不均勻沉降段路基黃土物質(zhì)成分及微觀結(jié)構(gòu)的差異性研究

鄧瑞 趙蒙 張旭 譚博仁 徐世桐

收稿日期：2023-02-22

基金項(xiàng)目：成都大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃孵化培育項(xiàng)目（202211079013）

作者簡介：鄧瑞（2002—），男，從事微生物固化土壤研究.Email：2923448192@qq.com

通信作者：趙蒙（1988—），女，博士，從事巖土及加固材料研究.Email：596698989@qq.com

摘要：采用基本土工物理力學(xué)試驗(yàn)、粒度分析試驗(yàn)、XRD衍射試驗(yàn)和SEM掃描試驗(yàn)等多種手段對不同路段的不同層位的路基黃土進(jìn)行分析研究.結(jié)果表明，由于路基嚴(yán)重沉降段土的黏土礦物含量較低，黏粒較少，土顆粒之間膠結(jié)作用差，并且參與“集粒”作用的黏土礦物所占比例較少，從而導(dǎo)致“集?！弊饔幂^差，致使土體顆粒無法形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，所以在滲水飽和及循環(huán)振動(dòng)荷載條件下，可能使土體產(chǎn)生高壓縮性，對路基土體的抗破壞性產(chǎn)生了不良影響，從而對路基的不均勻沉降產(chǎn)生促進(jìn)作用.為該鐵路線病害機(jī)制和土體改性材料研制提供了重要依據(jù).

關(guān)鍵詞：鐵路既有線；不均勻沉降；黃土；物質(zhì)成分；微觀結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：U213.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

寶中鐵路K329—K331段，地處寧夏回族自治區(qū)固原市原州區(qū)七營蓮花村境內(nèi)，路線總體走向近南北向，屬黃土丘陵溝壑區(qū)，海拔1 248～2 955 m，具有黃土分布地的典型特征，選取該段黃土路基作為試驗(yàn)段進(jìn)行探究有一定的代表性和科學(xué)性.從勘察揭露深度范圍內(nèi)可知，除表層0.5～1.0 m為種植土層外，上部主要為近代河湖相沉積的黃土狀黏性土地層，底部為河湖相沉積的含碎石粉質(zhì)黃土狀黏土層.該局部路段路基由于其路基土體不良和后期農(nóng)田大面積漫灌的影響，路基出現(xiàn)不均勻沉降，雖經(jīng)3次治理，路基病害仍未緩解，同時(shí)，在長期整修過程中，由于不斷補(bǔ)充石碴和起道作業(yè)，造成下沉地段的線路道床厚度逐年增大，道床厚度不均勻和路基沉降不均勻2種因素疊加，致使下沉地段線路幾何尺寸不易保持，維修周期進(jìn)一步縮短，嚴(yán)重威脅行車安全，致使從2012年以來，該段線路一直以60 km/h速度限行通過.為研究該段路基不均勻沉降原因，必須深入研究既有線鐵路路基黃土物質(zhì)成分組成和微觀結(jié)構(gòu)的差異性.

