西安地区饱和软黄土工程地质特征研究
Jou rnal of
Engineering Geology 工程地质学报 1004-9665/2006/14(02)20196204
西安地区饱和软黄土工程地质特征研究
3
于国新
①②
白明洲① 许兆义
①
(①北京交通大学土木建筑工程学院北京100044)
(②铁道第一勘察设计院西安分院
西安
710043)
摘 要 饱和软黄土是黄土地区一种特殊性岩土。结合西安城区和北环铁路工程勘察的结果,分析了西安地区饱和软黄土的分布规律及其物理力学性质,讨论了饱和软黄土分布上的差异,从地质环境角度探讨了北环铁路饱和软黄土分布的成因,提出了上层滞水含水层也存在饱和软黄土的观点。关键词 饱和软黄土 地质环境 上层滞水中图分类号:P642.13+1 文献标识码:A
ENG I NEER I NG CHARACTER I ST I CS O F SATURATED S O FT LO ESS I N X I ′AN REG I O N
Y U Guoxin
①②
BA IM ingzhou ① XU Zhaoyi
①
(①School of C ivil Engineering &A rchitecture,B eijing J iaotong U niversity,B eijing 100044)
(②First Survey and D esign Institute of Rail w ay,X i ′an
710043)
Abstract Saturated s oft l oess is a s pecial s oil in the l oess area,Xi ′an,China .This paper p resents the surveying results ofthe saturated s oft l oess at the urban area and the northern rail w ay area in Xi ′an .The paper further p resents and analyzes the s patial distributi on and the physical p r operties of saturated s oft l oess .The differences bet w een the s patial distributi ons of the t w o areas are discussed .The causes of f or m ing the saturated s oft l oess in the t w o areas are exa m ined .A hypothesis that there is saturated s oft l oess in the upper perched water z one is suggested .Key words Saturated s oft l oess,Geol ogic envir on ment,Upper perched water z one
1引 言
饱和软黄土是西安城区及周边地区分布较广泛的一种特殊性岩土(图1),其分布主要与沟谷地形
有着密切的关系[1]
。由于长期处于饱和状态,多呈软塑和流塑,承载力低,压缩性较高,成为软弱地基,出现地基不均匀沉降和建筑物破坏等问题(图2)。
由于其特殊的物理力学性质,已经引起工程地质工
作者的重视
[2]
,在地基评价时常把饱和软黄土作为
一种软弱地基处理。作者在进行西安铁路枢纽北环
线工程地质勘察时发现,饱和软黄土不仅分布在西安城区,在北环铁路沿线也有分布,并具有一定的规律性。本文从饱和软黄土空间分布及其物理力学性质特点分析其特殊性,并对其成因进行了探讨。
3收稿日期:2005-11-11;收到修改稿日期:2006-01-04.
基金项目:北京交通大学科研基金(2003S M020);铁道部科技开发计划项目(2005Z005).
第一作者简介:于国新(1964-),男,在读研究生,主要从事工程地质勘察技术研究工作.Email:mzhbai@https://www.wendangku.net/doc/5f10538554.html,
图1
饱和软黄土地表分布特征
Fig .
1
Gr ound distributi on characteristics
of saturated s oft l oess
图2
饱和软黄土地基不均匀变形导致房屋开裂
Fig .2
Cracking in buildings due t o differential settle ment
and def or mati on of saturated s oft l oess foundati on
2饱和软黄土空间分布特点
根据大量的勘察资料,西安城区饱和软黄土主要分布于黄土梁洼地貌单元上,尤其是洼地分布更为广泛。这里地下水埋深浅,一般为5～10m ,饱和软黄土埋深大部分为2～6m ,均为地下水毛细上升高度以下,分布厚度与地下水位线深度有关,一般为4～7m ,局部大于8m 。 西安北环铁路茂陵车站位于渭河二级阶地上,该工程场地地下水位埋深为13～18m ,饱和软黄土分布在3～13m 深度内。除此之外,个别地方饱和软黄土呈现多层状,即从上而下,饱和软黄土至少分布有两层,如西安北环铁路西河村和姜村立交桥附近,很多钻孔及静力触探都揭示出饱和软黄土有2～3层,各层厚度及深度每孔都不一样。与西安城区不同的是,北环铁路经过的饱和软黄土多分布于渭河二级阶地,三级阶地局部也有分布,涉及的地层为全新世黄土状土和晚更新世黄土。表面上看它的分布与地下水位埋深似乎关系并不紧密,如西河村至柳树村之间,渭河二级阶地上覆全新世的洪积黄土状土及砂砾石,地下水位埋深均在20m 以下,但
饱和软黄土却分布在1～15m 深度范围内(图3)。
由此看出,西安城区与北环铁路饱和软黄土的分布在纵向上最大不同是西安城区的饱和软黄土大部分在地下水位线以下,而北环铁路的饱和软黄土却分布在地下水位线以上。
图3
西河村附近饱和软黄土分布图
