趙 蒙 譚博仁 鄧 瑞 郭 維

(1.成都大學建筑與土木工程學院，成都 6100442；2.成都理工大學地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，成都 610059)

隨著近年來鐵路提速以及運量增加，很多地區(qū)的既有線路都發(fā)生了不同程度的沉降。尤其在黃土地區(qū)，采用大水漫灌的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，會導致路基土體病害更加嚴重。已有學者開展相關研究，簡濤發(fā)現(xiàn)，黃土的壓縮系數(shù)α隨黏粒含量增加而減小，且隨著黏粒含量增加，黃土試樣的變形量相對增大，變形達到穩(wěn)定的時間也相對較長[1]；孫明祥認為隨著含水率增大，土體的液性指數(shù)增大，土體的黏聚力減小，抗剪強度減小，地基承載力減小[2]；雷祥義等根據(jù)粒度分析資料探討了秦嶺山地黃土成因，認為黃土的物質(zhì)組成決定其物理力學和化學特性，石英和長石等碎屑作為顆粒物質(zhì)，是組成土體的骨架成分[3-4]。不難看出，研究黃土地區(qū)的既有線路基土的沉降機理，對于保證鐵道正常運行具有重要意義。

本次研究選取西北黃土地區(qū)寶中線鐵路既有線路段，進行現(xiàn)場取樣，并對現(xiàn)場典型路段具有代表性的層位進行深入的室內(nèi)研究，基于微觀試驗以及土工常規(guī)三軸剪切試驗，重點研究黏土礦物“團塊化”程度對黃土力學特性的影響。

1 試驗樣品和試驗方法

1.1 工程背景

寶雞至中衛(wèi)鐵路位于我國黃土高原的西北邊緣西吉盆地，于1990年正式開工建設，1996年7月建成并正式營運，起點為陜西省寶雞市，終點為寧夏固原市中衛(wèi)縣，全長498.19 km。該線修筑時，由于工期較短，對路基黃土處理較少，導致路基承載能力差，尤其是近幾年提速以及運量增加，增加了黃土路基的振動荷載，自2012年以來一直以60 km/h限速通行。

該區(qū)域?qū)僦袦貛О霛駶櫹虬敫珊颠^渡帶，具有大陸性和海洋季風邊緣氣候特點，春低溫少雨，夏短暫多雹，秋陰澇霜早，冬嚴寒綿長。全年日照時長為2 527 h，在時間分布上，春夏兩季多，秋冬季少，5～6月達到最高值，11月份出現(xiàn)最低位。年平均氣溫6.5 ℃，年平均降雨量300 mm，其中6～9月份降雨量達207.9 mm，占69.3%，降水量隨海拔的升高而增多。

區(qū)內(nèi)黃土為河水沖刷、搬運并堆積形成的次生黃土[5]，該線周圍地形起伏較小，不良地質(zhì)現(xiàn)象較少，主要地質(zhì)問題為風積以及沖洪積黃土引發(fā)的路基沉降等現(xiàn)象[6]。

1.2 取樣情況

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，線路多處出現(xiàn)了不同程度沉降問題，具體為路基出現(xiàn)不均勻沉降，軌道面起伏不平，現(xiàn)場情況見圖1。其中，K329+400～K329+600段、K330+200～K330+400段處等可見明顯的臺階(即小里程側(cè)高，大里程側(cè)低)，同時路基兩側(cè)也出現(xiàn)裂縫，見圖2。

圖1 路基不同程度沉降示意

圖2 路基兩側(cè)裂縫

根據(jù)寶中鐵路K329～K331段路基病害情況，對現(xiàn)場病害段和非病害段路基土分別進行鉆探取樣，發(fā)現(xiàn)病害和非病害路基土1～4 m處的路基土多為堅硬-硬塑狀態(tài)；病害段4～8 m處的路基土多為軟塑-流塑狀態(tài)，韌性較差，非病害段為可塑狀態(tài)，韌性較強。根據(jù)現(xiàn)場鉆孔資料，選取有病害段6 m處路基土和非病害段6 m處路基土，對其工程地質(zhì)特性進行室內(nèi)試驗研究?，F(xiàn)場路基段取樣地點示意見圖3。

