黄土地区常见工程地质问题的浅析及对策事项

2013-07-10姚海平裴生丽张云江

四川地质学报 2013年2期

姚海平，裴生丽，张云江

(1.核工业二八0 研究所，四川广汉 618300；2.北京中核大地矿业勘查开发有限公司广汉分公司，四川广汉 618300）

运城至西安段铁路客运专线，线路东起山西省运城市，向西于永济跨黄河天堑，经大荔，渭南等县市分别跨越洛河、渭河，西至西北的门户西安市。正线长度211.07km，其中山西省境内75.53km，陕西省境内135.54km。线路行进晋、陕两省的晋南地区和关中平原东部（图1）。

该段位于渭河冲积平原东南部，东起大荔县西侧，西至西安市临潼区新丰镇，东西走向，桥址起迄里程为DK757+850.54 至DK829+193.44，中心里程为793+521.99，全长为71.3429km。该工点桥梁所跨道路主要有：G108 国道、渭蒲高速（在建）、S201 省道、S107 省道、关中环线等。桥梁所跨既有铁路线有：渭化专用线、何零联络线、西延联络线、包西联络线、侯西联络线。桥梁所跨越的河流主要有：洛河、渭河等。交通较为便利。沿线的不良地质现象主要有塬上深切沟谷岸坡坡面上发育的小型滑坡；低阶地上饱和砂土的液化；塬前，高阶地前缘的人工坑洞及西安市内的地裂缝等。特殊岩土主要有大面积的湿陷性黄土，物理力学指标差的松软土、饱和的黄土等。

1 沿线的黄土的特征及基本性质

图1 新建大同至西安客运专线运城至西安段地理位置图

1.1 分布及地貌特征

黄土在我国境内的自然地理分布上具有一定的区域性规律。沿线黄土根据自然地理分布条件及特征可以把它分为五种类型：高原地区类型、山前地带类、山前河谷平原地区类及高山中山山地类。具体可以归入以下三类：

高原地区类：主要分布在陕西省至华阴间的黄土台塬区，黄土连续大面积覆盖，地层发育完整，以第四纪下更新世至近代沉积黄土为主，总厚度大于200m。同时也是沿线黄土分布最厚的地区。

山（塬）前地带类：主要分布在黄土台塬前塬，华山、骊山前缘地带。该地带的特点呈狭长的带状分布，地层主要为第四纪上更新世或近代洪积黄土，在黄土中常有砂、砾石、碎石等粗颗粒沉积物，厚度一般在10m 左右。

河谷平原地区类：主要分布在渭河平原内，为第四系上更新世及近代冲积的黄土沉积物。这样构成了河谷阶地的上部。其中常有砂类土，厚度一般在10m 左右，是沿线分布最广的地层。

1.2 环境及成因

黄土是一种棕黄色或淡黄色的土。它主要分布在亚洲、欧洲及南北美洲。黄土在我国分布相当广泛、厚度大，面积达63.25km2.。其中湿陷性黄土占四分之三［1］。关于其堆积环境及成因，中国科学院院士刘东先生的“新风成说”在国际上得到广泛的接受。他把风成作用从黄土高原顶部约7万年黄土拓展到整个黄土序列约250万年。“新风成说”对物源、搬用、搬用时候的风力情况、沉积环境面貌及沉积后的变化这个全过程进行了阐述。该学术认为沉积的过程与我们看到的沙尘暴一样，是逐渐地从沙漠里面搬运出来的，在黄土高原慢慢沉积起来的，也就是说，黄土是几百万年来一次又一次的沙尘暴的叠加。而沉积过程也是记录了环境的变化信息的过程。

次生黄土是多成因的残积、坡积、冲积、洪积、风积、冰川等不同地质作用形成的。

观察线路主要通过了黄土台塬、洪积扇及渭河阶地三个阶地地貌单元，通过了以风积、洪积及冲洪积为主的黄土，局部塬边深切谷中还有坡积、滑坡堆积黄土分布。风积黄土主要分布在黄土台塬、黄土梁洼及渭河三级阶地表层，同时局部高阶地后缘也有分部；洪积黄土主要分布在山前、塬前洪积扇上；冲积黄土主要分布渭洛河一、二级阶地及河漫滩上。

