飽和軟黃土降水效果對比分析研究

高翔　寧波　高涵

摘? ?要：本文以地鐵五號(hào)線興慶路站的施工為背景，通過現(xiàn)場試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)，對比與分析飽和軟黃土降水前后性能的變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)：飽和軟黃土降水后其側(cè)壁摩阻力、錐尖阻力、旁壓模量以及旁壓剪切模量都有一定程度提高，另外，飽和軟黃土層的含水率比降水前減少了30.2%，天然重度比降水前減少了6.9%，飽和度比降水前減少了32.7%，液限指數(shù)降水前減少了71.4%，而孔隙比與干重度等指標(biāo)變化不大。該場地采用的坑外管井降水工藝有效地改善了飽和軟黃土土層的力學(xué)性能與承載能力，更進(jìn)一步地保證了施工的安全，為以后飽和軟黃土地層的施工提供了參考。

關(guān)鍵詞：地鐵施工? 降水? 飽和軟黃土

中圖分類號(hào)：U231.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）06（c）-0069-05

西安地區(qū)在地鐵施工過程中會(huì)遇到大量飽和軟黃土（飽和度大于80%，濕陷性已退化了的黃土）分布的區(qū)域，由于其具有強(qiáng)度低、承載力差等不良物理力學(xué)特性，為保證工程施工的安全與穩(wěn)定，科研與技術(shù)工作者對該類黃土進(jìn)行了相應(yīng)的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究。比如，高虎艷等結(jié)合西安地鐵勘察成果和其他工程試驗(yàn)與監(jiān)測結(jié)果，從飽和軟黃土各方面性能與特點(diǎn)進(jìn)行較為全面的分析[1]。何武旗以西安地鐵六號(hào)線東關(guān)正街—興慶路區(qū)間地鐵隧道的修建為背景，采用現(xiàn)場試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)對及數(shù)值模擬的方法對飽和軟黃土的工程地質(zhì)特性及其對地鐵隧道的影響展開了研究工作，得到了飽和軟黃土的相關(guān)性能指標(biāo)區(qū)間以及相關(guān)指標(biāo)與深度之間的關(guān)系[2]。劉洋結(jié)合飽和軟黃土的工程特性及依托工程概況進(jìn)行分析，認(rèn)為飽和軟黃土地層段施工風(fēng)險(xiǎn)的主要誘因是飽和軟黃土失水引起的地層固結(jié)沉降[3];楊鋒開展了飽和軟黃土地層原位試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)，并詳細(xì)研究了飽和軟黃土的變形機(jī)理[4]。李慎崗介紹了飽和軟黃土在中馬鐵路中的解義、分布、成因、工程特性及其對工程影響情況，確定針對性的勘察方法并提出工程處理措施建議[5]。

上述研究都是針對飽和軟黃土的復(fù)雜物理力學(xué)性能，通過研究它的受力與變性規(guī)律，得到相關(guān)的控制分析的理論支撐與實(shí)際處理方案。本文與上述研究的主要區(qū)別在于，通過降水對飽和軟黃土進(jìn)行處理，對比分析降水前后該位置土層的物理性能，從而驗(yàn)證該降水工藝對處理飽和軟黃土的效果。

1? 工程概況

興慶路站為五號(hào)線一般中間站，前承太乙路站，后接青龍寺站，車站主體位于雁翔路和南二環(huán)交叉路口東南側(cè)，沿雁翔路東南向布置于道路下方。車站長為227.7m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為22m，站臺(tái)寬12.5m，有效站臺(tái)長118m，高為16.95～23.31m，軌面埋深17.255m。車站起點(diǎn)里程YDK37+690.718，設(shè)計(jì)終點(diǎn)里程YDK37+918.418。車站主體為地下二層雙跨（局部三跨）箱型框架結(jié)構(gòu)，頂板覆土約3.0m，底板最大埋深約23.31m。車站主體采用明挖法施工。車站共設(shè)置4個(gè)出入口、1個(gè)安全出口、2組風(fēng)亭和1座冷卻塔，其中IV號(hào)出入口與1號(hào)風(fēng)道合建，安全口和2號(hào)風(fēng)道合建，I號(hào)出入口預(yù)留市政過街通道接口。

