大厚度黄土湿陷性影响因素及评价方法探讨

程富强

(中铁第五勘察设计院集团有限公司,北京 102600)

0 引言

黄土是第四纪以来在干旱、半干旱地区沉积形成的一种陆相沉积物[1],其生成环境和物质成分决定了它具有欠压密、多孔隙、弱胶结等结构特征[2]。湿陷性是黄土地区主要工程地质问题之一,场地湿陷类型及湿陷等级决定着地基处理方案的合理选择和设计,也会影响工程投资与施工进度,因此准确查明和评价黄土场地的湿陷性尤为重要。国内不少学者通过建立湿陷系数与其基本物理指标的关系来评价黄土的湿陷性[3-7];周树华等人通过现场原位测试,提出了一种运用动力触探仪对黄土的湿陷性进行间接评价的简单方法[8];李家栋与李瑞娥等人采用模糊信息优化方法建立了黄土湿陷性评价模型[9,10]。

虽然前人做了大量黄土湿陷性的研究,由于地质条件具有较强的地域特征,不同地区黄土湿陷性具有很明显的区域性差别。因此,本文以中兰铁路大厚度黄土为研究对象,在分析自重湿陷系数和物理力学指标相关性的基础上提出沿线黄土湿陷性评价方法,可用于陇西地区初步评价大厚度黄土场地的湿陷性。

1 研究背景

1.1 区域概况

中兰铁路地处陇西地区,属中温带干旱、半干旱气候区,气候特征为干燥少雨,夏季炎热,冬季寒冷,昼夜、四季温差大,降雨集中,蒸发强烈。该线路经过中低山区、黄河阶地和黄土梁峁区,沿线地表广泛分布湿陷性黄土,黄土成因类型主要为第四系全新统冲洪积和第四系上更新统风积砂质黄土,湿陷性黄土层厚度多为20～35 m,局部厚度可达50 m,湿陷等级多为Ⅲ级(严重)～Ⅳ级(很严重)自重湿陷性场地。

1.2 自重湿陷性判断标准

目前,对于黄土场地湿陷性的评价方法主要有室内压缩试验和现场试坑浸水试验两种。根据《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB 50025—2018)[11],原状黄土的湿陷性可通过室内试验测试得到其自重湿陷系数,计算公式如下:

式中:δzs为自重湿陷系数,无量纲;hz为保持天然湿度和结构的试样加压至上覆土的饱和自重压力时,下沉稳定后的高度,mm;h′z为加压稳定后的试样在浸水作用下,附加下沉稳定后的高度,mm;h0为试样的原始高度,mm。其中,当δzs<0.015时,为非自重湿陷性黄土;当δzs≥0.015时,为自重湿陷性黄土。自重湿陷量的计算公式如下:

式中:Δzs为自重湿陷量计算值,mm;δzsi为第i层土在上覆土的饱和自重压力下的自重湿陷系数;h i为第i层土的厚度,mm;β0为因地区土质而异的修正系数。

由于在采用室内试验结果判定场地湿陷类型时,往往与实际结果存在一定的差异。规范中规定对新建甲类建筑和乙类中的重要建筑,应按规范进行现场试坑浸水试验,并按自重湿陷量的实测值Δ′zs判定场地湿陷类型,湿陷性黄土场地的判定标准如表1所示。

表1 湿陷性黄土场地判定标准Table 1 Criteria for site determination of collapsible loess_

1.3 试验取样

本次试验选择中兰铁路靖远北至北湾段进行取样,该段主要位于黄河阶地,地形平坦开阔,地层岩性主要为第四系全新统冲洪积层砂质黄土和第四系上更新统冲洪积层粗圆砾土及卵石土,黄土厚约30～40 m。

黄土地区通常采用薄壁取土器取土和探井取土两种方法,薄壁取土器采用钻机成孔的方式,取土过程中对土样有一定的扰动。探井取样利用直径0.6 m 的洛阳铲成孔,利用取土刀在探井侧壁上切取土样,相比较于薄壁取土器取土,探井取样具有对土样的扰动小、取样深度准确的特点。因此本次取样选择探井取样的方法,在地下30 m 深度范围内,间隔2 m 取样一组,每组2筒(平行同一深度采取),在试坑壁上用取样刀竖向刻取15 cm×15 cm×20 cm 的长方体土体,蜡封后送至试验室,共取土样150组。

