關中地區黃土工程參數變化及參數取值研究

李 鵬, 焦振華

(陜西省水利電力勘測設計研究院,陜西 西安 710000)

關中地區黃土工程參數變化及參數取值研究

李 鵬, 焦振華

(陜西省水利電力勘測設計研究院,陜西 西安 710000)

通過對關中地區渭河北岸興平—富平段黃土的工程特性研究,發現該區域內黃土的不同物理、水理性質及力學性質參數變異性差別較大,針對不同變異性的物理力學參數進行分析,提出數據統計時需采用不同的方法進行對待。并對不同地貌單元黃土濕陷性的分布規律及線路工程濕陷性黃土地基的處理提出建議。

黃土;分布規律;物理力學參數;關中地區

中國黃土面積約64萬km2,是世界上分布最廣泛的地區,而陜西省為中國黃土分布的主要省份之一[1]。上世紀50年代以來,隨著中國經濟發展與社會建設,在黃土地區興建了眾多工程,積累了眾多的黃土地區研究經驗,并取得了很多重要研究成果。現有研究大量集中于黃土的特殊性質—濕陷性的成因、分布、影響因素[2-6]以及防治措施[7-9]等方面,對黃土物理力學參數的研究多集中于參數間相關關系、相互影響等[10-11]方面,而對黃土地區物理力學性質的變化規律以及參數取值問題鮮有報道。

本次研究依托陜西省引漢濟渭二期工程,通過對關中地區渭河北岸興平—富平段分布的馬蘭黃土(Q3)工程特性進行研究統計,分析其物理力學指標分布規律,并對該區域內黃土物理力學參數的取值提出建議,為工程建設提供參考指標。

1 工程概況及試驗樣品采集

引漢濟渭工程為陜西省重點建設工程,二期工程主要為輸配水工程,其線路長,穿越面積廣。其中黃土分布區域主要集中于渭河北岸興平—富平段的咸(陽)禮(泉)塬、富平塬以及涇河、渭河二級階地上部。根據勘探揭示,區域內馬蘭黃土(Q3)層厚度8～14 m不等。本次研究在沿線采用坑探采集黃土樣品,共計探坑50個,樣品451件,各取樣點位置如圖1所示。根據相關規范[12]重點研究馬蘭黃土(Q3)的物理力學性質的變異特性及參數取值。

2 黃土的物理性質及水理性質

2.1 黃土的物理參數指標分布規律及參數取值

黃土物理參數統計結果表明(表1),關中地區西部渭河北岸興平—富平段黃土的比重、含水率、濕密度、干密度、孔隙比、孔隙率等物理特性參數的變化取決于沉積環境、沉積歷史等因素,而研究區范圍內沉積歷史并無明顯差異,故上述參數在空間上變化不大,取值時可進行綜合統計,取平均值。

表1 關中地區渭河北岸黃土的物理性質統計Table 1 Statistics of physical properties of loess in the north of Weihe of Guangzhong area

飽和度的變化主要取決于近現代環境變化,而沿線由于灌溉、取水等人為干擾,當前環境差異較大,故其變異性較大,變異系數為0.26,屬中等變異,且相對大小與取樣位置及地貌單元有關,如圖2所示。在WDTK5點以西,勘探點多位于二級階地及咸陽禮泉塬區的邊緣,地下水埋深相對較小,其飽和度基本>50%;

圖1 關中地區渭河北岸各取樣點位置示意圖Fig.1 Sketch map of sampling point location in the north of Weihe of Guangzhong area

圖2 關中地區渭河北岸各勘探點飽和度平均值與位置分布關系Fig.2 Relationship between mean value of saturation and position distribution of exploration point in the north of Weihe of Guangzhong area

WDTK5點至涇河段,由于其位于咸陽塬中部,地下水位埋深較大,除個別探坑外,飽和度均<50%;而涇河以東,二級階地及富平塬的邊緣部位各勘探點飽和度>50%;富平塬區中部(WDTK26),飽和度<50%。建議在研究區內興建工程時對黃土飽和度參數取值應結合所在區域地貌單元、地下水埋深等因素取值。

