李 鵬, 焦振華

(陜西省水利電力勘測設計研究院,陜西 西安 710000)

關中地區(qū)黃土工程參數(shù)變化及參數(shù)取值研究

李 鵬, 焦振華

(陜西省水利電力勘測設計研究院,陜西 西安 710000)

通過對關中地區(qū)渭河北岸興平—富平段黃土的工程特性研究,發(fā)現(xiàn)該區(qū)域內黃土的不同物理、水理性質及力學性質參數(shù)變異性差別較大,針對不同變異性的物理力學參數(shù)進行分析,提出數(shù)據(jù)統(tǒng)計時需采用不同的方法進行對待。并對不同地貌單元黃土濕陷性的分布規(guī)律及線路工程濕陷性黃土地基的處理提出建議。

黃土;分布規(guī)律;物理力學參數(shù);關中地區(qū)

中國黃土面積約64萬km2,是世界上分布最廣泛的地區(qū),而陜西省為中國黃土分布的主要省份之一[1]。上世紀50年代以來,隨著中國經濟發(fā)展與社會建設,在黃土地區(qū)興建了眾多工程,積累了眾多的黃土地區(qū)研究經驗,并取得了很多重要研究成果?，F(xiàn)有研究大量集中于黃土的特殊性質—濕陷性的成因、分布、影響因素[2-6]以及防治措施[7-9]等方面,對黃土物理力學參數(shù)的研究多集中于參數(shù)間相關關系、相互影響等[10-11]方面,而對黃土地區(qū)物理力學性質的變化規(guī)律以及參數(shù)取值問題鮮有報道。

本次研究依托陜西省引漢濟渭二期工程,通過對關中地區(qū)渭河北岸興平—富平段分布的馬蘭黃土(Q3)工程特性進行研究統(tǒng)計,分析其物理力學指標分布規(guī)律,并對該區(qū)域內黃土物理力學參數(shù)的取值提出建議,為工程建設提供參考指標。

1 工程概況及試驗樣品采集

引漢濟渭工程為陜西省重點建設工程,二期工程主要為輸配水工程,其線路長,穿越面積廣。其中黃土分布區(qū)域主要集中于渭河北岸興平—富平段的咸(陽)禮(泉)塬、富平塬以及涇河、渭河二級階地上部。根據(jù)勘探揭示,區(qū)域內馬蘭黃土(Q3)層厚度8～14 m不等。本次研究在沿線采用坑探采集黃土樣品,共計探坑50個,樣品451件,各取樣點位置如圖1所示。根據(jù)相關規(guī)范[12]重點研究馬蘭黃土(Q3)的物理力學性質的變異特性及參數(shù)取值。

2 黃土的物理性質及水理性質

2.1 黃土的物理參數(shù)指標分布規(guī)律及參數(shù)取值

黃土物理參數(shù)統(tǒng)計結果表明(表1),關中地區(qū)西部渭河北岸興平—富平段黃土的比重、含水率、濕密度、干密度、孔隙比、孔隙率等物理特性參數(shù)的變化取決于沉積環(huán)境、沉積歷史等因素,而研究區(qū)范圍內沉積歷史并無明顯差異,故上述參數(shù)在空間上變化不大,取值時可進行綜合統(tǒng)計,取平均值。

表1 關中地區(qū)渭河北岸黃土的物理性質統(tǒng)計Table 1 Statistics of physical properties of loess in the north of Weihe of Guangzhong area

飽和度的變化主要取決于近現(xiàn)代環(huán)境變化,而沿線由于灌溉、取水等人為干擾,當前環(huán)境差異較大,故其變異性較大,變異系數(shù)為0.26,屬中等變異,且相對大小與取樣位置及地貌單元有關,如圖2所示。在WDTK5點以西,勘探點多位于二級階地及咸陽禮泉塬區(qū)的邊緣,地下水埋深相對較小,其飽和度基本>50%;

圖1 關中地區(qū)渭河北岸各取樣點位置示意圖Fig.1 Sketch map of sampling point location in the north of Weihe of Guangzhong area

圖2 關中地區(qū)渭河北岸各勘探點飽和度平均值與位置分布關系Fig.2 Relationship between mean value of saturation and position distribution of exploration point in the north of Weihe of Guangzhong area

