黔张常铁路龙凤盆地软土成因及工程性状分析

2014-11-27汪中恒

铁道建筑 2014年9期

汪中恒

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

黔江经张家界至常德铁路(简称黔张常铁路)位于渝东南、鄂西南、湘西北3省市交界地带，是联系西部与东中部主要省会城市的快速铁路通道，对于改善沿线武陵山区腹地交通落后现状，加强区域间合作、优势互补，促进中西部经济发展具有十分重要的保证作用。

铁路于DK77—DK91段通过区域内最大的红色盆地龙凤盆地，盆地内酉水河第四级阶地上有一层连续的青灰色淤泥质土，分布较广。该淤泥质土具有高压缩性、低强度和高灵敏性等特点。在其上部修建构筑物面临着稳定及沉降控制等诸多问题。因此，对此层软土工程特征进行分析研究具有重大意义。

本单位对黔张常铁路通过的酉水河第四级阶地上软土工点进行了综合勘察研究，主要以钻探、取样试验与静力触探相结合的方式，查明了地基土的空间分布特征，获取各分层的物理力学参数。

1 区内软土分布特征

龙凤盆地位于鄂西南与湘西北交界地带，地处武陵山脉腹地，为一小型构造盆地，呈长卵形，长轴约25 km，短轴约15 km，叠置在来凤向斜槽部，长轴与基底延伸方向一致，呈北东—南西方向延伸，盆地四周为高耸的中山区，酉水河在盆地中部蜿蜒流过。由于构造运动，盆地内第四系沉积组成了四级基座阶地。酉水河第四系沉积阶地剖面如图1所示。第四级阶地高出酉水河面约65～75 m，于酉水河左岸分布较广，第四系更新统早期沉积面积较大。根据区域地质资料，在第四级阶地上分布有一层青灰色淤泥。

图1 龙凤盆地来凤—石羔山第四系沉积剖面

第四系以来，由于龙凤盆地的地形上的特点，更新统早期沉积物形成了葫芦形的第四级基座阶地。根据定测勘探显示，线路附近地层典型结构剖面如图2所示，地表为一厚约5～10 m的棕红色粉质黏土，其下为一层厚约6～8 m的细圆砾土，砾石层下为两层红色硬塑状粉质黏土，厚约3～4 m，其中间夹有一层厚约2～3 m青灰色淤泥层;粉质黏土之下为一层碎石土层，下伏第三系—白垩系棕红色砂岩夹泥岩。地层中砾石层为砂质铁质胶结，砾石风化较深，呈浑圆状及半磨圆状，粒径较为单一，分层清晰，层面一般呈水平。

图2 线路附近第四级基座阶地沉积地层剖面

由上述可知，区内软土主要分布于酉水河第四级阶地上地层的中部，夹于两层透水性较弱的黏性土层中，为一层较为连续的软土。根据勘探显示，本层软土厚度变化较大，厚约0.5～5.0 m不等。

2 区内软土成因探索

由第四级阶地葫芦形地形及阶地地层沉积韵律分析，酉水河第四级基座阶地上地层属河湖相沉积。

由于本区地处武陵山脉腹地，属中亚热带山地季风湿润型气候，年平均降雨量1 200～1 500 mm，年最大降雨量2 251.3 mm，年平均降雨日数为180～212 d，而年平均蒸发量一般为937.8～1 036.6 mm，小于降雨量。故地下水一般有较好的补给，水位埋深一般在5～10 m，季节变化较小。而由于淤泥层位于两层粉质黏土之间，上下均有较好的隔水层，且由于地层一般呈水平，软土层中水排泄不畅，故至今处于饱水状态，未固结，仍为软土。

3 区内软土的物理力学性质

酉水河第四级阶地上软土一般呈青灰色，成分以黏粒为主，含腐殖质，一般为软塑～流塑。根据本次勘探孔取样试验结果及野外的地质调查，给出了软土的物理力学特性值。

3.1 物理性质

通过试验直接确定的物理性质指标有:土的天然含水率、颗粒密度、湿密度、液限、塑限，再根据上述指标计算出土的干密度、天然孔隙比、饱和度、液限指数和塑性指数等，试验结果见表1。由试验结果可知，该淤泥质黏土呈软塑状，天然含水率小于液限，但天然孔隙比＞1，有机质含量＞5，属于淤泥质土，其物理性质为软土性质。

表1 软土的物理性质指标

3.2 力学性质

3.2.1 压缩性

22组软土样本压缩实验结果见表2。

表2 软土的压缩试验指标

由试验结果可知，该层软土压缩系数a0.1～0.2=0.58 MPa－1，压缩模量 ES0.1～0.2=3.84 MPa。该类黏土的压缩系数a0.1～0.2＞0.5，属高压缩性土层。

3.2.2 渗透性

黏土层的渗透性取决于土体颗粒的形状、大小、不均匀系数和水的黏滞性等。由土样室内试验结果可知:该软弱黏性土的水平渗透系数Kh=4.5×10－7cm/s，垂直渗透系数Kv=3.3×10－7cm/s。

该类软土属弱渗透性地层，排水渗透性能差，土体难固结。

3.2.3 触变性

根据室内三轴试验结果(12组样本平均统计值)，该层软土无侧限抗压强度qu=93.14 kPa(原状土)，灵敏度St=3.44。

该层软弱土的灵敏度2＜St＜4，属中灵敏度土，土体结构被扰动后，土体强度降低较快。当软土地基受振动荷载后，易产生侧向滑动、沉降等现象。

3.2.4 抗剪强度指标

根据室内试验12组样本抗剪强度指标见表3。

表3 软土抗剪强度指标

一般平原区第四系全新统软土内摩擦角φ＜5°，而从试验资料可知，酉水河第四级阶地上分布的软土抗剪强度参数指标偏低，但高于一般平原区第四系全新统软土指标。

3.2.5 地基承载力的确定

根据《铁路工程地质勘察规范》(TB 10012—2007)附录D第8条规定:软土地基容许承载力［σ］按下式确定

式中:h为基础底面的埋置深度;γ为基底以上土的天然重度的平均值;Cu为不排水抗剪强度;k为安全系数，可视软土的灵敏度及建筑物对变形的要求选用1.5～2.5。

由于黔张常铁路主要以路基形式在本区内通过，可选取k=1.5，而由前述抗剪强度指标可知 Cu=27.3 kPa。计算可得软土地基容许承载力［σ］=93.55 kPa。

4 铁路通过时软土工程处理措施

区内软土仅分布于酉水河第四级阶地上，但埋深变化较大，且厚度不均，夹于两层粉质黏土之间，在勘察过程中易将其忽略，而且由于其厚度变化较大，故本段路基工程可能产生路堤不均匀沉降、路堑边坡滑塌失稳等工程地质问题。在铁路勘察、初测阶段发现本层软土时就非常重视，定测阶段特别加强了对该软土层的勘探、试验、测试的力度，基本查明了其分布范围、规律及物理力学性质。鉴于该层埋深较大，厚度较小，且上下均有碎石土层可作为较好的排水通道，施工时可采用排水固结法进行处理。