2.2 黃土的水理性質分布規律及參數取值

黃土屬水敏性地質體,在水的軟化作用下強度大幅度下降,發生強烈濕陷,黃土的水理性質主要包括土體的塑性及滲透性指標。關中地區西部渭河北岸興平—富平段黃土的液限、塑限及塑性指數的變異系數均<0.2(表2),變異性低,且黃土的液限、塑限及塑性指數等水理特性參數在空間上變化不大,取值時可進行綜合統計,取平均值。

液性指數、滲透特性的變異系數>1,變異性很高。其中液性指數主要反映土的軟硬狀態,經統計分析(圖3),同飽和度指標相似,液性指數的變化主要與近現代環境密切相關,從相關性分析,黃土的液性指數與飽和度亦具有較好的相關性,在二級階地及黃土臺塬的邊緣地帶,地下水埋深相對較小,其液性指數較大;在黃土臺塬中部地帶,地下水位埋深較大液性指數相對較小。建議在研究區內新建工程時,對黃土飽和度參數取值應結合地貌單元、地下水埋深等因素取值。

表2 關中地區渭河北岸黃土的水理性質統計 Table 2 Statistics of water properties of loess in the north of Weihe of Guangzhong area

圖3 關中地區渭河北岸飽和度與液性指數相關性分析Fig.3 Correlation analysis between saturation and liquid index in the north of Weihe of Guangzhong area

滲透系數的大小無明顯的變化規律,變異性較大,主要是因為黃土的孔隙對滲透系數的影響較大,而黃土孔隙的分布密度、大小均有較大差異,故關中地區渭河北岸不同取樣點、相同取樣點的不同深度取樣的滲透特性變化均較大。在本次研究中發現,滲透系數較大的(>10 ×10-5cm/s)的土樣基本分布于二級階地下部,受底部中砂層及砂礫石層接觸影響較大,建議在該區域內新建工程時,對黃土滲透系數的取值,應有針對性地進行取樣試驗確定。

3 黃土的力學特性

3.1 黃土壓縮指標分布規律及參數取值

關中地區西部渭河北岸興平—富平段黃土的壓縮指標的變異情況與試驗壓力有關,隨試驗壓力的增大,變異系數有變小趨勢。其中試驗壓力200～400 kPa時,變異系數為0.3～0.4之間;試驗壓力<200 kPa時,壓縮性質變異系數均>0.4(表3)。

以常用的Es1-2及av1-2為例,進行直方圖統計。壓縮模量正態分布曲線相對較“瘦”(圖4),其數據大多集中于2～4 MPa左右,故在數據取舍時相對容易,可將偏離明顯的數據直接舍去后重新統計。壓縮系數正態分布曲線相對較“寬”(圖5),數據離散,故在數據取舍時不能使用正態函數進行識別及剔除不合理數據,而應結合對應壓縮系數計算所得的壓縮模量范圍、當地工程經驗及土體經驗參數進行綜合判別來取舍壓縮系數值。

表3 關中地區渭河北岸黃土壓縮指標統計Table 3 Statistics of loess compression index in the north of Weihe of Guangzhong area

3.2 黃土抗剪強度分布規律及參數取值

研究區范圍內黃土的抗剪強度的變異情況與施加的垂直壓力有關,壓力>200 kPa,變異系數明顯較100 kPa時變小,200 kPa以上隨壓力增大變化不大,且由于黃土為水敏性物質,受水的作用強度變化較大,故飽和快剪、飽和固結快剪指標的變異性較快剪指標變異性大,但變異系數均在0.1～0.3之間,變異性屬小—中等(表4)。建議根據規范要求,使用不同壓力強度小值均值做莫爾圓來確定抗剪強度指標C值、φ值(圖6)。

圖4 關中地區渭河北岸壓縮模量頻率直方圖及正態分布曲線Fig.4 Frequency histogram and normal distribution curve of compression modulus in the north of Weihe of Guangzhong area

4 黃土的濕陷特性及線路工程地基評價

4.1 黃土濕陷分布規律

圖5 關中地區渭河北岸壓縮系數頻率直方圖及正態分布曲線Fig.5 Frequency histogram and normal distribution curve of compression factor in the north of Weihe of Guangzhong area

