趙少?gòu)?qiáng)

(中鐵七局集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016)

0 引言

我國(guó)西起祁連山、東至太行山脈、南抵秦嶺、北至長(zhǎng)城區(qū)域分布有大面積黃土，總面積640 000km2， 尤其以陜西、山西、甘肅、寧夏、青海5個(gè)省區(qū)最為典型，是世界上最大的黃土分布區(qū)[1-3]。尤其是中華人民共和國(guó)成立以來，我國(guó)對(duì)黃土成因、分布、工程特性做了大量研究工作，但研究重點(diǎn)主要集中在陜西、甘肅、山西等典型黃土地區(qū)，對(duì)河南黃土尤其是河南省臺(tái)塬和河流高階地的黃土研究資料還比較有限[4]。鄭西高速鐵路是我國(guó)也是世界上長(zhǎng)距離穿越濕陷性黃土區(qū)的第一條高速鐵路，也是中國(guó)中西部地區(qū)第一條投入運(yùn)營(yíng)的時(shí)速350km高速鐵路，正線全長(zhǎng)456km，沿線大部分區(qū)段穿越濕陷性黃土區(qū)，在此之前，國(guó)內(nèi)外濕陷性黃土地區(qū)修建高速鐵路的基礎(chǔ)理論和工程實(shí)踐完全空白，能否攻克這一世界性難題是關(guān)系到中國(guó)在廣大黃土地區(qū)成功修建高速鐵路的關(guān)鍵性技術(shù)問題，對(duì)中國(guó)成功建設(shè)高速鐵路網(wǎng)至關(guān)重要[5-6]。為確保鄭西高速鐵路的成功修建，建設(shè)過程中除采用常規(guī)的地質(zhì)調(diào)查、鉆探、挖探、遙感、室內(nèi)外試驗(yàn)和物探等常規(guī)勘察方法外，為更加客觀評(píng)價(jià)沿線黃土的濕陷性，還在沿線開展了9處大型現(xiàn)場(chǎng)試坑浸水試驗(yàn)，取得了寶貴的試驗(yàn)資料，巖土工程勘探的廣度及深度前所未有。研究發(fā)現(xiàn)，鄭西高速鐵路沿線濕陷性黃土勘察結(jié)果與以往認(rèn)識(shí)有明顯差別，主要表現(xiàn)在濕陷性黃土厚度、地基濕陷等級(jí)劃分、濕陷性黃土分區(qū)邊界等問題的認(rèn)識(shí)與傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)存在一定差別。因此，本文結(jié)合鄭西高速鐵路建設(shè)，通過大量室內(nèi)試驗(yàn)和大型現(xiàn)場(chǎng)試坑浸水試驗(yàn)，并結(jié)合大量地質(zhì)勘察和施工資料，對(duì)鄭西高速鐵路河南段黃土分布特征、濕陷變形特性、濕陷敏感性等工程特性進(jìn)行系統(tǒng)深入研究。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)濕陷性黃土勘察、地基處理、黃土隧道進(jìn)出口施工技術(shù)、樁基負(fù)摩擦力確定等問題提出了工程對(duì)策，研究成果可為該地區(qū)后續(xù)工程設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 河南黃土類型及分布特征

1.1 黃土類型

1)河南境內(nèi)Q1～Q4黃土均有出露[7]，其中以新黃土為主，老黃土也有出露。

2)全新世(Q4)黃土大多分布于黃河及其支流洛河、伊河、澗河、渭河及其支流等河谷一級(jí)階地與河漫灘的廣大區(qū)域。成因以沖、洪積為主，在階地交接處和斜坡的坡腳堆積有坡積黃土。

3)晚更新世(Q3)主要為風(fēng)積、沖洪積與坡積黃土，廣泛分布于山前平原、黃河二級(jí)階地、黃土臺(tái)塬和鞏義老城以東的黃土丘陵。山前平原與階地以沖洪積為主，表層有風(fēng)積黃土但厚度不大，黃土臺(tái)塬及丘陵地帶以風(fēng)積土為主。