Fig .3
D istributi on map of saturated s oft l oess
nearbyW est R iver V illage,Xi ′an
3物理力学特征
黄土长期处于饱和状态是饱和软黄土存在的先
决条件,即饱和度大于80%,但饱和状的黄土并不一定是软黄土。一般地,饱和软黄土多为软塑和流塑状态,孔隙比大于0.8,天然含水量与液限非常接近,如黄土梁洼区饱和软黄土天然含水量平均值为31.46,液限平均值为31.29;渭河二级阶地饱和软黄土天然含水量为30.86,液限平均值为30.44。从表1不难发现,它们之间区别较小。
力学性质同样也有自己的特点。压缩系数普遍大于0.4MPa -1
,为中偏高压缩和高压缩;比贯入阻力小于1MPa;反映土强度的力学指标三轴试验的c 和φ普遍较低,
三轴试验的强度包络线接近水平状(图4),一般c <20kPa,φ<10°,c 和φ值的偏低也是造成土的力学性质变差的根本原因。
图4
饱和软黄土三轴试验
Fig .4
Triaxial test for saturated s oft l oess
7
9114(2) 于国新等:西安地区饱和软黄土工程地质特征研究
表1
各个地貌单元饱和软黄土物理力学指标的平均值
Table 1
Average values of the physical p r operties of saturated
s oft l oess in each geography unit
地 貌
渭河二级阶地
皂河二级阶地
渭河三级阶地
皂河三级阶地
梁洼区
含水量ω/(%)30.8630.1832.1030.2931.46天然重度γ/kN ?m -318.3718.6218.2518.4318.43干重度γd /kN ?m -314.1214.2813.8014.2514.03饱和度S /(%)90.491.190.091.391.3孔隙比e 0.9270.8930.9700.9190.936液限ωL /(%)30.4430.5230.7030.4731.29塑限ωP /(%)17.4618.2317.2018.1718.35塑性指数I P 12.2712.3013.0512.2812.82液性指数I L
1.0270.970 1.0350.990 1.012压缩系数α1-2/MPa -10.410.410.460.510.51压缩模量E 1-2/MPa 5.18 4.98
5.00
4.87
4.47三轴(UU )C /kPa 2
5.7020.08三轴(UU )φ/kPa 9.110.4压缩指数C e 0.3070.287回弹指数C s 0.0090.014超固结比OCR
1.527
2.167
4成因分析
饱和软黄土的形成显然与地下水的存在密切相
关,但北环铁路饱和软黄土分布特征却与西安城区有较大差异,即北环铁路的饱和软黄土不仅分布在地下水位线以下,而且在地下水位以上也有大量的分布,如茂陵车站、西河村、姜村立交桥附近,这里地下水大部分赋存于黄土下冲积砂层中,而饱和软黄土却分布在其上的黄土中。
首先是水文地质环境,北环铁路存在饱和软黄土的两个段落,均与地表水密切有关。东部西河村与柳树村段有两条小溪,常年水流不断;西端的茂陵车站附近虽没有天然的河流,但灌溉渠和防洪渠较多,且经常有水。这些都为黄土的饱和提供了补给水源。
其次是地层结构。这两个段落均位于渭河二级阶地上,地层具典型的二元结构(图5),上部为晚更新世风积黄土,下部为冲积层,但西河村至柳树村之间二级阶地还上覆着全新世洪积黄土状土夹砂和圆砾层,其中的砂和圆砾层呈陇状分布,土体较疏松,孔隙发育,利于地表水下渗。晚更新世风积黄土下部有一层古土壤,古土壤深埋地下后,由于受到上覆
地层的压力,结构发生较大变化,土壤中的裂隙、土粒的团粒结构等变得不明显。由于地下水的作用使原来不含碳酸钙的层也会沿裂隙形成钙丝和钙斑[3]
,进一步发展就可形成大量的姜石,从而造成古土壤垂直渗透系数比上部黄土要低的多。图6是
根据许兆义[4,5]
测试结果绘制的黄土垂直渗透系数随深度变化的曲线,16～22m 之间为古土壤层,可见垂直渗透系数随深度逐渐变小,在古土壤层处达到极小
。
图5
渭河二级阶地地层结构图
Fig .5
Stratu m structural chart of the second terrace
on W ei R iver
1.粉质粘土;
2.粘质黄土;
3.砂层;
4.圆砾土
上述北环铁路两段的风积黄土下部均分布有古土壤层,其中也含有较多的姜石,有些已呈层分布。
891Journal of Engineering Geology 工程地质学报 2006
图6
土的渗透系数随深度的变化
Fig .6
Variati on of s oil per meability coefficient with dep th
老河中桥上两个钻孔测得的黄土渗透系数为4×10-5,古土壤渗透系数为2.23×10-6,由此可见,黄土和古土壤的渗透系数差一个数量级,由于渗透系数的差异,古土壤就拦截了大气降水和地表水向下补给,在其上部形成了一个上层滞水层,它的长期存在就使黄土长期处于饱和状态,引起黄土性质的变化,形成饱和软黄土(图7)
。
图7
饱和软黄土形成模式图
Fig .7
Sketch diagra m illustrating of the model for the for mati on of saturated s oft l oess
1.黄土;
2.古土壤;
3.粉质粘土;
4.砂;
5.上层滞水带;
6.上层滞水面;
7.地下水位线;
8.地下水渗流方向
5结 论
饱和软黄土是黄土地区特有的一种特殊性岩
土,它的分布和物理力学性质与非饱和软黄土相比都有很大的不同。它往往分布在地表以下,所以它的存在对工程影响很大。但凭水位的高低有时会忽
略掉上层滞水中饱和软黄土的存在。因此结合地
貌、水文和地层结构特点,研究饱和软黄土分布规律是必要的。
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