大厚度黃土濕陷性影響因素及評(píng)價(jià)方法探討

程富強(qiáng)

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

0 引言

黃土是第四紀(jì)以來在干旱、半干旱地區(qū)沉積形成的一種陸相沉積物[1],其生成環(huán)境和物質(zhì)成分決定了它具有欠壓密、多孔隙、弱膠結(jié)等結(jié)構(gòu)特征[2]。濕陷性是黃土地區(qū)主要工程地質(zhì)問題之一,場(chǎng)地濕陷類型及濕陷等級(jí)決定著地基處理方案的合理選擇和設(shè)計(jì),也會(huì)影響工程投資與施工進(jìn)度,因此準(zhǔn)確查明和評(píng)價(jià)黃土場(chǎng)地的濕陷性尤為重要。國(guó)內(nèi)不少學(xué)者通過建立濕陷系數(shù)與其基本物理指標(biāo)的關(guān)系來評(píng)價(jià)黃土的濕陷性[3-7];周樹華等人通過現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試,提出了一種運(yùn)用動(dòng)力觸探儀對(duì)黃土的濕陷性進(jìn)行間接評(píng)價(jià)的簡(jiǎn)單方法[8];李家棟與李瑞娥等人采用模糊信息優(yōu)化方法建立了黃土濕陷性評(píng)價(jià)模型[9,10]。

雖然前人做了大量黃土濕陷性的研究,由于地質(zhì)條件具有較強(qiáng)的地域特征,不同地區(qū)黃土濕陷性具有很明顯的區(qū)域性差別。因此,本文以中蘭鐵路大厚度黃土為研究對(duì)象,在分析自重濕陷系數(shù)和物理力學(xué)指標(biāo)相關(guān)性的基礎(chǔ)上提出沿線黃土濕陷性評(píng)價(jià)方法,可用于隴西地區(qū)初步評(píng)價(jià)大厚度黃土場(chǎng)地的濕陷性。

1 研究背景

1.1 區(qū)域概況

中蘭鐵路地處隴西地區(qū),屬中溫帶干旱、半干旱氣候區(qū),氣候特征為干燥少雨,夏季炎熱,冬季寒冷,晝夜、四季溫差大,降雨集中,蒸發(fā)強(qiáng)烈。該線路經(jīng)過中低山區(qū)、黃河階地和黃土梁峁區(qū),沿線地表廣泛分布濕陷性黃土,黃土成因類型主要為第四系全新統(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(jí)多為Ⅲ級(jí)(嚴(yán)重)～Ⅳ級(jí)(很嚴(yán)重)自重濕陷性場(chǎng)地。

1.2 自重濕陷性判斷標(biāo)準(zhǔn)

目前,對(duì)于黃土場(chǎng)地濕陷性的評(píng)價(jià)方法主要有室內(nèi)壓縮試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試坑浸水試驗(yàn)兩種。根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》(GB 50025—2018)[11],原狀黃土的濕陷性可通過室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試得到其自重濕陷系數(shù),計(jì)算公式如下:

式中:δzs為自重濕陷系數(shù),無量綱;hz為保持天然濕度和結(jié)構(gòu)的試樣加壓至上覆土的飽和自重壓力時(shí),下沉穩(wěn)定后的高度,mm;h′z為加壓穩(wěn)定后的試樣在浸水作用下,附加下沉穩(wěn)定后的高度,mm;h0為試樣的原始高度,mm。其中,當(dāng)δzs<0.015時(shí),為非自重濕陷性黃土;當(dāng)δzs≥0.015時(shí),為自重濕陷性黃土。自重濕陷量的計(jì)算公式如下:

式中:Δzs為自重濕陷量計(jì)算值,mm;δzsi為第i層土在上覆土的飽和自重壓力下的自重濕陷系數(shù);h i為第i層土的厚度,mm;β0為因地區(qū)土質(zhì)而異的修正系數(shù)。

由于在采用室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果判定場(chǎng)地濕陷類型時(shí),往往與實(shí)際結(jié)果存在一定的差異。規(guī)范中規(guī)定對(duì)新建甲類建筑和乙類中的重要建筑,應(yīng)按規(guī)范進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試坑浸水試驗(yàn),并按自重濕陷量的實(shí)測(cè)值Δ′zs判定場(chǎng)地濕陷類型,濕陷性黃土場(chǎng)地的判定標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 濕陷性黃土場(chǎng)地判定標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Criteria for site determination of collapsible loess_