4)中更新世(Q2)老黃土，主要出露于新安縣西南部、宜陽(yáng)縣北部、秦押腰至海上橋及張茅鎮(zhèn)至三門峽之間。

5)早更新世黃土(Q1)一般夾古土壤，局部可見黏性土、砂類土、碎石類土，主要出露在渭河支流溝谷邊緣和張茅鎮(zhèn)至三門峽東的丘陵、低山地段溝谷底部，與本線關(guān)系不甚密切。

1.2 分布特征

鄭西高速鐵路沿線黃土主要分布在黃河及其支流的階地、丘陵和黃土臺(tái)塬區(qū)。因其沉積的古氣候與古地理環(huán)境差異較大，工程地質(zhì)條件也明顯不同，具有分布范圍廣、成因類型多、成層情況復(fù)雜、厚度變化大等特點(diǎn)。

1)鄭州至洛陽(yáng)段 地勢(shì)較平坦，沖洪積黏質(zhì)Q3黃土廣泛分布于山前傾斜平原與河流二級(jí)階地和鞏義老城以東的黃土丘陵和巖石丘陵區(qū)，黃土密實(shí)度偏大，含水率偏高。大部分為Ⅰ級(jí)非自重濕陷性黃土，少部分為Ⅱ級(jí)自重濕陷性黃土。新安縣西南部和宜陽(yáng)縣北部等個(gè)別黃河高階地出露有Q2老黃土，主要為棕黃、磚紅、暗紅、褐紅色黏質(zhì)黃土，由下往上顏色變淺，砂質(zhì)成分增加，無層理，結(jié)構(gòu)密實(shí)，垂直節(jié)理較發(fā)育，地表蟲孔較發(fā)育，局部夾有姜石層及卵石層透鏡體。

2)洛陽(yáng)至張茅鎮(zhèn)段 為黃土丘陵區(qū)，Q2老黃土分布廣，厚10～60m，含數(shù)層古土壤層，局部夾鈣質(zhì)結(jié)核層，一般無濕陷性，局部地區(qū)基巖出露。

3)張茅鎮(zhèn)至三門峽西 為黃土丘陵、臺(tái)塬區(qū)，上部覆蓋Q3砂質(zhì)黃土，淡黃、淺黃色，土質(zhì)均勻，含少量鈣質(zhì)結(jié)核及蝸牛殼化石，發(fā)育肉眼可見的大孔隙，一般厚0～30m，局部較厚，斷續(xù)分布，具有Ⅰ級(jí)非自重至Ⅱ級(jí)自重濕陷性；下部以第四系中更新統(tǒng)(Q2)黏質(zhì)黃土夾砂卵礫石層透鏡體、黏質(zhì)黃土為主，部分為砂質(zhì)黃土及砂層透鏡體，含多層古土壤層，棕紅、棕黃色，局部夾鈣質(zhì)結(jié)核層(姜石層)，厚10～150m，個(gè)別深溝底有基巖出露。

4)三門峽至省界 GB 50025—2018《濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)》[8]中有關(guān)三門峽地區(qū)的黃土描述為高階地黃土層厚度為80m，濕陷性黃土厚度為10～15m， 濕陷系數(shù)平均值為0.043，自重濕陷系數(shù)為0.005～0.042，地基濕陷等級(jí)一般為Ⅱ～Ⅲ，在缺乏實(shí)測(cè)資料時(shí)，計(jì)算自重濕陷量修正系數(shù)取0.90。鄭西高速鐵路在本段線路穿行于黃河高階地和黃土臺(tái)塬區(qū)，黃土連續(xù)大面積分布，厚度可達(dá)200m，濕陷性黃土厚度較大，10～25m不等，自重濕陷量達(dá)50～60cm，多具Ⅲ，Ⅳ級(jí)自重濕陷性，與《濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)》中的有關(guān)描述有較大差距。主要原因是在鄭西高速鐵路等重點(diǎn)線性工程修建前，《濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)》中有關(guān)河南西部黃土的研究和工程實(shí)踐資料主要收集和整理于建筑物集中的城鎮(zhèn)區(qū)，而對(duì)于該區(qū)的黃土臺(tái)塬、丘陵和高級(jí)地等地貌單元黃土的濕陷性還比較欠缺。因此，三門峽附近黃土高級(jí)地黃土有其特殊性，在工程建設(shè)中應(yīng)引起足夠重視，對(duì)甲類等重要工程建筑可通過現(xiàn)場(chǎng)試坑浸水試驗(yàn)評(píng)價(jià)濕陷性。