1.4 黄土基本物理力学性质

为了客观反映沿线黄土基本物理力学性质指标,本文对所取土样的试验数据进行了统计分析,得到了沿线黄土含水率、孔隙比、干密度、液性指数、压缩系数、自重湿陷系数等基本物理力学指标最大值、最小值以及标准值,沿线黄土物理力学指标见表2。

通过统计得出沿线黄土密度为1.21～1.84 g/cm3,标准值为1.55 g/cm3;初始含水率为4.1%～20.5%,标准值为12.6%;孔隙比为0.599～1.363,标准值为0.946;饱和度为9.9%～70.0%,标准值为38.0%;干密度为1.14～1.68 g/cm3,标准值为1.39 g/cm3;液性指数为-1.54～0.76,标准值为-0.49;塑性指数为5.9～9.5,标准值为7.5;内摩擦角为17.4°～32.1°,标准值为23.8°;黏聚力为11.1～34.5 kPa,标准值为16.7 kPa;压缩系数为0.110～0.500 MPa-1,标准值为0.265 MPa-1;压缩模量为4.10～14.20 MPa,标准值为8.04 MPa;自重湿陷系数为0.001～0.142,标准值为0.023。

1.5 黄土颗粒分析及矿物成分分析

按照《铁路工程土工试验规程》[12],对于颗粒粒径小于0.075 mm 的试样一般采用密度计法进行颗粒分析,密度计法颗粒分析试验一般经过洗盐(针对易溶盐>0.5%的土样)、烘干、称量、浸泡、煮沸、冷却、洗筛、加分散剂等步骤,本文采用密度计法对靖远北站黄土样进行了颗粒分析,试验结果见表3。

表3 颗粒分析(密度计法)试验结果Table 3 Particle analysis(densitometer method)results

以小于某粒径的土质量百分比为纵坐标,以粒径为横坐标,在半对数坐标系下,绘制粒径分布曲线,如图1所示。

图1 黄土粒径质量百分比曲线图Fig.1 Loess particle size distribution curve

通过上述曲线分析,场地黄土不均匀系数Cu=12,曲率系数Cc=3,为级配良好的土。根据规范规定,粒径范围0.005～0.075 mm 的为粉粒,粒径≤0.005 mm 的为黏粒,因此沿线黄土以粉粒为主,黏粒含量约占14%。

X射线衍射分析是研究矿物结晶构造、鉴定矿物的主要手段,可以定性地判断土的矿物组成。本文选择靖远北站附近地表至30 m 深度,每隔5 m取原状土样进行X射线衍射分析,分析得各矿物成分含量如表4所示。不同深度处原状黄土各种矿物成分的含量直方图如图2所示。

图2 不同深度处黄土矿物成分的含量直方图Fig.2 Content histogram of mineral composition of loess at different depths

表4 X射线衍射分析结果Table 4 X-ray diffraction analysis results

从图2可以看出,虽然不同深度处原状黄土各矿物成分的含量略有差异,但都是石英含量最高,为53.90%～59.52%;伊利石(8.38%～17.77%)、方解 石(11.53%～15.44%)、长 石(10.77%～14.92%)含量次之;白云石(2.97%～4.05%)、绿泥石(1.15%～1.98%)含量较少。

2 黄土湿陷性影响因素分析

2.1 天然含水率与自重湿陷系数的关系

含水率是反映黄土干湿程度的重要指标,天然含水率对黄土湿陷性的影响主要表现为对黄土的微结构和易溶盐胶结物的影响[13]。因为土体中天然含水率的存在,黄土颗粒间具有一定的连接性,使得黄土具有一定的强度。当含水率较低时,黄土颗粒间的连接性较强,湿陷性较强,随着含水率增加,黄土中的可溶盐被溶化,颗粒间的连接性减弱,湿陷性减弱。中兰铁路沿线黄土天然含水率为4.1%～20.5%,标准值为12.6%,以稍湿状为主,通过对黄土天然含水率和自重湿陷系数相关性(图3)分析发现,天然含水量越低,则湿陷性越强烈,随着含水量的增大,湿陷性逐渐减弱,黄土自重湿陷系数和初始含水率呈负相关,相关系数R=-0.852,二者相关程度较高。另外,从图3可以看出,当天然含水率大于16%时,黄土已失去湿陷性。