WDTK5點至涇河段,由于其位于咸陽塬中部,地下水位埋深較大,除個別探坑外,飽和度均<50%;而涇河以東,二級階地及富平塬的邊緣部位各勘探點飽和度>50%;富平塬區(qū)中部(WDTK26),飽和度<50%。建議在研究區(qū)內興建工程時對黃土飽和度參數(shù)取值應結合所在區(qū)域地貌單元、地下水埋深等因素取值。

2.2 黃土的水理性質分布規(guī)律及參數(shù)取值

黃土屬水敏性地質體,在水的軟化作用下強度大幅度下降,發(fā)生強烈濕陷,黃土的水理性質主要包括土體的塑性及滲透性指標。關中地區(qū)西部渭河北岸興平—富平段黃土的液限、塑限及塑性指數(shù)的變異系數(shù)均<0.2(表2),變異性低,且黃土的液限、塑限及塑性指數(shù)等水理特性參數(shù)在空間上變化不大,取值時可進行綜合統(tǒng)計,取平均值。

液性指數(shù)、滲透特性的變異系數(shù)>1,變異性很高。其中液性指數(shù)主要反映土的軟硬狀態(tài),經統(tǒng)計分析(圖3),同飽和度指標相似,液性指數(shù)的變化主要與近現(xiàn)代環(huán)境密切相關,從相關性分析,黃土的液性指數(shù)與飽和度亦具有較好的相關性,在二級階地及黃土臺塬的邊緣地帶,地下水埋深相對較小,其液性指數(shù)較大;在黃土臺塬中部地帶,地下水位埋深較大液性指數(shù)相對較小。建議在研究區(qū)內新建工程時,對黃土飽和度參數(shù)取值應結合地貌單元、地下水埋深等因素取值。

表2 關中地區(qū)渭河北岸黃土的水理性質統(tǒng)計 Table 2 Statistics of water properties of loess in the north of Weihe of Guangzhong area

圖3 關中地區(qū)渭河北岸飽和度與液性指數(shù)相關性分析Fig.3 Correlation analysis between saturation and liquid index in the north of Weihe of Guangzhong area

滲透系數(shù)的大小無明顯的變化規(guī)律,變異性較大,主要是因為黃土的孔隙對滲透系數(shù)的影響較大,而黃土孔隙的分布密度、大小均有較大差異,故關中地區(qū)渭河北岸不同取樣點、相同取樣點的不同深度取樣的滲透特性變化均較大。在本次研究中發(fā)現(xiàn),滲透系數(shù)較大的(>10 ×10-5cm/s)的土樣基本分布于二級階地下部,受底部中砂層及砂礫石層接觸影響較大,建議在該區(qū)域內新建工程時,對黃土滲透系數(shù)的取值,應有針對性地進行取樣試驗確定。

3 黃土的力學特性

3.1 黃土壓縮指標分布規(guī)律及參數(shù)取值

關中地區(qū)西部渭河北岸興平—富平段黃土的壓縮指標的變異情況與試驗壓力有關,隨試驗壓力的增大,變異系數(shù)有變小趨勢。其中試驗壓力200～400 kPa時,變異系數(shù)為0.3～0.4之間;試驗壓力<200 kPa時,壓縮性質變異系數(shù)均>0.4(表3)。

以常用的Es1-2及av1-2為例,進行直方圖統(tǒng)計。壓縮模量正態(tài)分布曲線相對較“瘦”(圖4),其數(shù)據(jù)大多集中于2～4 MPa左右,故在數(shù)據(jù)取舍時相對容易,可將偏離明顯的數(shù)據(jù)直接舍去后重新統(tǒng)計。壓縮系數(shù)正態(tài)分布曲線相對較“寬”(圖5),數(shù)據(jù)離散,故在數(shù)據(jù)取舍時不能使用正態(tài)函數(shù)進行識別及剔除不合理數(shù)據(jù),而應結合對應壓縮系數(shù)計算所得的壓縮模量范圍、當?shù)毓こ探涷灱巴馏w經驗參數(shù)進行綜合判別來取舍壓縮系數(shù)值。