2 河南黃土濕陷性

2.1 黃土濕陷變形特征

鄭西高速鐵路沿線各工點(diǎn)黃土孔隙比和濕陷系數(shù)如圖1所示。由圖1可知，孔隙比為0.902～1.067，濕陷系數(shù)為0.025～0.042，各場(chǎng)地具有濕陷性黃土。

鄭西高速鐵路沿線各試驗(yàn)工點(diǎn)黃土自重濕陷系數(shù)如圖2所示。由圖2可知，鄭西高速鐵路沿線黃土自重濕陷系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為0.009～0.029，其中DK58+320試驗(yàn)場(chǎng)地與DK92+200試驗(yàn)場(chǎng)地分別為0.013，0.009，均<0.015，為非濕陷性黃土。DK246+500試驗(yàn)場(chǎng)地位于黃土塬區(qū)，自重濕陷系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值最大，為0.029；DK287+000，DK300+800，DK315+650，DK346+950，DK354+150試驗(yàn)場(chǎng)地均屬于河流階地區(qū)，由東向西自重濕陷系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值由0.017逐漸增大至0.028，均為濕陷性黃土。

圖2 鄭西高鐵沿線各試驗(yàn)工點(diǎn)黃土自重濕陷系數(shù)

濕陷變形為作用于地基上的荷載不變，僅由于地基浸水引起的附加變形。三門峽陜縣張灣鄉(xiāng)某試坑場(chǎng)地在浸水過程中的濕陷速率隨時(shí)間變化曲線和累計(jì)濕陷量隨時(shí)間變化曲線分別如圖3，4所示。

圖3 濕陷速率隨時(shí)間變化曲線

圖4 累積濕陷量隨時(shí)間變化曲線

從圖3，4可以看出：

1)在持續(xù)浸水條件下，黃土地基自重濕陷變形有逐步向下和逐步充分濕陷的過程，地基濕陷一般要經(jīng)歷穩(wěn)定不變→緩慢濕陷→快速濕陷→緩慢濕陷→濕陷穩(wěn)定階段。在該過程中，黃土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度逐步由弱化到破壞，引起黃土顆粒位移和密度提高，直至新的強(qiáng)度形成。黃土濕陷等級(jí)越高，該過程歷時(shí)越長(zhǎng)；停水后本已穩(wěn)定的下沉又加速直至穩(wěn)定，這是地基在停止浸水后伴隨著孔隙水壓力的消散而發(fā)生的地基固結(jié)變形。

2)試坑下面濕陷變形基本呈鍋底狀，最大值出現(xiàn)在中部，說明了邊界效應(yīng)的影響。黃土濕陷對(duì)工程的危害均屬于此情況，即均為局部浸水造成的濕陷，因此，邊界效應(yīng)對(duì)濕陷的影響有普遍意義。

2.2 黃土濕陷敏感性

黃土濕陷變形對(duì)建筑物危害主要取決于2個(gè)因素：濕陷量、濕陷敏感程度。有關(guān)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，濕陷類型和濕陷等級(jí)不能完全表達(dá)濕陷性黃土的全部工程性質(zhì)，對(duì)于自重濕陷性黃土，還應(yīng)研究濕陷敏感性。黃土場(chǎng)地濕陷敏感性為濕陷敏感程度的指標(biāo)，是自重濕陷性黃土的一個(gè)重要特性[9]。對(duì)于濕陷量(等級(jí))相同但敏感性不同的自重濕陷性黃土應(yīng)區(qū)別對(duì)待。

