中馬鐵路飽和軟黃土淺析

李慎崗

(蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅蘭州　730000)

Analysis of saturated soft loesss in Zhongma railway

LI Shengang

中馬鐵路飽和軟黃土淺析

李慎崗

(蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅蘭州730000)

Analysis of saturated soft loesss in Zhongma railway

LI Shengang

摘要飽和軟黃土在中馬鐵路中具有分布隱蔽、規(guī)律性差、工程性質(zhì)差、危害大、勘察困難等特點(diǎn)，介紹飽和軟黃土在中馬鐵路中的解義、分布、成因、工程特性及其對工程影響情況，確定針對性的勘察方法并提出工程處理措施建議。

關(guān)鍵詞中馬鐵路飽和軟黃土成因分析工程特性

中(中川)馬(馬家坪)鐵路是甘肅省首條地方投資鐵路，屬于國鐵I級鐵路，起于新建中川鎮(zhèn)中川北車站，終至永登縣既有蘭新線馬家坪車站。線路總體走向自東向西，自新建中川北車站引出，沿正西方向走行于傾斜平原區(qū)，經(jīng)西小川橫跨東干渠及長澇池，沿長川子溝走行于黃土梁峁區(qū)，穿大頭峴，沿砂溝順溝而下，跨連霍高速公路后，進(jìn)入莊浪河河谷區(qū)，于馬家坪車站引入蘭武二線[1]。其中飽和軟黃土主要分布在中馬線后半段的黃土梁峁區(qū)及砂溝階地區(qū)。

1飽和軟黃土解義

飽和軟黃土與飽和度大于80%、濕陷性已退化的飽和黃土[2]不同，飽和軟黃土是指濕陷性黃土受水浸濕后，未經(jīng)過較長時(shí)間及大的上覆壓力的壓密作用[3]，其濕陷性雖已退化，但大孔隙仍基本保存完整，結(jié)構(gòu)也未徹底破壞，在新增荷載作用下，會(huì)出現(xiàn)較大的壓縮變形。當(dāng)飽和度再度降低到小于70%時(shí)，還會(huì)完全或部分恢復(fù)其濕陷性。而通常的飽和黃土由于早期受水浸濕或濕陷過，并經(jīng)歷過長期且較大上覆土自重壓力的壓密作用，孔隙比已明顯降低，大孔隙已被壓縮到接近一般黏性土，其壓縮性大大降低，密度顯著增大，不但當(dāng)前不具濕陷性，即使今后再度失水，也完全不會(huì)恢復(fù)其濕陷性[4]。而中馬鐵路飽和軟黃土則特指分布在本條鐵路范圍內(nèi)的由于地表灌溉渠水較長期滲漏淤積，導(dǎo)致在地表下幾米至十幾米甚至幾十米內(nèi)黃土層出現(xiàn)上層滯水，受上層滯水長期浸泡而飽和變軟的黃土層。

2分布

經(jīng)地質(zhì)勘察及施工驗(yàn)證，本線飽和軟黃土主要分布于黃土梁峁區(qū)中的DK88+440～DK93+525段及砂溝階地區(qū)中的D1K95+980～D1K96+560段，大體斷續(xù)分為8個(gè)段落，單個(gè)段落長40～800 m不等，合計(jì)總長約2.7 km，上覆蓋層厚度多在0～25 m之間，局部30～45 m，飽和軟黃土厚度在2～15 m之間，具有沿渠水(主要為東干渠及其支渠)隨機(jī)分布、分布隱蔽、規(guī)律性差、上覆層及自身厚度變化范圍大等分布特點(diǎn)。

3成因分析

總體而言，中馬線飽和軟黃土是由于渠水(主要為東干渠及其支渠)滲漏及部分大氣降水及地表灌溉水滲透至地下，并在地表下幾米至十幾米甚至幾十米內(nèi)黃土中匯聚淤積，在一定時(shí)間、一定空間、一定條件下達(dá)到相對動(dòng)態(tài)平衡，形成上層滯水，黃土受上層滯水長期浸泡而飽和變軟、性質(zhì)變化而形成飽和軟黃土[5]，如圖1所示。

