烏市頭區(qū)地基凍害與土體粒度成分相關(guān)分析＊

曹小紅，張俊敏，孟 和，曹遠(yuǎn)遠(yuǎn)，艾比拜爾·買買提

（1.新疆工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830023；2.新疆地質(zhì)災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830023）

我國多年凍土的面積約占世界第三,主要分布在青藏高原、帕米爾西部高山,東北大小興安嶺及東部地區(qū)一些高山頂部,其分布具有明顯的地帶性。多年凍土對工程的影響主要是凍融作用產(chǎn)生的融陷、凍脹導(dǎo)致的土體穩(wěn)定性降低（苗祺，2019）。觸發(fā)多年凍土凍融作用的因素主要有氣候（溫度）變化、土體含水率變化、工程擾動(dòng)等（楊勝波，2018），這些因素的改變使多年凍土的賦存狀態(tài)和賦存環(huán)境發(fā)生變化，從而觸發(fā)多年凍土的凍融作用（葉萬軍，2018）。不受凍融作用影響的多年凍土類似于完整巖體，強(qiáng)度高、完整性好，具有優(yōu)良的工程性能。所以，工程上對于多年凍土的工程利用，重點(diǎn)在于保護(hù)多年凍土的賦存狀態(tài)和賦存環(huán)境免于工程擾動(dòng)和氣候變化的影響（鐵永波，2015）。國內(nèi)外對多年凍土保護(hù)的工程措施可分為被動(dòng)和主動(dòng)降溫兩類（喬國文，2015），通過技術(shù)手段維持凍土的狀態(tài)或減緩凍土的退化速度，從而保持凍土土體的穩(wěn)定性（胡田飛，2017）。在凍土研究中，凍脹問題一直受到高度重視，凍脹的發(fā)育機(jī)理及其控制對策始終是土體凍結(jié)研究中的一個(gè)核心問題（董曉強(qiáng)，2017）。將現(xiàn)場測試、試驗(yàn)與凍土地質(zhì)條件相結(jié)合是凍土研究中新的發(fā)展方向（牛笑笛，2020）。凍土粒度組成分常是粗細(xì)混雜的，當(dāng)粉、粘粒含量高于5%時(shí),便具有凍脹性（王來貴，2018）。常見的黏土礦物中，高嶺土的凍脹量最大,水云母次之，蒙脫石最小。土體顆粒級配、含水率、含冰量、力學(xué)強(qiáng)度等直接影響凍脹、融沉特征。

烏魯木齊市頭屯河區(qū)高教園工程開挖形成了大量路塹邊坡，路基凍融破壞點(diǎn)較多。路基土體冬季凍脹、春夏季融沉表現(xiàn)尤為明顯，未支護(hù)的道路邊坡土體凍融破壞失穩(wěn)對區(qū)內(nèi)行車和人員安全構(gòu)成了威脅。以往對頭屯河區(qū)土體土質(zhì)土力學(xué)性質(zhì)的研究較少，本文研究可以為今后的校園建設(shè)及周邊公路規(guī)劃提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)工程地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

新疆工程學(xué)院新校區(qū)位于烏魯木齊市頭屯河區(qū)王家溝東岸第四系階地上，海拔高程840～870m。地勢總體為南高北低、微傾向西。研究區(qū)內(nèi)微地貌呈波狀起伏的低山丘陵形態(tài)，山體總體走向近東西向，山頂平緩，有低矮牧草生長。取土樣點(diǎn)坐標(biāo)：N 43°50′20.2″、E 87°24′42.6″，此次現(xiàn)場勘察地段如圖1 所示。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡圖及取樣點(diǎn)

1.2 地層巖性

由現(xiàn)場勘察資料可知，該場區(qū)地層出露有含礫粉土、砂礫石、粉質(zhì)亞砂土、黃土狀土、圓礫層、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖組成。含礫粉土為土黃色、灰黃色，干燥、松散-稍密，層厚0.3～3m。新疆工程學(xué)院頭屯河校區(qū)圖書館周邊土層較薄，最大厚度約1.3m。肉眼觀察可見，含礫粉土主要由粉土及少量礫石組成，土體中含大量植物根系，搖振反應(yīng)中等、無光澤，干土強(qiáng)度低、韌性低，人工挖掘較容易，局部粉土弱膠結(jié)，偶見紅褐色鈣質(zhì)結(jié)核、人工鐵鍬挖掘稍有困難。

