土样参数统计。

2.2　直剪试验

采用快剪试验测得土体抗剪强度指标，仪器采用全自动四联剪直剪试验仪（图1）。试验使用环刀切取试样，分别放入4个试验仪器盒中，并分别对试样施加100，200，300和400 kPa的竖向压力，而后以1 mm · min^－1的剪切速度对试样进行剪切，直至破坏。取剪切过程中剪应力峰值或稳定值作为剪切强度。

2.3　试验结果与分析

表7为黄土状粉质黏土试样黏聚力与内摩擦角试验结果。

以含水率为横坐标，分别以黏聚力、内摩擦角为纵坐标，利用表7数据绘制试验区粉质黏土黏聚力与含水率关系图、内摩擦角与含水率关系图，分别如图2与图3所示。

分析图2和图3可得如下结论。

（1）黄土状粉质黏土黏聚力与内摩擦角均随含水率的增大而减小。含水率从10.1%增大至29.3%，黏聚力从31.0 kPa减小至10.8 kPa，黏聚力减小20.2 kPa，黏聚力损失65.16%；内摩擦角从17.2°减小至13.4°，内摩擦角减小3.8°，内摩擦角损失22.09%。

（2）当含水率接近塑限时，黄土状粉质黏土黏聚力随含水率增大而骤降。含水率从19.7%增大至24.4%，黏聚力从24.8 kPa骤降至15.6 kPa，黏聚力减小9.2 kPa，该阶段黏聚力损失占总体损失比例为45.5%，黏聚力平均减小速率最大，含水率每降低1%黏聚力平均减小1.96 kPa。该阶段黏聚力损失速率最大是因为含水率由低于塑限增大至高于塑限，粉质黏土颗粒间水膜厚度显著增大，颗粒间的黏结强度降低，宏观表现在粉质黏土黏聚力的骤降。

（3）当含水率接近塑限时，黄土状粉质黏土内摩擦角随含水率增大而骤降。含水率从19.7%增大至24.4%，内摩擦角从15.8°骤降至14.3°，内摩擦角减小1.5°，该阶段内摩擦角损失占比为39.5%。

3 郑州黄土状粉质黏土地基承载力

3.1　静力触探试验结果与分析

静力触探试验设备包括触探探头、测力计及其配套仪器、试验探杆、贯入主机。触探探头分为单桥探头、双桥探头与孔压静力触探探头。本试验采用双桥探头，探头直径43.7 mm，探头截面积15 cm²，摩擦筒表面积300 cm²，锥角60°。将双桥探头贯入至土层中，探头锥尖阻力与侧摩阻力计算式如下。

q_{\mathrm{c}}=\frac{Q_{\mathrm{c}}}{A}（1）

f_{\mathrm{s}}=\frac{P_{\mathrm{f}}}{S}（2）

式中：q_{\mathrm{c}}为双桥探头锥尖阻力，kPa；Q_{\mathrm{c}}为双桥探头锥尖总阻力，kN；A为探头截面积，m²；f_{\mathrm{s}}为双桥探头侧摩阻力，kPa；P_{\mathrm{f}}为双桥探头侧摩总阻力，kN；S为摩擦筒表面积，m²。

选定郑州巩义地区某路堤边坡作为试验点，开展双桥静力触探试验探究地表下13 m深度黄土状粉质黏土路堤边坡的地基承载力特性。图4为锥尖阻力与侧摩阻力随触探深度变化曲线。

依据静力触探试验结果，结合《工程地质手册》、TB 10018—2018《铁路工程地质原位测试规程》提供的经验公式，获取比贯入阻力、不排水抗剪强度以及地基承载力，其计算式如下。

p_{\mathrm{s}}=\mathrm{1.1}{q}_{\mathrm{c}}（3）

c_{\mathrm{u}}=\mathrm{40}{p}_{\mathrm{s}}+\mathrm{2}（4）

f_{\mathrm{0}}=\mathrm{98}{q}_{\mathrm{c}}+\mathrm{19.24}（5）

式中：p_{\mathrm{s}}为比贯入阻力，MPa；c_{\mathrm{u}}为不排水抗剪强度，kPa；f_{\mathrm{0}}为地基承载力基本值，kPa。

