咸陽市區(qū)飽和軟黃土特性及成因分析

王啟耀 石衛(wèi) 韓振興 時航

摘要： 飽和軟黃土是一種具有特殊性質(zhì)的飽和黃土，對工程建設(shè)極為不利?；诖罅康目辈熨Y料和試驗數(shù)據(jù)，文章總結(jié)了咸陽市區(qū)飽和軟黃土的空間分布規(guī)律及物理力學(xué)性質(zhì)，并從黃土的濕陷性和地下水位的歷史動態(tài)分析了飽和軟黃土的成因。結(jié)果表明咸陽城區(qū)的飽和軟黃土主要分布在二級階地的中東部，其平均孔隙比為0.85、壓縮模量為5.07 MPa，具有較大的孔隙比和壓縮性，強度也較低;咸陽飽和軟黃土形成的內(nèi)部因素主要為黃土的特殊結(jié)構(gòu)，外部環(huán)境因素主要是20世紀(jì)70年代開始的大規(guī)模灌溉工程引起的水位上升。

關(guān)鍵詞：

飽和軟黃土; 分布特征; 物理力學(xué)特征; 地下水

中圖分類號： TU42????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?? 文章編號： 1000-0844（2023）02-0306-05

DOI：10.20000/j.1000-0844.20201105007

Characteristics and cause analysis of saturated

soft loess in Xianyang City

WANG Qiyao1， SHI Wei2， HAN Zhenxing1， SHI Hang1

（1.School of Civil Engineering， Chang'an University， Xi'an 710061， Shaanxi， China;

2. Shaanxi Hydrogeology Engineering Geology and Environment Geology Survey Center， Xi'an 710068， Shaanxi， China）

Abstract：

As a type of specific saturated loess， saturated soft loess is extremely unfavorable for engineering construction. Based on large amounts of survey data and testing results， this paper summarizes the spatial distribution characteristics and physical and mechanical properties of saturated soft loess in the Xianyang urban area. Furthermore， it analyzes the cause of saturated soft loess from the collapsibility of loess and the historical trend of groundwater level. Results indicate that the saturated soft loess in the Xianyang urban area is mainly distributed in the central and eastern parts of the second terrace， with an average porosity ratio of 0.85 and a compression modulus of 5.07 MPa， which has a large porosity ratio and compressibility and low strength. The main internal factor for the formation of saturated soft loess in Xianyang is the special structure of loess， and the main external environmental factor is the rise in water level caused by large-scale irrigation projects since the 1970s.

Keywords：

saturated soft loess; distribution characteristics; physical and mechanical properties; groundwater

0 引言

飽和黃土主要分為兩類［1-2］：一類是飽和軟黃土，即飽和度大于80%，濕陷性已退化，并且未經(jīng)過長時間大的壓實作用，土的大孔隙與結(jié)構(gòu)基本保存完整的黃土;另一類飽和黃土，即黃土早期浸水濕陷之后，并且經(jīng)過充分壓密作用，孔隙比明顯降低，壓縮性下降，承載力提高的黃土。后者實際上已經(jīng)是一種超壓密狀態(tài)的土，工程性質(zhì)較好;但前者，即飽和軟黃土由于其土體常呈軟塑-流塑狀、壓縮系數(shù)比一般飽和黃土高而黏聚力較低，因此承載能力低，容易導(dǎo)致地基不均勻沉降和引發(fā)地表變形過大等工程災(zāi)害，甚至還會引起隧道工程的拱頂塌方和邊墻滑動［3］。

以西安興慶湖在建蓄水對周邊環(huán)境的影響為例，從1959年蓄水到1962年三年間，潛水位上升迅速，并由地基沉降引起了部分結(jié)構(gòu)物開裂，根據(jù)任澍華等［4］調(diào)查結(jié)果，許多建筑物的基礎(chǔ)都出現(xiàn)了沉降，并發(fā)生不同程度承載功能受損。曲江南湖蓄水運營之后，也引起了大范圍的地下水水位上升［5］，導(dǎo)致了類似災(zāi)害的發(fā)生，但由于影響范圍內(nèi)多為高層建筑，基礎(chǔ)埋深大，影響相對較輕。

