山西太興鐵路黃土濕陷性評價

祝懷田,張云祥

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司太原設計院,太原 030009)

我國濕陷性黃土是指第四紀全新世(Q4)至晚更新世形成的黃土,分布面積約38×104km2,晉西北為主要分布區。隨著中部崛起政策的逐步實施,作為中國戰略能源中心的山西,為實現煤炭外運通道快速暢通且成本低廉,鐵路建設勢在必行,新建太興鐵路線經過的黃土地區的黃土濕陷厚度差別較大,正確地分段評價不同地貌黃土濕陷性,采用合理工程措施,對工程建設順利進行、減少工程投資具有重要意義。

1 鐵路沿線黃土概述

太興鐵路位于黃河中游黃土高原東部的黃土丘陵地區,大部分位于構造堆積盆地區,局部為山坡覆蓋薄層黃土。其現在地貌繼承了下伏古地面起伏形態,經過幾次黃土堆積和間斷侵蝕過程,在河流及溝谷的水活動和坡面侵蝕的情況下發展形成以塬、梁、峁為代表的黃土地貌,主要黃土為上更新統(Q3)馬蘭黃土,顏色呈現淺黃色～褐黃色,一般厚度20～30 m,最大厚度大于50 m。局部夾有砂類土層或其透鏡體,砂感明顯,沖溝處多見陡立邊坡,垂直節理較發育。通過對此段線路勘探,里程DK119+700～DK122+800段黃土沖溝較淺,里程DK103+900～DK119+300段黃土沖溝較深,溝內黃土受流水改造較大(DK119+300～DK119+700段為構造隆起部位,出露太古界片麻巖)。

2 鐵路沿線黃土常規物理力學性質

便于對比分析,本文選取太興線里程DK103+900～DK122+800區段為研究對象,研究區屬于典型黃土丘陵區,黃土覆蓋層厚,其上為上更新統風積(Q3eol)砂質黃土,原場地濕陷厚度最大達20 m。為正確分析工程區黃土物理力學性質,野外過程中分段于不同地貌進行挖探槽取樣,所挖探井深度一般為15～25 m,取樣間距為1 m,每米取2個試樣,用于室內雙線試驗,通過對鐵路沿線砂質黃土試驗得出其含水率、干密度、飽和度、孔隙比等物理力學參數,見表1。

表1 太興線黃土物理力學參數

由表1得出,黃土含水率、液限、塑性指數隨深度變化不大,干密度、飽和度、孔隙比隨深度出現明顯變化,如干密度15 m以上1.30～1.40 g/cm3,15～25 m為1.50～1.55 g/cm3,孔隙比14 m以上為1.03～1.20,14～20 m為0.910～0.968,20～25 m為0.75～0.90,且兩者有一定的對照性,土體表現出中-高壓縮性。

3 黃土濕陷性評價

3.1 黃土濕陷機理

經研究,影響黃土濕陷性的微觀因素主要有黃土的微觀結構特征、顆粒組成、化學成分；宏觀因素主要有黃土的含水量和上覆壓力大小。

對于微觀因素的研究主要集中在以下幾個方面：通過對骨架顆粒的微觀結構變形分析,認為黃土的濕陷過程就是骨架顆粒的分解和重新排布的過程；而對孔隙的微觀結構變形分析認為黃土的濕陷過程是大孔隙破壞,中孔隙變形,小孔隙、微孔隙增多,孔隙比減小的過程；而對膠結物質的微觀結構變化分析認為，黃土的濕陷破壞主要是土中骨架顆粒膠結的破壞。在外力作用下,黃土顆粒原先粒間膠結力遭到破壞,骨架顆粒脫離原先膠結力約束而重新排列。

3.2 鐵路沿線黃土濕陷性分析

室內黃土試樣濕陷性試驗采用雙線壓縮法,測定濕陷系數δs試驗壓力基底下10 m以內的土層應用200 kPa,10 m以下至非濕陷性黃土層頂面,其試驗壓力為上覆土的飽和自重壓力,當其大于300 kPa時,仍用300 kPa。為確保濕陷系數的準確性,試驗過程中天然濕度試樣在最后一級壓力下浸水飽和附加下沉穩定后的高度與浸水飽和試樣在最后一級壓力下的下沉穩定后的高度相對差值不大于20%時,以前者的結果為準,對浸水飽和試樣的試驗結果進行修正；如果相對差值大于20%,重新進行試驗。太興線黃土濕陷性分析見表2。