结合图4计算分析可得如下结论。

（1）1.9~2.9 m深度范围内静力触探探头锥尖阻力与侧摩阻力显著偏大，推测静力触探探头在该深度范围内贯入时，触碰杂填土中混杂的碎石，使贯入受阻，故该范围内所得数据对黄土状粉质黏土力学性质不具备参考性。

（2）3.0~13.0 m深度范围内静力触探探头锥尖阻力与侧摩阻力具备一定的规律性，按照地层软硬程度可将其分为3个区间。3.0~5.0 m深度范围内，锥尖阻力为1.1~1.75 MPa，侧摩阻力为23.29~50.04 kPa，比贯入阻力为1.21~1.93 MPa，不排水抗剪强度为50.4~79.0 kPa，地基承载力为127.04~190.74 kPa；5.1~9.0 m深度范围内，锥尖阻力为0.63~1.24 MPa，侧摩阻力为16.04~39.93 kPa，比贯入阻力为0.69~1.36 MPa，不排水抗剪强度为29.72~56.56 kPa，地基承载力为80.98~140.76 kPa；9.1~13.0 m深度范围内，锥尖阻力为0.49~0.82 MPa，侧摩阻力为8.56~18.32 kPa，比贯入阻力为0.54~0.90 MPa，不排水抗剪强度为23.56~38.08 kPa，地基承载力为67.26~99.60 kPa。

（3）随着触探深度的增大，锥尖阻力与侧摩阻力呈减小趋势，这一试验结果与常规认知有悖，常规意义上在均质土地层中开展静力触探试验，随着触探深度的增大，地层应力增大，探头所受摩阻力越大。故推测存在某种环境因素造成试验区土层随深度增大而变软。

探究土层变软因素，由于试验区近期遭受极端降雨影响，降雨长时间、大面积渗入土层，造成深部土层饱水，深部土层中的水分只能以缓慢蒸发的形式从地表排出，故推测土体含水率的增加是造成土层随深度增大而变软的直接因素。现场开展含水率试验进行验证，依据GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》，采用酒精燃烧法于现场钻机干钻过程中测定土体天然含水率。图5给出了不同深度处土体天然含水率。

由图5可知：含水率随深度的增大呈增大趋势，含水率增大土体变软。结合图4与图5，绘制土体天然含水率与锥尖阻力及侧摩阻力关系图，如图6所示。

由图6可知：锥尖阻力及侧摩阻力随土体天然含水率变化规律具有一致性，土体天然含水率增大，锥尖阻力及侧摩阻力减小。

3.2　十字板剪切试验结果与分析

本试验对象是含水率极高的黄土状粉质黏土，其土体为软塑状，可采用十字板剪切试验测定土体不排水抗剪强度。十字板剪切试验设备包括十字板头、测力计及其配套仪器、试验探杆、贯入主机。采用50 mm×100 mm矩形、厚度2 mm的十字板头。试验过程中将十字板头压入至设计标高深度处，静置2~5 min后，移除探杆卡块，旋转手柄施加扭力。试验依据TB 10018—2018《铁路工程地质原位测试规程》所述试验要点展开。

使用十字板头在土层中形成剪切破坏，破坏面呈圆柱状，土的抗剪强度与剪切破坏形成之时圆柱状破坏面上施加的扭矩有关。扭矩的计算式如下。

M=\frac{\mathrm{\pi }}{\mathrm{2}}{D}^{\mathrm{2}}H{c}_{\mathrm{u}}+\frac{\mathrm{\pi }}{\mathrm{6}}{D}^{\mathrm{3}}{c}_{\mathrm{u}}-\frac{\mathrm{\pi }}{\mathrm{12}}{D}_{\mathrm{1}}^{\mathrm{3}}{c}_{\mathrm{u}}（6）

式中：M为剪切破坏形成之时圆柱状破坏面上施加的扭矩，kN · m；D为十字板头直径，m；D_{\mathrm{1}}为十字板轴杆直径，m；H为十字板头高度，m。

由于15 mm的十字板轴杆直径远小于100 mm的十字板头直径，故式（6）最后1项与前2项相比低2个数量级，可忽略不计。式（6）简化为式（7），进一步计算不排水抗剪强度见式（8）。

