李輝,劉海政,王緒冰

(1.中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心陜西總隊(duì)，陜西西安　71003；2.山東科技大學(xué)地球信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島　266590)

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白水河大橋場(chǎng)區(qū)黃土地基濕陷性分析

李輝1,劉海政2,王緒冰2

(1.中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心陜西總隊(duì)，陜西西安71003；2.山東科技大學(xué)地球信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島266590)

摘要：以白水河大橋施工場(chǎng)地黃土地層為研究對(duì)象，分析場(chǎng)地黃土的濕陷系數(shù)、自重失陷系數(shù)與深度的關(guān)系，濕陷量、自重濕陷量與深度的關(guān)系，研究得出場(chǎng)區(qū)的黃土濕陷特點(diǎn)：研究區(qū)地貌單元屬河谷階地區(qū)，地處階地前緣斜坡處，發(fā)生濕陷的地層為上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土、古土壤及中更新統(tǒng)風(fēng)積黃土層。濕陷性黃土主要有輕礦物、重礦物和粘土礦物組成。黃土的化學(xué)組成主要為SiO2，其次為Al2O3，F(xiàn)e2O3和CaO等，但黃土濕陷性的發(fā)生與黃土的礦物組成及化學(xué)組成關(guān)系較小。綜合分析研究區(qū)黃土濕陷性影響因素，認(rèn)為濕陷性主要影響因素為含水狀態(tài)，應(yīng)力狀態(tài)等。對(duì)比分析濕陷系數(shù)，濕陷量隨深度的變化規(guī)律：隨著計(jì)算深度的增加，濕陷量、濕陷系數(shù)均呈先增加后減少趨勢(shì)。最終判定研究區(qū)地基濕陷等級(jí)為Ⅲ級(jí)，為嚴(yán)重濕陷。該研究成果對(duì)工程建設(shè)中遇到的黃土濕陷的分析及其治理具有重要意義。

關(guān)鍵詞：濕陷性黃土；濕陷系數(shù)；濕陷量；白水河大橋

引文格式：李輝,劉海政,王緒冰.白水河大橋場(chǎng)區(qū)黃土地基濕陷性分析[J].山東國(guó)土資源，2016,32(6)：61-65.LI Hui，LIU Haizheng，WANG Xubing. Collapsibility Analysis on Loess Foundation in Baishuihe Bridge Area[J].Shandong Land and Resources, 2016,32(6)：61-65.

0引言

黃土在一定壓力作用下受水浸濕后，結(jié)構(gòu)迅速破壞而產(chǎn)生顯著附加沉陷的性能，稱為濕陷性。黃土的濕陷性分為自重濕陷性和非自重濕陷性2種[1]。黃土濕陷性主要是通過(guò)濕陷系數(shù)、自重濕陷系數(shù)、濕陷量、自重濕陷量等濕陷性指標(biāo)反映，不同的濕陷指標(biāo)反映出不同的濕陷程度。黃土濕陷變形具有非連續(xù)性、突變性和不可逆性，常造成構(gòu)筑物地基以及邊坡等的破壞，嚴(yán)重危及構(gòu)筑物的穩(wěn)定性和安全運(yùn)營(yíng)。因此，在濕陷性黃土地區(qū)進(jìn)行工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)與施工時(shí)，為確保工程安全必須對(duì)黃土濕陷性進(jìn)行合理評(píng)價(jià)。正確認(rèn)識(shí)并評(píng)價(jià)黃土濕陷性，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[2-5]。基于現(xiàn)場(chǎng)濕陷性實(shí)驗(yàn)和三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，黃雪峰等[6-8]研究了大厚度自重濕陷性黃土地基的處理法并提出地基的處理宜采用整片處理。趙偉[9]探討了大厚度黃土地區(qū)地基處理深度的問(wèn)題，認(rèn)為處理深度達(dá)到12m以上時(shí)，繼續(xù)加大處理深度的意義不大。王雪浪[10]對(duì)大厚度濕陷性黃土的濕陷變形機(jī)理做了深入的研究并獲得了石灰樁擠密有效半徑和樁壁膨脹壓力增量的計(jì)算公式。連杰明[11]對(duì)濕陷性黃土地基處理的主要指標(biāo)做了探討并提出樁間土擠密系數(shù)應(yīng)以消除地基土的濕陷性和滿足地基的承載力特征值為前提。

