兰州地铁东岗车辆段黄土力学特性分析研究

兰州地铁东岗车辆段黄土力学特性分析研究

魏周斌1向亮2

1.兰州市轨道交通有限公司甘肃兰州7300302.中铁第一勘察设计院集团有限公司陕西西安710043

摘要：本文通过对兰州地铁东岗车辆段处的黄土进行一系列的室内试验，得出了该场地黄土的基本物理力学参数，对于场地的基本地层以及湿陷性有更深的了解，得出液性指数随着土层深度的增加而增加；场地表层土体相对干燥松散，孔隙比大具有较大的压缩量，随着深度的增加，土体湿润密实，压缩量减小；土的抗剪强度随着垂直压力的增大而增大，随着深度的增加抗剪强度呈现出U字形分布。粘聚力c随着土层深度的增大而增大；内摩擦角φ随着深度的增加而略有减小；在黄土湿陷性试验中双线法先浸水比后浸水产生的变形量大，总体来说先进行压密会减小整体的变形，本文分析总结出兰州东岗片区黄土力学特性。

关键词：黄土；液塑性指数；压缩系数；湿陷性；

0引言

黄土在我国主要分布在西北、华北和东北一带，其中黄河中上游地区的黄土高原是世界上最大的黄土分布区，它的范围大致北起阴山，南至秦岭，西抵日月山，东到太行山，横跨青海、宁夏、甘肃、陕西、山西、河南5省1区，面积64万km2，约占我国陆地面积的6.6%。一般黄土覆盖厚度在100m以下[1~2]。我国陇东、陕北、晋西黄土层最厚，六盘山以东到吕梁山西侧黄土厚度在100～200m之间，兰州地区黄土分布的面积和厚度居世界之冠，平均达300m以上，并且3号线经过的碧桂园坐落在青白石片区，为平山造地后的黄土场地；4号线绕过大青山沿柳沟河经和平镇最终到达定远镇，沿线均分布有大量湿陷性黄土；5号线经过兰州北的黄土丘陵区，分布有大量湿陷性黄土，这些均直接影响到工程设计、施工及运营安全。

考虑兰州未来地铁规划，依托正建的地铁1号线建设工程，以1号线提出的“技术措施”为基础，兼顾未来兰州地铁建设同类型需要，针对湿陷性黄土开展系统研究，分析其基本物理力学性质和湿陷机理，建立地铁工程黄土湿陷性评价方法、地铁工程变形控制标准，提出经济合理、技术可行的处理措施及施工方法，为地基处理方案的优化设计提供依据和相关参数，对后续地铁工程结构设计和施工组织提供借鉴和指导。

1试验场地的岩土工程条件

我们将取样场地选在地铁特一号线东岗站西端，该地处在黄河Ⅱ级阶地上，场地内除了土层上部有建筑杂填土以外没有不良地质现象，场地位置见图1。地层构成主要为洪积—冲击黄土亚状黏土，总厚度12m左右，根据探井资料，该试验场地12m深度范围内，地层主要为Q4粉质黄土，12m以下均为砂卵石层，12m深度范围内由上往下地层情况见表1。

表1取样场地地层情况

2液塑性联合测定

本试验是通过液塑限联合测定仪来进行，通过试验得出的数据利用规范中的公式的出该地区黄土的塑性液性指数。图1为试验过程中下锥和称量。

图1圆锥下沉深度、称量

图2塑性液性指数随深度变化曲线

从图2中可以得出液性指数随着土层深度的增加波动较大，最大值出现在土层表面2m处，8m以后趋于稳定，均处在坚硬和硬塑状态，2m处的土处于软塑状态，是土质较为均匀的粉质黄土，从表1中的取样场地地层可知8m以后均为性质相似的土质均匀粉质黏土；塑性指数随土层深度的增加而增加，最大值在10和11m处，均为24.2，说明该场地深层黄土吸着的弱结合水质量与土粒质量比比浅层黄土的大。