1.3 地下水

據(jù)建筑場地巖土工程勘察報(bào)告，研究地段地下水埋深約12m。在新疆工程學(xué)院南大門東側(cè)、門外東南側(cè)約200m 處可見草塘，常年有水。土體中地下水水位深度對于土體的凍融作用有較大的控制作用。

1.4 不良地質(zhì)作用

研究區(qū)處于哈薩克斯坦-準(zhǔn)噶爾板塊（Ⅰ）、準(zhǔn)噶爾地塊（Ⅱ）二級構(gòu)造單元南側(cè)，是新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈和復(fù)雜地區(qū)，隱伏斷裂為八鋼-石化、王家溝斷裂。崩塌、滑坡、地面沉降、地面塌陷及地裂縫均有發(fā)育，但地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性低。新校區(qū)校園內(nèi)沖溝發(fā)育，區(qū)內(nèi)沖溝由南向北蜿蜒。研究區(qū)內(nèi)發(fā)育的沖溝為降水（降雨、融雪水等）的匯集提供了條件，沖溝附近的土體更易于得到水體入滲，從而更容易發(fā)生土體的凍融作用。

2 研究區(qū)土體顆粒分析試驗(yàn)

在研究區(qū)，選取現(xiàn)場勘察有凍害及有工程建設(shè)的場地，采用四分法取樣，各處經(jīng)過多組平行試驗(yàn)選出最接近平均值的土樣A、B、C、D 取樣點(diǎn)如圖1（b）所示，進(jìn)行土體顆粒分析試驗(yàn)，繪制顆粒級配曲線，計(jì)算不均勻系數(shù)及曲率系數(shù)，判定土體粒度和級配，對巖土樣初步定名。

2.1 土樣A 顆粒分析試驗(yàn)

現(xiàn)場勘察土體為紅褐色含礫粉砂土和含礫粉土，含有一定量粉土，顆粒粒徑相對小，砂礫石含量較少，工程開挖的露頭如圖2a 所示土體，存在凍脹現(xiàn)象。在土體中取土樣A 進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)。顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果所得的各組粒徑見表1 和如圖3 所示。

表1 土樣A 顆粒分析結(jié)果

圖2 采樣點(diǎn)巖土體宏觀照片

采用四分法取樣篩分試驗(yàn)，各盤剩余累計(jì)質(zhì)量292.1g，誤差300-292.1/300=2.63%＜3%，滿足《土工試驗(yàn)規(guī)程》試驗(yàn)要求。如圖4 所示的顆粒分析結(jié)果（顆粒級配曲線）可知，土體顆粒有效粒徑d10 約為0.1mm,累積含量30%對應(yīng)的粒徑d30 約為0.8mm，平均粒徑d50 約為1.5mm，限制粒徑d60約為2.5mm；估算得不均勻系數(shù)Cu=25，曲率系數(shù)Cc=1.06，工程上一般判定為不均勻土、級配良好。現(xiàn)場勘察及肉眼觀察，該土樣為紫紅色含細(xì)礫砂土。

2.2 土樣B 顆分試驗(yàn)

B 處地層巖性比較復(fù)雜，水動(dòng)力較強(qiáng)，砂礫石混雜，磨圓度較好，分選性較差，上部有卵礫石層，基本為砂礫石土，如圖2b 所示。水平層理發(fā)育，略有分層。顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果見表2 和如圖3 所示。圓礫層埋深0.3～9m，重型動(dòng)力觸探N63.5 試驗(yàn)修正后平均錘擊數(shù)10.9 擊。

