柳樹林

(寧夏公路勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750001)

1 研究區(qū)地形、地貌、地層

研究路線所在區(qū)域處于黃土高原中部六盤山麓北部，大部分被黃土覆蓋，黃土丘陵廣布，地勢(shì)由南西向北東方向傾斜，海拔高程1600～1800m。黃土丘陵外表光禿，殘塬、梁、峁間溝壑發(fā)育，切割深度多在數(shù)米至數(shù)十米;山大溝深，地形呈波狀起伏。路線走廊帶起點(diǎn)為清水河西側(cè)的山前洪積臺(tái)地，終點(diǎn)為海原老城區(qū)，呈南東至北西向布設(shè)。地貌類型具有山間洼地的黃土丘陵地貌與流水地貌兩大類別，其特征分述如下。

1.1 黃土地貌

該地貌類型是線路走廊區(qū)分布最廣的地貌單元，按其形態(tài)、特征可進(jìn)一步分為3種類型。

1.1.1 黃土梁峁地貌

包括馬營河以東，財(cái)溝以南，李俊以北的廣大地區(qū)。絕對(duì)高程1600～1800米，相對(duì)高差50～180米。溝谷呈樹枝狀分布，溝壑發(fā)育，地形支離破碎。峁頂呈渾圓狀，且多連在一起呈串珠狀，和梁相間分布，以峁居多。上部為黃土，下部為第三紀(jì)磚紅色砂巖、泥質(zhì)巖等。

1.1.2 黃土殘塬地貌

包括西安州洼地以東到財(cái)溝以北地區(qū)的梁狀殘塬，如脫烈塬、謝家塬、武家塬等。呈淺切割的寬頂、緩坡梁狀殘塬。絕對(duì)標(biāo)高1800～1900m，塬面較開闊平坦，但略有波狀起伏。邊緣沖溝較發(fā)育，呈樹枝狀。巖性:上部為黃土，下伏為砂礫石層。

1.1.3 黃土埫地地貌

主要指賈埫鄉(xiāng)的前埫和后坰兩個(gè)洼地。為第三紀(jì)時(shí)的古坳谷，后期被第四系充填淤平，現(xiàn)代地貌仍為洼地。呈長條形，地勢(shì)平緩，海拔高程1700～1760m，四周向中間傾斜，坡度10°～15°。第四系厚度110～150m，上部為次生黃土，下伏為第三紀(jì)紅層。

1.2 流水地貌

該地貌類型分布于路段起點(diǎn)清水河一帶的大的溝谷及局部洼地。

1.2.1 清水河河谷沖積平原

由南至北貫穿工作區(qū)東部，呈一狹長條帶狀展布。構(gòu)成清水河一、二級(jí)階地。海拔高程為1330～1400m，地勢(shì)開闊，地形平坦，向河床傾斜3°～5°。

1.2.2 山前帶狀洪積地貌

主要分布于清水河河谷平原西側(cè)，沿山走向的一狹長地帶。構(gòu)成三、四級(jí)階地，高差20～30m，地勢(shì)向北東向傾斜，坡度5°～8°，海拔標(biāo)高1400～1500m。表層為馬蘭黃土，下部為砂礫石層。

1.2.3 溝谷川臺(tái)地地貌

主要分布在園河、麻春河、馬營河、莧麻河等地。均發(fā)育由沖、洪積作用堆積的黃土狀粘砂土和砂礫石層黃土被侵蝕而形成的二、三級(jí)階地，一級(jí)階地分布零星且面積小，高出河床1～2m;二、三級(jí)階地寬約200～600m，二級(jí)階地高出河床8～10m，三級(jí)階地高出河床12～16m，后被現(xiàn)代沖溝侵蝕切割成不連續(xù)的條、塊狀，寬度不等，地形較平坦，海拔標(biāo)高大致1550～1600m。巖性上部為黃土或黃土狀土，下部為砂礫石層。