M=\frac{\mathrm{\pi }}{\mathrm{2}}{D}^{\mathrm{2}}H{c}_{\mathrm{u}}+\frac{\mathrm{\pi }}{\mathrm{6}}{D}^{\mathrm{3}}{c}_{\mathrm{u}}（7）

c_{\mathrm{u}}=KM（8）

其中，

K=\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{\pi }{D}^{\mathrm{2}}\left(H+\frac{\mathrm{3}}{D}\right)}

式中：K为十字板头常数。

使用钻机挖除地表以下3 m深度范围内较硬的杂填土，在地表之下3.5~12.5 m深度范围内，每1 m开展1处测点的十字板剪切试验，得出不排水抗剪强度。结合静力触探试验结果，取每1 m范围内10处测点锥尖阻力、比贯入阻力的平均值综合反映每延米土体的锥尖阻力、比贯入阻力。表8为郑州地区某黄土路堤边坡不排水抗剪强度与静力触探试验数据。

结合相同位置深度处土体的不排水抗剪强度与锥尖阻力，探究郑州黄土状粉质黏土不排水抗剪强度与静力触探试验锥尖阻力的关系。图7为不排水抗剪强度与锥尖阻力关系。

由图7可知：郑州黄土状粉质黏土不排水抗剪强度与静力触探试验锥尖阻力呈线性相关。采用下式进行拟合，相关系数为0.87。

c_{\mathrm{u}}=\mathrm{37.91}{q}_{\mathrm{c}}+\mathrm{10.16}（9）

结合相同位置深度处土体的不排水抗剪强度与比贯入阻力，探究郑州黄土状粉质黏土不排水抗剪强度与静力触探试验比贯入阻力的关系。图8为不排水抗剪强度与比贯入阻力关系。

由图8可知：郑州黄土状粉质黏土不排水抗剪强度与静力触探试验比贯入阻力呈线性相关。采用下式进行拟合，相关系数为0.85。

c_{\mathrm{u}}=\mathrm{34.39}{p}_{\mathrm{s}}+\mathrm{10.24}（10）

《工程地质手册》中仅提供了镇海地区软黏土不排水抗剪强度与静力触探试验锥尖阻力、比贯入阻力之间的经验表达式，有关黄土状粉质黏土的经验表达式尚处空白。本试验所得到的结论式（9）与式（10）为郑州地区黄土状粉质黏土不排水抗剪强度的确定提供了参考。

3.3　标准贯入试验结果与分析

标准贯入试验采用63.5 kg落锤、76 cm落距，通过自动落锤法锤击贯入器。将贯入器打入土体15 cm后，记录累计打入土体30 cm的锤击数，即为现场测量贯入击数。考虑一系列修正系数，利用下式计算修正后标准贯入击数^［22］。

N_{\mathrm{60}}=N\frac{R_{\mathrm{E}}}{\mathrm{60}}{C}_{\mathrm{N}}{C}_{\mathrm{B}}{C}_{\mathrm{S}}{C}_{\mathrm{R}}（11）

式中：N_{\mathrm{60}}为修正后标准贯入击数；N为现场测量贯入击数；R_{\mathrm{E}}为能量比，我国自动落锤法其取值为60；C_{\mathrm{N}}为有效应力修正系数；C_{\mathrm{B}}为钻孔直径修正系数；C_{\mathrm{S}}为取样器修正系数；C_{\mathrm{R}}为杆长修正系数。

选定郑州巩义地区某路堤边坡作为试验点，开展标准贯入试验探究地表之下9~12 m深度范围黄土状粉质黏土路堤边坡的地基承载力特性。试验获取了47组不同含水率下的试验数据，图9为标准贯入击数与含水率关系。