表2 土樣B 顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果

采用四分法取樣篩分試驗(yàn)，各盤剩余累計(jì)質(zhì)量432.2g，誤差440-432.2/440=1.77%＜3%，滿足《土工試驗(yàn)規(guī)程》試驗(yàn)要求。結(jié)合現(xiàn)場及顆粒分析試驗(yàn)測定結(jié)果，由圖4 判定土體顆粒有效粒徑d10 約0.1mm，限制粒徑d60 約為4.5mm，累積含量30%對應(yīng)的粒徑d30 約為0.5mm，平均粒徑d50 約為2mm；估算得不均勻系數(shù)Cu=45，曲率系數(shù)Cc=0.56，工程上一般判定為不均勻土、級配不良?，F(xiàn)場勘察及肉眼觀察，該土樣細(xì)礫含量過半，次之為砂粒，含少量粉土，初步定名為含粉砂礫石。

2.3 土樣C 顆粒分析試驗(yàn)

如圖5 所示，現(xiàn)場勘察土樣C 處巖層為泥質(zhì)砂巖強(qiáng)風(fēng)化形成的，土體結(jié)構(gòu)疏松，夾有細(xì)礫石，礫石分選性較差，局部偶見鈣質(zhì)結(jié)核，礫砂分層不明顯，有含礫石的粗砂土，含細(xì)砂透鏡體。取土樣C 做顆粒分析試驗(yàn)，結(jié)果見表3 和如圖2c 所示。

表3 土樣C 顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果

采用四分法取樣篩分試驗(yàn)，各盤剩余累計(jì)質(zhì)量320.7g，誤差323.8-320.7/323.8=0.96%＜3%，滿足《土工試驗(yàn)規(guī)程》試驗(yàn)要求。結(jié)合現(xiàn)場及顆粒分析試驗(yàn)測定結(jié)果，由圖4 判定土體顆粒有效粒徑d10 約0.13mm,累積含量30%對應(yīng)的粒徑d30 約為0.9mm，平均粒徑d50 約1.3mm，限制粒徑d60 約2.3mm；估算得不均勻系數(shù)Cu=17.69，曲率系數(shù)Cc=2.71，工程上判定土樣C 為不均勻土、級配良好?，F(xiàn)場勘察及肉眼觀察，判定為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。取樣實(shí)驗(yàn)過程中細(xì)粒粉土、黏土附著于礫砂石表面，在振篩的過程中部分以揚(yáng)塵的形式損失，還有一部分每層篩子上殘留了，是造成試驗(yàn)結(jié)果細(xì)砂及粉土含量低于與現(xiàn)場測定。

2.4 土樣D 顆粒分析試驗(yàn)

某工程場地地表如圖2d 所示，開挖基坑后如圖2e 所示，取土樣D 顆粒分析試驗(yàn)，結(jié)果見表4 和如圖3 所示。

圖3 土樣A、B、C、D 顆粒分析對比圖

表4 土樣D 顆粒分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果

四分法取500g 土樣進(jìn)行3 組試驗(yàn)，各盤剩余累計(jì)質(zhì)量498.9g，誤差（500-498.9）/500=0.22%＜3%，滿足《土工試驗(yàn)規(guī)程》試驗(yàn)要求。結(jié)合現(xiàn)場勘測，由圖3 及圖4 判定土體顆粒有效粒徑d10 約0.26mm,累積含量30%對應(yīng)的粒徑d30 約為0.83mm，平均粒徑d50 約2.03mm，限制粒徑d60 約2.6mm；估算得不均勻系數(shù)Cu=10，曲率系數(shù)Cc=1.019，工程上判定為不均勻土、級配良好。試驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)，該土樣底盤留土量高于土樣A、B、C，手搓感覺細(xì)滑，初步定名為弱膠結(jié)含礫粉土。

圖4 顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果（依次為孔徑10mm、5mm、2mm、1mm、0.5mm、0.25mm、0.1mm、0.075mm、底盤留土）

