黃土地區常見工程地質問題的淺析及對策事項

姚海平，裴生麗，張云江

(1.核工業二八0 研究所，四川 廣漢 618300；2.北京中核大地礦業勘查開發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75.53km，陜西省境內135.54km。線路行進晉、陜兩省的晉南地區和關中平原東部（圖1）。

該段位于渭河沖積平原東南部，東起大荔縣西側，西至西安市臨潼區新豐鎮，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、關中環線等。橋梁所跨既有鐵路線有：渭化專用線、何零聯絡線、西延聯絡線、包西聯絡線、侯西聯絡線。橋梁所跨越的河流主要有：洛河、渭河等。交通較為便利。沿線的不良地質現象主要有塬上深切溝谷岸坡坡面上發育的小型滑坡；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

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

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

高原地區類：主要分布在陜西省至華陰間的黃土臺塬區，黃土連續大面積覆蓋，地層發育完整，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。

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。

河谷平原地區類：主要分布在渭河平原內，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。“新風成說”對物源、搬用、搬用時候的風力情況、沉積環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 黏質黃土物理力學特征參數統計表

表2 砂質黃土物理力學特征參數統計表

1.3 工程地質物理力學性質

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

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

2 黃土地區主要的工程地質問題

黃土地區的工程地質問題與一般工程地質問題相比既有共性、又有特殊性，常見的工程地質問題主要的有濕陷性、不良地質（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，常發生突然的沉陷的性質。同時黃土的壓密變形表現為壓縮變形和濕陷變形。結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在基本特征及所處地區地質環境這雙方面的因素，同時這雙方面的因素也決定了黃土的基本工程地質性質。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。

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

黃土濕陷類型分區可根據場地的濕陷類型、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構。②黃土在荷載及浸水作用后，結構連接松弛，強度消弱。③黃土微結構特征的不同，促使黃土骨架顆粒的成分、形態、顆粒連接的性質狀況不同，導致黃土濕陷變形的遲緩與劇烈就不同。④在有側限的壓縮試驗中，土的壓縮變形本質上是一種粒間受剪的現象，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生不均勻沉降或突然沉陷。采取的基礎處理方法要根據土層物理力學指標、濕陷土層厚度等因素，經沉降檢算，結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 黃土地區的不良地質（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，現在部分已坍塌填充，受當地氣候影響，洞壁較為潮濕或干燥，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。據物探勘察結果得出該橋址范圍段有：朱王村（位于橋址DK808+500～DK808+950段附近,測區范圍內GDS-09～GDS-99）；西韓村（測區范圍內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,測區范圍內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,測區范圍內GDS-03～GDS-23）；北牛村（位于橋址DK826+450～DK826+800 段附近,測區范圍內GDS-22～GDS-25 段）地下有回填過地道通過。防空洞都較為發育，發育深度5m 左右，空洞現已坍塌、充水，空洞坍塌前規模較大，密集。該不良地質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）。

渭洛河區域根據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《京滬高速鐵路工程地質勘察暫行規定》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廣泛分布，土層多為砂質黃土、粉土、粉質黏土及部分粉、細砂，厚6～20m不等，局部深達25m，呈互層狀。

根據原位測試及標貫試驗和原狀土樣試驗資料，局部飽和黃土、粉土及流塑狀粉質黏土σ0≤0.08MPa，為軟土，呈透鏡狀分布。松軟土和軟土一般表現為強度低，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

黃土地區的工程地質條件較為復雜，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育的分水嶺地區。凡是強烈發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，西至西安市臨潼區新豐鎮，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、關中環線等。橋梁所跨既有鐵路線有：渭化專用線、何零聯絡線、西延聯絡線、包西聯絡線、侯西聯絡線。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，在黃土地區常見的工程地質問題主要的有濕陷性、不良地質（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象。線路通過上述不良地質和特殊巖土地段時，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生不均勻沉降或突然沉陷。采取的基礎處理方法要根據土層物理力學指標、濕陷土層厚度等因素，經沉降檢算，結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。當地基處理措施不能完全保證沉降要求時，宜采用剛架線路通過或橋通過。

2）不良地質（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 結語

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

2）同時要掌握黃土性質與自然條件之間的規律。

3）面對黃土地區常見的工程地質問題，線路通過不良地質和特殊巖土地段時，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）當地基處理措施不能完全保證沉降要求的，宜采用鋼架線通過或以橋通過。

［1］褚桂堂.工程地質學[M].北京∶地質出版社,1995.