不均匀沉降段路基黄土物质成分及微观结构的差异性研究

邓瑞 赵蒙 张旭 谭博仁 徐世桐

收稿日期：2023-02-22

基金项目：成都大学大学生创新训练计划孵化培育项目（202211079013）

作者简介：邓瑞（2002—），男，从事微生物固化土壤研究.Email：2923448192@qq.com

通信作者：赵蒙（1988—），女，博士，从事岩土及加固材料研究.Email：596698989@qq.com

摘要：采用基本土工物理力学试验、粒度分析试验、XRD衍射试验和SEM扫描试验等多种手段对不同路段的不同层位的路基黄土进行分析研究.结果表明，由于路基严重沉降段土的黏土矿物含量较低，黏粒较少，土颗粒之间胶结作用差，并且参与“集粒”作用的黏土矿物所占比例较少，从而导致“集粒”作用较差，致使土体颗粒无法形成稳定的结构，所以在渗水饱和及循环振动荷载条件下，可能使土体产生高压缩性，对路基土体的抗破坏性产生了不良影响，从而对路基的不均匀沉降产生促进作用.为该铁路线病害机制和土体改性材料研制提供了重要依据.

关键词：铁路既有线；不均匀沉降；黄土；物质成分；微观结构

中图分类号：U213.1

文献标志码：A

0引言

宝中铁路K329—K331段，地处宁夏回族自治区固原市原州区七营莲花村境内，路线总体走向近南北向，属黄土丘陵沟壑区，海拔1 248～2 955 m，具有黄土分布地的典型特征，选取该段黄土路基作为试验段进行探究有一定的代表性和科学性.从勘察揭露深度范围内可知，除表层0.5～1.0 m为种植土层外，上部主要为近代河湖相沉积的黄土状黏性土地层，底部为河湖相沉积的含碎石粉质黄土状黏土层.该局部路段路基由于其路基土体不良和后期农田大面积漫灌的影响，路基出现不均匀沉降，虽经3次治理，路基病害仍未缓解，同时，在长期整修过程中，由于不断补充石碴和起道作业，造成下沉地段的线路道床厚度逐年增大，道床厚度不均匀和路基沉降不均匀2种因素叠加，致使下沉地段线路几何尺寸不易保持，维修周期进一步缩短，严重威胁行车安全，致使从2012年以来，该段线路一直以60 km/h速度限行通过.为研究该段路基不均匀沉降原因，必须深入研究既有线铁路路基黄土物质成分组成和微观结构的差异性.

国内外有关黄土的研究较多，相关学者对黄土地层及地貌景观的形成原因做了深入探究，对黄土湿陷性机制方面的研究主要集中在黄土的颗粒、物质组成、孔隙和结构与湿陷的关系［1-6］.黄土中0.05～0.01 mm粉土粒级的含量对黄土至关重要［7］.黄土的物质组成决定其物理力学和化学特性.石英和长石等碎屑作为颗粒物质，是组成土体的骨架成分［8］；黏土矿物主要有蒙脱石、伊利石、绿泥石、高岭石和水云母等，包裹于颗粒物质周围，决定土体的水敏性［9］.粗粉沙粒级原生碳酸钙在土体中起到骨架支撑作用，原生微晶状碳酸钙在骨架颗粒之间起到胶结作用.黄土体内孔隙的成因、大小、形状分布特征都直接影响黄土的渗透性和湿陷性等有关的工程地质性质［10］.黄土的力学特性与其微观结构联系紧密.有研究人员利用偏光显微镜对黄土的微观结构进行初步性探索［11］；王生新等［12］对黄土的微观结构有了更详尽的描述和分类.研究发现，黄土微结构特征与湿陷性形成有直接关系，骨架颗粒的排列方式也有一定影响.通过对我国各地的湿陷性黄土进行大量分析研究发现，我国各地黄土的矿物成分基本一致，但是黄土中的微晶碳酸钙趋向于由东而西及自南向北的增加.雷祥义［10］采用偏光镜和扫描电镜对西安黄土进行观察发现，西安地区新生界第四系Q2黄土的粗颗粒接触方式主要呈现个体分散状.方祥位等［13-14］和洪宝宁等［15］对黄土微观结构参数与宏观基本物理参数的相关性进行定量研究发现，黄土的宏观力学性质与其微结构有着密切关系.

综上所述，国内外对于湿陷性黄土的研究主要集中在黄土本身的试验分析，而对于结合既有铁路黄土的物质成分和微观结构的研究却很少.因此，本研究采用宏观与微观的试验方法进行既有线路基黄土物质成分和微观结构的研究，这对宝中线既有铁路的路基病害机制的研究有重要意义.

