某高速公路黄土湿陷敏感性分析

高 峰

湿陷性黄土区路基湿陷一直是困扰我国道路工程建设的一个重要问题,也是工程地质和岩土工程界较关心的问题。目前我国高等级公路发展迅速,黄土地区的高速公路建设也取得了很大成就,同时,也存在许多问题亟待解决。黄土地区公路遇到的主要病害就是黄土的湿陷性,因此对公路沿线地区黄土湿陷性进行正确评价,就显得非常重要。本文通过对室内外试验数据成果的分析,用数理统计方法和Q型聚类方法,系统研究了不同深度黄土湿陷系数随天然含水量、干密度和超塑含水量等变化规律。对该区内湿陷性黄土的湿陷性状进行较深入、细致的研究。不仅理论上具有一定意义,而且具有重要的工程实践意义,研究的成果可以用来指导该区以后的工程勘察和工程设计。

1 工程和试验概况

1)地形地貌条件。区内地形东高西低、山丘相间分布。山脉走向多呈北东—南西向。地貌类型以坡洪积扇裙为主,间有丘陵地貌及河谷平原地貌,不良地质现象不发育,区域构造较发育。

3)气象水文条件。该区属半干旱大陆性气候带,夏季炎热,冬季寒冷,风沙干旱,雨量很少。多年平均降水量400 mm～500 mm,约有70%集中在6月～8月。年平均气温7.1℃～8.3℃。

4)试验方法比选。黄土的湿陷性判定,是在现场采取原状土样,然后在室内通过压缩仪,在一定压力下进行浸水压缩试验,求出湿陷系数δs。室内湿陷性试验方法,根据压缩曲线的数量可分为单压缩曲线法和双压缩曲线法两种。这两种方法通常被简称为单线法和双线法。依据图1可知,两种方法测定的湿陷系数的差值,最大为0.006,最小为0,一般为0.003左右。由于本文按深度取样,对于单线法的试验样品比较多,而双线法需要试样少。故本文在试验数据测定时采用双线法。

2 黄土湿陷系数与物性指标间的关系

2.1 物性参数的选取

依据室内试验结果,将讨论不同物性指标对黄土湿陷性的影响。选取典型数据进行各因素对湿陷系数多重相关分析,分析结果见表1。由表1可知,各因素对湿陷系数的影响都很显著,其中天然含水量、塑限和干密度对湿陷系数的影响最为显著,本文就以它们为代表,详细分析了该地区黄土湿陷性。

表1 湿陷系数与各因素多重相关分析表

2.2 湿陷系数与天然含水量的关系

黄土的天然含水量对黄土的湿陷性有显著的影响,根据试验结果,作不同深度下 δs—w0关系的回归分析,进而评价含水量与湿陷系数的关系。各深度下的湿陷系数与含水量的回归方程见表2。

表2 不同深度 δs—w0回归方程

从表2可知:1)黄土的湿陷系数δs随深度的增加而减小。2)天然含水量w0与黄土的湿陷系数δs呈直线负相关关系,即随着天然含水量w0的增加,黄土的湿陷系数δs明显降低。3)当天然含水量w0达到某一值时,湿陷系数 δs将降低到小于0.015,即不具湿陷性。因此可以把δs=0.015时所对应的含水量wt定义为湿陷终止含水量。而该试验研究所得湿陷终止含水量wt的范围最大为26.0%,最小为23.3%。

2.3 湿陷系数与超塑含水量关系

从式(1)中可见,湿陷系数随着超塑含水量增大而减小。超塑含水量的变化范围为-15.1%～7.8%,湿陷系数变化范围为0.003～0.072,湿陷等级从轻微湿陷到强烈湿陷,也可从超塑含水量来分析湿陷等级和进行试验数据与成果验证。

2.4 湿陷系数与干密度的关系

黄土的骨架和孔隙的相互关系是引起黄土产生湿陷的原因之一,因此能反映出土粒排列的密实程度也能侧面反映出黄土的微观结构的密度指标ρd对黄土的湿陷性起着一定的制约作用。