國內(nèi)外有關(guān)黃土的研究較多，相關(guān)學(xué)者對黃土地層及地貌景觀的形成原因做了深入探究，對黃土濕陷性機(jī)制方面的研究主要集中在黃土的顆粒、物質(zhì)組成、孔隙和結(jié)構(gòu)與濕陷的關(guān)系［1-6］.黃土中0.05～0.01 mm粉土粒級(jí)的含量對黃土至關(guān)重要［7］.黃土的物質(zhì)組成決定其物理力學(xué)和化學(xué)特性.石英和長石等碎屑作為顆粒物質(zhì)，是組成土體的骨架成分［8］；黏土礦物主要有蒙脫石、伊利石、綠泥石、高嶺石和水云母等，包裹于顆粒物質(zhì)周圍，決定土體的水敏性［9］.粗粉沙粒級(jí)原生碳酸鈣在土體中起到骨架支撐作用，原生微晶狀碳酸鈣在骨架顆粒之間起到膠結(jié)作用.黃土體內(nèi)孔隙的成因、大小、形狀分布特征都直接影響黃土的滲透性和濕陷性等有關(guān)的工程地質(zhì)性質(zhì)［10］.黃土的力學(xué)特性與其微觀結(jié)構(gòu)聯(lián)系緊密.有研究人員利用偏光顯微鏡對黃土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步性探索［11］；王生新等［12］對黃土的微觀結(jié)構(gòu)有了更詳盡的描述和分類.研究發(fā)現(xiàn)，黃土微結(jié)構(gòu)特征與濕陷性形成有直接關(guān)系，骨架顆粒的排列方式也有一定影響.通過對我國各地的濕陷性黃土進(jìn)行大量分析研究發(fā)現(xiàn)，我國各地黃土的礦物成分基本一致，但是黃土中的微晶碳酸鈣趨向于由東而西及自南向北的增加.雷祥義［10］采用偏光鏡和掃描電鏡對西安黃土進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，西安地區(qū)新生界第四系Q2黃土的粗顆粒接觸方式主要呈現(xiàn)個(gè)體分散狀.方祥位等［13-14］和洪寶寧等［15］對黃土微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)與宏觀基本物理參數(shù)的相關(guān)性進(jìn)行定量研究發(fā)現(xiàn)，黃土的宏觀力學(xué)性質(zhì)與其微結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系.

綜上所述，國內(nèi)外對于濕陷性黃土的研究主要集中在黃土本身的試驗(yàn)分析，而對于結(jié)合既有鐵路黃土的物質(zhì)成分和微觀結(jié)構(gòu)的研究卻很少.因此，本研究采用宏觀與微觀的試驗(yàn)方法進(jìn)行既有線路基黃土物質(zhì)成分和微觀結(jié)構(gòu)的研究，這對寶中線既有鐵路的路基病害機(jī)制的研究有重要意義.

1材料與方法

1.1儀器

Mastersizer 200型激光粒度分析儀（馬爾文帕納科公司），Dmax3C型X射線衍射儀（XRD）（日本理學(xué)株式會(huì)社），S3000N型掃描電子顯微鏡（SEM）（株式會(huì)社日立制作所）.

1.2材料

由于研究區(qū)的路基沉降范圍與程度各有不同，所以，本次研究選取的路段為嚴(yán)重沉降路段與輕微沉降路段，每種路段選取最典型處進(jìn)行相互對比，嚴(yán)重沉降路段選取的里程為K329+530，輕微沉降段選取的里程為K331+585.現(xiàn)場地層情況如下：

根據(jù)現(xiàn)場取樣與地層情況，以及路基土沉降的嚴(yán)重程度，選取典型的土層進(jìn)行分析，取樣的深度分別為3、6和9 m處.樣品基本情況見表1.

1.3方法

采用基本土工物理力學(xué)試驗(yàn)對原狀土樣的密度、含水率、孔隙比、塑性指數(shù)、滲透性系數(shù)及壓縮性系數(shù)進(jìn)行測試；采用激光粒度分析儀進(jìn)行粒度分析，得出各個(gè)粒徑的土顆粒所占總體積的百分比，從而得出較好的顆粒級(jí)配曲線；使用XRD進(jìn)行物相分析，采用CuKa，Ni濾光，根據(jù)一般土的衍射角范圍，選用5°～60°的范圍進(jìn)行衍射，并使用MID Jade 軟件進(jìn)行分析；將烘干試樣鍍金，并采用高真空模式觀察顯微照片，并對每個(gè)樣品具有代表性的區(qū)域分別使用SEM在不同放大倍數(shù)下拍照.

2結(jié)果與討論

2.1基本土工物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

基本土工物理力學(xué)試驗(yàn)所得到的參數(shù)見表2.