該場地按照每個(gè)巖土層按巖土層代號(hào)、巖土名、時(shí)代成因、巖性描述布列如表1所示。

通過上述表格可知，該區(qū)段的飽和軟黃土上面還覆蓋有三層土，分別是雜填土、素填土以及新黃土，主要分布于場地北部，其層厚為1.0～3.2m，層底深度10.4～11.8m，層底高程413.18～415.69m。

2? 降水工藝

根據(jù)工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、施工方法及基坑周邊建筑物環(huán)境條件，結(jié)合鄰近場地基坑降水工程經(jīng)驗(yàn)，本場地降水采用坑外管井降水。

興慶路車站2014年3月鉆孔內(nèi)量測的穩(wěn)定水位埋深9.20～12.60m，根據(jù)車站結(jié)構(gòu)底板埋深確定水位降深為9.0～1 1.0m之間（端頭局部降深13.0m），由于水位埋深及水位降深均起伏較大，故降水計(jì)算時(shí)將車站分為2段來考慮，其中第一段布置降水井19口，觀測井3口;第二段布置降水井18口，觀測井2口，如圖2和圖3所示。

3? 飽和軟黃土降水效果

3.1 現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1.1 靜力觸探

本次試驗(yàn)采用20t液壓靜力觸探車，配置JKS15-4型雙橋探頭，利用車載觸探機(jī)以20mm/s的速度將觸探探頭壓入土中，利用探頭內(nèi)的測力傳感器，并通過自動(dòng)記錄儀分別記錄探頭貫入過程中的錐尖阻力及側(cè)壁摩阻力。

通過圖4和圖5可以得知，側(cè)壁摩阻力與錐尖阻力在2.0～15.0m各個(gè)土層范圍內(nèi)基本都得到了提高，側(cè)壁摩阻力在降水后增加較多，錐尖阻力增加相對較小。特別是在8.0～11.0m的飽和軟黃土土層，其降水前后側(cè)壁摩阻力與錐尖阻力都有一定程度提高。

3.1.2 旁壓

本次試驗(yàn)采用法國Menard（梅納）G-AmⅢ型預(yù)鉆式旁壓儀進(jìn)行，旁壓器型號(hào)Nx型，外徑Φ74mm，量測腔長度230mm，固有體積880cm3，儀器容許最大壓力9.0MPa。測試采用1min快速加壓法，加壓后15s、30s、60s測讀體積變形量。

取10m深度附近的飽和軟黃土土層進(jìn)行旁壓試驗(yàn)，其降水前后的試驗(yàn)結(jié)果如圖6和圖7所示。

根據(jù)上圖所測得的旁壓曲線特征以及相應(yīng)的計(jì)算方法，可以確定出孔壁土體的靜止側(cè)壓力P0、臨塑壓力Pf、極限壓力PL、旁壓模量、旁壓剪切模量以及基床系數(shù)等不同參數(shù)，結(jié)果如表2所示。由表3和表4可知，飽和軟黃土降水前后各項(xiàng)指標(biāo)的性能都得到了大幅度提高。特別是降水前，飽和軟黃土從臨塑狀態(tài)到達(dá)破壞階段時(shí)，只需要44kPa，而降水后的黃土，從臨塑狀態(tài)到達(dá)破壞階段需要208kPa，極大程度地延緩了土體的變形發(fā)展速度。

3.2 室內(nèi)試驗(yàn)

3.2.1 物理性質(zhì)指標(biāo)試驗(yàn)

