延安宝塔山隧道黄土物理力学性质试验

摘 要:黄土是一种特殊性质的土体,含水量不同,其力学性能指标差异较大.为进行延安宝塔山隧道结构建模分析,提出有效的湿陷性黄土隧道围岩加固处理措施,通过对黄土路基颗粒组成分析,对其物理和力学性质进行试验研究并提供相关基本物理及力学参数.试验研究结果表明,黄土的(干容重)孔隙比和含水量均是黄土的湿陷变形的主要影响因素.该地区的黄土湿陷性很小,湿陷引起的危害较少.

关 键 词:物理力学性质试验湿陷性

中图分类号:TQ02文献标识码:A文章编号:1007-3973(2010)01-081-02

建国以后我国在铁路工程建设中,解决了大量的黄土地区土质隧道工程实际问题.虽然在以往各条线路黄土隧道的设计与施工中进行了大量的科研试验工作,但都是针对单线或一般断面双线黄土隧道,隧道开挖断面最大为120m2.而包西客运专线黄土隧道开挖断面大幅度增加至160m2左右.开挖宽度达15m,在国内尚无先例.另外,隧道跨度和断面大小不同,衬砌所表现出的力学形态也不一样.中国黄土分布总面积达6404km2,占国土总面积的6.6%,占世界黄土面积的4.9%.我国西北地区黄土沉积巨厚,滑坡、泥石流等地质灾害爆发频率高,是全国乃至全世界地质自然灾害和水土流失最严重的地区之一.黄土是典型的水敏感性地质体,水体入渗致使黄土湿陷,力学强度大幅度下降是诱发黄土滑坡的重要因素.黄土是一种特殊性质的土体,含水量不同,其力学性能指标差异较大.为进行延安宝塔山隧道结构建模分析,提出有效的湿陷性黄土隧道围岩加固处理措施,通过对黄土路基颗粒组成分析,对其物理和力学性质进行试验研究并提供相关基本物理及力学参数.

1物理性质试验及分析

本文通过对延安地区宝塔山隧道DK502+570和DK502+677两处开挖阶段掌子面上的新老原状黄土取样试验及原位测试,确定黄土的物理力学参数.

1.1隧道原状土的湿容重、干容重、含水率测定

湿陷性黄土天然容重变化范围较大,一般为1.33~1.81g/cm3,它不仅取决于颗粒的大小和含量的多少,还与土的含水量有关.干容重是衡量黄土密实程度的一个重要指标,与土的湿陷性有密切关系.

按工程需要取三个原状土试样,分别编号为AⅠ、AⅡ、AⅢ.

表1土的干密度实验记录

1.2原状土颗粒分析试验测定

土的颗粒是指岩石、矿物和非晶体化合物的零散碎片或碎屑.通过颗粒分析试验测定干土中各种粒组所占该土总质量的百分数,借以明了颗粒大小分布情况.

通过水洗法测定,该地区黄土粒径小于0.075mm的颗粒成分占总颗粒成分的95%以上,针对此情况,本试验采用密度计法测定土颗粒分析.按照《土工试验规程》采用乙种密度计分别对宝塔山隧道DK502+570和DK502+677两处黄土烘干测定.通过计算,在对数坐标中,将颗粒粒径大小分布曲线画出.

图1颗粒分析实验粒径分析图

1.3实验结果分析

根据以往各地区的湿陷性黄土的物理性质测定,湿陷性黄土干容重的变化范围一般在1.14~1.69g/cm3之间,干容重小,湿陷性强,,反之,则弱.根据该地区黄土干容重的试验数据显示(表1),该地区黄土干容重较大在1.68g/cm3左右.

湿陷性黄土的天然含水量在3.3~25.3之间,其大小与测试位置的地下水位深度和年平均降雨量有关,含水量越低,则湿陷性越强,随着含水量的增大湿陷性将逐渐减弱,当天然含水量小于23%时,土体具明显的湿陷性,大于23%时,土体湿陷性不明显.且当天然含水量大于25%时,土体不具湿陷性.根据该地区黄土含水量的试验数据显示(表2)该地区黄土的天然含水量在16.67%左右.

湿陷性黄土以粉粒为主,其含量可达60%以上.从该地区粒径分布曲线(图1)中可见:砂粒(>0.05)含量为8%左右,粉粒(0.05~0.005)含量为62%左右,粘粒(<0.005)含量为30%左右.随着粘粘粒含量的增加,黄土的湿陷性减弱.但是只根据颗粒组成去正确判断黄土的湿陷性还有相当困难,因为粘粒的赋存状态对其也有很大影响.

综合上诉各物理性质的测定分析,初步预测该地区黄土湿陷性比较弱.

2力学性质试验及分析

2.1压缩性试验

土的压缩性对土的工程性状有重要影响.对湿陷性黄土来说,压缩变形指土在天然含水量条件下受外荷载作用所产生的变形,它不包括土受水浸湿后的湿陷变形.

表3压缩实验记录

图2压缩实验孔隙率―压力关系图

2.2黄土的湿陷试验

黄土的湿陷系数是评价黄土的湿陷性的一个重要参数.黄土湿陷是黄土在一定的压力、浸水及渗流长期作用下,产生压缩、湿陷及渗透溶滤变形的全过程.根据工程需要,本试验通过测定黄土的自重湿陷系数分析宝塔山隧道黄土的湿陷性.

表4湿陷性实验数据记录

2.3力学性质试验结果分析

通过实验测定该地区的压缩系数(表3)发现该地区的室内土的压缩性和实际压缩性有一定出入.这是因为黄土的结构性强,受取样和测试过程中的扰动影响,得出的指标与实际有一定出入.因为黄土的结构复杂性和影响压缩变形的因素较多,所以黄土的压缩性对土的湿陷性研究没有直接影响.最后,通过室内试验自重湿陷系数(表4)的测定,得出该地区的湿陷性很低,最终判断和通过其物理性质的判断相一致.

3结论

通过对延安宝塔山隧道开挖层的黄土进行物理和力学试验分析,该地区的黄土的干容重达到湿陷性黄土地区的上限,并且该地区黄土含水量属湿陷性黄土中偏高值,通过这些可以初步判断该地区的湿陷性比较弱,也就是产生湿陷的可能性较小.最后通过力学性质试验测定其压缩系数以及湿陷系数,得出结论是压缩系数和湿陷系数都很小,验证了通过物理性质分析的结论.从该地区的黄土物理力学试验分析,可初步判定宝塔山隧道大断面开挖时,黄土相对而言稳定性比较高,由湿陷性产生的危害较小,可以做一般的建模进一步分析.