关中地区黄土工程参数变化及参数取值研究

李 鹏, 焦振华

(陕西省水利电力勘测设计研究院,陕西 西安 710000)

关中地区黄土工程参数变化及参数取值研究

李 鹏, 焦振华

(陕西省水利电力勘测设计研究院,陕西 西安 710000)

通过对关中地区渭河北岸兴平—富平段黄土的工程特性研究,发现该区域内黄土的不同物理、水理性质及力学性质参数变异性差别较大,针对不同变异性的物理力学参数进行分析,提出数据统计时需采用不同的方法进行对待。并对不同地貌单元黄土湿陷性的分布规律及线路工程湿陷性黄土地基的处理提出建议。

黄土;分布规律;物理力学参数;关中地区

中国黄土面积约64万km2,是世界上分布最广泛的地区,而陕西省为中国黄土分布的主要省份之一[1]。上世纪50年代以来,随着中国经济发展与社会建设,在黄土地区兴建了众多工程,积累了众多的黄土地区研究经验,并取得了很多重要研究成果。现有研究大量集中于黄土的特殊性质—湿陷性的成因、分布、影响因素[2-6]以及防治措施[7-9]等方面,对黄土物理力学参数的研究多集中于参数间相关关系、相互影响等[10-11]方面,而对黄土地区物理力学性质的变化规律以及参数取值问题鲜有报道。

本次研究依托陕西省引汉济渭二期工程,通过对关中地区渭河北岸兴平—富平段分布的马兰黄土(Q3)工程特性进行研究统计,分析其物理力学指标分布规律,并对该区域内黄土物理力学参数的取值提出建议,为工程建设提供参考指标。

1 工程概况及试验样品采集

引汉济渭工程为陕西省重点建设工程,二期工程主要为输配水工程,其线路长,穿越面积广。其中黄土分布区域主要集中于渭河北岸兴平—富平段的咸(阳)礼(泉)塬、富平塬以及泾河、渭河二级阶地上部。根据勘探揭示,区域内马兰黄土(Q3)层厚度8～14 m不等。本次研究在沿线采用坑探采集黄土样品,共计探坑50个,样品451件,各取样点位置如图1所示。根据相关规范[12]重点研究马兰黄土(Q3)的物理力学性质的变异特性及参数取值。

2 黄土的物理性质及水理性质

2.1 黄土的物理参数指标分布规律及参数取值

黄土物理参数统计结果表明(表1),关中地区西部渭河北岸兴平—富平段黄土的比重、含水率、湿密度、干密度、孔隙比、孔隙率等物理特性参数的变化取决于沉积环境、沉积历史等因素,而研究区范围内沉积历史并无明显差异,故上述参数在空间上变化不大,取值时可进行综合统计,取平均值。

表1 关中地区渭河北岸黄土的物理性质统计Table 1 Statistics of physical properties of loess in the north of Weihe of Guangzhong area

饱和度的变化主要取决于近现代环境变化,而沿线由于灌溉、取水等人为干扰,当前环境差异较大,故其变异性较大,变异系数为0.26,属中等变异,且相对大小与取样位置及地貌单元有关,如图2所示。在WDTK5点以西,勘探点多位于二级阶地及咸阳礼泉塬区的边缘,地下水埋深相对较小,其饱和度基本>50%;

图1 关中地区渭河北岸各取样点位置示意图Fig.1 Sketch map of sampling point location in the north of Weihe of Guangzhong area

图2 关中地区渭河北岸各勘探点饱和度平均值与位置分布关系Fig.2 Relationship between mean value of saturation and position distribution of exploration point in the north of Weihe of Guangzhong area

WDTK5点至泾河段,由于其位于咸阳塬中部,地下水位埋深较大,除个别探坑外,饱和度均<50%;而泾河以东,二级阶地及富平塬的边缘部位各勘探点饱和度>50%;富平塬区中部(WDTK26),饱和度<50%。建议在研究区内兴建工程时对黄土饱和度参数取值应结合所在区域地貌单元、地下水埋深等因素取值。

2.2 黄土的水理性质分布规律及参数取值

黄土属水敏性地质体,在水的软化作用下强度大幅度下降,发生强烈湿陷,黄土的水理性质主要包括土体的塑性及渗透性指标。关中地区西部渭河北岸兴平—富平段黄土的液限、塑限及塑性指数的变异系数均<0.2(表2),变异性低,且黄土的液限、塑限及塑性指数等水理特性参数在空间上变化不大,取值时可进行综合统计,取平均值。

液性指数、渗透特性的变异系数>1,变异性很高。其中液性指数主要反映土的软硬状态,经统计分析(图3),同饱和度指标相似,液性指数的变化主要与近现代环境密切相关,从相关性分析,黄土的液性指数与饱和度亦具有较好的相关性,在二级阶地及黄土台塬的边缘地带,地下水埋深相对较小,其液性指数较大;在黄土台塬中部地带,地下水位埋深较大液性指数相对较小。建议在研究区内新建工程时,对黄土饱和度参数取值应结合地貌单元、地下水埋深等因素取值。