1材料与方法

1.1仪器

Mastersizer 200型激光粒度分析仪（马尔文帕纳科公司），Dmax3C型X射线衍射仪（XRD）（日本理学株式会社），S3000N型扫描电子显微镜（SEM）（株式会社日立制作所）.

1.2材料

由于研究区的路基沉降范围与程度各有不同，所以，本次研究选取的路段为严重沉降路段与轻微沉降路段，每种路段选取最典型处进行相互对比，严重沉降路段选取的里程为K329+530，轻微沉降段选取的里程为K331+585.现场地层情况如下：

根据现场取样与地层情况，以及路基土沉降的严重程度，选取典型的土层进行分析，取样的深度分别为3、6和9 m处.样品基本情况见表1.

1.3方法

采用基本土工物理力学试验对原状土样的密度、含水率、孔隙比、塑性指数、渗透性系数及压缩性系数进行测试；采用激光粒度分析仪进行粒度分析，得出各个粒径的土颗粒所占总体积的百分比，从而得出较好的颗粒级配曲线；使用XRD进行物相分析，采用CuKa，Ni滤光，根据一般土的衍射角范围，选用5°～60°的范围进行衍射，并使用MID Jade 软件进行分析；将烘干试样镀金，并采用高真空模式观察显微照片，并对每个样品具有代表性的区域分别使用SEM在不同放大倍数下拍照.

2结果与讨论

2.1基本土工物理力学试验结果

基本土工物理力学试验所得到的参数见表2.

根据表2可知，密度相差不大，在1.97～2.09 g/cm3之间；在含水率方面，2号土样最大，其他土样都在15%～21%左右；在孔隙比方面，随着深度增加孔隙比逐渐减小，但孔隙比范围变化不大，约在0.49～0.67之间；根据塑性指数判断，由于2号和3号塑性指数都小于10，为粉土，其他土样都大于10，为粉质黏土；在渗透性系数方面，2号试样与3号试样渗透性系数较小，其他试样渗透性系数较大.

工程中一般采用100～200 kPa压力区压缩模量（Es）判断土层的压缩性.当Es≤4 MPa时，为高压缩性土；当20 MPa≥Es≥4 MPa时，为中等压缩性土；当Es≥20 MPa时，为低压缩性土.固结试验参数见表3.

根据表3可知，严重沉降段1号、 2号和3号试样，以及轻微沉降段5号和6号试样都为高压缩性土，其中严重沉降段2号和3号试样压缩模量明显低于1号、5号和6号试样.土体的压缩性与其内部孔隙有着直接关系，压缩性越高，其孔隙比越大.从压缩性指标来看，严重沉降段各个层位都为高压缩性土，土体内部孔隙较多，所以沉降剧烈；而轻微沉降段由于只有深部层位为高压缩性土，沉降较为轻微.根据现场情况来看，严重沉降段路基土和轻微沉降段路基土同样受大水漫灌及列车循环荷载的影响，其路基沉降程度差异性较大，所以，沉降性差异的原因可能与土体内部颗粒组成、颗粒的排列差异及孔隙度有密切关系.

2.2粒度分析试验结果

通过对6种样品颗粒分析试验数据的整理，绘制出颗粒级配曲线及颗粒分布曲线如图1所示，粒度分析参数见表4.

根据图1（A）和图1（B）可知，严重沉降段2号和3号试样的颗粒级配曲线的平缓度低于轻微沉降段，颗粒继配相对较差；根据图1（C）和图（D）可知，轻微沉降段试样土基本无粒径为100～1 000 μm的颗粒，严重沉降段2号和3号试样的100～1 000 μm粒径的颗粒含量较多；严重沉降段2号和3号试样1～50 μm粒径的颗粒含量较轻微沉降段明显较少，而50～100 μm粒径的颗粒含量急剧增加，其含量明显大于轻微沉降段.根据以上结果可知，严重沉降段土含有较多的大粒径颗粒，而其1～50 μm粒径颗粒有缺失，此粒径范围的颗粒一般为黏土矿物成分，黏土矿物成分主要起胶结作用，因此严重沉降段路基土内部的胶结作用较差，在受到外部列车荷载作用下内部结构更容易发生破坏.

根据表4可知，严重沉降段2号和3号试样中黏粒含量明显较少，含量在24%左右，轻微沉降段试样中黏粒含量在28%～32%之间；严重沉降段路基土样中的黏土含量偏少.从土体结构方面来看，由于黄土本身对水具有较高的敏感性，1～50 μm颗粒缺失，级配不良，无法形成较好的孔隙填充，并且黏粒含量较少，砂粒含量较多，土中的带有静电引力的颗粒较少，无法形成有效的胶结，在渗水饱和及循环震动荷载条件下，可能对路基土的高压缩性产生促进作用.