降水前，飽和軟黃土層的黃土含水率平均值為29.7%，天然重度平均值為19.0kN/m3，孔隙比平均值為0.815，飽和度平均值為98.2%，塑性指數(shù)平均值為11.6，液限指數(shù)平均值為1.05。

降水后，飽和軟黃土層的黃土含水率平均值為20.7%，比降水前減少了30.2%;天然重度平均值為17.7kN/m3，比降水前減少了6.9%;飽和度平均值為66.1%，比降水前減少了32.7%;液限指數(shù)平均值為0.30，比降水前減少了71.4%。而孔隙比與干重度等指標(biāo)變化不大。

3.2.2 壓縮性指標(biāo)試驗(yàn)

通過表5和表6得知，降水前后飽和軟黃土的壓縮模量得到一定程度提高，由于試驗(yàn)過程中的擾動(dòng)與固結(jié)壓力的施加，使得前面小荷載所對應(yīng)的Es1-2、Es2-3、Es3-4等壓縮模量變化不大，但后面大荷載所對應(yīng)的Es4-5、Es5-6、Es6-7、Es7-8等壓縮模量提高較多，其中Es7-8提高66.3%。

4? 結(jié)語

本場地降水采用的坑外管井降水工藝，極大程度地改善了各土層的力學(xué)性能。特別是針對飽和軟黃土土層，并通過靜力觸探、旁壓以及室內(nèi)試驗(yàn)對比分析了降水前后各方面性能指標(biāo)的變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該降水工藝能夠消除飽和軟黃土土層強(qiáng)度低、承載力差等不良物理力學(xué)特性，具體提高程度如下所示。

（1）側(cè)壁摩阻力與錐尖阻力在2.0m～15.0m各個(gè)土層范圍內(nèi)基本都得到了提高，側(cè)壁摩阻力在降水后增加較多，錐尖阻力增加相對較小。特別是在8.0m～11.0m的飽和軟黃土土層，其降水前后側(cè)壁摩阻力與錐尖阻力都有一定程度提高。

（2）飽和軟黃土降水前后各項(xiàng)指標(biāo)的性能都得到了大幅度提高。特別是降水前，飽和軟黃土從臨塑狀態(tài)到達(dá)破壞階段時(shí)，只需要44kPa，而降水后的黃土，從臨塑狀態(tài)到達(dá)破壞階段需要208kPa，極大程度地延緩了土體的變形發(fā)展速度。

（3）降水后，飽和軟黃土層的黃土含水率平均值為20.7%，比降水前減少了30.2%;天然重度平均值為17.7kN/m3，比降水前減少了6.9%;飽和度平均值為66.1%，比降水前減少了32.7%;液限指數(shù)平均值為0.30，比降水前減少了71.4%。而孔隙比與干重度等指標(biāo)變化不大。

（4）降水后，飽和軟黃土的壓縮模量得到一定程度提高，由于試驗(yàn)過程中的擾動(dòng)與固結(jié)壓力的施加，使得前面小荷載所對應(yīng)的Es1-2、Es2-3、Es3-4等壓縮模量變化不大，但后面大荷載所對應(yīng)的Es4-5、Es5-6、Es6-7、Es7-8等壓縮模量提高較多，其中Es7-8提高66.3%。

參考文獻(xiàn)

[1] 高虎艷，鄧國華.飽和軟黃土的力學(xué)與工程性質(zhì)分析[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2012，10（3）：38-42.

[2] 何武旗.西安興慶湖周邊飽和軟黃土的工程地質(zhì)特性及穿越方案研究[D].西安科技大學(xué)，2018.

[3] 劉洋.深厚飽和軟黃土地層地鐵隧道暗挖安全保障技術(shù)研究[D].長安大學(xué)，2018.

[4] 楊鋒.飽和軟黃土地鐵隧道施工地表沉降特性及其控制技術(shù)[D].西安科技大學(xué)，2017.

[5] 李慎崗.中馬鐵路飽和軟黃土淺析[J].鐵道勘察，2015（4102）：53-55.