1.3 試驗(yàn)取樣

本次試驗(yàn)選擇中蘭鐵路靖遠(yuǎn)北至北灣段進(jìn)行取樣,該段主要位于黃河階地,地形平坦開闊,地層巖性主要為第四系全新統(tǒng)沖洪積層砂質(zhì)黃土和第四系上更新統(tǒng)沖洪積層粗圓礫土及卵石土,黃土厚約30～40 m。

黃土地區(qū)通常采用薄壁取土器取土和探井取土兩種方法,薄壁取土器采用鉆機(jī)成孔的方式,取土過程中對(duì)土樣有一定的擾動(dòng)。探井取樣利用直徑0.6 m 的洛陽(yáng)鏟成孔,利用取土刀在探井側(cè)壁上切取土樣,相比較于薄壁取土器取土,探井取樣具有對(duì)土樣的擾動(dòng)小、取樣深度準(zhǔn)確的特點(diǎn)。因此本次取樣選擇探井取樣的方法,在地下30 m 深度范圍內(nèi),間隔2 m 取樣一組,每組2筒(平行同一深度采取),在試坑壁上用取樣刀豎向刻取15 cm×15 cm×20 cm 的長(zhǎng)方體土體,蠟封后送至試驗(yàn)室,共取土樣150組。

1.4 黃土基本物理力學(xué)性質(zhì)

為了客觀反映沿線黃土基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo),本文對(duì)所取土樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,得到了沿線黃土含水率、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,沿線黃土物理力學(xué)指標(biāo)見表2。

通過統(tǒng)計(jì)得出沿線黃土密度為1.21～1.84 g/cm3,標(biāo)準(zhǔn)值為1.55 g/cm3;初始含水率為4.1%～20.5%,標(biāo)準(zhǔn)值為12.6%;孔隙比為0.599～1.363,標(biāo)準(zhǔn)值為0.946;飽和度為9.9%～70.0%,標(biāo)準(zhǔn)值為38.0%;干密度為1.14～1.68 g/cm3,標(biāo)準(zhǔn)值為1.39 g/cm3;液性指數(shù)為-1.54～0.76,標(biāo)準(zhǔn)值為-0.49;塑性指數(shù)為5.9～9.5,標(biāo)準(zhǔn)值為7.5;內(nèi)摩擦角為17.4°～32.1°,標(biāo)準(zhǔn)值為23.8°;黏聚力為11.1～34.5 kPa,標(biāo)準(zhǔn)值為16.7 kPa;壓縮系數(shù)為0.110～0.500 MPa-1,標(biāo)準(zhǔn)值為0.265 MPa-1;壓縮模量為4.10～14.20 MPa,標(biāo)準(zhǔn)值為8.04 MPa;自重濕陷系數(shù)為0.001～0.142,標(biāo)準(zhǔn)值為0.023。

1.5 黃土顆粒分析及礦物成分分析

按照《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》[12],對(duì)于顆粒粒徑小于0.075 mm 的試樣一般采用密度計(jì)法進(jìn)行顆粒分析,密度計(jì)法顆粒分析試驗(yàn)一般經(jīng)過洗鹽(針對(duì)易溶鹽>0.5%的土樣)、烘干、稱量、浸泡、煮沸、冷卻、洗篩、加分散劑等步驟,本文采用密度計(jì)法對(duì)靖遠(yuǎn)北站黃土樣進(jìn)行了顆粒分析,試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 顆粒分析(密度計(jì)法)試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Particle analysis(densitometer method)results

以小于某粒徑的土質(zhì)量百分比為縱坐標(biāo),以粒徑為橫坐標(biāo),在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下,繪制粒徑分布曲線,如圖1所示。

圖1 黃土粒徑質(zhì)量百分比曲線圖Fig.1 Loess particle size distribution curve

通過上述曲線分析,場(chǎng)地黃土不均勻系數(shù)Cu=12,曲率系數(shù)Cc=3,為級(jí)配良好的土。根據(jù)規(guī)范規(guī)定,粒徑范圍0.005～0.075 mm 的為粉粒,粒徑≤0.005 mm 的為黏粒,因此沿線黃土以粉粒為主,黏粒含量約占14%。

