山西太兴铁路黄土湿陷性评价

祝怀田,张云祥

(中铁工程设计咨询集团有限公司太原设计院,太原 030009)

我国湿陷性黄土是指第四纪全新世(Q4)至晚更新世形成的黄土,分布面积约38×104km2,晋西北为主要分布区。随着中部崛起政策的逐步实施,作为中国战略能源中心的山西,为实现煤炭外运通道快速畅通且成本低廉,铁路建设势在必行,新建太兴铁路线经过的黄土地区的黄土湿陷厚度差别较大,正确地分段评价不同地貌黄土湿陷性,采用合理工程措施,对工程建设顺利进行、减少工程投资具有重要意义。

1 铁路沿线黄土概述

太兴铁路位于黄河中游黄土高原东部的黄土丘陵地区,大部分位于构造堆积盆地区,局部为山坡覆盖薄层黄土。其现在地貌继承了下伏古地面起伏形态,经过几次黄土堆积和间断侵蚀过程,在河流及沟谷的水活动和坡面侵蚀的情况下发展形成以塬、梁、峁为代表的黄土地貌,主要黄土为上更新统(Q3)马兰黄土,颜色呈现浅黄色～褐黄色,一般厚度20～30 m,最大厚度大于50 m。局部夹有砂类土层或其透镜体,砂感明显,冲沟处多见陡立边坡,垂直节理较发育。通过对此段线路勘探,里程DK119+700～DK122+800段黄土冲沟较浅,里程DK103+900～DK119+300段黄土冲沟较深,沟内黄土受流水改造较大(DK119+300～DK119+700段为构造隆起部位,出露太古界片麻岩)。

2 铁路沿线黄土常规物理力学性质

便于对比分析,本文选取太兴线里程DK103+900～DK122+800区段为研究对象,研究区属于典型黄土丘陵区,黄土覆盖层厚,其上为上更新统风积(Q3eol)砂质黄土,原场地湿陷厚度最大达20 m。为正确分析工程区黄土物理力学性质,野外过程中分段于不同地貌进行挖探槽取样,所挖探井深度一般为15～25 m,取样间距为1 m,每米取2个试样,用于室内双线试验,通过对铁路沿线砂质黄土试验得出其含水率、干密度、饱和度、孔隙比等物理力学参数,见表1。

表1 太兴线黄土物理力学参数

由表1得出,黄土含水率、液限、塑性指数随深度变化不大,干密度、饱和度、孔隙比随深度出现明显变化,如干密度15 m以上1.30～1.40 g/cm3,15～25 m为1.50～1.55 g/cm3,孔隙比14 m以上为1.03～1.20,14～20 m为0.910～0.968,20～25 m为0.75～0.90,且两者有一定的对照性,土体表现出中-高压缩性。

3 黄土湿陷性评价

3.1 黄土湿陷机理

经研究,影响黄土湿陷性的微观因素主要有黄土的微观结构特征、颗粒组成、化学成分；宏观因素主要有黄土的含水量和上覆压力大小。

对于微观因素的研究主要集中在以下几个方面：通过对骨架颗粒的微观结构变形分析,认为黄土的湿陷过程就是骨架颗粒的分解和重新排布的过程；而对孔隙的微观结构变形分析认为黄土的湿陷过程是大孔隙破坏,中孔隙变形,小孔隙、微孔隙增多,孔隙比减小的过程；而对胶结物质的微观结构变化分析认为，黄土的湿陷破坏主要是土中骨架颗粒胶结的破坏。在外力作用下,黄土颗粒原先粒间胶结力遭到破坏,骨架颗粒脱离原先胶结力约束而重新排列。

3.2 铁路沿线黄土湿陷性分析

室内黄土试样湿陷性试验采用双线压缩法,测定湿陷系数δs试验压力基底下10 m以内的土层应用200 kPa,10 m以下至非湿陷性黄土层顶面,其试验压力为上覆土的饱和自重压力,当其大于300 kPa时,仍用300 kPa。为确保湿陷系数的准确性,试验过程中天然湿度试样在最后一级压力下浸水饱和附加下沉稳定后的高度与浸水饱和试样在最后一级压力下的下沉稳定后的高度相对差值不大于20%时,以前者的结果为准,对浸水饱和试样的试验结果进行修正；如果相对差值大于20%,重新进行试验。太兴线黄土湿陷性分析见表2。

