提高双线法黄土湿陷性试验成功率的研究

高惠君

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

0 引言

黄土是一种第四纪沉积物，多分布在干旱、半干旱地区，由于特定的生成环境，使其具有以粉粒为主、欠压密、大孔隙、垂直节理发育、富含可溶盐等一系列内部物质成分和外部形态特征，结构特性非常独特，不同于同时期的其他沉积物。黄土在天然含水率时一般呈坚硬或硬塑状态，且具有较高的强度和低的或中等偏低的压缩性，但遇水浸湿后，在上覆土层自重应力作用下，或者在自重应力和附加应力共同作用下，土的结构破坏，发生显著附加变形，剧烈沉陷，强度也随之迅速降低的土称为湿陷性黄土，属于特殊土。广泛分布于我国东北、西北、华中和华东部分地区的黄土多具湿陷性。由于黄土特殊的工程性质，黄土地区的铁路工程建设常常会出现多种工程病害，其中黄土湿陷性问题最为突出，给铁路运营和养护带来的危害也最大。为了恰当考虑湿陷对工程的影响，需采取相应的措施，分析、判别黄土是否属于湿陷性黄土、其湿陷性强弱程度以及地基湿陷类型和湿陷等级，是黄土地区工程勘察与评价的核心问题和工程设计的基础。

1 黄土湿陷性试验的现状调查分析

1.1 现状调查

近年来在黄土地区修建铁路的工作较多，需要判断黄土湿陷性的试验增多，我试验室是采用双线法来检测、计算黄土湿陷性的参数。

根据各年黄土湿陷性试验工作总量及试验成功数量进行了统计分析(见表1)，发现以往我试验室黄土湿陷性试验成功率偏低。试验成功率低，就不能全面详尽地为地质专业提供分析、判别黄土是否属于湿陷性黄土、其湿陷性强弱程度以及地基湿陷类型和湿陷等级的数据资料。

表1 近年涉及黄土地区的各大干线调查表

在对400个黄土样品进行湿陷性试验后，分析出导致试验不成功的3种缺陷情况，见表2，图1，图2。

从图1，图2可以看出，试样本身破损无法取试件占影响试验成功率的22.6%，试样高度与压力关系曲线超差占影响试验成功率的70.3%，所以这两项缺陷是影响黄土湿陷性试验成功率的关键。

1.2 分析原因

针对这两项缺陷，从现场取样运输、试样制备、仪器检定、试验过程及数据处理，这五个方面分析原因。

表2 黄土湿陷性试验不成功率调查表

图1 缺陷类别统计柱状图

图2 各项缺陷类别所占比例图

1)现场取样及运输过程对原状土的影响。取样现场一般是根据《铁路工程地质钻探规程》用黄土薄壁取土器取样，也有特殊情况下用人工挖探取样。取样后用标准样品盒盛装样品，蜡封法封存，用人工挖探取样后多数用塑料袋或铁皮桶盛装土样并用胶带反复捆紧封存，现场人员若未按操作规程取样或样品包装不合格，就会造成土体结构和含水率的变化。土样由取样现场运送至试验室，运输过程中不能避免磕碰。另一方面取样现场多在山区或丘陵地带，路途颠簸，且送回本室作试验路途较远更易出现意外。运输及存放样品过程中若未采取保温、保湿措施，样品日晒、风吹、受热、受冻也会使原状土的天然含水率和天然密度受到影响。

2)制备试件易超差。TB 10102－2010铁路工程土工试验规程和GB/T 20123－1999土工试验方法标准规定试件密度差值Δρ≤0.03 g/cm3，由于新黄土粘聚力c小，天然含水率ω低，一些土体结构多变及脆性强的试样较难制备成合格试件。有些地区特别是浅层土会出现试样本身含有礓石、虫迹、植物根等夹杂物，也会导致不能取出足够多的试件用于试验。以上两种情况会导致所取试件密度超差。

3)试验结果未考虑压缩仪器变形量的变化。仪器变形量受温度影响，试验所用固结仪为金属构造，随着温度不同会热胀冷缩，导致仪器变形量发生变化，直接影响数据采集的准确度。因我试验室固结仪固定不动，考虑温度变化范围不大，以往仪器变形量每年只校准一次，但实际情况随着季节变化很难保证温度恒定，应根据试验环境，考虑温度对仪器变形量的影响。

4)试验过程中的问题。a.试件保温、保湿工作不力，试件制备后，在安装入仪器承压盒期间未做好保温保湿工作。b.未把两密度一致或相近的试件作为一组使用，固结试验记录表只记录土样编号及环刀号，试验人员不能判别密度相近或一致的两试件用于试验，导致因密度差别较大，致使数据采集结果和试样高度与压力关系曲线超差。