根據(jù)表2可知，密度相差不大，在1.97～2.09 g/cm3之間；在含水率方面，2號(hào)土樣最大，其他土樣都在15%～21%左右；在孔隙比方面，隨著深度增加孔隙比逐漸減小，但孔隙比范圍變化不大，約在0.49～0.67之間；根據(jù)塑性指數(shù)判斷，由于2號(hào)和3號(hào)塑性指數(shù)都小于10，為粉土，其他土樣都大于10，為粉質(zhì)黏土；在滲透性系數(shù)方面，2號(hào)試樣與3號(hào)試樣滲透性系數(shù)較小，其他試樣滲透性系數(shù)較大.

工程中一般采用100～200 kPa壓力區(qū)壓縮模量（Es）判斷土層的壓縮性.當(dāng)Es≤4 MPa時(shí)，為高壓縮性土；當(dāng)20 MPa≥Es≥4 MPa時(shí)，為中等壓縮性土；當(dāng)Es≥20 MPa時(shí)，為低壓縮性土.固結(jié)試驗(yàn)參數(shù)見表3.

根據(jù)表3可知，嚴(yán)重沉降段1號(hào)、 2號(hào)和3號(hào)試樣，以及輕微沉降段5號(hào)和6號(hào)試樣都為高壓縮性土，其中嚴(yán)重沉降段2號(hào)和3號(hào)試樣壓縮模量明顯低于1號(hào)、5號(hào)和6號(hào)試樣.土體的壓縮性與其內(nèi)部孔隙有著直接關(guān)系，壓縮性越高，其孔隙比越大.從壓縮性指標(biāo)來看，嚴(yán)重沉降段各個(gè)層位都為高壓縮性土，土體內(nèi)部孔隙較多，所以沉降劇烈；而輕微沉降段由于只有深部層位為高壓縮性土，沉降較為輕微.根據(jù)現(xiàn)場情況來看，嚴(yán)重沉降段路基土和輕微沉降段路基土同樣受大水漫灌及列車循環(huán)荷載的影響，其路基沉降程度差異性較大，所以，沉降性差異的原因可能與土體內(nèi)部顆粒組成、顆粒的排列差異及孔隙度有密切關(guān)系.

2.2粒度分析試驗(yàn)結(jié)果

通過對6種樣品顆粒分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理，繪制出顆粒級(jí)配曲線及顆粒分布曲線如圖1所示，粒度分析參數(shù)見表4.

根據(jù)圖1（A）和圖1（B）可知，嚴(yán)重沉降段2號(hào)和3號(hào)試樣的顆粒級(jí)配曲線的平緩度低于輕微沉降段，顆粒繼配相對較差；根據(jù)圖1（C）和圖（D）可知，輕微沉降段試樣土基本無粒徑為100～1 000 μm的顆粒，嚴(yán)重沉降段2號(hào)和3號(hào)試樣的100～1 000 μm粒徑的顆粒含量較多；嚴(yán)重沉降段2號(hào)和3號(hào)試樣1～50 μm粒徑的顆粒含量較輕微沉降段明顯較少，而50～100 μm粒徑的顆粒含量急劇增加，其含量明顯大于輕微沉降段.根據(jù)以上結(jié)果可知，嚴(yán)重沉降段土含有較多的大粒徑顆粒，而其1～50 μm粒徑顆粒有缺失，此粒徑范圍的顆粒一般為黏土礦物成分，黏土礦物成分主要起膠結(jié)作用，因此嚴(yán)重沉降段路基土內(nèi)部的膠結(jié)作用較差，在受到外部列車荷載作用下內(nèi)部結(jié)構(gòu)更容易發(fā)生破壞.

根據(jù)表4可知，嚴(yán)重沉降段2號(hào)和3號(hào)試樣中黏粒含量明顯較少，含量在24%左右，輕微沉降段試樣中黏粒含量在28%～32%之間；嚴(yán)重沉降段路基土樣中的黏土含量偏少.從土體結(jié)構(gòu)方面來看，由于黃土本身對水具有較高的敏感性，1～50 μm顆粒缺失，級(jí)配不良，無法形成較好的孔隙填充，并且黏粒含量較少，砂粒含量較多，土中的帶有靜電引力的顆粒較少，無法形成有效的膠結(jié)，在滲水飽和及循環(huán)震動(dòng)荷載條件下，可能對路基土的高壓縮性產(chǎn)生促進(jìn)作用.