圖3 現(xiàn)場路基段取樣地點示意

1.3 試驗土樣

采用液、塑限聯(lián)合測定法對研究區(qū)黃土的塑液限進行試驗。液、塑限聯(lián)合測定法是根據(jù)圓錐儀的圓錐入土深度與其對應的含水率在雙對數(shù)坐標上的線性關系來進行描述。測得土在不同含水率時的圓錐入土深度，并繪制其關系直線，圓錐下沉10 mm所對應的含水率即為液限，圓錐下沉深度為2 mm所對應的含水率即為塑限。樣品的基本情況見表1。

表1 土樣基本情況

對土樣進行基本物理參數(shù)的測試，測試結(jié)果見表2。

表2 土樣的基本物理參數(shù)

1.4 試驗儀器

本次試驗儀器分為2種：微觀試驗儀器、宏觀力學特性試驗儀器。

(1)微觀試驗儀器

采用Mastersizer 2000激光粒度分析儀、DMAX-3C射線衍射儀以及日立S-3000N掃描電鏡[7]。

(2)宏觀力學特性試驗儀器

采用TCK型土工三軸應變控制剪切儀。

1.5 試驗方法

本次研究采用的試驗有粒度分析試驗、XRD衍射試驗、SEM掃描電鏡試驗以及常規(guī)土工三軸試驗。

(1)粒度分析試驗

將樣品風干，粉碎，過1 mm篩，并使用Mastersizer 2000激光粒度分析儀進行分析，得出土體顆粒粒度分布曲線、顆粒級配曲線以及顆粒級配參數(shù)，所使用Mastersizer 2000激光粒度分析儀見圖4。

圖4 Mastersizer 2000激光粒度分析儀

(2)XRD衍射試驗

在進行礦物成分試驗之前，首先將準備好的土樣進行烘干，溫度105 ℃，恒溫保持8 h以上直至土樣達到恒重狀態(tài)，然后將土樣磨成粉末狀。取適量土樣粉末放入試樣架凹槽內(nèi)，并將粉末表面刮平。使用的DMAX-3C射線衍射儀見圖5，以5°～60°進行衍射，得出兩種土樣的波形圖以及物質(zhì)成分含量；試驗過程相關過程見圖6。

圖5 衍射儀

圖6 XRD衍射試驗

(3)SEM掃描電鏡試驗

試樣在烘干箱進行烘干處理，溫度110 ℃，恒溫6 h，再調(diào)至60 ℃烘干至恒重。取出烘干的試樣，選擇較為完整的試塊掰開，選擇新鮮的斷面作為電鏡掃描面。切取試樣的大小為3 mm×3 mm×1 mm，噴金處理后將試驗樣品做抽真空處理，最后采用日立S-3000N掃描電鏡進行掃描，觀察土體的微觀結(jié)構(gòu)，并進行形貌分析。

(4)常規(guī)土工三軸試驗

根據(jù)現(xiàn)場情況，使用固結(jié)不排水(CU)的試驗方法，得出孔隙水壓力曲線以及軸向應力曲線，并得出C、φ值以及孔隙水壓力系數(shù)A值，所用常規(guī)三軸試驗儀器見圖7。

圖7 常規(guī)三軸試驗儀器

2 微觀試驗結(jié)果和討論

2.1 基本土工試驗成果及分析

根據(jù)基本土工物理參數(shù)結(jié)果，病害段土樣盒非病害土樣有較大的差異：病害段含水率較高，大于液限；非病害段含水率較低，小于液限。塑性指數(shù)病害土較非病害土低，根據(jù)《鐵路工程巖土體分類標準》土樣均為砂質(zhì)黃土[8]。由于塑性指數(shù)和土體自身物質(zhì)組成以及結(jié)構(gòu)有關，故需要進行微觀試驗[9]。

2.2 顆粒粒度試驗及分析

顆粒粒度分析試驗通過Mastersizer 2000激光粒度分析儀進行分析，所得的分析成果見圖8、圖9。

圖8 樣品顆粒粒徑分布累積對數(shù)曲線

圖9 樣品顆粒粒徑分布對數(shù)曲線

由圖8、圖9可知，1號樣品和2號樣品在土顆粒組成上有較大的差異，1號樣品1～10 μm的顆粒較少，2號樣品較多；1號樣品顆粒級配曲線較2號平緩，級配較差[10]。

根據(jù)顆粒粒度分布對數(shù)曲線以及顆粒級配曲線可以得出參數(shù)，見表3。

表3 土樣顆粒粒度參數(shù)