X射線衍射分析是研究礦物結(jié)晶構(gòu)造、鑒定礦物的主要手段,可以定性地判斷土的礦物組成。本文選擇靖遠(yuǎn)北站附近地表至30 m 深度,每隔5 m取原狀土樣進(jìn)行X射線衍射分析,分析得各礦物成分含量如表4所示。不同深度處原狀黃土各種礦物成分的含量直方圖如圖2所示。

圖2 不同深度處黃土礦物成分的含量直方圖Fig.2 Content histogram of mineral composition of loess at different depths

表4 X射線衍射分析結(jié)果Table 4 X-ray diffraction analysis results

從圖2可以看出,雖然不同深度處原狀黃土各礦物成分的含量略有差異,但都是石英含量最高,為53.90%～59.52%;伊利石(8.38%～17.77%)、方解 石(11.53%～15.44%)、長(zhǎng) 石(10.77%～14.92%)含量次之;白云石(2.97%～4.05%)、綠泥石(1.15%～1.98%)含量較少。

2 黃土濕陷性影響因素分析

2.1 天然含水率與自重濕陷系數(shù)的關(guān)系

含水率是反映黃土干濕程度的重要指標(biāo),天然含水率對(duì)黃土濕陷性的影響主要表現(xiàn)為對(duì)黃土的微結(jié)構(gòu)和易溶鹽膠結(jié)物的影響[13]。因?yàn)橥馏w中天然含水率的存在,黃土顆粒間具有一定的連接性,使得黃土具有一定的強(qiáng)度。當(dāng)含水率較低時(shí),黃土顆粒間的連接性較強(qiáng),濕陷性較強(qiáng),隨著含水率增加,黃土中的可溶鹽被溶化,顆粒間的連接性減弱,濕陷性減弱。中蘭鐵路沿線黃土天然含水率為4.1%～20.5%,標(biāo)準(zhǔn)值為12.6%,以稍濕狀為主,通過對(duì)黃土天然含水率和自重濕陷系數(shù)相關(guān)性(圖3)分析發(fā)現(xiàn),天然含水量越低,則濕陷性越強(qiáng)烈,隨著含水量的增大,濕陷性逐漸減弱,黃土自重濕陷系數(shù)和初始含水率呈負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)R=-0.852,二者相關(guān)程度較高。另外,從圖3可以看出,當(dāng)天然含水率大于16%時(shí),黃土已失去濕陷性。

圖3 天然含水率與自重濕陷系數(shù)的關(guān)系Fig.3 Relationship between natural moisture content and self weight collapsibility coefficient

2.2 孔隙比與自重濕陷系數(shù)的關(guān)系

大孔隙是黃土區(qū)別于其他土類的主要特征之一[14],雷祥義等研究表明,黃土中的孔隙按大小分為大孔隙、中孔隙、小孔隙和微孔隙,其中中孔隙(即支架孔隙)是黃土產(chǎn)生濕陷的主要因素[2]。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[15]。黃土的孔隙比越大,則其壓縮性越高,黃土發(fā)生濕陷變形的空間越大,在外力作用下,黃土更易發(fā)生濕陷變形。沿線黃土孔隙比為0.599～1.363,標(biāo)準(zhǔn)值為0.946,以稍密狀為主,通過對(duì)黃土孔隙比和自重濕陷系數(shù)相關(guān)性(圖4)分析發(fā)現(xiàn),孔隙比越大,自重濕陷系數(shù)越大,自重濕陷系數(shù)和孔隙比呈正相關(guān),其相關(guān)系數(shù)R=0.801,相關(guān)程度較高。另外,從圖4可以看出,當(dāng)孔隙比小于0.9時(shí),黃土已失去濕陷性。

圖4 孔隙比與自重濕陷系數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship between void ratio and self weight collapsibility coefficient