圖1　飽和軟黃土成因

4工程特性

由飽和軟黃土分布特點(diǎn)與形成原因可知，其分布隱蔽、規(guī)律性差、變化范圍大，且易隨外界水文變化、灌溉渠底不可控滲漏點(diǎn)的增多增大等條件變化而變化，不可控因素多，對其進(jìn)行準(zhǔn)確勘察十分困難。

飽和軟黃土自身具有含水率高、孔隙比較高、中-高壓縮性、承載力低等特性。統(tǒng)計(jì)分析表明，飽和軟黃土的含水率多在29.5%～32.5% 之間，其飽和度大多在90%以上;飽和軟黃土多為軟塑和流塑狀態(tài)，孔隙比大于0.8;天然含水量與液限非常接近[6]，液限約在30%～32%左右，塑限約在17.5%～20.5%之間，其液性指數(shù)常大于0.8;壓縮系數(shù)普遍大于0.4 MPa-1，為中偏高壓縮和高壓縮，承載力低。靜力觸探結(jié)果顯示，其錐尖阻力qc多在800 kPa以下，相對應(yīng)基本承載力σ0多在75 kPa以下。

5對工程的危害

飽和軟黃土對工程的危害主要在于其隱蔽性強(qiáng)、精確勘察困難、易被遺漏或夸大，導(dǎo)致勘察設(shè)計(jì)失真及工程量的增減，甚至遺留安全隱患，易導(dǎo)致出現(xiàn)地面與地基過大沉降及其上構(gòu)筑物破壞等情況[7]。例如地質(zhì)調(diào)查中鐵路沿線多處分布的地裂縫及黃土錯(cuò)落溜坍，即是由于其下沉并拉裂而導(dǎo)致出現(xiàn)的外在表現(xiàn)。除此之外，對鐵路工程建設(shè)及運(yùn)營的危害性還體現(xiàn)在由于其較低的承載力及抗剪強(qiáng)度，當(dāng)其埋深較淺時(shí)，一般不能滿足其上構(gòu)筑物對地基土強(qiáng)度的要求。由于飽和軟黃土層分布不均，層厚變化大，局部呈透鏡體分布，也易導(dǎo)致構(gòu)筑物不均勻沉降、傾斜或開裂。且由于形成飽和軟黃土的上層滯水一直處于動(dòng)態(tài)平衡中，穩(wěn)定性差，相應(yīng)飽和軟黃土層厚度就隨時(shí)具有可變性，隨著上層滯水厚度變化而相應(yīng)增厚及變薄，而無論如何變化，都會(huì)引起相對地表及其上構(gòu)筑物較大的變形，從而形成危害。另外，如果地表截、排水及防滲等措施不當(dāng)，也極可能會(huì)新增飽和軟黃土段落，對已建工程構(gòu)成較大威脅。總之，飽和軟黃土對鐵路工程勘察設(shè)計(jì)、施工直至運(yùn)營均有一定影響及危害性。

6勘察方法要點(diǎn)

多渠道收集、查閱既有可利用資料，搜集大量本線及其臨近既有蘭武二線資料，查閱類似軟弱夾層工程勘察實(shí)例，這些既有資料大大豐富了對中馬線整體地質(zhì)情況及飽和軟黃土的的認(rèn)識，并可以節(jié)省勘察投入，提高勘察效率。

根據(jù)其成因及分布規(guī)律，確定臨近東干渠及其支渠等重點(diǎn)段落，重點(diǎn)調(diào)查、重點(diǎn)突破。

對重點(diǎn)段落結(jié)合工程設(shè)置綜合運(yùn)用鉆探及靜力觸探，采用內(nèi)插法確定飽和軟黃土的分布范圍邊界、分層厚度、硬殼及其下部硬層、變化幅度等[8]，再結(jié)合原位測試及室內(nèi)試驗(yàn)確定其固結(jié)狀態(tài)、物理力學(xué)性質(zhì)、水理性質(zhì)等。