由表3可知，兩類土的不均勻系數(shù)均大于5，1號樣品曲率系數(shù)小于1，而2號樣品的曲率系數(shù)大于1，但在1～3范圍內(nèi)。1號樣品黏粒含量和砂粒含量較2號少，而粉粒含量較2號多，達到17.5%，2號樣只有1.9%。

從以上參數(shù)分析可知，1號樣品級配不良，并且砂粒含量較多，黏粒和粉粒含量較少；2號樣品級配良好，黏粒和粉粒含量較多，砂粒含量較少[11]。

2.3 礦物成分XRD衍射試驗及分析

1號樣品RD衍射波形見圖10，2號樣品XRD衍射波形見圖11。其中，A為伊利石，B為綠泥石，C為石英，D為鉀長石，E為斜長石，F(xiàn)為方解石，G為白云石。

圖10 1號樣品XRD衍射波形

圖11 2號樣品XRD衍射波形

由圖10、圖11可知，1號和2號樣品中所含的礦物質(zhì)成分基本相同：黏土礦物為伊利石和綠泥石，構(gòu)成土顆粒骨架的礦物顆粒主要為石英，其次為鉀長石、斜長石、方解石以及白云石。

根據(jù)波形圖可知，1號樣品伊利石、綠泥石和石英的疊加衍射峰較高，2號樣品較低。并且，1號樣品的伊利石衍射峰和綠泥石的衍射峰較2號樣品低，可以初步看出，1號樣品所含黏土礦物含量較少，石英等構(gòu)成土體骨架顆粒較多。

通過內(nèi)標法，根據(jù)衍射波形圖對礦物質(zhì)含量進行分析，方法如下。

本次定分析使用的是MID Jade軟件進行分析，通過RIR方法(基本清洗法)計算土體每種物質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)。樣品質(zhì)量與Al2O3(剛玉)1∶1混合以后，測量樣品最強峰的積分強度/剛玉最強峰的積分強度(K值)。計算公式為

(1)

樣品某一相X的質(zhì)量分數(shù)計算公式為

(2)

根據(jù)內(nèi)標法所得出的每種礦物質(zhì)的含量見表4。

表4 XRD衍射得出的每種礦物質(zhì)含量

根據(jù)內(nèi)標法計算的結(jié)果，1號樣品黏土礦物含量(伊利石+綠泥石)為26%左右，石英等構(gòu)成土體骨架礦物的含量為73%，次生礦物占總礦物含量的45%左右，說明病害區(qū)路基黃土的親水性較弱；2號樣品黏土礦物含量為40%左右，構(gòu)成土體骨架的礦物為60%。

黃土的結(jié)構(gòu)強度與其黏土含量與膠結(jié)程度關系密切，天然狀態(tài)下黏土礦物固結(jié)成聚集體，可起到很好的膠結(jié)作用，但在浸水或受到較大的外力時，顆粒之間的膠結(jié)作用極易破壞，嚴重影響黃土的強度。因此，根據(jù)以上結(jié)果可知，病害區(qū)與非病害區(qū)路基的黃土的礦物成分差異較大，礦物成分的差異是導致不同處黃土在同樣的外界條件下其力學性質(zhì)差異的根本原因。

同時，結(jié)合粒度分析曲線，黏土礦物含量和黏粒含量相差較大，可能是因為黏土礦物除了在土體中起到填充顆粒之間孔隙作用外，還會在土顆粒時間形成較強的連接，促使土體“團塊化”[12-15]。參與土體團塊化的黏土礦物含量為黏土礦物含量減去黏粒含量，得出的結(jié)果見表5。

表5 “團塊化”黏土礦物含量

由表5可知，1號樣品參與“團塊化”的黏土礦物含量較低，只有1%左右，而2號樣品參與黏土“團塊化”的黏土礦物含量較高，可達9.4%。

2.4 SEM掃描電鏡試驗及分析

使用S-3000N掃描電鏡對樣品進行試驗，分別對1號樣品和2號樣品在放大200倍條件下以及放大1 000倍條件下進行掃描，得出SEM圖片?？梢郧宄闯鐾馏w顆粒的聯(lián)結(jié)情況以及顆粒的排列情況。得到的SEM圖片見圖12。

