不同成因砂質(zhì)黃土物理力學(xué)特性和濕陷性評(píng)價(jià)研究

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(guó)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(píng)價(jià)研究，李保雄、梁慶國(guó)等人對(duì)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(píng)價(jià)黃土的濕陷性[9-12]。

由于鐵路工程常常跨越不同的地貌單元，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(chǎng)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(duì)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(píng)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(jí)多為Ⅲ級(jí)(嚴(yán)重)～Ⅳ級(jí)(很嚴(yán)重)自重濕陷性場(chǎng)地。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)，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(píng)價(jià)黃土場(chǎng)地的濕陷性尤為重要。

2.2 取樣場(chǎng)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(chǎng)地砂質(zhì)黃土濕陷程度相對(duì)嚴(yán)重，均為Ⅳ級(jí)(很嚴(yán)重)自重濕陷場(chǎng)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(duì)工程具有指導(dǎo)意義，場(chǎng)地條件見表1。

表1 取樣場(chǎng)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(duì)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(chǎng)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?。籇K139+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(duì)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(shì)，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(shì)，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(shì)，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(píng)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(shì)，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(píng)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(duì)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(píng)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(píng)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(duì)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(píng)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(píng)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(shì)，孔隙比、壓縮系數(shù)和濕陷系數(shù)隨深度增加呈遞減趨勢(shì)。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(píng)價(jià)。