鑒于飽和軟黃土特殊的工程性質(zhì)，一些學(xué)者開展了關(guān)于其工程特性、成因機理及工程應(yīng)對措施方面的研究。例如，于國新等［6］對西安地區(qū)飽和軟黃土的分布和物理力學(xué)特性做了相關(guān)研究;楊建華等［7］采用現(xiàn)場實測手段研究了西安飽和軟黃土地層礦山法地鐵隧道施工誘發(fā)的地表沉降規(guī)律，并提出了相應(yīng)的施工應(yīng)對措施;高翔等［8］、劉建偉等［9］結(jié)合西安地鐵五號線的建設(shè)，通過現(xiàn)場試驗與室內(nèi)試驗，探討了飽和軟黃土降水前后性能的變化規(guī)律以及沉降特點;曹振等［10］根據(jù)濕陷性黃土的特性及風(fēng)險特征，提出了飽和軟黃土失水固結(jié)沉降風(fēng)險的應(yīng)對措施和隧道開挖土層變形沉降風(fēng)險的應(yīng)對措施;賀農(nóng)農(nóng)等［11］通過施工期現(xiàn)場地表沉降變形監(jiān)測，分析了在飽和軟黃土特殊地層條件下隧道淺埋暗挖法施工引起的該區(qū)段地表沉降變形規(guī)律以及地表沉降槽分布特征;王正偉［12］通過研究濕陷性黃土及飽和軟黃土的性能，提出了飽和軟黃土淺埋大坡度暗挖的施工方法，有效地控制了飽和軟黃土的變形。李慎崗［13］對甘肅中馬鐵路沿線飽和軟黃土的分布、工程特性及處置措施進(jìn)行了研究。以上學(xué)者對飽和軟黃土開展的研究，給其他學(xué)者提供了寶貴經(jīng)驗。

勘察資料表明，咸陽市區(qū)二級階地分布有大量的飽和軟黃土，由于該類黃土強度低且具有觸變性，對工程建設(shè)極為不利。但是咸陽地區(qū)的飽和軟黃土并沒有得到深入研究，目前還沒有相關(guān)的研究成果。本文基于“咸陽城市地質(zhì)調(diào)查項目”取得的大量調(diào)查、勘探和試驗資料成果，總結(jié)了咸陽地區(qū)飽和軟黃土空間分布特征與物理特性，分析了其主要特性，并對其成因機理進(jìn)行了探討。

1 飽和軟黃土空間分布特征

根據(jù)項目成果和前人資料［14］，可以發(fā)現(xiàn)咸陽城區(qū)飽和軟黃土平面主要分布于城區(qū)中西部的二級階地，東到咸陽火車站，西到馬泉鎮(zhèn)，北至二級階地后緣，南至胭脂河-二級階地前緣（圖1）。中部分布最多，連片出現(xiàn);東部和西部片狀零星出現(xiàn);二級階地后緣僅馬泉鎮(zhèn)、程家村、大泉村零星出現(xiàn)。分布區(qū)總體在渭河以北，并被渭惠渠、胭脂河和防洪渠包圍在中間，該區(qū)地表水豐富，給地下水補充創(chuàng)造了條件。

剖面上看（圖2），飽和軟黃土的埋深大部分為3～7 m，最淺處為渭惠渠邊的華家寨附近，埋深0.3 m;厚度一般為3～6 m，局部厚達(dá)10 m。埋深淺和厚度大的地段均分布在西部渭惠渠附近，顯然這與渭惠渠的滲漏有很大的關(guān)系。涉及的地層主要為二級階地上的晚更新世黃土。分布區(qū)地下潛水位總體在黃土之下的古土壤層附近，大部分飽和軟黃土并沒有直接位于潛水位之下，但基本處于水位線之上的毛細(xì)水上升高度范圍以內(nèi)。

2 飽和軟黃土的物理力學(xué)特性

2.1 物理特性

根據(jù)勘察試驗結(jié)果統(tǒng)計，咸陽城區(qū)飽和軟黃土主要物理特性指標(biāo)值列于表1。黃土長期處于飽和狀態(tài)是飽和軟黃土存在的先決條件，即飽和度大于80%，咸陽城區(qū)飽和軟黃土天然含水量處于23.8%～33.7%之間，接近于液限值，平均飽和度在95%左右。孔隙比范圍為0.70～1.16、平均值為0.85，具有較大孔隙性。液性指數(shù)平均值在0.89左右，最大1.44，表明土體處于軟塑甚至是流塑狀態(tài)。

2.2 力學(xué)特性

飽和軟黃土由于高飽和度常呈軟塑-流塑狀，力學(xué)性質(zhì)比一般黃土差，試驗統(tǒng)計表明咸陽市飽和軟黃土壓縮系數(shù)平均為0.38 MPa-1，壓縮模量平均值為5.07 MPa，三軸壓縮試驗得到的內(nèi)摩擦角與黏聚力平均值分別為11.1°和27.7 kPa。說明軟黃土具有中偏高壓縮到高壓縮性，并具有較低的抗剪強度。主要力學(xué)特性指標(biāo)統(tǒng)計值列于表2。