表2 关中地区渭河北岸黄土的水理性质统计 Table 2 Statistics of water properties of loess in the north of Weihe of Guangzhong area

图3 关中地区渭河北岸饱和度与液性指数相关性分析Fig.3 Correlation analysis between saturation and liquid index in the north of Weihe of Guangzhong area

渗透系数的大小无明显的变化规律,变异性较大,主要是因为黄土的孔隙对渗透系数的影响较大,而黄土孔隙的分布密度、大小均有较大差异,故关中地区渭河北岸不同取样点、相同取样点的不同深度取样的渗透特性变化均较大。在本次研究中发现,渗透系数较大的(>10 ×10-5cm/s)的土样基本分布于二级阶地下部,受底部中砂层及砂砾石层接触影响较大,建议在该区域内新建工程时,对黄土渗透系数的取值,应有针对性地进行取样试验确定。

3 黄土的力学特性

3.1 黄土压缩指标分布规律及参数取值

关中地区西部渭河北岸兴平—富平段黄土的压缩指标的变异情况与试验压力有关,随试验压力的增大,变异系数有变小趋势。其中试验压力200～400 kPa时,变异系数为0.3～0.4之间;试验压力<200 kPa时,压缩性质变异系数均>0.4(表3)。

以常用的Es1-2及av1-2为例,进行直方图统计。压缩模量正态分布曲线相对较“瘦”(图4),其数据大多集中于2～4 MPa左右,故在数据取舍时相对容易,可将偏离明显的数据直接舍去后重新统计。压缩系数正态分布曲线相对较“宽”(图5),数据离散,故在数据取舍时不能使用正态函数进行识别及剔除不合理数据,而应结合对应压缩系数计算所得的压缩模量范围、当地工程经验及土体经验参数进行综合判别来取舍压缩系数值。

表3 关中地区渭河北岸黄土压缩指标统计Table 3 Statistics of loess compression index in the north of Weihe of Guangzhong area

3.2 黄土抗剪强度分布规律及参数取值

研究区范围内黄土的抗剪强度的变异情况与施加的垂直压力有关,压力>200 kPa,变异系数明显较100 kPa时变小,200 kPa以上随压力增大变化不大,且由于黄土为水敏性物质,受水的作用强度变化较大,故饱和快剪、饱和固结快剪指标的变异性较快剪指标变异性大,但变异系数均在0.1～0.3之间,变异性属小—中等(表4)。建议根据规范要求,使用不同压力强度小值均值做莫尔圆来确定抗剪强度指标C值、φ值(图6)。

图4 关中地区渭河北岸压缩模量频率直方图及正态分布曲线Fig.4 Frequency histogram and normal distribution curve of compression modulus in the north of Weihe of Guangzhong area

4 黄土的湿陷特性及线路工程地基评价

4.1 黄土湿陷分布规律

图5 关中地区渭河北岸压缩系数频率直方图及正态分布曲线Fig.5 Frequency histogram and normal distribution curve of compression factor in the north of Weihe of Guangzhong area

经室内试验成果计算,不同地貌单元黄土湿陷性有所差异,二级阶地多为自重湿陷Ⅱ级,黄土塬部位多为自重湿陷Ⅲ级—自重湿陷Ⅳ级。工程开挖前后压力变化值及根据压力变化对湿陷性计算修正前后的湿陷性评价如表5。根据规范计算,二级阶地均为自重湿陷Ⅱ级,按照开挖减载后重新复核,其湿陷量均有所减少,但局部仍有少量湿陷发生;而黄土塬,由于其湿陷下限较深,开挖减载后仍有部分样品由于饱和自重压力作用使其大于湿陷起始压力产生湿陷,但总体湿陷量大为减少。综上分析,关中地区渭河北岸湿陷性黄土深度<10 m的部分,在开挖减载后湿陷量不大;而对于深度>10 m的部分,虽然开挖减载后仍具有一定湿陷,但湿陷量大为减少。

图6 关中地区渭河北岸黄土抗剪指标摩尔(σ)—库仑(τ)曲线图Fig.6 Mohr Coulomb curve of shear index of loess in the north of Weihe of Guangzhong area

表4 关中地区渭河北岸黄土抗剪指标统计Table 4 The shear index of loss in the north of Weihe of Guangzhong area

统计方法不同垂直压力下的剪应力τ/kPa快剪饱和快剪饱和固结快剪100200300400100200300400100200300400统计组数474747475858585818181818最大值11216421727911414318124696130187222最小值558611814929466482416894119平均值7512116521055911291645592130166大值均值871331812327210814618867108149185小值均值6810914718646791111434882115147标准差121622291619233013162326变异系数0.1630.1360.1350.1370.2820.2040.1800.1810.2330.1790.1760.159