然而，目前在工程實(shí)踐中主要通過(guò)表征濕陷性強(qiáng)弱的濕陷系數(shù)δs、自重失陷系數(shù)δzs、濕陷量△s和自重濕陷量△zs中的某一個(gè)或某幾個(gè)指標(biāo)對(duì)黃土濕陷(性)的評(píng)價(jià)具有不全面性。而且，即使在同一區(qū)域內(nèi)不同場(chǎng)地間的地質(zhì)條件也存在差異性，單一對(duì)某一指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)常使評(píng)判結(jié)果與實(shí)際情況不完全相符[12-16]。

白水河大橋位于渭南市白水縣，是蒲白高速的重要子工程，由于工程場(chǎng)地處于大厚度黃土區(qū)，在施工過(guò)程中出現(xiàn)嚴(yán)重的黃土濕陷。該文基于黃土濕陷性指標(biāo)的綜合分析，對(duì)白水河大橋工程建設(shè)過(guò)程中出現(xiàn)的黃土濕陷性進(jìn)行了分析，對(duì)工程建設(shè)的安全性及黃土地基的處理具有重要指導(dǎo)意義。

1黃土濕陷性主控因素分析

1.1黃土地層結(jié)構(gòu)特征

研究區(qū)位于陜西省白水縣白水河大橋工程區(qū)，構(gòu)造屬揚(yáng)子地臺(tái)構(gòu)造單元，構(gòu)造系由東西走向的緊密褶皺和壓性斷裂組成的強(qiáng)烈擠壓帶，地質(zhì)構(gòu)造極為復(fù)雜。橋墩區(qū)溝谷較開(kāi)闊，附近有瀝青路通行，交通條件較好，發(fā)育有F6斷裂，斷層面產(chǎn)狀為190°∠65°，段距大致為15～20m。橋墩區(qū)以白水河溝斷層F6為界，以北地震基本烈度值為Ⅶ度；以南地震基本烈度值為Ⅶ度。該區(qū)地貌單元屬河谷階地區(qū)，地處階地前緣斜坡處，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆探揭露資料(圖1)，研究區(qū)地層由上而下依次為上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土、古土壤、中更新統(tǒng)風(fēng)積黃土、中更新統(tǒng)沖洪積碎石，以及奧陶紀(jì)太原組石灰?guī)r組成，其中上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土呈褐黃色，大孔隙較為發(fā)育，局部見(jiàn)有鈣質(zhì)結(jié)核，上層含少量塊石、碎石，稍濕，硬塑-堅(jiān)硬。層厚約為6.8～8.3m，具濕陷性。古土壤呈棕紅色，見(jiàn)孔隙，具團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，含少量的鈣質(zhì)結(jié)核，稍濕，較硬。見(jiàn)黑色條紋及斑點(diǎn)。層厚約為1.6～3.3m，具濕陷性。研究區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造及破碎的巖體結(jié)構(gòu)是研究區(qū)地表水下滲的基本通道，為黃土地層發(fā)生濕陷性作用的基本條件。

圖1　研究區(qū)地質(zhì)剖面圖

1.2黃土地層礦物成分分析

白水河大橋工地黃土的主要礦物中，輕礦物約占86%～91%以上，主要礦物為石英、正長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石等；重礦物約占8%～10%，主要礦物為黑云母、白云母、角閃石等。粘土礦物是黃土粘粒的主要組成部分，也是影響黃土活性的最活躍的部分[12-15]。粘土礦物由原生礦物和次生礦物組成，主要以伊利石為主，其次還有蒙脫石和高嶺石，綠泥石等少量礦物。研究區(qū)黃土的化學(xué)組成主要為SiO2，約占50%，其次還有Al2O3，F(xiàn)e2O3和CaO等；這與研究區(qū)黃土含有少量可溶鹽及氧化不充分有關(guān)。研究區(qū)的黃土濕陷性主要是由于黃土中大量的親水礦物和節(jié)理裂隙的存在，極易導(dǎo)致水分的滲入，使一部分可溶鹽礦物發(fā)生水解流失而造成濕陷性特征。

1.3場(chǎng)區(qū)水文地質(zhì)特點(diǎn)

研究區(qū)地表水主要為白水河小股流水，河床坡降較小，由于后期人為影響，水量較小。地下水類型為第四紀(jì)松散巖類孔隙潛水，水位埋深12.90～4.60m，賦存于第四紀(jì)全新統(tǒng)沖洪積層孔隙中。

黃土天然含水程度對(duì)濕陷性影響顯著。通常黃土含水量越高，黃土濕陷性越低，當(dāng)含水量達(dá)到25%時(shí)，黃土就基本不再有濕陷性[16](圖2)。在黃土濕陷性問(wèn)題中，無(wú)論是上部載荷還是天然含水度等因素主要是通過(guò)影響黃土的微結(jié)構(gòu)及物質(zhì)成分進(jìn)而造成黃土濕陷。富含孔隙是黃土所具有的一大特點(diǎn)，濕陷系數(shù)與孔隙比成正相關(guān)，即孔隙比大，濕陷系數(shù)高[16]。該研究區(qū)的黃土濕陷性特點(diǎn)與該區(qū)地表水與地下水關(guān)系密切。