3 現(xiàn)場勘察凍融病害與土體粒度成分的相關(guān)性

3.1 現(xiàn)場勘察土體凍害特征

現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)凍脹通常發(fā)生在細(xì)粒土中，其中粉質(zhì)黏土和粉質(zhì)砂土中的水分遷移最為強(qiáng)烈，凍脹性最強(qiáng)，在研究區(qū)東北側(cè)出露。在黏土粒間孔隙小、水分遷移阻力大的情況下，凍脹特征不顯著。細(xì)砂凍結(jié)時(shí)，水產(chǎn)生反向（即向未凍土方向）轉(zhuǎn)移，出現(xiàn)排水現(xiàn)象，也不具凍脹性。砂礫，尤其是粗砂和礫石，顆粒粗、表面能小，凍結(jié)時(shí)水分遷移現(xiàn)象不明顯，所以不具凍脹性?，F(xiàn)場勘察土中砂粒、粉粒含量高時(shí)表現(xiàn)出明顯的土體毛細(xì)性，且凍脹現(xiàn)象明顯。

土樣A 處公路兩側(cè)邊坡有凍土分布，由此說明路基病害問題與土體顆粒級配、含水率相關(guān)極大。結(jié)合圖3、圖6 及現(xiàn)場勘察，對比分析發(fā)現(xiàn)，土樣A、D 處前期凍融現(xiàn)象明顯，每年11 月～次年3 月表現(xiàn)為土體凍脹隆升，每年4～5 月隨著氣溫回升該區(qū)融沉地面出現(xiàn)塌陷、裂縫等。

3.2 凍害與土體粒度成分相關(guān)分析

如圖5（a）所示，對四處不同取樣點(diǎn)土顆粒分析結(jié)果表明，土樣A 的土顆粒粒徑均小于20mm，以砂粒為主；土樣B 含各粒徑范圍內(nèi)的顆粒；土樣C 粗礫含量低于土樣B；土樣D 顆粒粒徑小于10mm，以砂、粉土為主。由圖5（b）可見，各組土樣顆粒粒徑小于0.5mm 的粒組含量較為接近，土樣A、B 中粒徑為0.2～0.5mm 的粒組含量相近，而土樣A 中粒徑為0.2～0.5mm 的粒組含量大于土樣B、C、D，土樣A 中粒徑為0.2～0.5mm 的粒組含量增幅大于土樣B、C、D 的增幅，而土樣A、B 兩組土樣的增幅相同；粒徑為0.1～0.25mm 顆粒含量A、B 組土樣相近，而D 土樣0.1～0.25mm 顆粒含量高于C 土樣，D 土樣小于0.15mm 顆粒含量最高，土樣A、B 0.1～0.25mm 顆粒含量增幅大、土樣C 和D 等幅增大，且D 土樣小于0.5mm 土樣含量高于C 土樣，D 土樣大于0.2mm 粒徑累計(jì)含量低于A、B 土樣但高于C 土樣。圖5（c）表明，在A、B、C、D 四組土樣中粒徑為0.1～1mm 的粒組含量；土樣A 增幅最大，粒徑為0.5～1mm 的粒組含量土樣C 增幅最小，土樣A 和D 粒徑大于0.5mm后的粒組含量等幅增大、土樣B 和C 等幅增大，且土樣A 和D 增幅大于B 和C 土樣。圖5（d）后半段折線表明A、B、C、D 四組土樣中粒徑為1～2mm 的粒組含量均隨粒徑變大而增大，土樣A、D 近似等幅度增大，土樣B、C 近似等幅度增大，土樣C 增幅最小、土樣A 增幅最大；且土樣D、A、C、B 1～2mm 粒組含量增幅依次增大。圖5（e）表明四種土樣粒徑為2～5mm 范圍內(nèi)顆粒含量均增大，土樣A 和C 中粒徑為2～5mm 的粒組含量增幅相同，土樣B 的增幅較小，土樣C 中粒徑為2.5mm 的累積含量最??；土樣D 增幅最大，粒徑約大于2.5mm 粒組后土樣B 顆粒累計(jì)含量低于土樣C，粒徑約大于3mm 粒組后土樣A 顆粒累計(jì)含量低于土樣D。圖5（f）表明，粒徑為5～10mm 的粒組含量土樣A、B 增幅相近，土樣C 增幅較大，土樣D 增幅略有降低。