3快速固结试验

本次快速固结试验规定试样在各级压力下的固结时间为一小时，仅在最后的一级压力下，除测记一小时的量表读数外，还应测读达压缩稳定时的量表读数。稳定标准为量表读数每小时变化不大于0.005mm。表2为试验测得的各层土的初始孔隙比，从表中可得土体的初始孔隙比随着土层深度的增加而减小，说明场地表层的黄土处于相对松散状态，土层越深土体越密实。

表2每米初始孔隙比

图3各级压力固结稳定后的孔隙比

通过快速固结试验我们得出不同压力状态下各层土体的孔隙比，随着试验压力荷载的增大，土体的孔隙比整体减小，而且呈现出相似的变化规律，通过不同压力下的孔隙比变化根据式（1）（2）可以的到每层土的自重压缩系数和压缩模量。

某一压力范围内的压缩系数应按下式计算：(1)

式中pi—某一压力值；

ei—某一压力值下的孔隙比；

某一压力范围内的压缩模量应按下式计算：

(2)

式中Es—某压力范围内的压缩模量，kPa；

图4不同深度下的自重压缩系数和侧限压缩模量

图5不同深度下的密度含水率

从图4可知，各个土层的压缩系数波动较大，但是数值却很小，因此该场地土体的压缩性很小，最大压缩系数为0.00122kPa-1，最小压缩系数为0.0013kPa-1，按照规范中土的压缩性规定，该场地的土压缩系数均大于0.1Mpa-1因此该场地的黄土属于中等压缩性土和高压缩性土，土质较为疏松。侧限压缩模量9m和12m的较大，随着上部自重土体压力的增大，其自重压缩模量也相应的增大，深部土体很密实，这与压缩系数得到的结论一致。由图5可知密度和含水量都随着土体深度的增加而增加，增加趋势和幅度很相似，土体中含水量越大则土体的密度越大。

4室内直剪试验

直接剪切实验是测定土的抗剪强度的一种常用方法，通常采用四个试样，分别在不同的垂直压力下，施加水平剪切力进行剪切，测出破坏时剪应力，然后根据库仑定律确定土的抗剪强度指标：内摩擦角φ和粘聚力c。本此试验所用仪器为应变控制式直剪仪。

图6不同压力下的抗剪强度

图7不同深度下的c、φ值变化

由图6和图7可以看出每个深度土的抗剪强度随着垂直压力的增大而增大，但是随着深度的增加抗剪强度呈现出U字形，4m~11m间的抗剪强度相对较小，抗剪强度最大值在2m和12m处，因为含水率以及土层的构成不同，其中2m、3m、12m的抗剪强度比较大；粘聚力c随着土层厚度的增大粘聚力也有增大的趋势，最大值在11m处，最小值在2m处；内摩擦角φ随着深度的增加有减小的趋势，最大的是6m的32.22°，最小的是9m的25°。

5湿陷性试验

湿陷性是黄土的一种重要的性质，在固结压缩试验的基础上，继续按照单线法和双线法的试验规程进行湿陷性试验，每个试样每隔30min读百分表读数一次，直到试样的变形趋于稳定，即试样每小时的变形量小于0.01mm，然后再施加下一级荷载，分别逐级加载至50kPa、100kPa、150kPa、200kPa、300kPa、400kPa时加水，稳定后，读出百分表的变化值，最后根据公式3计算相应的湿陷系数。