圖2　天然含水量與濕陷系數(shù)關(guān)系圖

2黃土濕陷性綜合評(píng)價(jià)

2.1濕陷系數(shù)與自重濕陷系數(shù)的對(duì)比

濕陷性一般用濕陷系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)。研究過(guò)程中對(duì)自重濕陷系數(shù)和濕陷系數(shù)同時(shí)進(jìn)行了測(cè)試。自重濕陷系數(shù)(δzs)是黃土試樣在與其飽和自重壓力相等的壓力作用下，壓縮穩(wěn)定后的濕陷值與土樣原始高度的比值；濕陷系數(shù)(δs)是指黃土試樣在某壓力(p)作用下穩(wěn)定的濕陷變形值與試樣原始高度的比值(式1，2)[1]。

(1)

(2)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程采用室內(nèi)浸水壓縮試驗(yàn)測(cè)定黃土濕陷系數(shù)δzs和濕陷系數(shù)δs，測(cè)定時(shí)樣品采自ZK60-10勘探點(diǎn)鉆孔黃土試樣，自上而下取12塊樣品進(jìn)行試驗(yàn)(圖1)，選取的試驗(yàn)壓力(即評(píng)價(jià)黃土濕陷性的壓力)不同，所測(cè)定的濕陷系數(shù)和濕陷系數(shù)及濕陷性評(píng)價(jià)結(jié)果亦不同(圖3)。

該次實(shí)驗(yàn)濕陷起始?jí)毫闈裣菪渣S土的濕陷系數(shù)達(dá)到0.015時(shí)的最小濕陷壓力。通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖3)自重濕陷系數(shù)與濕陷系數(shù)變化曲線可知，在一定壓力范圍內(nèi)(研究區(qū)濕陷壓力介于土層計(jì)算深度在0～750cm之間)，黃土濕陷敏感性會(huì)隨著深度的增加而增強(qiáng)。例如：在0～450cm內(nèi)，自重濕陷系數(shù)與濕陷系數(shù)均與土層計(jì)算深度成正比。當(dāng)濕陷壓力超過(guò)峰值壓力(研究區(qū)計(jì)算深度為750cm)時(shí)，濕陷敏感性隨壓力的增大逐漸減小，如：在950～1375cm內(nèi)，自重濕陷系數(shù)與濕陷系數(shù)與計(jì)算深度成反比，這主要由于外部載荷及黃土自重對(duì)深部巖層的影響隨深度增大而減小。由圖3可知，研究區(qū)的濕陷終止深度在1375cm，由于受外部載荷的影響，濕陷系數(shù)較自重濕陷系數(shù)大。

圖3　自重濕陷系數(shù)、濕陷系數(shù)對(duì)比關(guān)系圖

2.2濕陷量與自重濕陷量的判定

研究區(qū)濕陷量(△s)與自重濕陷量(△zs)的判定是采用試坑浸水實(shí)驗(yàn)確定。濕陷量的大小，除了與土的濕陷性質(zhì)及其厚度有關(guān)外，同時(shí)還與試坑面積、浸水時(shí)間、浸水量等因素有關(guān)。

計(jì)算自重濕陷量、濕陷量，分別按以下公式：

(3)

(4)

式中：δzsi—第i層土在上覆土的飽和自重壓力下的自重濕陷系數(shù)；hi—第i層土的厚度(cm)；β0—因土質(zhì)地區(qū)而異的修正系數(shù)；δsi—第i層土的濕陷系數(shù)；β—考慮地基土的側(cè)向擠出和浸水機(jī)率等因素的修正系數(shù)。

研究區(qū)內(nèi)自重濕陷量的累積，是從天然地面算起，至其下部全部濕陷性黃巖層的地面[1]。通過(guò)勘探點(diǎn)(ZK60-10)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)得出濕陷量與自重濕陷量見(jiàn)圖4。