黃土濕陷敏感性由多方面因素決定，主要有黃土成因時(shí)代、自重濕陷性土層埋藏深度、自重濕陷量、土粒度、易溶鹽及黏粒含量、土滲透性等[10]。

沿線某浸水試驗(yàn)濕陷變形時(shí)域如圖5所示。由圖5可知，三門峽地區(qū)黃土在受水浸濕狀態(tài)下存在濕陷變形滯后性，自重濕陷變形較遲緩，完全浸水7d，濕陷變形百分比<20%；完全浸水8～9d，濕陷變形百分比為40%；完全浸水10～13d，濕陷變形百分比為60%；完全浸水14～26d，濕陷變形百分比為80%；完全浸水27～43d，濕陷變形百分比為90%；完全浸水44～47d，濕陷變形百分比為100%。因此，河南黃土濕陷敏感性整體較弱，但由東向西地基敏感性逐步增強(qiáng)。

圖5 三門峽黃土浸水濕陷時(shí)域

2.3 分區(qū)界限及自重濕陷量修正系數(shù)

3 濕陷性黃土地區(qū)高速鐵路工程對(duì)策

3.1 黃土勘察和評(píng)價(jià)

黃土工程性質(zhì)受所處地貌和成因影響較大，即使距離很近的2個(gè)黃土場(chǎng)地濕陷性也可能存在明顯差異，對(duì)濕陷性黃土的勘察應(yīng)綜合采用滿足規(guī)范要求的地質(zhì)調(diào)查、鉆探和取樣試驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行，同時(shí)每個(gè)地貌單元必須設(shè)置一定數(shù)量的探井，取原狀樣通過相關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)和驗(yàn)證。黃土基本物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 黃土基本物理力學(xué)指標(biāo)

3.2 地基處理措施

由于高速鐵路列車行車速度快，對(duì)線路平順性要求很高，高速鐵路工后沉降要求≤5mm[11]。濕陷性黃土工程性質(zhì)復(fù)雜，為滿足無碴軌道對(duì)工后沉降的嚴(yán)格要求，必須對(duì)地基進(jìn)行處理，以消除地基土的濕陷性，提高地基承載力，并最終控制路基總沉降[12-13]。對(duì)于自重濕陷性黃土場(chǎng)地高速鐵路而言，需將基礎(chǔ)底面以下全部濕陷性黃土層進(jìn)行處理。具體工程中應(yīng)綜合考慮地基處理方法的工程效果、適用性和經(jīng)濟(jì)性，選擇最優(yōu)的地基處理方案。

1)濕陷性黃土厚度<5m時(shí)，采用強(qiáng)夯法，并在地基表面設(shè)置0.5m厚二八灰土墊層(路塹地段需在墊層頂面鋪設(shè)1層二布一膜土工布)。

2)濕陷性黃土厚度為5～15m地段，采用灰土(或水泥土)擠密樁。處理后在樁體以上部位設(shè)置0.5m厚二八灰土墊層(路塹地段需在墊層頂面鋪設(shè)1層二布一膜土工布)。

3)當(dāng)濕陷性黃土層厚度為15～25m時(shí)，地基處理有難度，建議采用孔內(nèi)柱錘沖擴(kuò)樁。處理后在樁體上部設(shè)置0.5m厚二八灰土墊層。

4)濕陷性黃土厚度>25m且地基處理工程難度大、費(fèi)用高或路基工后沉降難以滿足鋪設(shè)無碴軌道要求時(shí)，可采用以橋代路或樁板結(jié)構(gòu)、樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)、樁筏結(jié)構(gòu)等新型路基。

3.3 黃土區(qū)隧道進(jìn)出口施工技術(shù)