表2 太興線黃土濕陷性分析

DK103+900～DK119+300黃土梁處探井共16個,依據試驗結果分析其濕陷等級一般為Ⅱ級自重濕陷性,一般濕陷量自重濕陷量90～185 mm,濕陷量為260～540 mm,最大濕陷深度為20 m；此段黃土溝探井個數為8個,自重濕陷量為53～122 mm,濕陷量為100～340 mm,濕陷等級為Ⅰ級非自重～Ⅱ級自重濕陷性。

DK119+700～DK122+800黃土梁探井共9個,試驗結果分析其濕陷等級一般為Ⅱ級自重濕陷性,一般濕陷量自重濕陷量78～82 mm,濕陷量為205～287 mm,最大濕陷深度為14 m；此段黃土溝探井個數為5個,自重濕陷量為0～68 mm,濕陷量為35～90 mm,濕陷等級為無濕陷性～Ⅰ級非自重濕陷性。

以上分析得出,黃土梁部位黃土具Ⅱ級中等自重濕陷性,黃土溝部位黃土具無濕陷性～Ⅱ級中等自重濕陷性。總體上DK103+900～DK119+300比DK119+700～DK122+800段黃土濕陷量大,經現場調查分析,DK119+700～DK122+800段黃土長期經水流作用改造大。

4 挖填方對黃土濕陷性評價影響

《濕陷性黃土地區建筑規范》(GB50025—2004)規定：場地的自重濕陷量從天然地面高程算起。當挖填方的厚度和面積較大時,從設計地面算起。鐵路沿線黃土厚度不一,軌面高程隨著里程變化,沿線黃土勢必進行一定的挖填方,挖填方厚度明顯地帶引起的卸荷、加荷對黃土濕陷系數影響較大,從而影響濕陷場地評價結果。如DK108+850～DK109+040段為挖方段,平均挖方深度為6 m,挖方之前黃土濕陷性評價為Ⅱ級自重濕陷性,自重濕陷量為123.5 mm,濕陷量為539.2 mm,濕陷深度為15 m。挖方后,濕陷系數有所降低,自重濕陷量為58.2 mm,濕陷量為265 mm,濕陷深度為8 m。黃土濕陷性系數隨深度變化曲線如圖1、圖2所示。

圖1 DK108+850～DK109+040段黃土濕陷性系數隨深度變化曲線

圖2 DK107+800～DK108+850段黃土濕陷性系數隨深度變化曲線

如DK107+800～DK108+850段為填方段,填方高度為8～12 m,增加的上覆荷載150～200 kPa,濕陷系數、濕陷量都有所增大,自重濕陷量由原來的252.8 mm變為355.3 mm,濕陷量由357 mm變為509 mm,濕陷等級由Ⅱ級自重變為Ⅲ級自重濕陷性。

以上對比分析可以看出,考慮挖方填方引起卸載加載對黃土濕陷性評價影響較大,直接影響著工程處理措施、施工方法。

5 結論建議

(1)本文選取太興線DK103+900～DK122+800段砂質黃土為研究對象。砂質黃土含水量隨深度變化不大,一般為15.7%～18.3%,干密度、孔隙比等隨深度表現一定規律性,孔隙比于14 m以上為1.03～1.20,14～20 m為0.910～0.968,20～25 m為0.75～0.90,系中-高壓縮性土,且濕陷性黃土孔隙比e均在1.00以上。塑性指數為8.3～9.5,說明黃土黏粒含量低,表現出粉土特性。

(2)通過對DK103+900～DK122+800段黃土濕陷性研究表明,黃土梁部位黃土具Ⅱ級自重濕陷性,黃土溝部位黃土具有無濕陷性～Ⅱ級自重濕陷性,且DK103+900～DK119+300比DK119+700～DK122+800段黃土濕陷量大。鐵路挖填方引起的工程場地黃土上覆荷載變化,可以使得場地濕陷性程度降低,也可使得濕陷等級提高,進而影響工程措施、施工方法等。由此可見，黃土地區濕陷性評價應考慮挖填方引起的上覆荷載變化,根據黃土不同地貌分段進行評價,并且能為以后類似工程提供參考。

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