2.3XRD 衍射試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，嚴(yán)重沉降段與輕微沉降段顆粒組有很大差異，特別是嚴(yán)重沉降段2號(hào)和3號(hào)試樣，其差異最明顯.因此，在此基礎(chǔ)上，針對1～6號(hào)試樣進(jìn)一步做了XRD衍射試驗(yàn)，結(jié)果如2和表5所示.

根據(jù)圖2可以看出，嚴(yán)重沉降段的2號(hào)和3號(hào)試樣波峰值最大，1號(hào)、4號(hào)、5號(hào)和6號(hào)試樣波峰值相近，且均遠(yuǎn)小于2號(hào)和3號(hào)試樣.該試樣的最高衍射峰為伊利石、綠泥石與石英的疊加峰，峰值的大小反映其晶化程度的多少.由于石英的晶化程度比伊利石與綠泥石高，所以衍射峰越強(qiáng)，所含的石英含量愈高，由此可以初步得出，嚴(yán)重沉降段的2號(hào)和3號(hào)試樣石英含量較高，1號(hào)、4號(hào)、5號(hào)和6號(hào)試樣的石英含量較少.

另外，嚴(yán)重沉降段和輕微沉降段礦物種類基本相同，但各物質(zhì)成分的含量區(qū)別較大.通過表5各試樣物質(zhì)成分含量發(fā)現(xiàn)，2號(hào)和3號(hào)試樣的物質(zhì)成分主要以石英為主，其含量占比在50%以上；以綠泥石和伊利石為主的黏性顆粒含量相對較少，占比25%～26%，這也驗(yàn)證了顆粒分析試驗(yàn)的結(jié)果，嚴(yán)重沉降段路基土主要以大粒徑顆粒為主.而輕微沉降段石英成分相對較少，占比46%及以下，以綠泥石和伊利石為主的黏土礦物含量相對較多，占比35%～40%.因此，初步斷定，黏土礦物對土體結(jié)構(gòu)在滲水飽和及循環(huán)振動(dòng)荷載的條件下的抗破壞性產(chǎn)生不良影響的可能性較小.

2.4SEM掃描試驗(yàn)結(jié)果

為了進(jìn)一步分析研究區(qū)路基土的病害形成機(jī)制，選取嚴(yán)重沉降段的2號(hào)試樣與輕微沉降段的5號(hào)試樣的SEM圖，如圖3所示.

根據(jù)黃土骨架的接觸關(guān)系、孔隙結(jié)構(gòu)及膠結(jié)度，可將黃土結(jié)構(gòu)分為3個(gè)組合及6個(gè)類型，詳見表6.

由圖3（A）和圖3（B）可以看出，在放大200倍的情況下，嚴(yán)重沉降段路基黃土（2號(hào)試樣）主要以粒狀顆粒為主，含有少量凝塊顆粒，受上部震動(dòng)荷載影響，排列較為無序，粒徑形狀為次棱狀為主，在5～40 μm之間，表面較為干凈，同時(shí)有少量集粒出現(xiàn)，孔徑較為發(fā)育，孔徑在10～60 μm之間，屬于支架孔隙，形態(tài)以不規(guī)則狀為主，孔隙分布均勻，連通性較差；在放大1 000倍的情況下，顆粒間填充的片狀顆粒較少，接觸點(diǎn)之間可見少量片狀膠凝顆粒.