由图9可知：郑州黄土状粉质黏土含水率在9.3%~25.5%区间内，标准贯入击数为4~32；随着含水率增大，标准贯入击数呈减小趋势。对二者进行拟合，结果如下。

（12）

标准贯入试验可用于确定土的地基承载力，参考Terzaghi建立的黏性土、粉土地基承载力关于标准贯入击数的计算式，依据下式计算郑州黄土状粉质黏土地基承载力。

f_{\mathrm{k}}=\mathrm{12}{N}_{\mathrm{60}}（13）

式中：f_{\mathrm{k}}为地基承载力标准值，kPa。

由式（13）可知，在含水率9.3%~25.5%区间内，得到地基承载力为48~384 kPa。

3.4　旁压试验结果与分析

旁压试验是1种水平向荷载原位试验，将旁压器置入钻孔内设计标高，加压使得可充气的柔性膜横向膨胀，从而对孔壁施加均匀压力。量测压力与变形的关系，求地基土体的水平向变形参数^［23］。

选定郑州巩义地区某路堤边坡作为试验点，开展旁压试验探究地表之下9~12 m深度范围黄土状粉质黏土路堤边坡的地基承载力特性。试验获取了47组不同含水率下的试验数据，图10为剪切模量与含水率关系图。

由图10可知：随着含水率从9.3%逐步增大，剪切模量呈下降趋势，当含水率低于20%时，剪切模量下降速率较慢；当含水率高于20%时，剪切模量下降速率增大。对二者进行拟合，结果如下。

（14）

式中：G_m为剪切模量，kPa。

旁压试验为水平向荷载试验，柔性膜横向膨胀挤压土体变形，故旁压试验剪切模量的大小反映土体抵抗侧向变形的能力。当含水率低于20%，黄土状粉质黏土处于半固体状态，土体较为坚硬，此时增大含水率土体仍处于半固体状态，故剪切模量的减小速率较慢；当含水率高于20%，黄土状粉质黏土处于可塑状态，土体坚硬程度减弱，此时增大含水率土体处于可塑状态，故剪切模量的减小速率显著增大。

4 郑州黄土状粉质黏土与西北典型黄土差异性

4.1　物理状态指标差异性分析

将表1所列河南省郑州市巩义地区以及荥阳地区黄土状粉质黏土常规物理状态指标平均值进行计列，并统计汇总多位研究者针对新疆、青海、甘肃、宁夏、陕西、河南黄土的研究成果。表9为我国不同地区黄土常规物理状态指标。

由表9可知：不同地区土体天然含水率不同，土体密度不同，故此2种参数不具备可对比性；土的相对密度变化范围很小，不做对比研究；选取干密度进行对比分析，新疆伊犁、青海乐都、甘肃兰州地区黄土干密度在1.30~1.40 g · cm^－3，甘肃庆阳、宁夏同心、陕西西安、陕西铜川、陕西靖边、陕西华阴地区黄土干密度在1.40~1.50 g · cm^－3，山西兴县、河南郑州巩义、荥阳地区黄土状粉质黏土干密度在1.60~1.70 g · cm^－3，结合我国地域分布可知，越向西北延伸黄土干密度越小，黄土密实程度越低，黄土干密度从西北地区至中原地区呈现逐步增大的过渡趋势。

各地黄土的液塑限并无明显差异性，表明黄土孔隙大小以及黏粒含量占比对黄土由半固体状态进入塑性状态的临界含水率、由塑性状态进入液性状态的临界含水率无显著影响，推测黄土在浸水增湿过程中，结构的差异性只会影响黄土由塑限进入液限的过程，而对液塑限的影响较小。

4.2　矿物成分差异性分析

将表4与表5所列郑州地区黄土状粉质黏土全岩矿物成分与黏土矿物成分进行汇总，并统计汇总多位研究者针对新疆伊犁、陕西延安、陕西泾阳黄土的研究成果。表10为我国不同地区黄土矿物成分。

