黃土地區(qū)常見工程地質(zhì)問題的淺析及對策事項

姚海平，裴生麗，張云江

(1.核工業(yè)二八0 研究所，四川 廣漢 618300；2.北京中核大地礦業(yè)勘查開發(fā)有限公司廣漢分公司，四川 廣漢 618300）

運城至西安段鐵路客運專線，線路東起山西省運城市，向西于永濟跨黃河天塹，經(jīng)大荔，渭南等縣市分別跨越洛河、渭河，西至西北的門戶西安市。正線長度211.07km，其中山西省境內(nèi)75.53km，陜西省境內(nèi)135.54km。線路行進晉、陜兩省的晉南地區(qū)和關中平原東部（圖1）。

該段位于渭河沖積平原東南部，東起大荔縣西側(cè)，西至西安市臨潼區(qū)新豐鎮(zhèn)，東西走向，橋址起迄里程為DK757+850.54 至DK829+193.44，中心里程為793+521.99，全長為71.3429km。該工點橋梁所跨道路主要有：G108 國道、渭蒲高速（在建）、S201 省道、S107 省道、關中環(huán)線等。橋梁所跨既有鐵路線有：渭化專用線、何零聯(lián)絡線、西延聯(lián)絡線、包西聯(lián)絡線、侯西聯(lián)絡線。橋梁所跨越的河流主要有：洛河、渭河等。交通較為便利。沿線的不良地質(zhì)現(xiàn)象主要有塬上深切溝谷岸坡坡面上發(fā)育的小型滑坡；低階地上飽和砂土的液化；塬前，高階地前緣的人工坑洞及西安市內(nèi)的地裂縫等。特殊巖土主要有大面積的濕陷性黃土，物理力學指標差的松軟土、飽和的黃土等。

1 沿線的黃土的特征及基本性質(zhì)

圖1 新建大同至西安客運專線運城至西安段地理位置圖

1.1 分布及地貌特征

黃土在我國境內(nèi)的自然地理分布上具有一定的區(qū)域性規(guī)律。沿線黃土根據(jù)自然地理分布條件及特征可以把它分為五種類型：高原地區(qū)類型、山前地帶類、山前河谷平原地區(qū)類及高山中山山地類。具體可以歸入以下三類：

高原地區(qū)類：主要分布在陜西省至華陰間的黃土臺塬區(qū)，黃土連續(xù)大面積覆蓋，地層發(fā)育完整，以第四紀下更新世至近代沉積黃土為主，總厚度大于200m。同時也是沿線黃土分布最厚的地區(qū)。

山（塬）前地帶類：主要分布在黃土臺塬前塬，華山、驪山前緣地帶。該地帶的特點呈狹長的帶狀分布，地層主要為第四紀上更新世或近代洪積黃土，在黃土中常有砂、礫石、碎石等粗顆粒沉積物，厚度一般在10m 左右。

河谷平原地區(qū)類：主要分布在渭河平原內(nèi)，為第四系上更新世及近代沖積的黃土沉積物。這樣構成了河谷階地的上部。其中常有砂類土，厚度一般在10m 左右，是沿線分布最廣的地層。

1.2 環(huán)境及成因

黃土是一種棕黃色或淡黃色的土。它主要分布在亞洲、歐洲及南北美洲。黃土在我國分布相當廣泛、厚度大，面積達63.25km2.。其中濕陷性黃土占四分之三［1］。關于其堆積環(huán)境及成因，中國科學院院士劉東先生的“新風成說”在國際上得到廣泛的接受。他把風成作用從黃土高原頂部約7萬年黃土拓展到整個黃土序列約250萬年?！靶嘛L成說”對物源、搬用、搬用時候的風力情況、沉積環(huán)境面貌及沉積后的變化這個全過程進行了闡述。該學術認為沉積的過程與我們看到的沙塵暴一樣，是逐漸地從沙漠里面搬運出來的，在黃土高原慢慢沉積起來的，也就是說，黃土是幾百萬年來一次又一次的沙塵暴的疊加。而沉積過程也是記錄了環(huán)境的變化信息的過程。

