提高雙線法黃土濕陷性試驗成功率的研究

高惠君

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

0 引言

黃土是一種第四紀沉積物，多分布在干旱、半干旱地區，由于特定的生成環境，使其具有以粉粒為主、欠壓密、大孔隙、垂直節理發育、富含可溶鹽等一系列內部物質成分和外部形態特征，結構特性非常獨特，不同于同時期的其他沉積物。黃土在天然含水率時一般呈堅硬或硬塑狀態，且具有較高的強度和低的或中等偏低的壓縮性，但遇水浸濕后，在上覆土層自重應力作用下，或者在自重應力和附加應力共同作用下，土的結構破壞，發生顯著附加變形，劇烈沉陷，強度也隨之迅速降低的土稱為濕陷性黃土，屬于特殊土。廣泛分布于我國東北、西北、華中和華東部分地區的黃土多具濕陷性。由于黃土特殊的工程性質，黃土地區的鐵路工程建設常常會出現多種工程病害，其中黃土濕陷性問題最為突出，給鐵路運營和養護帶來的危害也最大。為了恰當考慮濕陷對工程的影響，需采取相應的措施，分析、判別黃土是否屬于濕陷性黃土、其濕陷性強弱程度以及地基濕陷類型和濕陷等級，是黃土地區工程勘察與評價的核心問題和工程設計的基礎。

1 黃土濕陷性試驗的現狀調查分析

1.1 現狀調查

近年來在黃土地區修建鐵路的工作較多，需要判斷黃土濕陷性的試驗增多，我試驗室是采用雙線法來檢測、計算黃土濕陷性的參數。

根據各年黃土濕陷性試驗工作總量及試驗成功數量進行了統計分析(見表1)，發現以往我試驗室黃土濕陷性試驗成功率偏低。試驗成功率低，就不能全面詳盡地為地質專業提供分析、判別黃土是否屬于濕陷性黃土、其濕陷性強弱程度以及地基濕陷類型和濕陷等級的數據資料。

表1 近年涉及黃土地區的各大干線調查表

在對400個黃土樣品進行濕陷性試驗后，分析出導致試驗不成功的3種缺陷情況，見表2，圖1，圖2。

從圖1，圖2可以看出，試樣本身破損無法取試件占影響試驗成功率的22.6%，試樣高度與壓力關系曲線超差占影響試驗成功率的70.3%，所以這兩項缺陷是影響黃土濕陷性試驗成功率的關鍵。

1.2 分析原因

針對這兩項缺陷，從現場取樣運輸、試樣制備、儀器檢定、試驗過程及數據處理，這五個方面分析原因。

表2 黃土濕陷性試驗不成功率調查表

圖1 缺陷類別統計柱狀圖

圖2 各項缺陷類別所占比例圖

1)現場取樣及運輸過程對原狀土的影響。取樣現場一般是根據《鐵路工程地質鉆探規程》用黃土薄壁取土器取樣，也有特殊情況下用人工挖探取樣。取樣后用標準樣品盒盛裝樣品，蠟封法封存，用人工挖探取樣后多數用塑料袋或鐵皮桶盛裝土樣并用膠帶反復捆緊封存，現場人員若未按操作規程取樣或樣品包裝不合格，就會造成土體結構和含水率的變化。土樣由取樣現場運送至試驗室，運輸過程中不能避免磕碰。另一方面取樣現場多在山區或丘陵地帶，路途顛簸，且送回本室作試驗路途較遠更易出現意外。運輸及存放樣品過程中若未采取保溫、保濕措施，樣品日曬、風吹、受熱、受凍也會使原狀土的天然含水率和天然密度受到影響。

2)制備試件易超差。TB 10102－2010鐵路工程土工試驗規程和GB/T 20123－1999土工試驗方法標準規定試件密度差值Δρ≤0.03 g/cm3，由于新黃土粘聚力c小，天然含水率ω低，一些土體結構多變及脆性強的試樣較難制備成合格試件。有些地區特別是淺層土會出現試樣本身含有礓石、蟲跡、植物根等夾雜物，也會導致不能取出足夠多的試件用于試驗。以上兩種情況會導致所取試件密度超差。

3)試驗結果未考慮壓縮儀器變形量的變化。儀器變形量受溫度影響，試驗所用固結儀為金屬構造，隨著溫度不同會熱脹冷縮，導致儀器變形量發生變化，直接影響數據采集的準確度。因我試驗室固結儀固定不動，考慮溫度變化范圍不大，以往儀器變形量每年只校準一次，但實際情況隨著季節變化很難保證溫度恒定，應根據試驗環境，考慮溫度對儀器變形量的影響。

4)試驗過程中的問題。a.試件保溫、保濕工作不力，試件制備后，在安裝入儀器承壓盒期間未做好保溫保濕工作。b.未把兩密度一致或相近的試件作為一組使用，固結試驗記錄表只記錄土樣編號及環刀號，試驗人員不能判別密度相近或一致的兩試件用于試驗，導致因密度差別較大，致使數據采集結果和試樣高度與壓力關系曲線超差。