表3 關中地區(qū)渭河北岸黃土壓縮指標統(tǒng)計Table 3 Statistics of loess compression index in the north of Weihe of Guangzhong area

3.2 黃土抗剪強度分布規(guī)律及參數(shù)取值

研究區(qū)范圍內黃土的抗剪強度的變異情況與施加的垂直壓力有關,壓力>200 kPa,變異系數(shù)明顯較100 kPa時變小,200 kPa以上隨壓力增大變化不大,且由于黃土為水敏性物質,受水的作用強度變化較大,故飽和快剪、飽和固結快剪指標的變異性較快剪指標變異性大,但變異系數(shù)均在0.1～0.3之間,變異性屬小—中等(表4)。建議根據(jù)規(guī)范要求,使用不同壓力強度小值均值做莫爾圓來確定抗剪強度指標C值、φ值(圖6)。

圖4 關中地區(qū)渭河北岸壓縮模量頻率直方圖及正態(tài)分布曲線Fig.4 Frequency histogram and normal distribution curve of compression modulus in the north of Weihe of Guangzhong area

4 黃土的濕陷特性及線路工程地基評價

4.1 黃土濕陷分布規(guī)律

圖5 關中地區(qū)渭河北岸壓縮系數(shù)頻率直方圖及正態(tài)分布曲線Fig.5 Frequency histogram and normal distribution curve of compression factor in the north of Weihe of Guangzhong area

經室內試驗成果計算,不同地貌單元黃土濕陷性有所差異,二級階地多為自重濕陷Ⅱ級,黃土塬部位多為自重濕陷Ⅲ級—自重濕陷Ⅳ級。工程開挖前后壓力變化值及根據(jù)壓力變化對濕陷性計算修正前后的濕陷性評價如表5。根據(jù)規(guī)范計算,二級階地均為自重濕陷Ⅱ級,按照開挖減載后重新復核,其濕陷量均有所減少,但局部仍有少量濕陷發(fā)生;而黃土塬,由于其濕陷下限較深,開挖減載后仍有部分樣品由于飽和自重壓力作用使其大于濕陷起始壓力產生濕陷,但總體濕陷量大為減少。綜上分析,關中地區(qū)渭河北岸濕陷性黃土深度<10 m的部分,在開挖減載后濕陷量不大;而對于深度>10 m的部分,雖然開挖減載后仍具有一定濕陷,但濕陷量大為減少。

圖6 關中地區(qū)渭河北岸黃土抗剪指標摩爾(σ)—庫侖(τ)曲線圖Fig.6 Mohr Coulomb curve of shear index of loess in the north of Weihe of Guangzhong area

表4 關中地區(qū)渭河北岸黃土抗剪指標統(tǒng)計Table 4 The shear index of loss in the north of Weihe of Guangzhong area

統(tǒng)計方法不同垂直壓力下的剪應力τ/kPa快剪飽和快剪飽和固結快剪100200300400100200300400100200300400統(tǒng)計組數(shù)474747475858585818181818最大值11216421727911414318124696130187222最小值558611814929466482416894119平均值7512116521055911291645592130166大值均值871331812327210814618867108149185小值均值6810914718646791111434882115147標準差121622291619233013162326變異系數(shù)0.1630.1360.1350.1370.2820.2040.1800.1810.2330.1790.1760.159

4.2 引水線路濕陷性地基處理

引水線路濕陷性地基處理可參照現(xiàn)行規(guī)范“埋地設置的室外水池”地基進行處理。根據(jù)工程實踐經驗,建議采用整片土(灰土)墊層處理,其中非自重濕陷性黃土場地,灰土墊層厚度不宜<0.3 m,土墊層厚度不應<0.5 m;自重濕陷性Ⅰ-Ⅱ級場地,灰土墊層厚度不宜<0.6 m,土墊層厚度不應<0.8 m;自重濕陷性Ⅲ-Ⅳ級場地,灰土墊層厚度不宜<0.8 m,土墊層厚度不應<1.0 m;土(或灰土)墊層的壓實系數(shù)應≥0.97,并采取嚴格防水措施。

表5 關中地區(qū)渭河北岸代表性探坑濕陷性評價Table 5 Evaluation of pit collapsibility representatively in the north of Weihe of Guangzhong area