次生黃土是多成因的殘積、坡積、沖積、洪積、風積、冰川等不同地質(zhì)作用形成的。

觀察線路主要通過了黃土臺塬、洪積扇及渭河階地三個階地地貌單元，通過了以風積、洪積及沖洪積為主的黃土，局部塬邊深切谷中還有坡積、滑坡堆積黃土分布。風積黃土主要分布在黃土臺塬、黃土梁洼及渭河三級階地表層，同時局部高階地后緣也有分部；洪積黃土主要分布在山前、塬前洪積扇上；沖積黃土主要分布渭洛河一、二級階地及河漫灘上。

表1 黏質(zhì)黃土物理力學特征參數(shù)統(tǒng)計表

表2 砂質(zhì)黃土物理力學特征參數(shù)統(tǒng)計表

1.3 工程地質(zhì)物理力學性質(zhì)

黃土具有其它土類不同的物理力學性質(zhì)，其最主要的特性是成分上以粒徑含量（0.05～0.005mm）劃分界限，這種獨特性質(zhì)決定了它的工程地質(zhì)性質(zhì)。在確定黃土室內(nèi)實驗指標時，應密切結(jié)合試樣樣的野外地質(zhì)和地貌情況，而不能將室內(nèi)與野外情況相脫離，否則得出的結(jié)論是片面的局限性的。

根據(jù)這樣一觀點，將沿線（第四系全新統(tǒng)沖積黏質(zhì)黃土、砂質(zhì)黃土……）各地貌單元上分布的黃土按成因時間歸類。分別統(tǒng)計物理力學性質(zhì)指標。（詳見表1、表2）

2 黃土地區(qū)主要的工程地質(zhì)問題

黃土地區(qū)的工程地質(zhì)問題與一般工程地質(zhì)問題相比既有共性、又有特殊性，常見的工程地質(zhì)問題主要的有濕陷性、不良地質(zhì)（人工坑洞）、地震液化、松軟土等。

2.1 黃土的濕陷性

所謂黃土的濕陷性是指黃土遇水侵蝕后，常發(fā)生突然的沉陷的性質(zhì)。同時黃土的壓密變形表現(xiàn)為壓縮變形和濕陷變形。結(jié)合新建鐵路大同至西安客運專線（渭洛河特大橋）勘測資料、將沿線黃土的若干特征及地基處理簡要敘述如下：

黃土的濕陷性主要取決于土的內(nèi)在基本特征及所處地區(qū)地質(zhì)環(huán)境這雙方面的因素，同時這雙方面的因素也決定了黃土的基本工程地質(zhì)性質(zhì)。黃土被水浸濕后，土自重壓力下及土自重壓力和建筑物荷載共同作用下發(fā)生的濕陷，把黃土分為自重濕陷性黃土和非自重濕陷性黃土。

黃土的濕陷系數(shù)是評價黃土濕陷性的重要參數(shù)。黃土的濕陷性與黃土場地所處的地貌單元關系密切。

黃土濕陷類型分區(qū)可根據(jù)場地的濕陷類型、濕陷等級、濕陷厚度及地貌單元來進行。

可分為自重濕陷性和非自重濕陷性兩類，一級階地的黃土以Ⅰ～Ⅱ級非自重濕陷性為主，濕陷土層厚2～8m；自重濕陷性黃土主要分布于高階地、黃土梁茆區(qū)及黃土塬上部，濕陷等級以Ⅱ～Ⅳ級自重為主，濕陷性土層厚10～30m。