表2 太兴线黄土湿陷性分析

DK103+900～DK119+300黄土梁处探井共16个,依据试验结果分析其湿陷等级一般为Ⅱ级自重湿陷性,一般湿陷量自重湿陷量90～185 mm,湿陷量为260～540 mm,最大湿陷深度为20 m；此段黄土沟探井个数为8个,自重湿陷量为53～122 mm,湿陷量为100～340 mm,湿陷等级为Ⅰ级非自重～Ⅱ级自重湿陷性。

DK119+700～DK122+800黄土梁探井共9个,试验结果分析其湿陷等级一般为Ⅱ级自重湿陷性,一般湿陷量自重湿陷量78～82 mm,湿陷量为205～287 mm,最大湿陷深度为14 m；此段黄土沟探井个数为5个,自重湿陷量为0～68 mm,湿陷量为35～90 mm,湿陷等级为无湿陷性～Ⅰ级非自重湿陷性。

以上分析得出,黄土梁部位黄土具Ⅱ级中等自重湿陷性,黄土沟部位黄土具无湿陷性～Ⅱ级中等自重湿陷性。总体上DK103+900～DK119+300比DK119+700～DK122+800段黄土湿陷量大,经现场调查分析,DK119+700～DK122+800段黄土长期经水流作用改造大。

4 挖填方对黄土湿陷性评价影响

《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB50025—2004)规定：场地的自重湿陷量从天然地面高程算起。当挖填方的厚度和面积较大时,从设计地面算起。铁路沿线黄土厚度不一,轨面高程随着里程变化,沿线黄土势必进行一定的挖填方,挖填方厚度明显地带引起的卸荷、加荷对黄土湿陷系数影响较大,从而影响湿陷场地评价结果。如DK108+850～DK109+040段为挖方段,平均挖方深度为6 m,挖方之前黄土湿陷性评价为Ⅱ级自重湿陷性,自重湿陷量为123.5 mm,湿陷量为539.2 mm,湿陷深度为15 m。挖方后,湿陷系数有所降低,自重湿陷量为58.2 mm,湿陷量为265 mm,湿陷深度为8 m。黄土湿陷性系数随深度变化曲线如图1、图2所示。

图1 DK108+850～DK109+040段黄土湿陷性系数随深度变化曲线

图2 DK107+800～DK108+850段黄土湿陷性系数随深度变化曲线

如DK107+800～DK108+850段为填方段,填方高度为8～12 m,增加的上覆荷载150～200 kPa,湿陷系数、湿陷量都有所增大,自重湿陷量由原来的252.8 mm变为355.3 mm,湿陷量由357 mm变为509 mm,湿陷等级由Ⅱ级自重变为Ⅲ级自重湿陷性。

以上对比分析可以看出,考虑挖方填方引起卸载加载对黄土湿陷性评价影响较大,直接影响着工程处理措施、施工方法。

5 结论建议

(1)本文选取太兴线DK103+900～DK122+800段砂质黄土为研究对象。砂质黄土含水量随深度变化不大,一般为15.7%～18.3%,干密度、孔隙比等随深度表现一定规律性,孔隙比于14 m以上为1.03～1.20,14～20 m为0.910～0.968,20～25 m为0.75～0.90,系中-高压缩性土,且湿陷性黄土孔隙比e均在1.00以上。塑性指数为8.3～9.5,说明黄土黏粒含量低,表现出粉土特性。

(2)通过对DK103+900～DK122+800段黄土湿陷性研究表明,黄土梁部位黄土具Ⅱ级自重湿陷性,黄土沟部位黄土具有无湿陷性～Ⅱ级自重湿陷性,且DK103+900～DK119+300比DK119+700～DK122+800段黄土湿陷量大。铁路挖填方引起的工程场地黄土上覆荷载变化,可以使得场地湿陷性程度降低,也可使得湿陷等级提高,进而影响工程措施、施工方法等。由此可见，黄土地区湿陷性评价应考虑挖填方引起的上覆荷载变化,根据黄土不同地貌分段进行评价,并且能为以后类似工程提供参考。

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