研究區(qū)沿線出露的地層主要有:(1)第三系中上新統(tǒng)甘肅群(Ngn):桔黃色、棕黃色砂質(zhì)泥巖夾粉砂巖、薄層細(xì)砂巖與石膏層;(2)第四系中更新統(tǒng)(Q2):灰黃色致密堅(jiān)硬的黃土，含有假礓結(jié)核和灰黑色的錳斑。顆粒細(xì)小，以粉土為主，并有0.5～1.0m厚的古土壤層;(3)第四系上更新統(tǒng)馬蘭黃土(Q32eol):廣泛遍布于研究區(qū)內(nèi)，構(gòu)成黃土丘陵、山前黃土臺(tái)塬(相當(dāng)于四級(jí)階地)及三級(jí)階地和部分二級(jí)階地;淺土黃色，粉土質(zhì)，垂直節(jié)理裂隙發(fā)育，疏松、無層理，常形成陡壁，孔隙度在50%以上，大部分地區(qū)的黃土干容重小于1.45g/cm2，多為濕陷性黃土，厚度一般 20～50m;(4)全新統(tǒng)沖積層(Q41al):主要分布在賈埫等洼地、清水河西岸及較大溝谷的部分二級(jí)階地上。巖性為黃土狀粘砂土、砂粘土、砂、砂礫石等，層理清晰，厚度由數(shù)米至數(shù)十米;(5)全新統(tǒng)洪積層(Q41pl):分布在路線經(jīng)過的各個(gè)大溝谷底部，巖性為砂礫石、卵石、碎石層夾粘砂土，巖性變化較大;夾層多為不規(guī)則狀，并發(fā)生分叉和急速尖滅現(xiàn)象，有不規(guī)則的斜交層理。

2 沿線黃土的分布情況

沿線黃土廣泛遍布于工作區(qū)內(nèi)，主要構(gòu)成3個(gè)大的工程地質(zhì)分區(qū)。

2.1 黃土丘陵工程地質(zhì)區(qū)

主要分布于海原新區(qū)、鄭旗、趙家山一帶，多為濕陷性黃土，厚度一般20～60m。

2.2 河谷平原、溝谷川臺(tái)地工程地質(zhì)區(qū)

主要分布于線路起點(diǎn)段的黑城、莧麻河至鄭旗段，海原縣城一帶，上部為黃土或黃土狀土，厚度一般5～20m，下部為砂礫石層。

2.3 山間洼地工程地質(zhì)區(qū)

主要分布在賈埫、海原老城區(qū)一帶，主要為新黃土，具層理，顯示水成沉積特征，很可能是馬蘭黃土的同期異相沉積、或?yàn)榇紊S土，多為濕陷性黃土。

3 沿線黃土的顆粒粒度分析

黃土的顆粒組成以粉粒為主，其含量可達(dá)50%以上。黃土中的黏粒、細(xì)粉粒和腐殖質(zhì)膠體，大部分被膠結(jié)成集?；蚋皆谏傲＜按址哿５谋砻婊蚓奂诖箢w粒間的接觸點(diǎn)處。黃土中的粉粒和黏粒共同構(gòu)成了支承結(jié)構(gòu)的骨架，較大的砂粒“浸”在結(jié)構(gòu)中。由于其排列比較疏松，接觸連接點(diǎn)少，構(gòu)成了一定數(shù)量的架空孔隙，而在接觸連接處沒有或只有少量的膠結(jié)物質(zhì)。常見的膠結(jié)物質(zhì)有聚集在連接點(diǎn)處的粘粒、易溶鹽及沉積在該處的 CaCO3、MgCO3等。

對(duì)沿線黃土的顆粒進(jìn)行了試驗(yàn)分析，樣本數(shù)為450個(gè)，其中粉粒含量在50%以下的占6.3%，粉粒含量在50% ～60%之間的占10.7%，粉粒含量在60% ～70%之間的占11.6%，粉粒含量在70%以上的占71.4%，可見該段的黃土顆粒組成主要以粉粒為主。顆粒組成的分布范圍見表1。

表1 沿線黃土顆粒組成范圍Table 1 Compositions of the loess along the Heicheng-Haiyuan Expressway

4 研究區(qū)黃土的物理性質(zhì)

黃土的物理性質(zhì)包括天然含水量、天然容重、土粒比重、顆粒組成、稠度等以及根據(jù)天然含水量、天然容重、土粒比重三者計(jì)算而得的孔隙比、孔隙率和飽和度等。根據(jù)黃土的物理性質(zhì)可以判斷黃土的力學(xué)性質(zhì)。

通過對(duì)沿線605個(gè)試樣的試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)，其物理性質(zhì)指標(biāo)如表2。

黃土的容重大小，決定于它的礦物成分、結(jié)構(gòu)性質(zhì)、濕度大小及顆粒成分。容重的大小也與黃土的成因有一定的關(guān)系，風(fēng)成黃土的容重較小，水成黃土的容重大。