經室內試驗成果計算,不同地貌單元黃土濕陷性有所差異,二級階地多為自重濕陷Ⅱ級,黃土塬部位多為自重濕陷Ⅲ級—自重濕陷Ⅳ級。工程開挖前后壓力變化值及根據壓力變化對濕陷性計算修正前后的濕陷性評價如表5。根據規范計算,二級階地均為自重濕陷Ⅱ級,按照開挖減載后重新復核,其濕陷量均有所減少,但局部仍有少量濕陷發生;而黃土塬,由于其濕陷下限較深,開挖減載后仍有部分樣品由于飽和自重壓力作用使其大于濕陷起始壓力產生濕陷,但總體濕陷量大為減少。綜上分析,關中地區渭河北岸濕陷性黃土深度<10 m的部分,在開挖減載后濕陷量不大;而對于深度>10 m的部分,雖然開挖減載后仍具有一定濕陷,但濕陷量大為減少。

圖6 關中地區渭河北岸黃土抗剪指標摩爾(σ)—庫侖(τ)曲線圖Fig.6 Mohr Coulomb curve of shear index of loess in the north of Weihe of Guangzhong area

表4 關中地區渭河北岸黃土抗剪指標統計Table 4 The shear index of loss in the north of Weihe of Guangzhong area

統計方法不同垂直壓力下的剪應力τ/kPa快剪飽和快剪飽和固結快剪100200300400100200300400100200300400統計組數474747475858585818181818最大值11216421727911414318124696130187222最小值558611814929466482416894119平均值7512116521055911291645592130166大值均值871331812327210814618867108149185小值均值6810914718646791111434882115147標準差121622291619233013162326變異系數0.1630.1360.1350.1370.2820.2040.1800.1810.2330.1790.1760.159

4.2 引水線路濕陷性地基處理

引水線路濕陷性地基處理可參照現行規范“埋地設置的室外水池”地基進行處理。根據工程實踐經驗,建議采用整片土(灰土)墊層處理,其中非自重濕陷性黃土場地,灰土墊層厚度不宜<0.3 m,土墊層厚度不應<0.5 m;自重濕陷性Ⅰ-Ⅱ級場地,灰土墊層厚度不宜<0.6 m,土墊層厚度不應<0.8 m;自重濕陷性Ⅲ-Ⅳ級場地,灰土墊層厚度不宜<0.8 m,土墊層厚度不應<1.0 m;土(或灰土)墊層的壓實系數應≥0.97,并采取嚴格防水措施。

表5 關中地區渭河北岸代表性探坑濕陷性評價Table 5 Evaluation of pit collapsibility representatively in the north of Weihe of Guangzhong area

5 結語

(1) 關中地區渭河北岸內黃土的比重、含水率、濕密度、干密度、孔隙比、孔隙率等物理特性參數及液限、塑限及塑性指數等水理特性參數在空間上變化不大,取值時可進行綜合統計,按照規范取平均值。

(2) 關中地區渭河北岸飽和度屬中等變異性,液性指數與飽和度呈較好的相關性,主要受地貌單元及取樣位置影響。其中在二級階地及黃土臺塬的邊緣地帶,地下水埋深相對不大,其液性指數較大;在黃土臺塬中部地帶,地下水位埋深較大,液性指數相對較小,建議在該區域內新建工程時,對黃土飽和度的取值應結合地貌單元、地下水埋深等因素進行取值。

(3) 關中地區渭河北岸黃土不同取樣點、相同取樣點的不同深度取樣的滲透特性變化均較大,建議在該區域內新建工程時,對黃土滲透系數的取值,應有針對性地進行取樣試驗確定。

(4) 壓縮模量在數據處理時,可將偏離明顯的數據直接舍去后重新統計。其中要結合對應壓縮系數計算所得的壓縮模量范圍、當地工程經驗及土體經驗參數進行綜合判別來取舍壓縮系數值。

(5) 黃土的抗剪強度的變異情況與施加的垂直壓力有關。飽和快剪、飽和固結快剪指標的變異性較快剪指標變異性大,變異性屬小—中等。建議根據規范要求,按小值均值圖解法確定抗剪強度指標C值、φ值。

(6) 關中地區渭河北岸不同地貌單元黃土濕陷性有所差異,一級階地多為非自重Ⅰ級—自重濕陷Ⅱ級,二級階地多為自重濕陷Ⅱ級,黃土塬部位多為自重濕陷Ⅲ級—自重濕陷Ⅳ級。深度<10 m的部分,在開挖減載后濕陷量較小;深度>10 m的部分,在開挖減載后仍具有一定濕陷,但濕陷量大為減少。

[1] 劉東生,孫繼敏,吳文祥.中國黃土研究的歷史、現狀和未來—一次事實與故事相結合的討論[J].第四紀研究,2001,21(3):185-207.