現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)凍融作用下，土樣A 和D 取土處路基土凍脹、融沉明顯強(qiáng)于土樣B 的取土處，土樣C的取土處無凍脹、融沉特征，結(jié)合圖3，說明細(xì)粒含量高則土體更易凍脹、融沉?，F(xiàn)場勘測與顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果圖5（c）、（d）表明粒徑為0.5～1mm 的粒組含量越大凍脹和融沉破壞強(qiáng)度越高，對區(qū)域內(nèi)多組土樣顆粒分析試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)小于1mm 顆粒含量大于35%表現(xiàn)出凍脹、融沉破壞。

通過對4 個(gè)不同取樣點(diǎn)土顆粒分析試驗(yàn)及現(xiàn)場勘查表明，土樣B 含各粒徑范圍內(nèi)的顆粒、土樣A 顆粒粒徑小于20mm，以砂粒為主，C 土樣粗礫含量低于B 土樣，D 土樣細(xì)粒含量高；粒徑為10～20mm 的粒組含量C 土樣增幅最大、B 土樣次之、A土樣增幅較小、D 土樣增幅最小。此外，綜合2013 年取樣A 處邊坡、路基沉降（如圖6a、6b 所示）原因及土體顆粒分析試驗(yàn)可知，邊坡凍融后失穩(wěn)、路基融沉破壞與巖土體性質(zhì)、顆粒級配、孔隙率、含水量、裂隙發(fā)育程度等因素有關(guān)，邊坡開挖為凍融作用發(fā)生提供了更為有利的邊界條件。

圖6 路基凍融破壞現(xiàn)象

與土樣B、C 對比土樣A、D 細(xì)粒含量高，土中砂粒、粉粒、黏粒含量明顯偏高，凍脹、融沉特征明顯。粒徑為0.1～2mm 粒組含量控制凍融程度，粒徑為0.5～1mm 粒組是影響凍脹、融沉破壞的主要粒徑，這與現(xiàn)場勘察粉細(xì)砂、粉土、黏土分布區(qū)凍融特征明顯較為吻合，也說明細(xì)粒含量高則發(fā)生凍融破壞的可能越大。

4 討論與結(jié)論

在后期的研究中應(yīng)考慮不同顆粒成分土體中水分隨凍融作用的變化，水的賦存狀態(tài)、土顆粒粒間力、凍脹力等飽和、非飽和及粗粒、細(xì)粒土粒度成分與凍融病害的相關(guān)性。本文研究中所取土樣A、B、C 均為地表土樣，存在其中細(xì)粒被吹揚(yáng)及地表徑流裹挾帶到地勢低洼處，土樣D 為基坑開挖是取土樣試驗(yàn)，取樣深度大于2m。今后可在排除地表、地下水徑流的條件下，考慮土層凍深以下范圍內(nèi)取土樣試驗(yàn)，進(jìn)一步揭示凍害與土體粒度成分的關(guān)聯(lián)性。

結(jié)合現(xiàn)場勘察及土體顆粒分析試驗(yàn)得出，細(xì)粒含量高則發(fā)生凍融破壞的可能性越大，粒徑為0.5～1mm 粒組是影響凍脹、融沉破壞的主要粒徑，現(xiàn)場勘察多為細(xì)砂、粉土、粉質(zhì)黏土、黏土分布區(qū)。文中土樣A（紫紅色含細(xì)礫砂土）、土樣D（弱膠結(jié)含礫粉土）粒徑小于1mm 的粒組含量大于35%，凍脹、融沉破壞特征明顯；土樣B（含粉砂礫石）、土樣C（強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖）顆粒不均勻，土樣B 礫石含量高于其他土樣、級配不良，土樣C 中粒徑小于1mm 的粒組含量約為25%，低于其他土樣，級配良好，且粗砂及細(xì)礫含量高，凍融特征相對弱。

致謝：感謝新疆工程學(xué)院“天山學(xué)者”——中國地質(zhì)大學(xué)（北京）孫進(jìn)忠教授對本文的指導(dǎo)及提出寶貴的意見和建議，在此表示謝忱。