2.3XRD 衍射试验结果

根据颗粒分析试验结果发现，严重沉降段与轻微沉降段颗粒组有很大差异，特别是严重沉降段2号和3号试样，其差异最明显.因此，在此基础上，针对1～6号试样进一步做了XRD衍射试验，结果如2和表5所示.

根据图2可以看出，严重沉降段的2号和3号试样波峰值最大，1号、4号、5号和6号试样波峰值相近，且均远小于2号和3号试样.该试样的最高衍射峰为伊利石、绿泥石与石英的叠加峰，峰值的大小反映其晶化程度的多少.由于石英的晶化程度比伊利石与绿泥石高，所以衍射峰越强，所含的石英含量愈高，由此可以初步得出，严重沉降段的2号和3号试样石英含量较高，1号、4号、5号和6号试样的石英含量较少.

另外，严重沉降段和轻微沉降段矿物种类基本相同，但各物质成分的含量区别较大.通过表5各试样物质成分含量发现，2号和3号试样的物质成分主要以石英为主，其含量占比在50%以上；以绿泥石和伊利石为主的黏性颗粒含量相对较少，占比25%～26%，这也验证了颗粒分析试验的结果，严重沉降段路基土主要以大粒径颗粒为主.而轻微沉降段石英成分相对较少，占比46%及以下，以绿泥石和伊利石为主的黏土矿物含量相对较多，占比35%～40%.因此，初步断定，黏土矿物对土体结构在渗水饱和及循环振动荷载的条件下的抗破坏性产生不良影响的可能性较小.

2.4SEM扫描试验结果

为了进一步分析研究区路基土的病害形成机制，选取严重沉降段的2号试样与轻微沉降段的5号试样的SEM图，如图3所示.

根据黄土骨架的接触关系、孔隙结构及胶结度，可将黄土结构分为3个组合及6个类型，详见表6.

由图3（A）和图3（B）可以看出，在放大200倍的情况下，严重沉降段路基黄土（2号试样）主要以粒状颗粒为主，含有少量凝块颗粒，受上部震动荷载影响，排列较为无序，粒径形状为次棱状为主，在5～40 μm之间，表面较为干净，同时有少量集粒出现，孔径较为发育，孔径在10～60 μm之间，属于支架孔隙，形态以不规则状为主，孔隙分布均匀，连通性较差；在放大1 000倍的情况下，颗粒间填充的片状颗粒较少，接触点之间可见少量片状胶凝颗粒.

由图3（C）和图3（D）可以看出，在放大200倍的情况下，轻微沉降段路基黄土（5号试样）主要以凝块状颗粒为主，骨架轮廓模糊不清，颗粒基本被细粒及胶凝颗粒包裹，孔隙在10～50 μm之间，主要为凝块颗粒之间的粒间孔隙，形态以缝隙状为主，分布较为不均匀，但连通性好；在放大1 000倍的情况下，颗粒间表面与粒间被大量细颗粒及片状胶结物填满.

通过以上微观特征，初步判断2号试样为支架大孔—镶嵌微孔微胶结结构，该类结构黄土通常有较强湿陷性，但湿陷性较一般黄土弱；5号试样为絮凝—凝块胶结结构，该类结构黄土一般湿陷性中等，在较低的压力下一般表现为轻微湿陷或不湿陷，但在较高的压力下才表现为较高的湿陷性.2号和5号试样的微观特征参数见表7.

根据表7可以看出，在颗粒和孔隙比例方面，由于严重沉降段为支架孔隙，分布数量较多，而轻微沉降段为粒间孔隙，分布数量较少，因此，严重沉降段的面积较轻微沉降段大； 在颗粒和孔隙几何形态方面，由颗粒和孔隙圆度可知，严重沉降段路基黄土磨圆度较差，圆度较小，轻微沉降段磨圆度较好，圆度较大，并且由于轻微沉降段的孔隙主要为凝块颗粒的粒间孔隙，孔隙结构主要为缝隙状的粒间孔隙，因此，孔隙圆度较小；从土体颗粒和孔隙的复杂程度来看，由于严重沉降段在渗水饱和条件下，受震动荷载影响，容易产生湿陷，所以，颗粒和孔隙的分布分维较大，定向度较差，同时也说明在受到破坏后颗粒和孔隙的分布与排列较为复杂无序；在土体的连通性方面，由于严重沉降段土体孔隙的连通性较差，所以欧拉数较小.