4.2 引水线路湿陷性地基处理

引水线路湿陷性地基处理可参照现行规范“埋地设置的室外水池”地基进行处理。根据工程实践经验,建议采用整片土(灰土)垫层处理,其中非自重湿陷性黄土场地,灰土垫层厚度不宜<0.3 m,土垫层厚度不应<0.5 m;自重湿陷性Ⅰ-Ⅱ级场地,灰土垫层厚度不宜<0.6 m,土垫层厚度不应<0.8 m;自重湿陷性Ⅲ-Ⅳ级场地,灰土垫层厚度不宜<0.8 m,土垫层厚度不应<1.0 m;土(或灰土)垫层的压实系数应≥0.97,并采取严格防水措施。

表5 关中地区渭河北岸代表性探坑湿陷性评价Table 5 Evaluation of pit collapsibility representatively in the north of Weihe of Guangzhong area

5 结语

(1) 关中地区渭河北岸内黄土的比重、含水率、湿密度、干密度、孔隙比、孔隙率等物理特性参数及液限、塑限及塑性指数等水理特性参数在空间上变化不大,取值时可进行综合统计,按照规范取平均值。

(2) 关中地区渭河北岸饱和度属中等变异性,液性指数与饱和度呈较好的相关性,主要受地貌单元及取样位置影响。其中在二级阶地及黄土台塬的边缘地带,地下水埋深相对不大,其液性指数较大;在黄土台塬中部地带,地下水位埋深较大,液性指数相对较小,建议在该区域内新建工程时,对黄土饱和度的取值应结合地貌单元、地下水埋深等因素进行取值。

(3) 关中地区渭河北岸黄土不同取样点、相同取样点的不同深度取样的渗透特性变化均较大,建议在该区域内新建工程时,对黄土渗透系数的取值,应有针对性地进行取样试验确定。

(4) 压缩模量在数据处理时,可将偏离明显的数据直接舍去后重新统计。其中要结合对应压缩系数计算所得的压缩模量范围、当地工程经验及土体经验参数进行综合判别来取舍压缩系数值。

(5) 黄土的抗剪强度的变异情况与施加的垂直压力有关。饱和快剪、饱和固结快剪指标的变异性较快剪指标变异性大,变异性属小—中等。建议根据规范要求,按小值均值图解法确定抗剪强度指标C值、φ值。

(6) 关中地区渭河北岸不同地貌单元黄土湿陷性有所差异,一级阶地多为非自重Ⅰ级—自重湿陷Ⅱ级,二级阶地多为自重湿陷Ⅱ级,黄土塬部位多为自重湿陷Ⅲ级—自重湿陷Ⅳ级。深度<10 m的部分,在开挖减载后湿陷量较小;深度>10 m的部分,在开挖减载后仍具有一定湿陷,但湿陷量大为减少。

[1] 刘东生,孙继敏,吴文祥.中国黄土研究的历史、现状和未来—一次事实与故事相结合的讨论[J].第四纪研究,2001,21(3):185-207.

[2] 陈正汉,刘祖典.黄土湿陷变形机理[J].岩土工程学报,1986,8(2):1-12.

[3] 谢定义.试论我国黄土力学研究中的若干新趋向[J].岩土工程学报,2001,23(1):3-13.

[4] 顾成全.黄土湿陷起始压力判断探讨[J].水文地质工程地质,2004(2):1-3.

[5] 焦振华,李鹏.统计方法在确定黄土湿陷起始压力中的应用[J].资源环境与工程,2014,28(4):494-497.

[6] 邵生俊,杨春鸣,马秀婷,等.黄土的独立物性指标及其与湿陷性参数的相关性分析[J].岩土力学,2013(s2):27-34.

[7] 黄雪峰,陈正汉,方祥位,等.大厚度自重湿陷性黄土地基处理厚度与处理方法研究[J].岩石力学与工程学报,2007(s2):4332-4338.

[8] 杨校辉,黄雪峰,朱彦鹏,等.大厚度自重湿陷性黄土地基处理深度和湿陷性评价试验研究[J]. 岩石力学与工程学报,2014(5):1063-1074.

[9] 汪国烈.甘肃省大厚度湿陷性黄土场地工程处理措施暂行规定[Z].兰州:甘肃省土木建筑学会,甘肃省建设科技专家委员会,2008.

[10] 李保雄,牛永红,苗天德.兰州马兰黄土的物理力学特性[J].岩石力学,2007,28(6):1077-1082.

[11] 赖天文,何斌.黄土物理力学性质指标的变异性及相关性分析[J].兰州铁道学院学报(自然科学版),2003,22(6):110-112.

[12] 中华人民共和国水利部.水利水电工程地质勘察资料整编规程:SL 567—2012[S].北京:中国水利水电出版社,2012.

(责任编辑：费雯丽)

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

李鹏(1985-),男,工程师,硕士,第四纪地质专业,从事水利水电工程地质勘察工作。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

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170622.1655.006.html 数字出版日期:2017-06-22 16:55