黃土濕陷原理大概歸納為幾點：①在干旱與半干旱的氣候條件下，使黃土堆積具備了欠壓密的大空隙結(jié)構。②黃土在荷載及浸水作用后，結(jié)構連接松弛，強度消弱。③黃土微結(jié)構特征的不同，促使黃土骨架顆粒的成分、形態(tài)、顆粒連接的性質(zhì)狀況不同，導致黃土濕陷變形的遲緩與劇烈就不同。④在有側(cè)限的壓縮試驗中，土的壓縮變形本質(zhì)上是一種粒間受剪的現(xiàn)象，能夠引起變形的應力大小決定于土的抗剪強度。在荷載及侵水作用下，同時土的連接強度進一步消弱破壞、發(fā)生濕陷，這個過程看似簡單而是較復雜的物理過程。

對工程的危害主要是浸水后使建筑物產(chǎn)生不均勻沉降或突然沉陷。采取的基礎處理方法要根據(jù)土層物理力學指標、濕陷土層厚度等因素，經(jīng)沉降檢算，結(jié)合工程設置情況選擇采取科學的地基處理方法（對該段黃土濕陷特征匯總詳見表3）。

表3 渭洛河特大橋黃土濕陷性及其特征段落表

2.2 黃土地區(qū)的不良地質(zhì)（人工坑洞）

沿線范圍段主要有窯洞、古墓穴、人防工程（地道）、地窖等。防空洞地道修建于上世紀六七十年代，現(xiàn)在部分已坍塌填充，受當?shù)貧夂蛴绊懀幢谳^為潮濕或干燥，在地下修建防空洞使得黃土完整性遭到破壞，其表層覆蓋黃土，厚約6～12m。據(jù)物探勘察結(jié)果得出該橋址范圍段有：朱王村（位于橋址DK808+500～DK808+950段附近,測區(qū)范圍內(nèi)GDS-09～GDS-99）；西韓村（測區(qū)范圍內(nèi)推測有一南北向地道與線路交于DK801+206 附近處）；宋家村（位于橋址DK820+400～DK820+850 段附近,測區(qū)范圍內(nèi)GDS-37）；北韋村（位于橋址DK821+100～DK821+600 段附近）；張西至張東村（位于橋址DK816+600～DK817+900 段附近）；灣馬村（位于橋址DK828+600～DK828+800 段附近,測區(qū)范圍內(nèi)GDS-03～GDS-23）；北牛村（位于橋址DK826+450～DK826+800 段附近,測區(qū)范圍內(nèi)GDS-22～GDS-25 段）地下有回填過地道通過。防空洞都較為發(fā)育，發(fā)育深度5m 左右，空洞現(xiàn)已坍塌、充水，空洞坍塌前規(guī)模較大，密集。該不良地質(zhì)對路線都有一定的影響。

表4

2.3 地震液化

渭洛河特大橋區(qū)域地震動峰值加速度按里程分為以下三段（詳見表4）。

渭洛河區(qū)域根據(jù)鉆孔標慣實驗及液化判定表檢算，局部屬可液化土層，按里程分為以下四段（詳見表5）。

表5

表6 松軟土判別標準一覽表

2.4 松軟土

根據(jù)《京滬高速鐵路工程地質(zhì)勘察暫行規(guī)定》的劃分，客運專線對松軟土的劃分標準見表6。

松軟土在汾渭沖積平原區(qū)廣泛分布，土層多為砂質(zhì)黃土、粉土、粉質(zhì)黏土及部分粉、細砂，厚6～20m不等，局部深達25m，呈互層狀。

根據(jù)原位測試及標貫試驗和原狀土樣試驗資料，局部飽和黃土、粉土及流塑狀粉質(zhì)黏土σ0≤0.08MPa，為軟土，呈透鏡狀分布。松軟土和軟土一般表現(xiàn)為強度低，具中、高壓縮性，不能滿足客運專線路基工程沉降的嚴格要求。可采用換填、強夯或碎石樁、粉噴樁等措施進行處理，對于某些埋深和厚度較大、處理困難，經(jīng)路基檢算后仍難以控制工后沉降的地段，則需考慮以橋通過。另外，松軟土、軟土對涵洞工程也屬不良持力層，基礎須采用相應的處理。

