钻探和试坑取样对黄土试验结果的影响

2018-05-30王浩杰

铁道勘察 2018年2期

王浩杰

(新疆铁道勘察设计院有限公司，新疆乌鲁木齐 830011)

黄土的工程地质性质和物理力学参数一般通过取原状样进行室内试验的方法获取[1-2]，受到人为、机械及取样工艺等因素的影响，易使土样受到不同程度的扰动，影响土样的试验结果，进而影响对黄土工程地质特性的分析判断。因此，分析钻探和试坑两种不同取样方式所造成土样室内试验指标的差异性，可获取钻探取样的扰动形式及解决方案。

1 工程概况

西安至法门寺至机场城际铁路(下简称西法城际铁路)位于关中盆地，途经陕西省西安市、咸阳市、宝鸡市。新建线路自银西高铁乾县车站引出，向西经临平、召公镇至扶风县法门寺；在法门寺设站后折向南行，于扶风县西侧跨渭河，经眉县、太白山、周至、楼观台、户县引入新西安南站。本项目是关中城际铁路网“核心环”的重要组成部分，是关中城际网中的骨干线路和旅游环线。研究区域主要为乾县境内约23 km长的一段，线路走向见图1。

图1 乾县境内线路示意

2 地质概况

2.1 地形地貌

乾县境内线路所经区域属于渭北台塬之一级黄土台塬区，漠谷河及支沟和泔河流经塬面，线路由东向西走行于黄土台塬上。塬面地形平坦开阔，地表多为耕地。村庄较密集，人口稠密，交通便利。

2.2 地层岩性

区段内地层主要为第四系堆积物，黄土塬地段分布第四系上更新统、中更新统风积黄土。

①上更新统黏质黄土(Q3eol)

分布于黄土台塬地表，厚约5～20 m，棕黄色，含零星姜石，硬塑为主，软塑层主要分布在地下水位线以下，层厚1～3 m，一般1～2层。

②中更新统黏质黄土(Q2eol)

下伏于上更新统黏质黄土层，厚大于60 m，棕褐色为主，土质不均，含零星姜石，硬塑为主，软塑层主要分布在地下水位线以下，层厚1～3 m，一般2～3层。

2.3 地质构造

所在区域大地构造属于中朝准地台南部，区内构造以断裂构造(多表现为隐伏断裂)为主。上覆巨厚层第四系堆积物，构造活动对工程基本无影响。

2.4 不良地质和特殊岩土

不良地质现象主要为老鸦咀水库两侧岸坡的滑坡和溜坍，线路已经绕避。特殊岩土主要有湿陷性黄土、膨胀土和松软土等，湿陷性黄土主要为黏质黄土，多具Ⅱ～Ⅳ级自重湿陷性，厚10～30 m。沿线风积黄土层中分布的古土壤多具弱膨胀性。地表分布的第四系全新统冲积黄土、上更新统风积黄土属松软土。

3 黄土湿陷性试验结果对比分析

3.1 两种取样方法概述

(1)钻探取样

本段线路所经地貌类型为黄土台塬区，使用外径≥130 mm的黄土薄壁取土器，采用连续静压法和重锤少击法取土[3-4]。一般情况下，上部第四系上更新统黏质黄土相对松散，钻探所使用的XY-150型钻机可以均匀连续地压入土层，当取样深度大于10 m或达到第四系中更新统黏质黄土层中，受钻机自身重量及功率限制，所提供的静压力不足，只能选用重锤少击法取样，原则上要求必须在小于3锤的情况下完成取样。

(2)试坑取样

利用直径约0.8 m的机械洛阳铲成孔，由操作熟练的工人利用专业的取土刀在井壁切取土样，然后用绞绳吊篮运至地面，装入土样桶后用散土填实蜡封。

相较于钻探取样，试坑取样主要有以下特点，①成孔过程中机械洛阳铲对井壁的震动和挤密扰动较小，所取样品的质量较高。②试坑取样深度由钢尺精确量取，取样深度更为准确可靠。③试坑只能采取地下水位以上的土样，常规取样深度有限，深度大于20 m时，需使用专门的通风送氧设备，以保证取样人员的人身安全。

3.2 黄土湿陷性试验结果对比分析

本次研究选取相同地貌单元内地下水位以上相同深度的钻探土样及试坑土样的试验结果(筛除了钻探取样中由于土样皮卷入土样中造成其严重扰动的试样数据)进行对比统计(见表1)。

