劉柏林

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600)

1 引言

黃土是地質(zhì)時(shí)代中第四紀(jì)期間在干旱、半干旱地區(qū)沉積形成的一種陸相沉積物[1]，在我國具有分布范圍廣泛、連續(xù)、地層發(fā)育完整、厚度大等特點(diǎn)[2]，由于獨(dú)特的地理環(huán)境和地質(zhì)生成條件，黃土具有特殊的地質(zhì)特征[3]。目前，已有很多學(xué)者開展了黃土物理力學(xué)性質(zhì)和濕陷性評價(jià)研究，李保雄、梁慶國等人對馬蘭黃土進(jìn)行了物理力學(xué)性質(zhì)和工程地質(zhì)特性研究[4-6]；宋瑞霞、陳偉等人分別進(jìn)行了不同地區(qū)不同地貌和單一地區(qū)不同成因黃土的物理力學(xué)特性研究[7-8]；武小鵬、邵生俊等通過建立濕陷系數(shù)與其基本物理指標(biāo)的關(guān)系來評價(jià)黃土的濕陷性[9-12]。

由于鐵路工程常?？缭讲煌牡孛矄卧?，黃土成因較多，單一成因黃土的研究成果在一定程度上還不能滿足不同成因黃土場地工程建設(shè)需求，而且地質(zhì)條件具有較強(qiáng)的地域特征，不同地區(qū)黃土性質(zhì)具有明顯的區(qū)域性差別。本文分別以西北某鐵路第四系全新統(tǒng)沖洪積砂質(zhì)黃土和第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)黃土為研究對象，通過室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析了不同成因砂質(zhì)黃土物理力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律，通過不同成因砂質(zhì)黃土濕陷系數(shù)相關(guān)性分析，提出該區(qū)域不同成因砂質(zhì)黃土濕陷性評價(jià)方法。

2 研究背景

2.1 工程概況

鐵路沿線經(jīng)過地貌單元為河谷階地區(qū)、山前及山間沖洪積傾斜平原區(qū)、低中山區(qū)和黃土梁峁及寬谷區(qū)，沿線地表大面積覆蓋第四系全新統(tǒng)沖洪積和第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)黃土，濕陷性黃土層厚度多為20～35 m，局部厚度可達(dá)50 m，濕陷等級多為Ⅲ級(嚴(yán)重)～Ⅳ級(很嚴(yán)重)自重濕陷性場地。場地濕陷類型及濕陷等級決定著地基處理方案的合理選擇和設(shè)計(jì)，嚴(yán)重影響著工程投資與施工進(jìn)度，因此準(zhǔn)確查明和評價(jià)黃土場地的濕陷性尤為重要。

2.2 取樣場地概況

本次取樣地選擇西北某鐵路DK139+428～DK141+150段和DK226+467～DK227+718段，其中，DK139+428～DK141+150段位于黃河河谷階地區(qū)，以沖洪積砂質(zhì)黃土為主；DK226+467～DK227+718段位于黃土梁峁區(qū)，以風(fēng)積砂質(zhì)黃土為主。兩處試驗(yàn)場地砂質(zhì)黃土濕陷程度相對嚴(yán)重，均為Ⅳ級(很嚴(yán)重)自重濕陷場地，濕陷性黃土厚度大且分布連續(xù)，試驗(yàn)結(jié)果代表性強(qiáng)，對工程具有指導(dǎo)意義，場地條件見表1。

表1 取樣場地黃土地層概況

3 不同成因砂質(zhì)黃土物理力學(xué)特性分析

3.1 不同成因砂質(zhì)黃土基本物理力學(xué)指標(biāo)概況

為了客觀反映不同成因砂質(zhì)黃土基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，本文對所取土樣的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，得到不同成因砂質(zhì)黃土含水率、孔隙比、干密度、液性指數(shù)、壓縮系數(shù)、自重濕陷系數(shù)等基本物理力學(xué)指標(biāo)最大值、最小值以及標(biāo)準(zhǔn)值，取樣區(qū)砂質(zhì)黃土物理力學(xué)指標(biāo)見表2。

表2 不同成因黃土物理力學(xué)指標(biāo)

3.2 不同成因砂質(zhì)黃土物理指標(biāo)分析

含水率是指砂質(zhì)黃土中水的質(zhì)量與土粒質(zhì)量之比，其大小與場地的地下水位深度和年平均降雨量有關(guān)。該鐵路位于隴西地區(qū)，屬中溫帶干旱、半干旱氣候區(qū)，以干燥少雨、夏季炎熱、冬季寒冷，晝夜及四季溫差大、降雨集中、蒸發(fā)強(qiáng)烈為特征。在大多數(shù)情況下，該區(qū)域年降雨量較小，DK226+467～DK227+718段由于地下水位埋深較大(大于100 m)，砂質(zhì)黃土含水率較低且隨深度變化較??；DK139+428～DK141+150段位于黃河階地上，地下水位埋深較淺(小于50 m)，砂質(zhì)黃土含水率相對較高且含水率隨深度逐漸增加，到達(dá)地下水位時(shí)達(dá)到飽和狀態(tài)。另外，同一深度沖洪積砂質(zhì)黃土含水率較風(fēng)積砂質(zhì)黃土高，如圖1所示。