5 結語

(1) 關中地區(qū)渭河北岸內黃土的比重、含水率、濕密度、干密度、孔隙比、孔隙率等物理特性參數(shù)及液限、塑限及塑性指數(shù)等水理特性參數(shù)在空間上變化不大,取值時可進行綜合統(tǒng)計,按照規(guī)范取平均值。

(2) 關中地區(qū)渭河北岸飽和度屬中等變異性,液性指數(shù)與飽和度呈較好的相關性,主要受地貌單元及取樣位置影響。其中在二級階地及黃土臺塬的邊緣地帶,地下水埋深相對不大,其液性指數(shù)較大;在黃土臺塬中部地帶,地下水位埋深較大,液性指數(shù)相對較小,建議在該區(qū)域內新建工程時,對黃土飽和度的取值應結合地貌單元、地下水埋深等因素進行取值。

(3) 關中地區(qū)渭河北岸黃土不同取樣點、相同取樣點的不同深度取樣的滲透特性變化均較大,建議在該區(qū)域內新建工程時,對黃土滲透系數(shù)的取值,應有針對性地進行取樣試驗確定。

(4) 壓縮模量在數(shù)據(jù)處理時,可將偏離明顯的數(shù)據(jù)直接舍去后重新統(tǒng)計。其中要結合對應壓縮系數(shù)計算所得的壓縮模量范圍、當?shù)毓こ探涷灱巴馏w經驗參數(shù)進行綜合判別來取舍壓縮系數(shù)值。

(5) 黃土的抗剪強度的變異情況與施加的垂直壓力有關。飽和快剪、飽和固結快剪指標的變異性較快剪指標變異性大,變異性屬小—中等。建議根據(jù)規(guī)范要求,按小值均值圖解法確定抗剪強度指標C值、φ值。

(6) 關中地區(qū)渭河北岸不同地貌單元黃土濕陷性有所差異,一級階地多為非自重Ⅰ級—自重濕陷Ⅱ級,二級階地多為自重濕陷Ⅱ級,黃土塬部位多為自重濕陷Ⅲ級—自重濕陷Ⅳ級。深度<10 m的部分,在開挖減載后濕陷量較小;深度>10 m的部分,在開挖減載后仍具有一定濕陷,但濕陷量大為減少。

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(責任編輯：費雯麗)

Abstract：Based on the research of the engineering characteristics of loess in Xingping to Fuping section of the north of Weihe in Guanzhong area,it is found that the variability greatly in physical,hydraulic and mechanical properties of loess in this area,through the analysis of physical and mechanical parameters with different variability,it is proposed that different methods can be adopted in parameter statistics. At the same time,the distribution law of loess collapsibility in different geomorphic units and treatment of collapsible loess foundation in line engineering are given some suggestions.

Key words：loess; distribution; physical mechanics parameters; Guanzhong area

Study on Stability and Sliding Influence of Landslidein a Hydropower Station in Southwest China

DENG Weidong

(PowerChinaChengduEngineeringCo.,Ltd,Chengdu,Sichuan610072)

Three secondary slippers developed at the front edge of the Mari landslide. Based on the analysis of the evolution mechanism of river valley slopes, the stability of the slope is analyzed by numerical simulation and rigid body limit equilibrium calculation. The results show that the probability of occurrence of 2#secondary sliding body is larger, but the amount of instability is less than the minimum and the possibility of catching the river is small. In addition, the wave analysis and calculation of three secondary slides were carried out to predict the maximum wave height of the surge wave to the dam site.

slide; stability; calculation; hydropower station; influence

Study on Variation and Selection of Loess EngineeringParameters in Guanzhong Area

LI Peng, JIAO Zhenhua

(ShanXiProvinceInstituteofWaterResourcesandElectricPowerInvestigationandDesign,Xi’an,Shanxi710001)

2017-06-20;改回日期:2017-07-11

李鵬(1985-),男,工程師,碩士,第四紀地質專業(yè),從事水利水電工程地質勘察工作。E-mail:lppanda@sina.com

P642.13+1

A

1671-1211(2017)04-0449-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.020

數(shù)字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170622.1655.006.html 數(shù)字出版日期:2017-06-22 16:55