由表10可知：不同地区黄土矿物成分组成不同，其中石英、长石、方解石占较大比重，三者之和占黄土矿物成分的60%以上。河南郑州地区黄土状粉质黏土矿物中石英含量占比最多，达总矿物含量的54.5%；陕西地区黄土矿物中石英含量占比次之；新疆伊犁黄土矿物中石英含量占比最少，为总矿物含量的27.5%。河南郑州、陕西地区、新疆伊犁黄土矿物中长石含量占比较为接近。对于方解石，新疆伊犁黄土矿物中方解石含量占比最多，达总矿物含量的19.4%；陕西地区黄土矿物中方解石含量占比次之；河南郑州黄土状粉质黏土矿物中方解石含量占比最少，为总矿物含量的7.8%。结合我国地域分布可知，越向西北延伸黄土矿物成分中石英含量占比越小、方解石含量占比越大，石英为稳定矿物，而方解石是碳酸钙矿物，系不稳定矿物，黄土矿物成分中稳定矿物占比从西北地区至中原地区呈现逐步增大的过渡趋势，而黄土矿物成分中不稳定矿物占比从西北地区至中原地区呈现逐步减小的过渡趋势。

4.3　地基承载力差异性分析

在试验区开展标准贯入试验、静力触探试验、十字板剪切试验的结果表明：在地表之下3.5~12.5 m深度范围，含水率为20.2%~23.8%区间内，郑州黄土状粉质黏土不排水抗剪强度为23.56~79.0 kPa；在含水率为19.6%~23.7%区间内，郑州黄土状粉质黏土地基承载力为60~216 kPa。

统计多位研究者针对西北黄土力学性质的研究成果，亢佳伟^［33］以西安市兴庆湖黄土为试验区，开展静力触探试验、十字板剪切试验，结果表明含水率为29%~33%的黄土不排水抗剪强度为19.63~20 kPa。杨锋^［34］开展静力触探试验结果表明含水率为27.85%的西安黄土不排水抗剪强度为19.84 kPa，地基承载力为43.2~162 kPa；开展标准贯入试验结果表明含水率为27.85%的西安黄土不排水抗剪强度为21.6 kPa，地基承载力为55 kPa。郭喜平^［35］以尹中高速公路为试验区，开展十字板剪切试验，结果表明含水率为17.39%~35%的黄土地基承载力为70~100 kPa。

与西北地区黄土力学性质相比，郑州黄土状粉质黏土的不排水抗剪强度及地基承载力明显更高。结合常规物理状态指标试验与矿物成分试验结论判断，是由于郑州黄土状粉质黏土相较于西北地区黄土，干密度大、孔隙比小、稳定矿物含量占比大。

5 结论

（1）基于原状土浸水增湿的直剪试验，得到了郑州黄土状粉质黏土黏聚力与内摩擦角关于含水率的经验关系。黏聚力与内摩擦角均随含水率的增大而减小，含水率从10.1%增大至29.3%，黏聚力损失65.2%，内摩擦角损失22.1%；当含水率增大至接近黄土状粉质黏土塑限时，黏聚力、内摩擦角均随含水率增大而骤降。

（2）郑州黄土状粉质黏土不排水抗剪强度与静力触探试验锥尖阻力、比贯入阻力之间呈线性相关。提出了郑州黄土状粉质黏土不排水抗剪强度关于锥尖阻力、比贯入阻力的计算式，可以用于快速计算郑州黄土状粉质黏土不排水抗剪强度。

（3）郑州黄土状粉质黏土标准贯入击数、剪切模量与含水率之间呈分段线性相关。基于标准贯入试验，提出了郑州黄土状粉质黏土标准贯入击数关于含水率的计算式；基于旁压试验，提出了郑州黄土状粉质黏土剪切模量关于含水率的计算式，可在现场勘察时快速计算郑州黄土状粉质黏土地基承载力与剪切模量。

（4）与西北地区黄土相比，郑州黄土状粉质黏土干密度大、孔隙比小，密实程度高，基本不具备湿陷性；郑州黄土状粉质黏土矿物成分中稳定矿物占比更大，黄土矿物成分中稳定矿物占比从西北地区至中原地区呈现逐步增大的过渡趋势；郑州黄土状粉质黏土不排水抗剪强度与地基承载力更大，其力学性质优于西北地区黄土。

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基金资助

中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划课题(N2022G020)

青海省重点研发与转化计划项目(2022-SF-158)

中国铁道科学研究院集团有限公司院基金课题(2022YJ333)