圖1 不同成因砂質(zhì)黃土含水率隨深度變化曲線

孔隙比是衡量孔隙體積率的重要指標(biāo)，間接反映了黃土的微結(jié)構(gòu)特征。由表2可知，風(fēng)積砂質(zhì)黃土孔隙比為0.762～1.469，沖洪積砂質(zhì)黃土孔隙比為0.599～1.363。不同成因砂質(zhì)黃土孔隙比隨深度增加呈較小趨勢，同一深度風(fēng)積砂質(zhì)黃土孔隙比較沖洪積砂質(zhì)黃土大，如圖2所示。

圖2 不同成因砂質(zhì)黃土孔隙比隨深度變化曲線

黃土干密度是黃土的顆粒質(zhì)量與土的總體積之比，反映黃土密實(shí)程度的指標(biāo)之一。由表2可知，風(fēng)積砂質(zhì)黃土干密度為1.09～1.53 g/cm3，沖洪積砂質(zhì)黃土干密度為1.14～1.68 g/cm3。不同成因黃土干密度隨深度增加呈增大趨勢，同一深度風(fēng)積砂質(zhì)黃土干密度較沖洪積砂質(zhì)黃土小，如圖3所示。

圖3 不同成因砂質(zhì)黃土干密度隨深度變化曲線

3.3 不同成因砂質(zhì)黃土力學(xué)指標(biāo)分析

黃土的壓縮性和濕陷性是其主要的力學(xué)性質(zhì)，也是地基變形、失穩(wěn)的主要因素。

黃土的壓縮性是指黃土在壓力作用下體積縮小的特性，常用壓縮系數(shù)表示。由表2可知，風(fēng)積砂質(zhì)黃土壓縮系數(shù)一般為0.11～0.50 MPa-1，沖洪積砂質(zhì)黃土壓縮系數(shù)一般為0.09～0.36 MPa-1，屬于中等壓縮性土。分析發(fā)現(xiàn)不同成因砂質(zhì)黃土壓縮系數(shù)隨深度增加呈遞減趨勢，當(dāng)取樣深度小于20 m時(shí)，同一深度風(fēng)積砂質(zhì)黃土壓縮系數(shù)較沖洪積砂質(zhì)黃土大；當(dāng)取樣深度大于20 m時(shí)，同一深度風(fēng)積砂質(zhì)黃土壓縮系數(shù)較沖洪積砂質(zhì)黃土小，如圖4所示。

圖4 不同成因砂質(zhì)黃土壓縮系數(shù)隨深度變化曲線

黃土的濕陷性是指黃土在上覆土的自重壓力作用下，或在上覆土的自重壓力與附加壓力共同作用下，受水浸濕后結(jié)構(gòu)迅速破壞而發(fā)生顯著下沉的現(xiàn)象，一般采用濕陷系數(shù)進(jìn)行評價(jià)，當(dāng)δ＞0.015時(shí)，具有濕陷性；當(dāng)δ≤0.015時(shí)，不具有濕陷性。分析發(fā)現(xiàn)不同成因砂質(zhì)黃土濕陷系數(shù)隨深度增加呈遞減趨勢，同一深度風(fēng)積砂質(zhì)黃土濕陷系數(shù)較沖洪積砂質(zhì)黃土大，濕陷更強(qiáng)烈，如圖5所示。

圖5 不同成因砂質(zhì)黃土濕陷系數(shù)隨深度變化曲線

4 不同成因砂質(zhì)黃土相關(guān)性分析與評價(jià)

4.1 不同成因砂質(zhì)黃土濕陷系數(shù)相關(guān)性分析

黃土的濕陷性與諸多因素有關(guān)，而黃土的物理力學(xué)性質(zhì)反映和體現(xiàn)了黃土的結(jié)構(gòu)、成分、賦存狀態(tài)[13]，因此可以通過黃土的物理力學(xué)性質(zhì)來反映黃土的濕陷性。

水是引起濕陷的根本因素，含水量越低，則濕陷性越強(qiáng)烈，隨著含水量增大，濕陷性逐漸減弱；飽和度對于黃土濕陷性的影響具有和天然含水率同樣的原理；孔隙比間接反映了黃土的微結(jié)構(gòu)特征，孔隙比越大，則其壓縮性越高，發(fā)生濕陷變形的空間越大；干密度反映了黃土的密實(shí)程度，干密度越大，黃土越密實(shí)，其發(fā)生濕陷變形的可能性越小。因此，參考相關(guān)研究成果，本文選擇含水率/飽和度、孔隙比和干密度研究不同成因砂質(zhì)黃土物理力學(xué)指標(biāo)與濕陷系數(shù)的關(guān)系，如圖6～圖8所示。