土粒比重的大小主要決定于黃土中礦物成分和和腐植含量的高低，含重礦物較多的黃土比重較大，含輕礦物和腐植質(zhì)多的黃土比重較小。土粒比重的大小和地貌部位及成因有關(guān)，一般平原及高原黃土的比重變化范圍小，說明他們所含礦物成分變化不大，而山區(qū)及山前區(qū)的黃土比重變化范圍大，說明其礦物成分不穩(wěn)定。土粒比重與黃土的濕陷無關(guān)。

表2 沿線黃土物理性質(zhì)Table 2 Physical properties of the loess along the Heicheng-Haiyuan Expressway

黃土的天然含水量隨地區(qū)的不同變化很大，潮濕地區(qū)黃土的天然含水量高，干旱地區(qū)黃土的天然含水量低。天然含水量也與黃土的成因有關(guān)，風(fēng)成者低，水成者高。天然含水量對(duì)黃土性質(zhì)的影響較大，天然含水量低者濕陷性強(qiáng)，天然含水量高者濕陷性弱或不濕陷，但非濕陷性黃土也有天然含水量很低的。

天然孔隙比、孔隙率及飽和度則是根據(jù)土粒比重、土的濕容重、天然含水量計(jì)算得出的，它們是影響黃土濕陷性的主要指標(biāo)，當(dāng)其它條件相同時(shí)，黃土的天然孔隙比越大，則濕陷性越強(qiáng)。

5 研究區(qū)黃土的易溶鹽試驗(yàn)分析

黃土的含鹽狀況很復(fù)雜，有關(guān)研究資料表明，同黃土的濕陷性密切相關(guān)的水溶鹽主要有3種:

難溶鹽:方解石(CaCO3)、菱鎂礦(MgCO3)、白云石(CaCO3、MgCO3)等

中溶鹽:石膏(CaSO4·2H2O)、硬石膏(CaSO4)等

易溶鹽:蘇打(Na2CO3)、芒硝(Na2SO4)、巖鹽(NaCl)、鉀(KCl)等

這些水溶鹽成分在黃土中幾乎都有不同程度的存在，對(duì)黃土濕陷性有正反兩方面的影響。如碳酸鈣以膠結(jié)物形式出現(xiàn)時(shí)，對(duì)濕陷性有一定的抑制作用，但一旦以其為膠結(jié)物的骨架被破壞，卻又導(dǎo)致了濕陷的發(fā)生;中溶鹽如石膏由于其結(jié)晶體的特殊作用，對(duì)濕陷和顆粒結(jié)構(gòu)的破壞都起加速或促進(jìn)作用;而易溶鹽含量愈高，濕陷性一般也愈大。

對(duì)沿線具有代表性的黃土進(jìn)行易溶鹽試驗(yàn)分析的結(jié)果如表3。

表3中各種離子含量的單位為:mmol/100g;總含鹽量的單位為:mg/100g。

從表3中可以看出，在K31+572之前Ca2+、SO4-含量較高;在K31+572之后則是 Ca2+、含量較高，說明沿線黃土中易溶鹽的種類較多，因此黃土的濕陷性變化也較大。

表3 沿線黃土易溶鹽試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Experimental results of the soluble salts from the loess along the Heicheng-Haiyuan Expressway

6 研究區(qū)黃土的壓縮性

當(dāng)黃土在外力作用下，其體積產(chǎn)生變形而逐漸縮小的性質(zhì)為黃土的壓縮性。黃土為三相(固相、液相、氣相)土，研究資料表明，由于固相、液相、氣相黃土在受壓力作用時(shí)，本身的壓縮量很小，故可忽略不計(jì)，因此黃土的變形和壓縮，主要決定于土體受力后，孔隙變化的程度。就飽和黃土來說，孔隙的改變，必然引起水分的排除，故滲透系數(shù)的大小將引起黃土的壓縮性質(zhì)的的變化。對(duì)于干土和三相土來說，孔隙的改變將與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及濕度有密切的關(guān)系。對(duì)沿線605個(gè)原狀非飽和黃土及原狀飽和黃土的壓縮試驗(yàn)結(jié)果見表4。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，研究區(qū)黃土在飽水狀態(tài)下的壓縮性相對(duì)于非飽水狀態(tài)下要小，說明黃土的壓縮變形主要是黃土的孔隙變化引起的。

