赵 蒙 谭博仁 邓 瑞 郭 维
(1.成都大学建筑与土木工程学院，成都 6100442；
2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059)
随着近年来铁路提速以及运量增加，很多地区的既有线路都发生了不同程度的沉降。尤其在黄土地区，采用大水漫灌的农业生产方式，会导致路基土体病害更加严重。已有学者开展相关研究，简涛发现，黄土的压缩系数α随黏粒含量增加而减小，且随着黏粒含量增加，黄土试样的变形量相对增大，变形达到稳定的时间也相对较长[1]；
孙明祥认为随着含水率增大，土体的液性指数增大，土体的黏聚力减小，抗剪强度减小，地基承载力减小[2]；
雷祥义等根据粒度分析资料探讨了秦岭山地黄土成因，认为黄土的物质组成决定其物理力学和化学特性，石英和长石等碎屑作为颗粒物质，是组成土体的骨架成分[3-4]。不难看出，研究黄土地区的既有线路基土的沉降机理，对于保证铁道正常运行具有重要意义。
本次研究选取西北黄土地区宝中线铁路既有线路段，进行现场取样，并对现场典型路段具有代表性的层位进行深入的室内研究，基于微观试验以及土工常规三轴剪切试验，重点研究黏土矿物“团块化”程度对黄土力学特性的影响。
1.1 工程背景
宝鸡至中卫铁路位于我国黄土高原的西北边缘西吉盆地，于1990年正式开工建设，1996年7月建成并正式营运，起点为陕西省宝鸡市，终点为宁夏固原市中卫县，全长498.19 km。该线修筑时，由于工期较短，对路基黄土处理较少，导致路基承载能力差，尤其是近几年提速以及运量增加，增加了黄土路基的振动荷载，自2012年以来一直以60 km/h限速通行。
该区域属中温带半湿润向半干旱过渡带，具有大陆性和海洋季风边缘气候特点，春低温少雨，夏短暂多雹，秋阴涝霜早，冬严寒绵长。全年日照时长为2 527 h，在时间分布上，春夏两季多，秋冬季少，5～6月达到最高值，11月份出现最低位。年平均气温6.5 ℃，年平均降雨量300 mm，其中6～9月份降雨量达207.9 mm，占69.3%，降水量随海拔的升高而增多。
区内黄土为河水冲刷、搬运并堆积形成的次生黄土[5]，该线周围地形起伏较小，不良地质现象较少，主要地质问题为风积以及冲洪积黄土引发的路基沉降等现象[6]。
1.2 取样情况
现场调查发现，线路多处出现了不同程度沉降问题，具体为路基出现不均匀沉降，轨道面起伏不平，现场情况见图1。其中，K329+400～K329+600段、K330+200～K330+400段处等可见明显的台阶(即小里程侧高，大里程侧低)，同时路基两侧也出现裂缝，见图2。
图1 路基不同程度沉降示意
图2 路基两侧裂缝
根据宝中铁路K329～K331段路基病害情况，对现场病害段和非病害段路基土分别进行钻探取样，发现病害和非病害路基土1～4 m处的路基土多为坚硬-硬塑状态；
病害段4～8 m处的路基土多为软塑-流塑状态，韧性较差，非病害段为可塑状态，韧性较强。根据现场钻孔资料，选取有病害段6 m处路基土和非病害段6 m处路基土，对其工程地质特性进行室内试验研究。现场路基段取样地点示意见图3。
图3 现场路基段取样地点示意
1.3 试验土样
采用液、塑限联合测定法对研究区黄土的塑液限进行试验。液、塑限联合测定法是根据圆锥仪的圆锥入土深度与其对应的含水率在双对数坐标上的线性关系来进行描述。测得土在不同含水率时的圆锥入土深度，并绘制其关系直线，圆锥下沉10 mm所对应的含水率即为液限，圆锥下沉深度为2 mm所对应的含水率即为塑限。样品的基本情况见表1。
表1 土样基本情况
对土样进行基本物理参数的测试，测试结果见表2。
表2 土样的基本物理参数
1.4 试验仪器
本次试验仪器分为2种：微观试验仪器、宏观力学特性试验仪器。
(1)微观试验仪器
采用Mastersizer 2000激光粒度分析仪、DMAX-3C射线衍射仪以及日立S-3000N扫描电镜[7]。
(2)宏观力学特性试验仪器
采用TCK型土工三轴应变控制剪切仪。
1.5 试验方法
本次研究采用的试验有粒度分析试验、XRD衍射试验、SEM扫描电镜试验以及常规土工三轴试验。
(1)粒度分析试验
将样品风干，粉碎，过1 mm筛，并使用Mastersizer 2000激光粒度分析仪进行分析，得出土体颗粒粒度分布曲线、颗粒级配曲线以及颗粒级配参数，所使用Mastersizer 2000激光粒度分析仪见图4。
图4 Mastersizer 2000激光粒度分析仪
(2)XRD衍射试验
在进行矿物成分试验之前，首先将准备好的土样进行烘干，温度105 ℃，恒温保持8 h以上直至土样达到恒重状态，然后将土样磨成粉末状。取适量土样粉末放入试样架凹槽内，并将粉末表面刮平。使用的DMAX-3C射线衍射仪见图5，以5°～60°进行衍射，得出两种土样的波形图以及物质成分含量；
试验过程相关过程见图6。
图5 衍射仪