表1 土样试验项目及数量统计

在黄土湿陷性系数、自重湿陷量、总湿陷量和湿陷土层厚度统计中，由于数值变化幅度大，本次使用平均值和范围值的方法对91孔/667组钻孔土样和106孔/914组试坑土样的湿陷性判定结果进行了统计(见表2)。

钻孔土样测得的湿陷系数和自重湿陷系数大多小于相近里程试坑土样的测试结果，湿陷系数平均值降低幅度为33.3%～42.6%。其中，自重湿陷量平均值降低幅度为14.3%～43%，总湿陷量平均值降低幅度为13%～23.8%。进而导致钻孔土样试验数据判定的湿陷土层厚度和湿陷等级相较于试坑土样的判定结果较小，主要表现为：①部分段落试坑土样判定具湿陷性而钻孔土样判定不具湿陷性；②在两者均判定具有湿陷性的情况下，多数钻孔判定的湿陷等级及湿陷土层厚度较试坑所判定的结果小。

4 黄土物理力学性质试验指标对比分析

4.1 同深度黄土物理力学性质试验结果统计

黄土的各项物理力学性质参数，直接或间接地反映黄土的物质成分、结构特征，进而综合反映出黄土的工程地质特性。在黄土的各项物性指标中，天然密度、相对密度和含水率是基本指标，必须通过试验测得，其中相对密度主要取决于土的矿物成分[5-7]。统计表明，两种取样方法所测得的相对密度差异很小。干密度、孔隙比、饱和度从一定意义上能够反映出土体的物质组成情况及结构特征。液限、塑限能够较好地反映土体矿物成分。压缩系数和压缩模量都可以用于评价土的压缩性质，两者存在一定的关系，随着压缩系数的增大，压缩模量减小。本次研究选取压缩系数作为统计指标。

对钻孔和试坑两种取样方法所取土样的室内试验资料进行对比(见表3)，发现钻探取样所测得的天然含水率、天然密度、干密度、饱和度、界限含水率等指标均较大，而孔隙比和压缩系数较小。其中天然含水率提高幅度为1.56%～13.05%，天然密度提高幅度为3.63%～9.78%，干密度提高幅度为1.26%～7.79%，饱和度提高幅度为6.92%～28.39%，塑限提高幅度为4.67%～7.45%，液限提高幅度为5.05%～7.85%，而孔隙比降低幅度为6.57%～16.30%，压缩系数降低幅度为2.56%～6.25%。

表3 两种取样方法相同取样深度黄土物理力学性质参数统计

4.2 差异性分析

黄土土体的结构对其工程地质性质影响较大，土体的孔隙比和压缩性在很大程度上影响其工程性质[8]。钻探取土时，取土器对土样的锤击挤密造成了土样的压密扰动[9]，使土样的孔隙比、压缩系数偏小，密度、含水率等指标偏大。由此可见，造成钻探土样试验误差较大的原因为锤击挤密。相比之下，试坑取样对土样的扰动较小，室内测试所得的物理力学参数也更加接近现实情况，用其评价黄土的湿陷性和压缩性更为可靠。

通过分析钻孔和试坑两种取样方法所测得物理参数的差值幅度随取样深度的变化规律，得出以下结论。

图2 天然含水率差值幅度随取样深度变化

图3 天然密度随取样深度变化

图4 孔隙比随取样深度变化

图5 饱和度随取样深度变化

(1)由图2～图5可知，随着取样深度的增加，两种取样方式所测得的含水率和饱和度都逐渐增大，而天然密度和孔隙比都逐渐减小，但两种取样方式的差值幅度随取样深度的增加而逐渐减小，说明随着深度的增加，土体结构越来越密实，钻孔取样对其压密扰动也相对减小，造成两者试验结果趋于接近。当取样深度在20～30 m之间时(接近研究区地下水位)，其含水率和饱和度试验结果趋于一致。

(2)由图6及表3可知，随取样深度的增加，塑限和液限指标差值幅度比较稳定。

图6 塑限随取样深度变化

(3)由图7可知，随着取样深度的增加，土的压缩系数逐渐降低，15 m深度内钻孔与试坑取样测得参数差值幅度随取样深度的增加没有明显的变化，说明15 m以下土体本身结构比较密实，钻孔取样对土的压密扰动较小。研究区第四系上更新统黄土平均层厚20 m，且黄土中钙质结核含量较少，相对较松软，而20 m以下第四系中更新统黄土密实度较好，钙质结核含量较高，相对坚硬，故抗扰动能力较强。