表4 沿線黃土壓縮性試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Experimental results of the compressibility of the loess along the Heicheng-Haiyuan Expressway

有關(guān)研究資料表明，黃土的壓縮性與含水量的關(guān)系較大。在低于最佳含水量時(shí)，壓縮性(采用孔隙比為指標(biāo))隨含水量的變化不大，但當(dāng)含水量超過最佳含水量時(shí)，土體隨含水量的增加，其壓縮性顯著減小。這是因?yàn)楹吭黾樱林惺Ｓ嗫紫侗凰畛涞牧烤驮黾?，而水是不可壓縮的，故其壓縮性減小。當(dāng)然，當(dāng)含水量過大時(shí)，過多的自由水破壞了壓實(shí)黃土原有的結(jié)構(gòu)而變得松散。

7 研究區(qū)黃土的抗剪強(qiáng)度

抗剪強(qiáng)度是黃土抵抗剪切破壞的能力，在數(shù)值上等于黃土受剪破壞時(shí)的極限剪應(yīng)力。黃土的抗剪強(qiáng)度是由顆粒表面摩擦力和結(jié)核阻力組成，它與黃土的物理狀態(tài)(密度和濕度)及結(jié)構(gòu)性質(zhì)有關(guān)。因此抗壓強(qiáng)度大、天然含水量高、密度大的黃土，其抗剪強(qiáng)度也大。黃土的抗剪強(qiáng)度一般以凝聚力和內(nèi)摩擦角表示。對(duì)于黑城至海原高速公路沿線的605個(gè)原狀黃土進(jìn)行剪切試驗(yàn)的結(jié)果見表5。內(nèi)摩擦角 φ(°)

表5 沿線黃土剪切試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Experimental results of the shear strength of the loess along the Heicheng-Haiyuan Expressway

從表5中可以看出，沿線黃土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化范圍較大，說明沿線黃土的黃土的物理狀態(tài)(密度和濕度)及結(jié)構(gòu)性質(zhì)變化是比較大的。

8 研究區(qū)黃土的濕陷性

黃土的濕陷性是指黃土在自重壓力或土的附加壓力和自重壓力共同作用下受水浸濕時(shí)將產(chǎn)生較大的濕陷變形的特性;受水浸濕后在土自重壓力下發(fā)生濕陷的，稱為自重濕陷性黃土;受水浸濕后在土自重壓力下不發(fā)生濕陷的，稱為非自重濕陷性黃土。

8.1 黃土濕陷的特征

(1)隱蔽性

黃土濕陷前，往往不易發(fā)現(xiàn)和預(yù)防，具有很大的隱蔽性。黃土濕陷有時(shí)從路基底穿過，時(shí)隱時(shí)現(xiàn)，變幻莫測，很難被發(fā)覺，易產(chǎn)生坑洞和陷穴，引起路基或邊坡破壞，危害性很大。

(2)時(shí)效性

黃土濕陷同水的關(guān)系密切，多發(fā)生在七、八、九月的多雨季節(jié)。大暴雨是導(dǎo)致黃土濕陷的主要原因，且發(fā)展迅速，來勢(shì)兇猛，易使黃土層或路基形成溝穴或坑洞，甚至引起道路的淘空，危及安全。

(3)易發(fā)性

只要有水的作用，一般都易引起黃土濕陷。由于黃土垂直節(jié)理發(fā)育，且植被少，土質(zhì)疏松，易引起大量的水土流失。在黃土陡坡的變坡處，臺(tái)階型邊坡的內(nèi)緣均易發(fā)生濕陷，如路線陡坡或彎道內(nèi)側(cè)的合成坡度較大處，也是易發(fā)區(qū)。另外，如果路基填土壓實(shí)不夠，排水不當(dāng)或不暢，都會(huì)導(dǎo)致路基的濕陷。

(4)重現(xiàn)性

黃土濕陷處治十分困難，有的地方剛處治不久，可能因源頭找得不準(zhǔn)，或措施采取不當(dāng)?shù)龋瑯O有可能又發(fā)生濕陷，出現(xiàn)“常治不愈”的狀況。

8.2 影響黃土濕陷的因素

黃土濕陷的原因很復(fù)雜，其濕陷過程是一個(gè)物理化學(xué)過程。濕陷的發(fā)生是黃土內(nèi)部固有的特殊結(jié)構(gòu)組成特性和外界適當(dāng)?shù)沫h(huán)境條件共同作用的結(jié)果。所以影響黃土濕陷性的因素，也就包括內(nèi)因和外因兩個(gè)方面。