1)新黃土承載力低，造成開挖過程中拱架下沉量過大，地面容易出現(xiàn)縱向開裂，產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)，嚴(yán)重的會(huì)造成冒頂。設(shè)法提高拱腳部位黃土的承載力成為關(guān)鍵，可采取直接加固拱腳下一定范圍內(nèi)的黃土、擴(kuò)大拱腳支撐面積或加設(shè)鎖腳錨桿的方法加以解決。

2)拱頂沉降易引發(fā)隧道上部一定范圍的黃土結(jié)構(gòu)破壞，強(qiáng)度降低[14]。為減少黃土結(jié)構(gòu)破壞，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，以盡量縮短可能產(chǎn)生變形的時(shí)間。及時(shí)支護(hù)包括開挖最前部榀架的及時(shí)支撐和一次襯砌的及時(shí)封閉成環(huán)。

3)對(duì)于隧道進(jìn)出口的新黃土地區(qū)，如地基黃土具有濕陷性或變形不能滿足沉降控制要求，則需采取有效方法進(jìn)行地基加固，如擠密樁、CFG樁等。但需注意：①加固過程中不能使用過量水或稀漿，以免產(chǎn)生附加沉降；②要采用可滿足空間狹小條件下可進(jìn)行施工的小型化機(jī)械；③施工中不能產(chǎn)生影響隧道整體安全的振動(dòng)。

4)黃土區(qū)隧道進(jìn)出口一般位于深大沖溝、臺(tái)塬、高階地自然斜坡處。這些斜坡高度往往很大，而且多發(fā)育黃土陷穴、塌落體、小型古滑坡等不良地質(zhì)體。施工前對(duì)隧道進(jìn)出口一定范圍應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，查明不良地質(zhì)體分布、規(guī)模、危害程度等，采取相應(yīng)措施。與此同時(shí)，隧道施工前，洞頂一定范圍應(yīng)做好防排水，以保障仰斜坡和隧道掘進(jìn)的安全。

3.4 樁基正負(fù)摩阻力中性點(diǎn)確定

對(duì)于設(shè)置在大厚度自重濕陷性黃土層內(nèi)的橋梁樁基，正負(fù)摩阻力中性點(diǎn)位置和摩阻力大小是影響設(shè)計(jì)參數(shù)的關(guān)鍵因素，為客觀判定負(fù)摩阻力中性點(diǎn)位置和摩阻力大小，應(yīng)對(duì)此類橋梁進(jìn)行專門的工點(diǎn)勘察，加強(qiáng)對(duì)濕陷性黃土的勘探工作。正負(fù)摩阻力中性點(diǎn)在樁受力過程中有一定變化，對(duì)中性點(diǎn)影響最為關(guān)鍵的是自重濕陷性黃土下限位置[15-16]。因此，自重濕陷性黃土下限對(duì)樁長(zhǎng)設(shè)計(jì)影響很大。建議在黃土區(qū)工程勘察中除了查清場(chǎng)地濕陷類型、地基濕陷等級(jí)等要素外，還要對(duì)濕陷土層下限深度做出客觀評(píng)價(jià)，以便確定經(jīng)濟(jì)、合理的設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)。

4 結(jié)語

1)河南境內(nèi)自上而下依次分布有全新統(tǒng)黃土、上更新統(tǒng)黃土和中更新統(tǒng)黃土，其中全新統(tǒng)黃土、上更新統(tǒng)黃土具有弱-中等濕陷性，黃土濕陷敏感性較弱，中更新統(tǒng)黃土一般不具有濕陷性。

3)河南西部黃河高階地濕陷性黃土層厚10～25m，自重濕陷量達(dá)50～60cm，多具Ⅲ，Ⅳ級(jí)自重濕陷性。這與《濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)》中的有關(guān)描述有較大差距，在工程建設(shè)中應(yīng)引起足夠重視。

4)在鐵路、公路等大型基礎(chǔ)設(shè)施選線、勘察、設(shè)計(jì)和施工過程中，應(yīng)重視對(duì)河南黃土濕陷性的分析和研究，在此基礎(chǔ)上因地制宜采取合理的處理措施。