圖12 樣品SEM掃描電鏡土圖像

由圖12(a)、圖12(c)可知，1號樣品顆粒之間無法形成有效連接，充填的細顆粒較少，結(jié)構(gòu)較為松散，幾乎無黏土團塊；2號樣品顆粒之間連接較好，結(jié)構(gòu)緊密，有大量黏土礦物和顆粒填充，出現(xiàn)大量“團塊化”現(xiàn)象。

由圖12(b)、圖12(d)可知，1號樣品顆粒表面僅有少量黏土礦物附著，顆粒間小孔隙較多，無法形成強有力的連接；2號樣品表面附有較多黏土礦物，顆?？紫遁^少，顆粒間多被黏土礦物填充。

通過粒度分析試驗、XRD衍射試驗以及SEM掃描電鏡試驗，病害段路基土“團塊化”程度較高，所形成的結(jié)構(gòu)較為松散；非病害土“團塊化”程度較低，所形成的結(jié)構(gòu)較為緊密。

3 宏觀力學特性試驗結(jié)果和討論

根據(jù)現(xiàn)場排水條件較差的工況以及荷載情況，采用固結(jié)不排水(CU)土工常規(guī)三軸試驗，分別在100，200 kPa和300 kPa的圍壓下，以0.04 mm/min的速率對土樣進行剪切，得出(σ1-σ3)～ε、μ～ε的關系曲線，見圖13、圖14。

圖13 樣品(σ1-σ3)～ε曲線

圖14 樣品μ～ε曲線

由圖13可知，在不同的圍壓下，1號樣品較2號樣品的偏應力峰值小，1號樣品偏應力(σ1-σ3)在不同圍壓下增長較慢。

由圖14可知，1號樣品孔隙水壓力峰值較2號樣品大；在5%應變之前，1號樣品孔隙水壓力增長較快，2號樣品增長較慢；在5%應變之后，2號樣品孔隙水壓力增長較快，并于10%作用的應變下達到峰值，1號樣品增長較慢，直到15%左右才達到峰值。

根據(jù)三軸試驗的(σ1-σ3)～ε、μ～ε關系曲線以及有效應力原理，得出1號樣品和2號樣品的黏聚力C、內(nèi)摩擦角φ以及孔隙水壓力系數(shù)A，見表6。

表6 三軸試驗參數(shù)

由表7可知，1號樣品為黏聚力C、內(nèi)摩擦角φ較小，尤其是C值，小于10 kPa，孔隙水壓力系數(shù)在0.5～1之間，為正常固結(jié)土；2號樣品黏聚力C、內(nèi)摩擦角φ較大，孔隙水壓力在0.5左右，為超固結(jié)黏土。

根據(jù)常規(guī)土工三軸試驗結(jié)果以及微觀試驗結(jié)果，土體“團塊化”對土體力學性質(zhì)有較大的影響。非病害土“團塊化”程度高，土體的黏聚力C、內(nèi)摩擦角φ較大，孔隙水壓力系數(shù)小，表現(xiàn)為超固結(jié)土的力學特性，抗破壞性強；病害土“團塊化”程度低，土體黏聚力C和內(nèi)摩擦角φ較小，表現(xiàn)為正常固結(jié)土的力學特性，抗破壞性差。

4 結(jié)論

微觀方面，在顆粒組成上，病害土黏粒和粉粒含量較少，砂粒含量較多；在礦物組成上，病害土黏土礦物含量較少，骨架顆粒礦物較多；非病害土黏土礦物含量較多，骨架顆粒礦物較少。在微觀結(jié)構(gòu)上，病害土“團塊化”程度較低，顆粒間填充較少，無法有效連接，從而不能形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)；非病害土“團塊化”程度高，顆粒之間填充較多，能形成有效連接，從而能夠形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

在宏觀力學特性方面，病害土黏聚力C和內(nèi)摩擦角φ較小，孔隙水壓力系數(shù)較大，在施加外部荷載的情況下，孔隙水壓力增長較快，軸向應力增長緩慢，導致土顆粒無法有效承受荷載，表現(xiàn)為正常固結(jié)黏土的性質(zhì)；而非病害段黏聚力C和內(nèi)摩擦角φ較大，孔隙水壓力系數(shù)較小，在施加外部荷載的情況下，孔隙水壓力增長較慢，土體承受大部分荷載，表現(xiàn)為超固結(jié)黏土的性質(zhì)。

綜上所述，土體的“團塊化”程度越高，對構(gòu)建穩(wěn)定的土體結(jié)構(gòu)，保持較好的力學性質(zhì)，具有促進作用。