[2] 陳正漢,劉祖典.黃土濕陷變形機理[J].巖土工程學報,1986,8(2):1-12.

[3] 謝定義.試論我國黃土力學研究中的若干新趨向[J].巖土工程學報,2001,23(1):3-13.

[4] 顧成全.黃土濕陷起始壓力判斷探討[J].水文地質工程地質,2004(2):1-3.

[5] 焦振華,李鵬.統計方法在確定黃土濕陷起始壓力中的應用[J].資源環境與工程,2014,28(4):494-497.

[6] 邵生俊,楊春鳴,馬秀婷,等.黃土的獨立物性指標及其與濕陷性參數的相關性分析[J].巖土力學,2013(s2):27-34.

[7] 黃雪峰,陳正漢,方祥位,等.大厚度自重濕陷性黃土地基處理厚度與處理方法研究[J].巖石力學與工程學報,2007(s2):4332-4338.

[8] 楊校輝,黃雪峰,朱彥鵬,等.大厚度自重濕陷性黃土地基處理深度和濕陷性評價試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報,2014(5):1063-1074.

[9] 汪國烈.甘肅省大厚度濕陷性黃土場地工程處理措施暫行規定[Z].蘭州:甘肅省土木建筑學會,甘肅省建設科技專家委員會,2008.

[10] 李保雄,牛永紅,苗天德.蘭州馬蘭黃土的物理力學特性[J].巖石力學,2007,28(6):1077-1082.

[11] 賴天文,何斌.黃土物理力學性質指標的變異性及相關性分析[J].蘭州鐵道學院學報(自然科學版),2003,22(6):110-112.

[12] 中華人民共和國水利部.水利水電工程地質勘察資料整編規程:SL 567—2012[S].北京:中國水利水電出版社,2012.

(責任編輯：費雯麗)

Abstract：Based on the research of the engineering characteristics of loess in Xingping to Fuping section of the north of Weihe in Guanzhong area,it is found that the variability greatly in physical,hydraulic and mechanical properties of loess in this area,through the analysis of physical and mechanical parameters with different variability,it is proposed that different methods can be adopted in parameter statistics. At the same time,the distribution law of loess collapsibility in different geomorphic units and treatment of collapsible loess foundation in line engineering are given some suggestions.

Key words：loess; distribution; physical mechanics parameters; Guanzhong area

Study on Stability and Sliding Influence of Landslidein a Hydropower Station in Southwest China

DENG Weidong

(PowerChinaChengduEngineeringCo.,Ltd,Chengdu,Sichuan610072)

Three secondary slippers developed at the front edge of the Mari landslide. Based on the analysis of the evolution mechanism of river valley slopes, the stability of the slope is analyzed by numerical simulation and rigid body limit equilibrium calculation. The results show that the probability of occurrence of 2#secondary sliding body is larger, but the amount of instability is less than the minimum and the possibility of catching the river is small. In addition, the wave analysis and calculation of three secondary slides were carried out to predict the maximum wave height of the surge wave to the dam site.

slide; stability; calculation; hydropower station; influence

Study on Variation and Selection of Loess EngineeringParameters in Guanzhong Area

LI Peng, JIAO Zhenhua

(ShanXiProvinceInstituteofWaterResourcesandElectricPowerInvestigationandDesign,Xi’an,Shanxi710001)

2017-06-20;改回日期:2017-07-11

李鵬(1985-),男,工程師,碩士,第四紀地質專業,從事水利水電工程地質勘察工作。E-mail:lppanda@sina.com

P642.13+1

A

1671-1211(2017)04-0449-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.020

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170622.1655.006.html 數字出版日期:2017-06-22 16:55