沿線松軟土、軟土分布情況詳見表7、表8。

3 對策

3.1 選線原則

黃土地區(qū)的工程地質(zhì)條件較為復雜，在選線階段，應盡可能利用寬坦河谷、較寬溝谷及地下水不發(fā)育的分水嶺地區(qū)。凡是強烈發(fā)育的黃土溝谷及由含水土層構成的分水嶺帶，應設法繞避。渭洛河特大橋位于渭河沖積平原東南部，東起大荔縣西側(cè)，西至西安市臨潼區(qū)新豐鎮(zhèn)，東西走向，橋址起迄里程為DK757+850.54 至DK829+193.44，中心里程為793+521.99,全長為71.3429km。該工點橋梁所跨道路主要有：G108 國道、渭蒲高速（在建）、S201 省道、S107 省道、關中環(huán)線等。橋梁所跨既有鐵路線有：渭化專用線、何零聯(lián)絡線、西延聯(lián)絡線、包西聯(lián)絡線、侯西聯(lián)絡線。橋梁所跨越的河流主要有：洛河、渭河等。交通較為便利。但總的來看，線路方案的選擇是比較合理的。

表8 軟土段落分布一覽表

3.2 工程措施的選擇

如前所述，在黃土地區(qū)常見的工程地質(zhì)問題主要的有濕陷性、不良地質(zhì)（人工坑洞）、地震液化、松軟土層，局部地段還存在著斜坡變形的現(xiàn)象。線路通過上述不良地質(zhì)和特殊巖土地段時，對工程完工后沉降有特殊要求的客運專線來說，為了保證工程的安全、可靠、合理、可行。給工程設計理念和工程地基處理措施提出了新的要求。下面對上述不良地質(zhì)和特殊巖土處理方法簡要介紹。

1）濕陷性黃土的工程處理措施：黃土濕陷性對工程的危害主要是浸水后使建筑物產(chǎn)生不均勻沉降或突然沉陷。采取的基礎處理方法要根據(jù)土層物理力學指標、濕陷土層厚度等因素，經(jīng)沉降檢算，結(jié)合工程設置情況選擇采取科學的地基處理方法。常用灰土擠密樁法、強夯法、重錘夯實法、土、灰土墊層法和樁基法等。當?shù)鼗幚泶胧┎荒芡耆ＷC沉降要求時，宜采用剛架線路通過或橋通過。

2）不良地質(zhì)（人工坑（洞））的工程處理措施：對線路分布的人工坑（洞），可采用人工回填夯實的方法。

3）地震液化層的工程處理措施：地震液化層常用的工程處理方法為振沖碎石樁法、振沖沉管砂石樁法、爆破法等。

4）松軟土工程處理措施：松軟土和軟土一般表現(xiàn)為強度低，具中、高壓縮性，不能滿足客運專線路基工程沉降的嚴格要求時?？刹捎脫Q填、強夯或碎石樁、粉噴樁等措施進行處理，對于某些埋深和厚度較大、處理困難，經(jīng)路基檢算后仍難以控制沉降的地段，則需考慮以橋通過。

4 結(jié)語

1）在選定黃土的物理力學性質(zhì)指標時，必須注意到地理環(huán)境、地貌單元、沉積年代及成因類型等條件所產(chǎn)生的差異性。

2）同時要掌握黃土性質(zhì)與自然條件之間的規(guī)律。

3）面對黃土地區(qū)常見的工程地質(zhì)問題，線路通過不良地質(zhì)和特殊巖土地段時，要提出可靠的科學技術和合理的處理措施。保證工程的安全可靠、合理可行。

4）當?shù)鼗幚泶胧┎荒芡耆ＷC沉降要求的，宜采用鋼架線通過或以橋通過。

［1］褚桂堂.工程地質(zhì)學[M].北京∶地質(zhì)出版社,1995.