5)試驗數據采集處理問題。現大多數試驗室都采用數據采集系統讀取試驗過程中產生的數據，數據采集電子系統每一年只校正一次，系統工作受電壓影響，斷電或電壓不穩，會使所采集的數據有偏差。

2 如何提高雙線法試驗成功率

2.1 取樣、運輸

取樣過程及包裝應嚴格按照《鐵路工程地質鉆探規程》要求操作。為避免運輸過程中易顛簸、磕碰問題，黃土試驗盡量在野外現場試驗室完成。或制作帶內隔的木箱，把樣品放入每個內隔，并且箱內放入泡沫或軟布減震，用塑料膜覆蓋也能起到保溫、保濕的作用，更保證了樣品完整性。

2.2 試件制備及保存

對試驗人員進行培訓，提高制備試件的技術能力，在按照TB 10102－2010鐵路工程土工試驗規程和GB/T 20123－1999土工試驗方法標準規定操作的同時，對結構多變、有夾雜物及脆性強的試樣要實行“一看，二摸，三動手”方法，盡可能多的取出滿足試驗要求的合格試件。

試件制備后，在安裝入儀器承壓盒期間需要做好保溫、保濕工作。試件上下面與玻璃板應緊密接觸，裝入塑料袋中保濕，并用潮濕的毛巾包裹。

2.3 壓縮儀器變形量

修訂固結儀器校驗周期，若試驗室固結儀器固定不搬動，可以將儀器校驗周期一年一次，改為分別在15℃～20℃，20℃～25℃，25℃～30℃環境下校驗，即每年校驗3次。進行試驗時每加一級荷重，記錄當時室溫，以便數據處理人員能夠準確找出不同溫度下的儀器變形量(見表3)，使計算出的各種濕陷性參數更準確。

2.4 試驗過程

改進開土工序與壓縮工序脫節的現狀，修改壓縮試驗記錄表格，試件稱重后填寫壓縮試驗記錄表時，土樣每個試件的密度都填寫在記錄表上，壓縮人員可以根據記錄，挑取兩個密度一致的試件進行第一次試驗，若試驗結果超差，可在剩余試件中再挑取密度一致或相近的一組試件重新進行試驗。圖3是黃土濕陷性試驗標準流程圖，可依此流程指導今后試驗工作。

2.5 試驗數據采集環境

所有使用自動采集的野外現場試驗室須配備發電機，或采用人工讀數，可避免因易斷電，或電壓不穩，致使所采集數據失真問題，數據采集系統在每年校正一次的基礎上，應再增加2次～3次的期間核查程序。系統計算過程采用四舍六入五考慮的統一計算方法，減少對數據結果的影響。

表3 固結儀器變形量校驗記錄

圖3 黃土濕陷性試驗標準流程圖

2.6 數據修正

在雙線法試驗中，天然溫度試樣在最后一級壓力下浸水飽和附加下沉穩定高度和浸水飽和試樣在最后一級壓力下的下沉穩定高度通常不一致。如圖4所示，h0ABCC1曲線與曲線h0AA1B2C2不閉合，因此在計算各級壓力下的濕陷系數時，需要對試驗結果進行修正，研究表明，單線法試驗的物理意義更為明確，其結果更符合實際，對試驗結果進行修正時以單線法為準來修正浸水飽和試驗各級壓力下的穩定高度，即將A1B2B2曲線修正至A1B1C1曲線，使飽和試樣的終點C2與單線法試驗的終點C1重合，以此來計算各級壓力下的濕陷系數。

在實際計算中，如需計算壓力p下的濕陷系數δs，則假定:

則 hp′=hw1－k(hw1－hwp)。

圖4 試件高度與壓力關系曲線

表4 雙線法試驗計算修正表

以呼準鄂鐵路線 DK155+320處，深度1.8 m，ω =4.9%，ρ=1.45 g/cm3的試樣為例，試驗結果修正見表4。

如表4中所示，k=0.847 在1.0 ±0.2 的區間，數據可用。

3 結語

為提高雙線法黃土濕陷性試驗的成功率，試驗盡量在野外現場試驗室完成，或制作帶內隔的木箱進行保溫、保濕、減震運輸。制備試件要遵照“一看，二摸，三動手”方法，減少試件間的密度超差率，試件注意保濕，壓縮試驗記錄表格填寫完整，方便后續試驗進行。修訂固結儀器校驗周期，改為分別在15℃～20℃，20℃～25℃，25℃～30℃環境下校驗，且試驗是記錄每級溫度。野外現場試驗室必須配備發電機或人工讀書進行試驗，數據采集系統每年要進行2次～3次期間核查，試驗結果要進行修正。

[1] TB 10014－98，鐵路工程地質鉆探規程[S].

[2] TB 10102－2010，鐵路工程土工試驗規程[S].

[3] GB/T 50123－1999，土工試驗方法標準[S].

[4] GB 50025－2004，濕陷性黃土地區建筑規范[S].

[5] 《工程地質手冊》編寫組.工程地質手冊[M].第4版.北京:中國建筑工業出版社，2010.