2.5参与“集粒”作用黏土矿物的含量分析

由以上试验可以看出，严重沉降段黄土和轻微沉降段黄土的黏土矿物与石英等支架结构矿物颗粒所占的比例不同，导致其抗破坏性有较大的差异.粒度分析试验得出黏粒所占质量分数与XRD得出黏土矿物所占质量分数相比，前者小于后者.由此可以得出，黏土矿物除了在土体结构中起到填充孔隙的作用外，还参与土颗粒的“集粒”作用.参与集粒作用的黏土矿物的百分含量与总体黏土矿物的百分含量之间的关系为，

K0=K1+K2（1）

K2=K3（2）

式是，K0为总体黏土矿物的百分含量，K1为参与填充作用的黏土矿物的百分含量，K2为参与“集粒”作用的黏土矿物的百分含量，K3为黏粒的百分含量.

由此可以推断出，

K1=K0-K3（3）

因此，参与“集粒”作用的黏土矿物的百分含量可以由式（3）得出.

由表8可知，严重沉降段高压缩性土（2号和3号试样）黏土矿物含量少，并且参与“集粒”作用的黏土矿物比例较小，仅占到0.66%～1.09%，无法形成较好的抗破坏结构.而其他中—低压缩性土（1号、4号、5号和6号）黏土矿物含量多，参与“集粒”作用的黏土矿物比例较大，占到5%以上，能在土颗粒间形成较好的连接，从而使结构较为稳定，从而保证土体在渗水饱和及循环振动荷载作用下不被破坏.

2.6颗粒连接形式分析

根据颗粒连接已有的研究成果，颗粒的连接形式主要有直接点接触、直接面接触、间接点接触和间接面接触，如图4所示.

直接接触是指颗粒间没有或极少有胶结物连接，如果接触面积相对较小，则为直接点接触，接触面积较大，则为直接面接触；间接接触则是颗粒间有较多的黏土薄膜及黏土片，同时也有盐晶薄膜的连接，如果接触面积较小，则为间接点接触，如果接触面积较大，则为间接面接触.

路基土的颗粒间主要为黏土薄膜及片状黏土矿物胶结物质填充连接.2种路基土的“集粒”作用如图5所示.由图5（A）和图5（B）可以看出，严重沉降段高压缩性土（2号试样）颗粒之间黏土薄膜及黏土片连接较少，以间接点接触为主，黏土矿物“集粒”作用较弱；轻微沉降段相同层位的土（5号试样）颗粒之间黏土薄膜及黏土片较多，甚至多颗粒形成包裹作用，以间接面接触为主，黏土矿物“集粒”作用较强.因此，严重沉降段黄土黏土矿物较少，“集粒”作用较弱，用于胶结的黏土矿物无法在颗粒之间形成有效连接，土体颗粒间的黏聚力较弱，在渗水饱和震动循环荷载作用下容易发生破坏；而轻微沉降段黄土“集粒”作用较强，颗粒之间能形成较强的有效连接，甚至黏土矿物能完全包裹颗粒，土体颗粒间黏聚力较强，渗水饱和及循环震动荷载对其破坏程度较小.

3结论

1）在宏观力学性质方面：根据室内基本土工物理力学试验结果，沉降的严重段和轻微段土体的压缩性不同，从而导致路基不均匀沉降的产生.

2）在物质成分组成方面：黏土矿物对黄土的不均匀沉降有着较大的影响，黏土矿物的胶结作用能使黄土结构稳定性增强，从而降低湿陷性，极大地缓解震动荷载带来的土体沉降.

3）在微观结构方面：支架大孔—镶嵌微孔微胶结结构的黄土颗粒以间接点接触为主，该类结构的黄土由于较差的稳定性，较容易发生湿陷，而轻微沉降段主要为间接面接触，胶结作用较强，主要以絮凝—凝块胶结结构为主，该类黄土结构稳定性较强，不易发生湿陷.

4）通过对严重沉降段和轻微沉降段的物质成分和微观结构分析发现，黏土矿物的缺失导致土体颗粒黏结作用不足，颗粒和孔隙分布较为分散，连通性及有效连接较差，从而导致严重沉降段土体在渗水饱和及循环震动荷载的条件下，孔隙水无法排出，结构破坏，进而产生较高的压缩性，最终导致沉降.因此，需要在加强土体颗粒间连接作用方面改良路基黄土性质，应用黏结性新型材料进行改良黄土湿陷性有很大的探索前景.

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（实习编辑：罗媛）