图3 天然含水率与自重湿陷系数的关系Fig.3 Relationship between natural moisture content and self weight collapsibility coefficient

2.2 孔隙比与自重湿陷系数的关系

大孔隙是黄土区别于其他土类的主要特征之一[14],雷祥义等研究表明,黄土中的孔隙按大小分为大孔隙、中孔隙、小孔隙和微孔隙,其中中孔隙(即支架孔隙)是黄土产生湿陷的主要因素[2]。孔隙比是衡量孔隙体积率的重要指标,间接反映了黄土的微结构特征[15]。黄土的孔隙比越大,则其压缩性越高,黄土发生湿陷变形的空间越大,在外力作用下,黄土更易发生湿陷变形。沿线黄土孔隙比为0.599～1.363,标准值为0.946,以稍密状为主,通过对黄土孔隙比和自重湿陷系数相关性(图4)分析发现,孔隙比越大,自重湿陷系数越大,自重湿陷系数和孔隙比呈正相关,其相关系数R=0.801,相关程度较高。另外,从图4可以看出,当孔隙比小于0.9时,黄土已失去湿陷性。

图4 孔隙比与自重湿陷系数的关系Fig.4 Relationship between void ratio and self weight collapsibility coefficient

2.3 自重湿陷系数与干密度的关系

干密度是评定黄土密实程度的指标之一,除与黄土本身密实程度有差别外,还与黄土中各种矿物成分的含量有关,土颗粒排列越紧密,架空孔隙就越少,干密度越大。沿线黄土矿物亲水性较强,当遇水浸泡后,颗粒之间不易发生滑移,会降低黄土湿陷性[16]。另外,黄土在形成过程中,由于前期固结压力大,土已被压密,当干密度超过某一数值后,黄土就由湿陷性转化为非湿陷性,本文所研究黄土干密度范围为1.14～1.68 g/cm3,标准值为1.39 g/cm3。通过黄土干密度和自重湿陷系数相关性(图5)分析发现,随着干密度值增大,黄土自重湿陷系数减小,二者呈负相关,其相关系数R=-0.845,相关程度较高,另外,从图5可以看出,当干密度大于1.40 g/cm3时,黄土已失去湿陷性。

图5 干密度与自重湿陷系数的关系Fig.5 Relationship between dry density and self weight collapsibility coefficient

2.4 饱和度和自重湿陷系数的关系

土的饱和度是土体中水的体积与孔隙体积之比,用来描述土中孔隙被水充满的程度,与地下水位深度和年平均降雨量有关,对黄土湿陷性的影响与天然含水率的影响原理相同。沿线黄土饱和度为12.3%～65.5%,标准值为37.6%,通过黄土饱和度和自重湿陷系数相关性(图6)分析发现,随着饱和度值增大,黄土自重湿陷系数减小,饱和度和自重湿陷系数呈负相关,其相关系数R=-0.842,相关程度较高。另外,从图6可以看出,当饱和度大于35%时,黄土已失去湿陷性。

图6 饱和度与自重湿陷系数的关系Fig.6 Relationship between saturation and self weight collapsibility coefficient

2.5 塑性指数、液性指数与自重湿陷系数的关系

黄土颗粒中的黏粒含量、矿物成分对黄土湿陷性具有较大影响。塑性指数能综合反映黄土的矿物成分和颗粒大小,塑性指数越大,黄土中黏粒含量或亲水矿物含量就越多,湿陷性就越小。沿线黄土塑性指数IP=5.9～9.5,标准值为7.5,黏粒含量约为14%。由于本线黄土以砂质黄土为主,粉粒含量较高,黏粒含量较低,且亲水性矿物石英、伊利石绿泥石等含量较高,因此黄土自重湿陷系数与塑性指数不具备线性关系,如图7所示,相关系数R=0.22,相关程度较弱。

图7 塑性指数与自重湿陷系数的关系Fig.7 Relationship between plasticity index and self weight collapsibility coefficient