5)试验数据采集处理问题。现大多数试验室都采用数据采集系统读取试验过程中产生的数据，数据采集电子系统每一年只校正一次，系统工作受电压影响，断电或电压不稳，会使所采集的数据有偏差。

2 如何提高双线法试验成功率

2.1 取样、运输

取样过程及包装应严格按照《铁路工程地质钻探规程》要求操作。为避免运输过程中易颠簸、磕碰问题，黄土试验尽量在野外现场试验室完成。或制作带内隔的木箱，把样品放入每个内隔，并且箱内放入泡沫或软布减震，用塑料膜覆盖也能起到保温、保湿的作用，更保证了样品完整性。

2.2 试件制备及保存

对试验人员进行培训，提高制备试件的技术能力，在按照TB 10102－2010铁路工程土工试验规程和GB/T 20123－1999土工试验方法标准规定操作的同时，对结构多变、有夹杂物及脆性强的试样要实行“一看，二摸，三动手”方法，尽可能多的取出满足试验要求的合格试件。

试件制备后，在安装入仪器承压盒期间需要做好保温、保湿工作。试件上下面与玻璃板应紧密接触，装入塑料袋中保湿，并用潮湿的毛巾包裹。

2.3 压缩仪器变形量

修订固结仪器校验周期，若试验室固结仪器固定不搬动，可以将仪器校验周期一年一次，改为分别在15℃～20℃，20℃～25℃，25℃～30℃环境下校验，即每年校验3次。进行试验时每加一级荷重，记录当时室温，以便数据处理人员能够准确找出不同温度下的仪器变形量(见表3)，使计算出的各种湿陷性参数更准确。

2.4 试验过程

改进开土工序与压缩工序脱节的现状，修改压缩试验记录表格，试件称重后填写压缩试验记录表时，土样每个试件的密度都填写在记录表上，压缩人员可以根据记录，挑取两个密度一致的试件进行第一次试验，若试验结果超差，可在剩余试件中再挑取密度一致或相近的一组试件重新进行试验。图3是黄土湿陷性试验标准流程图，可依此流程指导今后试验工作。

2.5 试验数据采集环境

所有使用自动采集的野外现场试验室须配备发电机，或采用人工读数，可避免因易断电，或电压不稳，致使所采集数据失真问题，数据采集系统在每年校正一次的基础上，应再增加2次～3次的期间核查程序。系统计算过程采用四舍六入五考虑的统一计算方法，减少对数据结果的影响。

表3 固结仪器变形量校验记录

图3 黄土湿陷性试验标准流程图

2.6 数据修正

在双线法试验中，天然温度试样在最后一级压力下浸水饱和附加下沉稳定高度和浸水饱和试样在最后一级压力下的下沉稳定高度通常不一致。如图4所示，h0ABCC1曲线与曲线h0AA1B2C2不闭合，因此在计算各级压力下的湿陷系数时，需要对试验结果进行修正，研究表明，单线法试验的物理意义更为明确，其结果更符合实际，对试验结果进行修正时以单线法为准来修正浸水饱和试验各级压力下的稳定高度，即将A1B2B2曲线修正至A1B1C1曲线，使饱和试样的终点C2与单线法试验的终点C1重合，以此来计算各级压力下的湿陷系数。

在实际计算中，如需计算压力p下的湿陷系数δs，则假定:

则 hp′=hw1－k(hw1－hwp)。

图4 试件高度与压力关系曲线

表4 双线法试验计算修正表

以呼准鄂铁路线 DK155+320处，深度1.8 m，ω =4.9%，ρ=1.45 g/cm3的试样为例，试验结果修正见表4。

如表4中所示，k=0.847 在1.0 ±0.2 的区间，数据可用。

3 结语

为提高双线法黄土湿陷性试验的成功率，试验尽量在野外现场试验室完成，或制作带内隔的木箱进行保温、保湿、减震运输。制备试件要遵照“一看，二摸，三动手”方法，减少试件间的密度超差率，试件注意保湿，压缩试验记录表格填写完整，方便后续试验进行。修订固结仪器校验周期，改为分别在15℃～20℃，20℃～25℃，25℃～30℃环境下校验，且试验是记录每级温度。野外现场试验室必须配备发电机或人工读书进行试验，数据采集系统每年要进行2次～3次期间核查，试验结果要进行修正。

[1] TB 10014－98，铁路工程地质钻探规程[S].

[2] TB 10102－2010，铁路工程土工试验规程[S].

[3] GB/T 50123－1999，土工试验方法标准[S].

[4] GB 50025－2004，湿陷性黄土地区建筑规范[S].

[5] 《工程地质手册》编写组.工程地质手册[M].第4版.北京:中国建筑工业出版社，2010.