由圖3（C）和圖3（D）可以看出，在放大200倍的情況下，輕微沉降段路基黃土（5號(hào)試樣）主要以凝塊狀顆粒為主，骨架輪廓模糊不清，顆?；颈患?xì)粒及膠凝顆粒包裹，孔隙在10～50 μm之間，主要為凝塊顆粒之間的粒間孔隙，形態(tài)以縫隙狀為主，分布較為不均勻，但連通性好；在放大1 000倍的情況下，顆粒間表面與粒間被大量細(xì)顆粒及片狀膠結(jié)物填滿.

通過以上微觀特征，初步判斷2號(hào)試樣為支架大孔—鑲嵌微孔微膠結(jié)結(jié)構(gòu)，該類結(jié)構(gòu)黃土通常有較強(qiáng)濕陷性，但濕陷性較一般黃土弱；5號(hào)試樣為絮凝—凝塊膠結(jié)結(jié)構(gòu)，該類結(jié)構(gòu)黃土一般濕陷性中等，在較低的壓力下一般表現(xiàn)為輕微濕陷或不濕陷，但在較高的壓力下才表現(xiàn)為較高的濕陷性.2號(hào)和5號(hào)試樣的微觀特征參數(shù)見表7.

根據(jù)表7可以看出，在顆粒和孔隙比例方面，由于嚴(yán)重沉降段為支架孔隙，分布數(shù)量較多，而輕微沉降段為粒間孔隙，分布數(shù)量較少，因此，嚴(yán)重沉降段的面積較輕微沉降段大； 在顆粒和孔隙幾何形態(tài)方面，由顆粒和孔隙圓度可知，嚴(yán)重沉降段路基黃土磨圓度較差，圓度較小，輕微沉降段磨圓度較好，圓度較大，并且由于輕微沉降段的孔隙主要為凝塊顆粒的粒間孔隙，孔隙結(jié)構(gòu)主要為縫隙狀的粒間孔隙，因此，孔隙圓度較??；從土體顆粒和孔隙的復(fù)雜程度來看，由于嚴(yán)重沉降段在滲水飽和條件下，受震動(dòng)荷載影響，容易產(chǎn)生濕陷，所以，顆粒和孔隙的分布分維較大，定向度較差，同時(shí)也說明在受到破壞后顆粒和孔隙的分布與排列較為復(fù)雜無序；在土體的連通性方面，由于嚴(yán)重沉降段土體孔隙的連通性較差，所以歐拉數(shù)較小.

2.5參與“集?！弊饔灭ね恋V物的含量分析

由以上試驗(yàn)可以看出，嚴(yán)重沉降段黃土和輕微沉降段黃土的黏土礦物與石英等支架結(jié)構(gòu)礦物顆粒所占的比例不同，導(dǎo)致其抗破壞性有較大的差異.粒度分析試驗(yàn)得出黏粒所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)與XRD得出黏土礦物所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)相比，前者小于后者.由此可以得出，黏土礦物除了在土體結(jié)構(gòu)中起到填充孔隙的作用外，還參與土顆粒的“集粒”作用.參與集粒作用的黏土礦物的百分含量與總體黏土礦物的百分含量之間的關(guān)系為，

K0=K1+K2（1）

K2=K3（2）

式是，K0為總體黏土礦物的百分含量，K1為參與填充作用的黏土礦物的百分含量，K2為參與“集?！弊饔玫酿ね恋V物的百分含量，K3為黏粒的百分含量.

由此可以推斷出，

K1=K0-K3（3）

因此，參與“集?！弊饔玫酿ね恋V物的百分含量可以由式（3）得出.

由表8可知，嚴(yán)重沉降段高壓縮性土（2號(hào)和3號(hào)試樣）黏土礦物含量少，并且參與“集?！弊饔玫酿ね恋V物比例較小，僅占到0.66%～1.09%，無法形成較好的抗破壞結(jié)構(gòu).而其他中—低壓縮性土（1號(hào)、4號(hào)、5號(hào)和6號(hào)）黏土礦物含量多，參與“集粒”作用的黏土礦物比例較大，占到5%以上，能在土顆粒間形成較好的連接，從而使結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，從而保證土體在滲水飽和及循環(huán)振動(dòng)荷載作用下不被破壞.