圖4　濕陷性土層計(jì)算深度與濕陷量計(jì)算值關(guān)系圖

研究區(qū)濕陷性實(shí)驗(yàn)表明，由于受上層黃土自身重力作用，黃巖層從450mm深處開(kāi)始出現(xiàn)自重濕陷性，濕陷量較小，為24mm，往下濕陷量依次增大，在650～850mm之間濕陷量發(fā)生劇烈變化，單層濕陷量減小。分析巖層可知，此段內(nèi)巖性發(fā)生變化，由易濕陷性的黃土變?yōu)椴灰装l(fā)生濕陷的古土壤，從950mm深處開(kāi)始圖層又發(fā)生大規(guī)模的自重濕陷，通過(guò)分析巖性，此段內(nèi)巖性為極易發(fā)生濕陷的粉質(zhì)粘土。到1225mm時(shí)，雖然仍為粘巖層，但巖層不再受到自重作用的影響，因而不發(fā)生自重濕陷。最終，在沒(méi)有外部載荷的作用下，研究區(qū)ZK60-10勘探點(diǎn)的自重濕陷總量為338mm。分析研究區(qū)ZK60-10勘探點(diǎn)的濕陷量，相較于自重濕陷量，在受到外部載荷的作用下，從1225mm后粘巖層仍發(fā)生一定的濕陷，最終在1375mm時(shí)不再發(fā)生濕陷性，但易發(fā)生濕陷的巖層與自重濕陷相同。最終，濕陷量為859mm。自重濕陷量30cm,總濕陷量50cm,因而判定該點(diǎn)處地基濕陷等級(jí)為Ⅲ級(jí)，即為嚴(yán)重濕陷。

3結(jié)論

(1)研究區(qū)位于白水河大橋工程區(qū)，地貌單元屬河谷階地區(qū)，地處階地前緣斜坡處，構(gòu)造屬揚(yáng)子地臺(tái)構(gòu)造單元并發(fā)育有斷層，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。發(fā)生濕陷的地層為上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土、古土壤及中更新統(tǒng)風(fēng)積黃土層。研究區(qū)濕陷性黃土主要有輕礦物、重礦物和粘土礦物組成。礦物組成主要為石英、長(zhǎng)石、云母等礦物，粘土礦物主要為伊利石等。研究區(qū)黃土的化學(xué)組成主要為SiO2；其次為Al2O3，F(xiàn)e2O3和CaO等。

(2)對(duì)研究區(qū)黃土濕陷性影響因素綜合分析，認(rèn)為濕陷性主要影響因素為含水狀態(tài)，應(yīng)力狀態(tài)等。對(duì)比分析濕陷系數(shù)，濕陷量隨深度的變化規(guī)律：隨著計(jì)算深度的增加，濕陷量、濕陷系數(shù)均呈先增加后減少趨勢(shì)。研究區(qū)自重濕陷量為338mm，濕陷總量為859mm，判定研究區(qū)地基濕陷等級(jí)為Ⅲ級(jí)，即為嚴(yán)重濕陷。

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Collapsibility Analysis on Loess Foundation in Baishuihe Bridge Area

LI Hui1，LIU Haizheng2，WANG Xubing2

(1. Shanxi General Team of Geological Exploration Center of China Building Material Industry, Shanxi Xi’an 71003, China; 2. College of Geological Sciences and Engineering, Shandong University of Science and Technology, Shandong Qingdao 266510, China)

Abstract：Based on the loess strata in Baishuihe bridge area, the relationship between the coefficient of collapsibility and the coefficient of self-weight collapsibility, the relationship between content of self- weight collapsibility and the content of collapsibility have been analyzed. It is concluded that the landform of the study area is the valley terrace. It is located at the leading edge of the terrace. Wet subsident layers are early Pleistocene eolian loess, ancient soil and middle Pleistocene eolian loess. The Collapsible loess are formed by light minerals, heavy minerals and clay minerals. Chemical compositions of loess are SiO2, Al2O3, Fe2O3 and CaO. However, collapsibility loess has nothing to do with the mineral composition and chemical composition of loess. Through analyzing collapsibility of loess factors in study area, it is thought that main influcing factors are moisture state, stress state and so on. After analyzing the relationship between coefficient of collapsibility, it is regarded that the content of collapsibility and the depth of collapsibility will increase accompanying with the increase of depth, wet and collapsibility coefficient will increase first and then decrease. It is concluded that the wet sinking level of the foundation in study area is Ⅲ. It is serious wet subsidence. The research results have important significance for the analysis and treatment of the loess collapse in the construction.

Key words：Collapsible loess; coefficient of collapsibility of loess; content of collapsibility; Baishuihe bridge

收稿日期：2015-09-23；

修訂日期：2015-11-09；編輯：陶衛(wèi)衛(wèi)

作者簡(jiǎn)介：李輝(1978—)，女，山西絳縣人，主要從事工程地質(zhì)及巖土工程勘察等方面工作；E-mail：lhcuishuo@163.com

中圖分類號(hào)：TU444

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B