圖6 不同成因砂質(zhì)黃土含水率/飽和度與濕陷系數(shù)關(guān)系

圖7 不同成因砂質(zhì)黃土孔隙比與濕陷系數(shù)的關(guān)系

圖8 不同成因砂質(zhì)黃土干密度與濕陷系數(shù)的關(guān)系

可見，不同成因砂質(zhì)黃土物理力學(xué)參數(shù)與濕陷系數(shù)具有一定的相關(guān)性，其中砂質(zhì)黃土含水率/飽和度、孔隙比與濕陷系數(shù)呈正相關(guān)，干密度和濕陷系數(shù)呈負(fù)相關(guān)。相同成因砂質(zhì)黃土不同物理力學(xué)參數(shù)與濕陷系數(shù)的相關(guān)程度不同，其中風(fēng)積砂質(zhì)黃土物理力學(xué)參數(shù)與濕陷系數(shù)的相關(guān)性為:含水率/飽和度＞干密度＞孔隙比，沖洪積砂質(zhì)黃土物理力學(xué)參數(shù)與濕陷系數(shù)的相關(guān)性為孔隙比＞含水率/飽和度＞干密度。不同成因砂質(zhì)黃土同一物理力學(xué)參數(shù)與濕陷性系數(shù)的相關(guān)程度也不同，除液性指數(shù)外，風(fēng)積砂質(zhì)黃土各物理力學(xué)指標(biāo)與濕陷系數(shù)的相關(guān)性均好于沖洪積砂質(zhì)黃土。不同成因砂質(zhì)黃土各物理力學(xué)指標(biāo)與濕陷系數(shù)的擬合方程和相關(guān)系數(shù)見表3。

表3 不同成因砂質(zhì)黃土各物理力學(xué)指標(biāo)與濕陷系數(shù)相關(guān)性

續(xù)表3

4.2 不同成因砂質(zhì)黃土濕陷性評價(jià)

濕陷性是黃土地區(qū)主要工程地質(zhì)問題之一，濕陷系數(shù)是評價(jià)土體濕陷變形特征的重要參數(shù)。由于影響黃土濕陷性的因素較多，且各影響因素對黃土濕陷性的影響較為復(fù)雜且并非完全獨(dú)立，因此，采用多個(gè)物理力學(xué)指標(biāo)建立與濕陷系數(shù)的關(guān)系作為評價(jià)砂質(zhì)黃土濕陷性具有重要意義。由前文分析可知，不同成因砂質(zhì)黃土物理力學(xué)參數(shù)與濕陷系數(shù)的相關(guān)程度不同，其中含水率/飽和度、孔隙比、干密度與濕陷系數(shù)的相關(guān)程度均較高，因此，本文選擇含水率/飽和度、孔隙比、干密度采用多元線性回歸分析得到不同成因砂質(zhì)黃土濕陷系數(shù)的計(jì)算方法，見式(1)和式(2)，其相關(guān)系數(shù)分別為0.92和0.84，相關(guān)程度高，因此可用于不同成因砂質(zhì)黃土濕陷性評價(jià)。

5 結(jié)束語

(1)西北某山區(qū)鐵路不同成因砂質(zhì)黃土物理力學(xué)特性存在一定的規(guī)律性和差異性，不同成因砂質(zhì)黃土含水率、干密度隨深度增加呈遞增趨勢，孔隙比、壓縮系數(shù)和濕陷系數(shù)隨深度增加呈遞減趨勢。同一深度風(fēng)積砂質(zhì)黃土含水率、干密度較沖洪積砂質(zhì)黃土小，孔隙比、濕陷系數(shù)較沖洪積砂質(zhì)黃土大。當(dāng)取樣深度小于20 m時(shí)，同一深度風(fēng)積砂質(zhì)黃土壓縮系數(shù)較沖洪積砂質(zhì)黃土大；當(dāng)取樣深度大于20 m時(shí)，同一深度風(fēng)積砂質(zhì)黃土壓縮系數(shù)較沖洪積砂質(zhì)黃土小。

(2)通過濕陷系數(shù)相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)砂質(zhì)黃土含水率/飽和度、孔隙比與濕陷系數(shù)呈正相關(guān)，干密度和濕陷系數(shù)呈負(fù)相關(guān)。相同成因砂質(zhì)黃土不同物理力學(xué)參數(shù)與濕陷系數(shù)的相關(guān)程度不同，其中風(fēng)積砂質(zhì)黃土排序?yàn)楹?飽和度＞干密度＞孔隙比，風(fēng)積砂質(zhì)黃土排序?yàn)榭紫侗龋竞?飽和度＞干密度；不同成因砂質(zhì)黃土同一物理力學(xué)參數(shù)與濕陷性系數(shù)的相關(guān)程度也不同，風(fēng)積砂質(zhì)黃土各物理力學(xué)指標(biāo)與濕陷系數(shù)的相關(guān)性均好于沖洪積砂質(zhì)黃土。

(3)利用含水率/飽和度、孔隙比、干密度采用多元線性回歸分析得到不同成因砂質(zhì)黃土濕陷系數(shù)的計(jì)算方法的相關(guān)系數(shù)分別為0.92和0.84，相關(guān)程度高，可用于本地區(qū)不同成因砂質(zhì)黃土濕陷性評價(jià)。