2.3 自重濕陷系數(shù)與干密度的關(guān)系

干密度是評(píng)定黃土密實(shí)程度的指標(biāo)之一,除與黃土本身密實(shí)程度有差別外,還與黃土中各種礦物成分的含量有關(guān),土顆粒排列越緊密,架空孔隙就越少,干密度越大。沿線黃土礦物親水性較強(qiáng),當(dāng)遇水浸泡后,顆粒之間不易發(fā)生滑移,會(huì)降低黃土濕陷性[16]。另外,黃土在形成過程中,由于前期固結(jié)壓力大,土已被壓密,當(dāng)干密度超過某一數(shù)值后,黃土就由濕陷性轉(zhuǎn)化為非濕陷性,本文所研究黃土干密度范圍為1.14～1.68 g/cm3,標(biāo)準(zhǔn)值為1.39 g/cm3。通過黃土干密度和自重濕陷系數(shù)相關(guān)性(圖5)分析發(fā)現(xiàn),隨著干密度值增大,黃土自重濕陷系數(shù)減小,二者呈負(fù)相關(guān),其相關(guān)系數(shù)R=-0.845,相關(guān)程度較高,另外,從圖5可以看出,當(dāng)干密度大于1.40 g/cm3時(shí),黃土已失去濕陷性。

圖5 干密度與自重濕陷系數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationship between dry density and self weight collapsibility coefficient

2.4 飽和度和自重濕陷系數(shù)的關(guān)系

土的飽和度是土體中水的體積與孔隙體積之比,用來描述土中孔隙被水充滿的程度,與地下水位深度和年平均降雨量有關(guān),對(duì)黃土濕陷性的影響與天然含水率的影響原理相同。沿線黃土飽和度為12.3%～65.5%,標(biāo)準(zhǔn)值為37.6%,通過黃土飽和度和自重濕陷系數(shù)相關(guān)性(圖6)分析發(fā)現(xiàn),隨著飽和度值增大,黃土自重濕陷系數(shù)減小,飽和度和自重濕陷系數(shù)呈負(fù)相關(guān),其相關(guān)系數(shù)R=-0.842,相關(guān)程度較高。另外,從圖6可以看出,當(dāng)飽和度大于35%時(shí),黃土已失去濕陷性。

圖6 飽和度與自重濕陷系數(shù)的關(guān)系Fig.6 Relationship between saturation and self weight collapsibility coefficient

2.5 塑性指數(shù)、液性指數(shù)與自重濕陷系數(shù)的關(guān)系

黃土顆粒中的黏粒含量、礦物成分對(duì)黃土濕陷性具有較大影響。塑性指數(shù)能綜合反映黃土的礦物成分和顆粒大小,塑性指數(shù)越大,黃土中黏粒含量或親水礦物含量就越多,濕陷性就越小。沿線黃土塑性指數(shù)IP=5.9～9.5,標(biāo)準(zhǔn)值為7.5,黏粒含量約為14%。由于本線黃土以砂質(zhì)黃土為主,粉粒含量較高,黏粒含量較低,且親水性礦物石英、伊利石綠泥石等含量較高,因此黃土自重濕陷系數(shù)與塑性指數(shù)不具備線性關(guān)系,如圖7所示,相關(guān)系數(shù)R=0.22,相關(guān)程度較弱。

圖7 塑性指數(shù)與自重濕陷系數(shù)的關(guān)系Fig.7 Relationship between plasticity index and self weight collapsibility coefficient

液性指數(shù)大小反映了土體所處的物理狀態(tài),表征了土的天然含水量和界限含水量之間的相對(duì)關(guān)系。同一結(jié)構(gòu)的黃土,液性指數(shù)越大,土體越軟,達(dá)到濕陷峰值所需的壓力越小,濕陷性越弱。沿線黃土液性指數(shù)IL=-1.54～0.76,標(biāo)準(zhǔn)值為-0.49,以硬塑為主,通過自重濕陷系數(shù)和液性指數(shù)相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),黃土自重濕陷系數(shù)隨液性指數(shù)增大而減小,如圖8所示,相關(guān)系數(shù)R=0.84,相關(guān)程度較高。

圖8 液性指數(shù)與自重濕陷系數(shù)的關(guān)系Fig.8 Relationship between liquid index and self weight collapsibility coefficient