表1 黏质黄土物理力学特征参数统计表

表2 砂质黄土物理力学特征参数统计表

1.3 工程地质物理力学性质

黄土具有其它土类不同的物理力学性质，其最主要的特性是成分上以粒径含量（0.05～0.005mm）划分界限，这种独特性质决定了它的工程地质性质。在确定黄土室内实验指标时，应密切结合试样样的野外地质和地貌情况，而不能将室内与野外情况相脱离，否则得出的结论是片面的局限性的。

根据这样一观点，将沿线（第四系全新统冲积黏质黄土、砂质黄土……）各地貌单元上分布的黄土按成因时间归类。分别统计物理力学性质指标。（详见表1、表2）

2 黄土地区主要的工程地质问题

黄土地区的工程地质问题与一般工程地质问题相比既有共性、又有特殊性，常见的工程地质问题主要的有湿陷性、不良地质（人工坑洞）、地震液化、松软土等。

2.1 黄土的湿陷性

所谓黄土的湿陷性是指黄土遇水侵蚀后，常发生突然的沉陷的性质。同时黄土的压密变形表现为压缩变形和湿陷变形。结合新建铁路大同至西安客运专线（渭洛河特大桥）勘测资料、将沿线黄土的若干特征及地基处理简要叙述如下：

黄土的湿陷性主要取决于土的内在基本特征及所处地区地质环境这双方面的因素，同时这双方面的因素也决定了黄土的基本工程地质性质。黄土被水浸湿后，土自重压力下及土自重压力和建筑物荷载共同作用下发生的湿陷，把黄土分为自重湿陷性黄土和非自重湿陷性黄土。

黄土的湿陷系数是评价黄土湿陷性的重要参数。黄土的湿陷性与黄土场地所处的地貌单元关系密切。

黄土湿陷类型分区可根据场地的湿陷类型、湿陷等级、湿陷厚度及地貌单元来进行。

可分为自重湿陷性和非自重湿陷性两类，一级阶地的黄土以Ⅰ～Ⅱ级非自重湿陷性为主，湿陷土层厚2～8m；自重湿陷性黄土主要分布于高阶地、黄土梁茆区及黄土塬上部，湿陷等级以Ⅱ～Ⅳ级自重为主，湿陷性土层厚10～30m。

黄土湿陷原理大概归纳为几点：①在干旱与半干旱的气候条件下，使黄土堆积具备了欠压密的大空隙结构。②黄土在荷载及浸水作用后，结构连接松弛，强度消弱。③黄土微结构特征的不同，促使黄土骨架颗粒的成分、形态、颗粒连接的性质状况不同，导致黄土湿陷变形的迟缓与剧烈就不同。④在有侧限的压缩试验中，土的压缩变形本质上是一种粒间受剪的现象，能够引起变形的应力大小决定于土的抗剪强度。在荷载及侵水作用下，同时土的连接强度进一步消弱破坏、发生湿陷，这个过程看似简单而是较复杂的物理过程。

对工程的危害主要是浸水后使建筑物产生不均匀沉降或突然沉陷。采取的基础处理方法要根据土层物理力学指标、湿陷土层厚度等因素，经沉降检算，结合工程设置情况选择采取科学的地基处理方法（对该段黄土湿陷特征汇总详见表3）。

表3 渭洛河特大桥黄土湿陷性及其特征段落表

2.2 黄土地区的不良地质（人工坑洞）

沿线范围段主要有窑洞、古墓穴、人防工程（地道）、地窖等。防空洞地道修建于上世纪六七十年代，现在部分已坍塌填充，受当地气候影响，洞壁较为潮湿或干燥，在地下修建防空洞使得黄土完整性遭到破坏，其表层覆盖黄土，厚约6～12m。据物探勘察结果得出该桥址范围段有：朱王村（位于桥址DK808+500～DK808+950段附近,测区范围内GDS-09～GDS-99）；西韩村（测区范围内推测有一南北向地道与线路交于DK801+206 附近处）；宋家村（位于桥址DK820+400～DK820+850 段附近,测区范围内GDS-37）；北韦村（位于桥址DK821+100～DK821+600 段附近）；张西至张东村（位于桥址DK816+600～DK817+900 段附近）；湾马村（位于桥址DK828+600～DK828+800 段附近,测区范围内GDS-03～GDS-23）；北牛村（位于桥址DK826+450～DK826+800 段附近,测区范围内GDS-22～GDS-25 段）地下有回填过地道通过。防空洞都较为发育，发育深度5m 左右，空洞现已坍塌、充水，空洞坍塌前规模较大，密集。该不良地质对路线都有一定的影响。