2.6顆粒連接形式分析

根據(jù)顆粒連接已有的研究成果，顆粒的連接形式主要有直接點(diǎn)接觸、直接面接觸、間接點(diǎn)接觸和間接面接觸，如圖4所示.

直接接觸是指顆粒間沒有或極少有膠結(jié)物連接，如果接觸面積相對較小，則為直接點(diǎn)接觸，接觸面積較大，則為直接面接觸；間接接觸則是顆粒間有較多的黏土薄膜及黏土片，同時(shí)也有鹽晶薄膜的連接，如果接觸面積較小，則為間接點(diǎn)接觸，如果接觸面積較大，則為間接面接觸.

路基土的顆粒間主要為黏土薄膜及片狀黏土礦物膠結(jié)物質(zhì)填充連接.2種路基土的“集?！弊饔萌鐖D5所示.由圖5（A）和圖5（B）可以看出，嚴(yán)重沉降段高壓縮性土（2號(hào)試樣）顆粒之間黏土薄膜及黏土片連接較少，以間接點(diǎn)接觸為主，黏土礦物“集?！弊饔幂^弱；輕微沉降段相同層位的土（5號(hào)試樣）顆粒之間黏土薄膜及黏土片較多，甚至多顆粒形成包裹作用，以間接面接觸為主，黏土礦物“集?！弊饔幂^強(qiáng).因此，嚴(yán)重沉降段黃土黏土礦物較少，“集?！弊饔幂^弱，用于膠結(jié)的黏土礦物無法在顆粒之間形成有效連接，土體顆粒間的黏聚力較弱，在滲水飽和震動(dòng)循環(huán)荷載作用下容易發(fā)生破壞；而輕微沉降段黃土“集?！弊饔幂^強(qiáng)，顆粒之間能形成較強(qiáng)的有效連接，甚至黏土礦物能完全包裹顆粒，土體顆粒間黏聚力較強(qiáng)，滲水飽和及循環(huán)震動(dòng)荷載對其破壞程度較小.

3結(jié)論

1）在宏觀力學(xué)性質(zhì)方面：根據(jù)室內(nèi)基本土工物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，沉降的嚴(yán)重段和輕微段土體的壓縮性不同，從而導(dǎo)致路基不均勻沉降的產(chǎn)生.

2）在物質(zhì)成分組成方面：黏土礦物對黃土的不均勻沉降有著較大的影響，黏土礦物的膠結(jié)作用能使黃土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增強(qiáng)，從而降低濕陷性，極大地緩解震動(dòng)荷載帶來的土體沉降.

3）在微觀結(jié)構(gòu)方面：支架大孔—鑲嵌微孔微膠結(jié)結(jié)構(gòu)的黃土顆粒以間接點(diǎn)接觸為主，該類結(jié)構(gòu)的黃土由于較差的穩(wěn)定性，較容易發(fā)生濕陷，而輕微沉降段主要為間接面接觸，膠結(jié)作用較強(qiáng)，主要以絮凝—凝塊膠結(jié)結(jié)構(gòu)為主，該類黃土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較強(qiáng)，不易發(fā)生濕陷.

4）通過對嚴(yán)重沉降段和輕微沉降段的物質(zhì)成分和微觀結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，黏土礦物的缺失導(dǎo)致土體顆粒黏結(jié)作用不足，顆粒和孔隙分布較為分散，連通性及有效連接較差，從而導(dǎo)致嚴(yán)重沉降段土體在滲水飽和及循環(huán)震動(dòng)荷載的條件下，孔隙水無法排出，結(jié)構(gòu)破壞，進(jìn)而產(chǎn)生較高的壓縮性，最終導(dǎo)致沉降.因此，需要在加強(qiáng)土體顆粒間連接作用方面改良路基黃土性質(zhì)，應(yīng)用黏結(jié)性新型材料進(jìn)行改良黃土濕陷性有很大的探索前景.

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（實(shí)習(xí)編輯：羅媛）