2.3 與普通飽和黃土物理力學(xué)特性的比較

根據(jù)試驗，統(tǒng)計得到的咸陽市飽和軟黃土區(qū)范圍內(nèi)第二類飽和黃土的物理力學(xué)特性值列于表3。

由表3與表2數(shù)據(jù)比較飽和黃土與飽和軟黃土物理力學(xué)性質(zhì)可知，兩者飽和度都比較高，平均為95%和90.54%;飽和軟黃土孔隙比為0.85，比普通飽和黃土0.78要大0.07，飽和軟黃土壓縮系數(shù)較大，說明飽和軟黃土的大孔隙依舊存在，具有更大的壓縮性;普通飽和黃土三軸黏聚力平均為31.57 kPa，三軸內(nèi)摩擦角為15.33°，分別比飽和軟黃土要大14%和38%。

3 飽和軟黃土的成因分析

飽和軟黃土的形成一是要有濕陷性黃土這一物質(zhì)條件，二是要有高地下水位這一環(huán)境條件。咸陽二級階地地層具有典型的二元結(jié)構(gòu)，上部為上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土，下部為沖積層，黃土層底部為一層厚1～5 m的古土壤。這一地層結(jié)構(gòu)特點，既具備了濕陷性黃土這一物質(zhì)條件，又為地下水的聚集創(chuàng)造了條件，使得飽和軟黃土的形成具有了可能性。

從放大1 000倍的電鏡掃描結(jié)果［圖3（a）］看，未擾動的黃土大孔隙較多，具有明顯的分散結(jié)構(gòu)或架空結(jié)構(gòu)特征，屬于典型的欠穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，遇水浸泡濕陷的可能性大;而飽和軟黃土的大孔隙明顯變少，具有鑲嵌結(jié)構(gòu)的特征［圖3（b）］，土體基本已經(jīng)不再具有濕陷性，但由于顆粒體之間原來的膠結(jié)破壞，土體含水量高，顆粒接觸處的“黏粒膜”強度低，外力作用下容易滑移，因此，仍然屬于一種欠穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，其強度較黃土更低。受地形、河流及固結(jié)歷史等因素的影響，二級階地上黃土的濕陷性變化較大，大體上具有北部濕陷性大、南部濕陷性小、東部濕陷性大和西部濕陷性小的特點，屬于一級到二級非自重濕陷場地。咸陽二級階地黃土濕陷性的特征與飽和軟黃土的分布具有較好的相關(guān)性。

地下水對飽和軟黃土形成的影響主要是水位的大幅上升，特別是水位近期大幅上升的影響，比如灌溉工程的竣工運營［15］。如果歷史上較為久遠(yuǎn)的水位變化，黃土濕陷后長期壓縮固結(jié)，強度會逐漸上升，從而退化為一般的飽和黃土。咸陽市位于西北干旱地區(qū)，歷史上地下水位較深，沒有形成軟黃土。根據(jù)陜西省地下水位年鑒，二級階地地下水位變動情況如圖4所示。20世紀(jì)70年代后，隨著灌溉工程的修建運營，地下水位抬升較快，從而產(chǎn)生了飽和軟黃土，盡管后來隨著抽取地下水的增加，水位又出現(xiàn)較大范圍的降落，但由于飽和軟黃土固結(jié)緩慢，因此仍然維持飽和軟黃土狀態(tài)。另外，地表渠道的滲漏，造成局部地段黃土含水量接近飽和，從而形成埋深淺、厚度大的飽和軟黃土，例如渭惠渠附近地段。2006年后，隨著地下水的限制開采，水位逐漸回升，目前，很多地段地下水位已經(jīng)回升到古土壤層之上，因此可以預(yù)見將來咸陽城區(qū)的飽和軟黃土區(qū)范圍還可能增加，這是需要值得注意的問題。

4 結(jié)論

（1） 咸陽市城區(qū)飽和軟黃土的分布主要位于二級階地的中東部，總體在渭河以北，并被渭惠渠、胭脂河和防洪渠包圍在中間。

（2） 咸陽市飽和軟黃土的物理力學(xué)特性與普通飽和黃土物理力學(xué)差異大，其平均孔隙比為0.85、壓縮模量為5.07 MPa，具有較大的孔隙比和壓縮性，強度也較低。

（3） 飽和軟黃土分布與地下水位變動歷史、地層結(jié)構(gòu)及黃土的濕陷性有較大的關(guān)系，根據(jù)咸陽城區(qū)地下水位近50年的變化趨勢，初步判斷飽和軟黃土的形成與20世紀(jì)70年代灌溉工程的修建和運營有關(guān)。

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