湿陷系数应按下式计算：

（3）

式中δs—湿陷系数；

h1—在某一级压力下，试样变形稳定后的高度（mm）；

h2—在某一级压力下，试样浸水湿陷变形稳定后的高度（mm）

表3室内试验湿陷系数

在进行湿陷性试验时，湿陷性黄土在垂直荷载及水的作用下，通常有三种变形：压缩变形、湿陷变形、结构重组固结变形。压缩变形即使黄土在垂直荷载作用下，没有受到外部水的作用而产生的垂直变形；湿陷变形是湿陷性黄土在垂直荷载和浸水共同作用下，由于土体结构的破坏而产生的垂直变形；结构重组固结变形是在压缩和湿陷变形之后土体进行颗粒重组而产生的变形。表3是室内通过湿陷性试验得到的各层土在不同深度下的湿陷系数，试验用两种方法即单线法和双线法，单线法是测定黄土湿陷性的直接方法，其受力状态和湿陷过程较符合地基的基本情况，但是其需要试样较多，取样有离散型和差异性，因此结果相对也有差异。从表3中单线法可知，同一层土样随着垂直荷载的增加黄土的湿陷系数也增大，随土样深度的增加，黄土的湿陷系数在减小，2m深度的湿陷系数最大，说明上部土体具有较大的湿陷性，7m以下黄土的湿陷系数均小于0.015。双线法是相对比较方便简便的试验，只需要两个环刀试样，密度差较易控制，方法简便，工作量小。从表3中的双线法试验得到的数据可知先浸水和后浸水两种方法具有一定的差异性，先浸水的到的湿陷系数较大；先浸水是在第一级荷载加上以后就进行了加水，压缩变形和湿陷变形同时在进行，后浸水是在最后一级荷载稳定以后加入的水，因此先进行的压缩变形后进行的湿陷变形，从实试验结果可知，两种变形同时进行的总变形量要大于两种变形分开进行的总变形量。

图8现场浸水试验

为了验证室内试验的准确性，我们在现场做了室外大型浸水试验，现场浸水试验见图8，通过浸水试验深浅标点的沉降变化，计算出现场不同深度土层的自重湿陷系数，然后与室内试验得到的自重湿陷系数进行了比较分析，从图9中可以看出室内试验和现场浸水试验的结果相似，2m到8m处基本一致，8m以后室内试验要小于现场试验，两者相差0.0034~0.0071，因此试验结果还是可以较好的反映出场地实际的湿陷性。

图9自重湿陷系数随深度变化

6结论

（1）在湿陷性黄土的液塑限试验中，得出该场地黄土的液性指数在-0.92~0.42之间，塑性指数在8.5~24.2之间，其中液性指数随着土层深度的增加而增加；

（2）在快速固结试验中，得出表层土体相对干燥松散，孔隙比大具有较大的压缩量，侧限压缩模量则在1000kPa~4545kPa之间，随着深度的增加，土体湿润密实，压缩量减小，最大侧限压缩模量则达到了20000kPa，压缩系数α1-2值在0.13~1.22MPa-1之间，因此该场地的黄土属于高等压缩性土和中等压缩性土，该场地属于城市多次扰动黄土，与天然黄土具有一定的差别，因此相对更符合城市轨道交通对于土体的研究。

（3）土的抗剪强度随着垂直压力的增大而增大，随着深度的增加抗剪强度呈现出U字形分布，4m~11m间的抗剪强度相对较小，2m、3m、12m的抗剪强度比较大。粘聚力c随着土层深度的增大而增大。

（4）在黄土湿陷性试验中双线法先浸水比后浸水产生的变形量大，原因是先浸水是湿陷变形跟压缩变形同时发生，而后浸水中，先发生的是压密变形，后发生湿陷变形，总体来说先进行压密会减小整体的变形，减小率大概为1%，也就是1mm左右。现场浸水试验与室内试验得出的自重湿陷系数相似，场地5m以上的土属于自重湿陷性黄土。

参考文献(References)

[1]张争.塬区黄土湿陷分布特征及对湿陷变形的影响[D].西安建筑科技大学,2016.

[2]张丽萍,邹艳琴,王亚利.压实黄土性状的室内试验研究[J].民营科技,2010,(07):12-13.

[3]邵生俊,杨春鸣,马秀婷,陆斯.黄土的独立物性指标及其与湿陷性参数的相关性分析[J].岩土力学,2013,(S2):27-34.

[4]郑建国,邓国华,刘争宏,陈冉升,范寒光,李开超.黄土湿陷性分布不连续对湿陷变形的影响研究[J].岩土工程学报,2015,(01):165-170.

[5]邢姣秀.影响黄土湿陷性因素分析研究[D].长安大学,2004.

[6]陈阳.黄土湿陷性影响因素试验研究[D].长安大学,2015