表4

2.3 地震液化

渭洛河特大桥区域地震动峰值加速度按里程分为以下三段（详见表4）。

渭洛河区域根据钻孔标惯实验及液化判定表检算，局部属可液化土层，按里程分为以下四段（详见表5）。

表5

表6 松软土判别标准一览表

2.4 松软土

根据《京沪高速铁路工程地质勘察暂行规定》的划分，客运专线对松软土的划分标准见表6。

松软土在汾渭冲积平原区广泛分布，土层多为砂质黄土、粉土、粉质黏土及部分粉、细砂，厚6～20m不等，局部深达25m，呈互层状。

根据原位测试及标贯试验和原状土样试验资料，局部饱和黄土、粉土及流塑状粉质黏土σ0≤0.08MPa，为软土，呈透镜状分布。松软土和软土一般表现为强度低，具中、高压缩性，不能满足客运专线路基工程沉降的严格要求。可采用换填、强夯或碎石桩、粉喷桩等措施进行处理，对于某些埋深和厚度较大、处理困难，经路基检算后仍难以控制工后沉降的地段，则需考虑以桥通过。另外，松软土、软土对涵洞工程也属不良持力层，基础须采用相应的处理。

沿线松软土、软土分布情况详见表7、表8。

3 对策

3.1 选线原则

黄土地区的工程地质条件较为复杂，在选线阶段，应尽可能利用宽坦河谷、较宽沟谷及地下水不发育的分水岭地区。凡是强烈发育的黄土沟谷及由含水土层构成的分水岭带，应设法绕避。渭洛河特大桥位于渭河冲积平原东南部，东起大荔县西侧，西至西安市临潼区新丰镇，东西走向，桥址起迄里程为DK757+850.54 至DK829+193.44，中心里程为793+521.99,全长为71.3429km。该工点桥梁所跨道路主要有：G108 国道、渭蒲高速（在建）、S201 省道、S107 省道、关中环线等。桥梁所跨既有铁路线有：渭化专用线、何零联络线、西延联络线、包西联络线、侯西联络线。桥梁所跨越的河流主要有：洛河、渭河等。交通较为便利。但总的来看，线路方案的选择是比较合理的。

表8 软土段落分布一览表

3.2 工程措施的选择

如前所述，在黄土地区常见的工程地质问题主要的有湿陷性、不良地质（人工坑洞）、地震液化、松软土层，局部地段还存在着斜坡变形的现象。线路通过上述不良地质和特殊岩土地段时，对工程完工后沉降有特殊要求的客运专线来说，为了保证工程的安全、可靠、合理、可行。给工程设计理念和工程地基处理措施提出了新的要求。下面对上述不良地质和特殊岩土处理方法简要介绍。

1）湿陷性黄土的工程处理措施：黄土湿陷性对工程的危害主要是浸水后使建筑物产生不均匀沉降或突然沉陷。采取的基础处理方法要根据土层物理力学指标、湿陷土层厚度等因素，经沉降检算，结合工程设置情况选择采取科学的地基处理方法。常用灰土挤密桩法、强夯法、重锤夯实法、土、灰土垫层法和桩基法等。当地基处理措施不能完全保证沉降要求时，宜采用刚架线路通过或桥通过。

2）不良地质（人工坑（洞））的工程处理措施：对线路分布的人工坑（洞），可采用人工回填夯实的方法。

3）地震液化层的工程处理措施：地震液化层常用的工程处理方法为振冲碎石桩法、振冲沉管砂石桩法、爆破法等。

4）松软土工程处理措施：松软土和软土一般表现为强度低，具中、高压缩性，不能满足客运专线路基工程沉降的严格要求时。可采用换填、强夯或碎石桩、粉喷桩等措施进行处理，对于某些埋深和厚度较大、处理困难，经路基检算后仍难以控制沉降的地段，则需考虑以桥通过。