通过t法显著性检验和Q型聚类分析,不同深度下湿陷系数与干密度的关系也可进行综合分析,散点图见图2。

一元线性回归方程式为:

从图2和式(2)中可见,一元线性回归效果非常显著,湿陷系数随着干密度增大而减小。干密度的变化范围为1.09 g/cm3～1.63 g/cm3,湿陷系数变化范围为0.003～0.072,湿陷程度从轻微湿陷到强烈湿陷,可从干密度角度来分析湿陷强烈程度。

2.5 湿陷系数与诸因素综合分析

通过利用t法和Q型聚类讨论看出天然含水量、超塑含水量和干密度对湿陷系数都有较好的相关性和显著性。现将天然含水量或超塑含水量和干密度与湿陷系数综合分析,进行多元线性回归分析,置信度取0.99。综合回归方程如表 3所示。

表3 诸因素综合分析回归方程

从表3可见,对式(A),式(B)进行各因素对湿陷性贡献率分析,计算出标准化回归系数分别为天然含水量w0=0.150 1,超塑含水量w0-wp=0.412 6,干密度ρd=0.409 9。方程显著性检验皆非常显著,可将其作为该地区湿陷强烈程度划分依据和工程设计参考。

3 方程检验和应用

为了验证所得经验方程的实用性和使用价值,取本区内另外两个控制勘探孔的试验数据进行对比分析和检验。

通过分析发现,湿陷系数 δs由式(1),式(2)和式(B)理论值与实测值接近些,说明选择超塑含水量作为因素分析更符合实际,优越于有天然含水量参与的经验方程。整体看来,按超塑含水量和干密度综合分析的经验式(B)计算误差更小,可进行实际应用和作为划分标准、分类依据。

4 结语

1)通过双重相关分析,得出该地区黄土的天然含水量、塑限和干密度对湿陷性影响最为显著。并引入超塑含水量作为影响因素进行统计。2)应用数理统计分析得出湿陷系数与天然含水量、超塑含水量和干密度关系,利用贡献率分析可见,各因素对该地区黄土湿陷性影响大小为:超塑含水量＞干密度＞天然含水量。3)应用数理统计分析得出湿陷系数与超塑含水量和干密度的综合关系,用其来反映该地区黄土湿陷性较符合实际,并给出了该地区的经验公式:δs=-0.001 7(w0-wp)-0.040 8ρd+0.087 8。

[1]冯连昌,郑晏武.中国湿陷性黄土[M].北京:中国铁道出版社,1980.

[2]王永焱,林在贯.中国黄土的结构特征及物理力学性质[M].北京:科学出版社,1990.

[3]JTJ 051-93,公路土工试验规程[S].

[4]GBJ 25-90,湿陷性黄土地区建筑规范[S].

[5]景宏君,张 斌.黄土路基强度规律[J].交通运输工程学报,2004,4(2):15-18.

[6]高国瑞.黄土湿陷变形的结构理论[J].岩土工程学报,1990,12(4):1-9.

[7]吴晓霞,陈若翔.公路湿陷性黄土路基分析与处理[J].交通科技,2004,34(4):50-52.

[8]刘祖典.影响黄土湿陷系数因素的分析[J].工程勘察,1994(5):6-11.

[9]钱鸿缙,朱 梅,谢 爽.河津黄土地基湿陷变形试验研究[J].岩土工程学报,1992,14(6):8-10.

[10]贾国英.黄土湿陷性与物性关系的研究[J].电力学报,2004,19(14):45-46.

[11]张利生,韩树冬.湿陷性黄土试验方法的探讨[J].中国勘察与岩土工程,2000(5):33-34.

[12]张 炜,张苏民.我国黄土工程性质研究的发展[J].岩土工程学报,1995,11(6):21-25.

[13]罗宇生.湿陷性黄土地基评价[J].岩土工程学报,1998,20(4):55-56.

[14]中国科学院数学研究所数理统计组.回归分析方法[M].北京:科学出版社,1974.