2.6 壓縮系數(shù)、壓縮模量與自重濕陷系數(shù)的關(guān)系

壓縮系數(shù)和壓縮模量反映了黃土的力學(xué)性質(zhì),是評(píng)價(jià)黃土壓縮變形的參數(shù),黃土的壓縮系數(shù)越大,壓縮模量越小,黃土的壓縮性就越大,其發(fā)生濕陷變形的空間越大。但黃土的壓縮性與孔隙比、天然含水率、密度等物理指標(biāo)有關(guān),其中天然含水率越大,干密度越小,孔隙比越大,則黃土的壓縮性越強(qiáng)[17]。又因?yàn)樽灾貪裣菹禂?shù)與天然含水率、干密度呈負(fù)相關(guān),和孔隙比呈正相關(guān),故壓縮系數(shù)、壓縮模量和自重濕陷濕陷系數(shù)之間關(guān)系較復(fù)雜,不具備線性關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果顯示沿線黃土壓縮系數(shù)α1-2=0.110～0.500 MPa-1,標(biāo)準(zhǔn)值為0.265 MPa-1;壓縮模量Es=4.10～14.20 MPa,標(biāo)準(zhǔn)值為8.04 MPa;通過對(duì)場(chǎng)地黃土自重濕陷系數(shù)和壓縮系數(shù)以及壓縮模量相關(guān)性(圖9、圖10)分析發(fā)現(xiàn),自重濕陷系數(shù)和壓縮系數(shù)以及壓縮模量相關(guān)程度較弱,相關(guān)系數(shù)分別為R=0.26、R=0.45。

圖9 壓縮系數(shù)與自重濕陷系數(shù)的關(guān)系Fig.9 Relationship between compression coefficient and self weight collapsibility coefficient

圖10 壓縮模量與自重濕陷系數(shù)的關(guān)系Fig.10 Relationship between compression modulus and self weight collapsibility coefficient

3 大厚度黃土濕陷性評(píng)價(jià)方法

3.1 自重濕陷系數(shù)回歸分析

根據(jù)上述分析,黃土自重濕陷系數(shù)與天然含水率、孔隙比、干密度、飽和度和液性指數(shù)具有較高相關(guān)性,與塑性指數(shù)、壓縮系數(shù)和壓縮模量相關(guān)性較弱,因此選擇天然含水率、孔隙比、干密度、飽和度及液性指數(shù)進(jìn)行黃土自重濕陷系數(shù)的多元線性回歸分析。

以沿線黃土室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為樣本,共取70組數(shù)據(jù)利用SPSS軟件進(jìn)行線性擬合,得出自重濕陷系數(shù)與各影響因子間的回歸方程見式(3):

式中:δzs為自重濕陷系數(shù),ω為天然含水率,ρd為干密度,Sr為飽和度,e為孔隙比,IL為液性指數(shù)。

從公式(3)同樣可看出,自重濕陷系數(shù)與初始含水率、干密度、飽和度及液性指數(shù)呈負(fù)相關(guān),和孔隙比呈正相關(guān)。

3.2 回歸方程驗(yàn)證

為了驗(yàn)證回歸方程的適用程度,采用沿線一勘探點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)線性擬合的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,自重濕陷系數(shù)預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比曲線見圖11,通過計(jì)算對(duì)比可以看出,自重濕陷系數(shù)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值變化規(guī)律基本一致,其相關(guān)系數(shù)R=0.886,說明總體上該計(jì)算模型分析較為合理,可用于初步評(píng)價(jià)場(chǎng)地黃土的濕陷性,對(duì)快速獲得黃土自重濕陷系數(shù)具有一定的參考價(jià)值。

圖11 自重濕陷系數(shù)預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖Fig.11 Comparison between predicted and measured results of self weight collapsibility coefficient

4 結(jié)論

(1)沿線黃土顆粒粒徑小于0.075 mm 的土質(zhì)量約占總質(zhì)量的94.8%,粒徑小于0.005 mm 的土質(zhì)量約占總質(zhì)量的14%,以粉粒為主,礦物成分中石英含量最高,伊利石、方解石、長(zhǎng)石含量次之,白云石、綠泥石含量較少。

(2)通過黃土物理力學(xué)指標(biāo)與自重濕陷系數(shù)的相關(guān)性分析可得,沿線黃土自重濕陷系數(shù)與初始含水率、孔隙比、干密度、飽和度和液性指數(shù)具有較高的相關(guān)性,與塑性指數(shù)、壓縮系數(shù)和壓縮模量相關(guān)性較弱。且自重濕陷系數(shù)與初始含水率、干密度、飽和度及液性指數(shù)呈負(fù)相關(guān),和孔隙比呈正相關(guān)。

(3)采用多元線性回歸得到的自重濕陷系數(shù)回歸方程計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的變化規(guī)律基本一致,可用于初步評(píng)價(jià)該地區(qū)大厚度黃土場(chǎng)地的濕陷性,對(duì)快速獲得黃土自重濕陷系數(shù)具有一定的參考價(jià)值。