7工程處理措施建議

對于埋深較淺，厚度較薄的飽和軟黃土通常采取先行截排水措施(一般是改渠使之遠(yuǎn)離鐵路線路、加固灌溉渠、禁止或減少鐵路周邊灌溉頻次及用量等)再進(jìn)行翻曬或換填處理等措施。

7.1　樁基處理

橋涵工程在在遭遇飽和軟黃土?xí)r，一般直接采取樁基礎(chǔ)穿過軟弱夾層，由于飽和軟黃土呈軟塑、局部流塑狀，樁基處理時(shí)，盡量采用靜壓樁，次之采用灌注樁。路基工程一般采取碎石樁處理，由于飽和軟黃土和下部飽和黃土經(jīng)常同時(shí)存在，且厚度較大，孔隙水壓力較大，可能會(huì)引起樁的上浮問題，故打樁時(shí)宜從中間向外圍依次施工。

7.2　避免擾動(dòng)

當(dāng)飽和軟黃土埋深很大、厚度較薄、地表硬層厚度較大、滿足一般路基承載力要求時(shí)，應(yīng)盡量避免對飽和軟黃土的擾動(dòng)，防止形成“橡皮土”。

7.3　結(jié)構(gòu)措施

由于飽和軟黃土層厚不一，偶爾呈透鏡體分布，容易造成構(gòu)筑物不均勻沉降、傾斜或構(gòu)筑物開裂。故在飽和軟黃土段建議增大結(jié)構(gòu)的整體剛度，并根據(jù)飽和軟黃土分布范圍和分布厚度優(yōu)化建筑平面布置。

8結(jié)論

地表灌溉渠水滲漏淤積是形成中馬鐵路飽和軟黃土的主要原因，是在一定時(shí)間、一定空間、一定條件下達(dá)到的相對動(dòng)態(tài)平衡，自身穩(wěn)定性差，分布隨機(jī)、隱蔽、規(guī)律性差，上覆層及自身厚度變化范圍大，且具有孔隙比大、含水率高、強(qiáng)度低、壓縮性強(qiáng)、承載力差、呈軟塑或流塑狀態(tài)等物理力學(xué)特性，對工程影響及危害較大。

針對飽和軟黃土各種特點(diǎn)，通過收集、查閱既有可利用資料，確定重點(diǎn)段落，重點(diǎn)調(diào)查、重點(diǎn)突破，并對重點(diǎn)段落結(jié)合工程設(shè)置綜合運(yùn)用鉆探、靜力觸探及各種原位測試及室內(nèi)試驗(yàn)等，查明飽和軟黃土的分布范圍邊界、分層厚度、硬殼及其下部硬層、變化幅度、固結(jié)狀態(tài)、物理力學(xué)性質(zhì)、水理性質(zhì)等。

對飽和軟黃土發(fā)育地段，可結(jié)合飽和軟黃土發(fā)育情況及工程設(shè)置，分別采取先截排水、后翻曬或換填處理、樁基處理、避免擾動(dòng)及采取結(jié)構(gòu)措施等處理方案。

參考文獻(xiàn)

[1]蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司.中川至馬家坪鐵路Ⅱ標(biāo)段施工圖總說明[R].蘭州：蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司，2013

[2]高虎艷，鄧國華.飽和軟黃土的力學(xué)與工程性質(zhì)分析[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2012，10(3):38-42

[3]常士膘，張?zhí)K民.工程地質(zhì)手冊：第四版[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007

[4]吳燕開，陳紅偉，張志征.飽和黃土的性質(zhì)與非飽和黃土流變模型[J].巖土力學(xué)，2004，25(7):1143-1146

[5]于國新，自明洲，許兆義.西安地區(qū)飽和軟黃土工程地質(zhì)特征研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2006，14(2):196-199

[6]于國新.北環(huán)鐵路的工程地質(zhì)環(huán)境[J].鐵道勘察，2005，10(5):39-41

[7]鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院.鐵路工程地質(zhì)手冊[M].北京:中國鐵道出版社，2002

[8]鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院.TB10012—2007鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社，2007

中圖分類號：U212.22

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-7479(2015)02-0053-02

作者簡介：李慎崗，男，2005年畢業(yè)于長安大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)，工程師。

收稿日期：2015-01-13