液性指数大小反映了土体所处的物理状态,表征了土的天然含水量和界限含水量之间的相对关系。同一结构的黄土,液性指数越大,土体越软,达到湿陷峰值所需的压力越小,湿陷性越弱。沿线黄土液性指数IL=-1.54～0.76,标准值为-0.49,以硬塑为主,通过自重湿陷系数和液性指数相关性分析发现,黄土自重湿陷系数随液性指数增大而减小,如图8所示,相关系数R=0.84,相关程度较高。

图8 液性指数与自重湿陷系数的关系Fig.8 Relationship between liquid index and self weight collapsibility coefficient

2.6 压缩系数、压缩模量与自重湿陷系数的关系

压缩系数和压缩模量反映了黄土的力学性质,是评价黄土压缩变形的参数,黄土的压缩系数越大,压缩模量越小,黄土的压缩性就越大,其发生湿陷变形的空间越大。但黄土的压缩性与孔隙比、天然含水率、密度等物理指标有关,其中天然含水率越大,干密度越小,孔隙比越大,则黄土的压缩性越强[17]。又因为自重湿陷系数与天然含水率、干密度呈负相关,和孔隙比呈正相关,故压缩系数、压缩模量和自重湿陷湿陷系数之间关系较复杂,不具备线性关系。试验结果显示沿线黄土压缩系数α1-2=0.110～0.500 MPa-1,标准值为0.265 MPa-1;压缩模量Es=4.10～14.20 MPa,标准值为8.04 MPa;通过对场地黄土自重湿陷系数和压缩系数以及压缩模量相关性(图9、图10)分析发现,自重湿陷系数和压缩系数以及压缩模量相关程度较弱,相关系数分别为R=0.26、R=0.45。

图9 压缩系数与自重湿陷系数的关系Fig.9 Relationship between compression coefficient and self weight collapsibility coefficient

图10 压缩模量与自重湿陷系数的关系Fig.10 Relationship between compression modulus and self weight collapsibility coefficient

3 大厚度黄土湿陷性评价方法

3.1 自重湿陷系数回归分析

根据上述分析,黄土自重湿陷系数与天然含水率、孔隙比、干密度、饱和度和液性指数具有较高相关性,与塑性指数、压缩系数和压缩模量相关性较弱,因此选择天然含水率、孔隙比、干密度、饱和度及液性指数进行黄土自重湿陷系数的多元线性回归分析。

以沿线黄土室内试验数据为样本,共取70组数据利用SPSS软件进行线性拟合,得出自重湿陷系数与各影响因子间的回归方程见式(3):

式中:δzs为自重湿陷系数,ω为天然含水率,ρd为干密度,Sr为饱和度,e为孔隙比,IL为液性指数。

从公式(3)同样可看出,自重湿陷系数与初始含水率、干密度、饱和度及液性指数呈负相关,和孔隙比呈正相关。

3.2 回归方程验证

为了验证回归方程的适用程度,采用沿线一勘探点实测数据对线性拟合的结果进行验证,自重湿陷系数预测值与实测值的对比曲线见图11,通过计算对比可以看出,自重湿陷系数计算值与实测值变化规律基本一致,其相关系数R=0.886,说明总体上该计算模型分析较为合理,可用于初步评价场地黄土的湿陷性,对快速获得黄土自重湿陷系数具有一定的参考价值。

图11 自重湿陷系数预测结果与实测结果对比图Fig.11 Comparison between predicted and measured results of self weight collapsibility coefficient

4 结论

(1)沿线黄土颗粒粒径小于0.075 mm 的土质量约占总质量的94.8%,粒径小于0.005 mm 的土质量约占总质量的14%,以粉粒为主,矿物成分中石英含量最高,伊利石、方解石、长石含量次之,白云石、绿泥石含量较少。

(2)通过黄土物理力学指标与自重湿陷系数的相关性分析可得,沿线黄土自重湿陷系数与初始含水率、孔隙比、干密度、饱和度和液性指数具有较高的相关性,与塑性指数、压缩系数和压缩模量相关性较弱。且自重湿陷系数与初始含水率、干密度、饱和度及液性指数呈负相关,和孔隙比呈正相关。

(3)采用多元线性回归得到的自重湿陷系数回归方程计算值与实测值的变化规律基本一致,可用于初步评价该地区大厚度黄土场地的湿陷性,对快速获得黄土自重湿陷系数具有一定的参考价值。