濕陷的內(nèi)因主要有:

(1)顆粒組成和級(jí)配特征，粉粒含量一般大于5%，且細(xì)粒含量占很大比例;

(2)大的孔隙比，一般都等于或大于1;

(3)特殊的組織結(jié)構(gòu)特征。黃土是一種粉粒點(diǎn)式接觸大孔性結(jié)構(gòu)和粉粒疊蓋式多孔性結(jié)構(gòu);

(4)特殊的化學(xué)成分——含有一定比例的水溶鹽;

(5)CaCO3有時(shí)以薄膜膠結(jié)物狀態(tài)存在;

(6)含有20%以下粘土顆粒，以伊利石為主，有時(shí)還含有少量蒙脫石;

(7)顆粒間存在加固凝聚力，遇水后會(huì)降低或消失，導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度下降;

(8)節(jié)理發(fā)育，且膠結(jié)物有紋理，易遭受破壞等。

外因主要指:荷載的垂直作用(自重荷載和車輛等附加荷載等)及水的浸入和溶解作用，以及人為活動(dòng)，如公路選線不當(dāng)，施工撓動(dòng)，排水不暢或農(nóng)民的不當(dāng)開墾造成水土流失等。研究表明，濕陷性黃土的微觀結(jié)構(gòu)(如孔隙變化，節(jié)理情況等)是濕陷的主要因素，也是產(chǎn)生濕陷的空間條件，沒有這個(gè)條件即使具備了其它條件也不會(huì)產(chǎn)生濕陷。其它如含水溶鹽、顆粒間的加固凝聚力消失、粘粒的脹縮、土體遇水抗剪強(qiáng)度的降低等是產(chǎn)生濕陷的一般因素，但不是主導(dǎo)的因素。

8.3 沿線黃土的濕陷性試驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)沿線黃土進(jìn)行探井取樣的濕陷性試驗(yàn)其結(jié)果如表6(605個(gè)樣本)。

表6 沿線黃土濕陷性試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Experimental results of the collapsibility of the loess along the Heicheng-Haiyuan Expressway

通過對(duì)沿線濕陷性黃土的濕陷性試驗(yàn)資料整理分析，參照《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》(GB50025-2004)中的有關(guān)規(guī)定，寧夏黑城至海原高速公路全段65.561km，沿線黃土屬于濕陷性黃土的路段總長為46.481km，占總里程的70.9%，其中屬于自重濕陷性黃土的路段總長45.879km，占總里程的98.71%。全路段黃土性質(zhì)特征見下表7。

表7 S305線黑城至海原高速公路黃土特征分布表Table 7 Distribution and characteristics of the loess along the Heicheng-Haiyuan Expressway

9 結(jié)論

近年來，濕陷性黃土對(duì)公路所造成的危害已在我區(qū)的一些公路上顯現(xiàn)出來，主要是因?yàn)檫@些公路因設(shè)計(jì)施工階段對(duì)濕陷性黃土的認(rèn)識(shí)不足，未對(duì)路基基地的濕陷性黃土進(jìn)行處理且排水設(shè)施不全造成的。養(yǎng)護(hù)部門雖然投入了大量的人力物力，但未能從根本上解決舊路的病害。

寧夏黑城至海原高速公路全線位于黃土地區(qū)，沿線的黃土大部分具有自重濕陷性，濕陷等級(jí)大部分Ⅲ(嚴(yán)重)～Ⅳ(很嚴(yán)重)，因此，在設(shè)計(jì)施工階段應(yīng)對(duì)該段公路的濕陷性黃土應(yīng)有足夠的認(rèn)識(shí)，重點(diǎn)進(jìn)行黃土地基處理設(shè)計(jì)和防排水設(shè)計(jì)，施工階段應(yīng)嚴(yán)格按照黃土地區(qū)的有關(guān)施工要求進(jìn)行施工，以保證該條高速公路建成后的正常運(yùn)營，減少運(yùn)營后的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。

［1］《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》(GB50025-2004).

［2］《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(JTG C20-2011).

［3］《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007).

［4］省道305線黑城至海原公路工程地質(zhì)勘察報(bào)告.

［5］寧夏黃土地區(qū)公路修筑技術(shù)及病害防治研究.

［6］黃輝華主編·特殊地質(zhì)-黃土.