图6 XRD衍射试验
(3)SEM扫描电镜试验
试样在烘干箱进行烘干处理，温度110 ℃，恒温6 h，再调至60 ℃烘干至恒重。取出烘干的试样，选择较为完整的试块掰开，选择新鲜的断面作为电镜扫描面。切取试样的大小为3 mm×3 mm×1 mm，喷金处理后将试验样品做抽真空处理，最后采用日立S-3000N扫描电镜进行扫描，观察土体的微观结构，并进行形貌分析。
(4)常规土工三轴试验
根据现场情况，使用固结不排水(CU)的试验方法，得出孔隙水压力曲线以及轴向应力曲线，并得出C、φ值以及孔隙水压力系数A值，所用常规三轴试验仪器见图7。
图7 常规三轴试验仪器
2.1 基本土工试验成果及分析
根据基本土工物理参数结果，病害段土样盒非病害土样有较大的差异：病害段含水率较高，大于液限；
非病害段含水率较低，小于液限。塑性指数病害土较非病害土低，根据《铁路工程岩土体分类标准》土样均为砂质黄土[8]。由于塑性指数和土体自身物质组成以及结构有关，故需要进行微观试验[9]。
2.2 颗粒粒度试验及分析
颗粒粒度分析试验通过Mastersizer 2000激光粒度分析仪进行分析，所得的分析成果见图8、图9。
图8 样品颗粒粒径分布累积对数曲线
图9 样品颗粒粒径分布对数曲线
由图8、图9可知，1号样品和2号样品在土颗粒组成上有较大的差异，1号样品1～10 μm的颗粒较少，2号样品较多；
1号样品颗粒级配曲线较2号平缓，级配较差[10]。
根据颗粒粒度分布对数曲线以及颗粒级配曲线可以得出参数，见表3。
表3 土样颗粒粒度参数
由表3可知，两类土的不均匀系数均大于5，1号样品曲率系数小于1，而2号样品的曲率系数大于1，但在1～3范围内。1号样品黏粒含量和砂粒含量较2号少，而粉粒含量较2号多，达到17.5%，2号样只有1.9%。
从以上参数分析可知，1号样品级配不良，并且砂粒含量较多，黏粒和粉粒含量较少；
2号样品级配良好，黏粒和粉粒含量较多，砂粒含量较少[11]。
2.3 矿物成分XRD衍射试验及分析
1号样品RD衍射波形见图10，2号样品XRD衍射波形见图11。其中，A为伊利石，B为绿泥石，C为石英，D为钾长石，E为斜长石，F为方解石，G为白云石。
图10 1号样品XRD衍射波形
图11 2号样品XRD衍射波形
由图10、图11可知，1号和2号样品中所含的矿物质成分基本相同：黏土矿物为伊利石和绿泥石，构成土颗粒骨架的矿物颗粒主要为石英，其次为钾长石、斜长石、方解石以及白云石。
根据波形图可知，1号样品伊利石、绿泥石和石英的叠加衍射峰较高，2号样品较低。并且，1号样品的伊利石衍射峰和绿泥石的衍射峰较2号样品低，可以初步看出，1号样品所含黏土矿物含量较少，石英等构成土体骨架颗粒较多。
通过内标法，根据衍射波形图对矿物质含量进行分析，方法如下。
本次定分析使用的是MID Jade软件进行分析，通过RIR方法(基本清洗法)计算土体每种物质的质量分数。样品质量与Al2O3(刚玉)1∶1混合以后，测量样品最强峰的积分强度/刚玉最强峰的积分强度(K值)。计算公式为
(1)
样品某一相X的质量分数计算公式为
(2)
根据内标法所得出的每种矿物质的含量见表4。
表4 XRD衍射得出的每种矿物质含量
根据内标法计算的结果，1号样品黏土矿物含量(伊利石+绿泥石)为26%左右，石英等构成土体骨架矿物的含量为73%，次生矿物占总矿物含量的45%左右，说明病害区路基黄土的亲水性较弱；
2号样品黏土矿物含量为40%左右，构成土体骨架的矿物为60%。
黄土的结构强度与其黏土含量与胶结程度关系密切，天然状态下黏土矿物固结成聚集体，可起到很好的胶结作用，但在浸水或受到较大的外力时，颗粒之间的胶结作用极易破坏，严重影响黄土的强度。因此，根据以上结果可知，病害区与非病害区路基的黄土的矿物成分差异较大，矿物成分的差异是导致不同处黄土在同样的外界条件下其力学性质差异的根本原因。
同时，结合粒度分析曲线，黏土矿物含量和黏粒含量相差较大，可能是因为黏土矿物除了在土体中起到填充颗粒之间孔隙作用外，还会在土颗粒时间形成较强的连接，促使土体“团块化”[12-15]。参与土体团块化的黏土矿物含量为黏土矿物含量减去黏粒含量，得出的结果见表5。
表5 “团块化”黏土矿物含量
由表5可知，1号样品参与“团块化”的黏土矿物含量较低，只有1%左右，而2号样品参与黏土“团块化”的黏土矿物含量较高，可达9.4%。
2.4 SEM扫描电镜试验及分析
使用S-3000N扫描电镜对样品进行试验，分别对1号样品和2号样品在放大200倍条件下以及放大1 000倍条件下进行扫描，得出SEM图片。可以清楚看出土体颗粒的联结情况以及颗粒的排列情况。得到的SEM图片见图12。
图12 样品SEM扫描电镜土图像
由图12(a)、图12(c)可知，1号样品颗粒之间无法形成有效连接，充填的细颗粒较少，结构较为松散，几乎无黏土团块；
2号样品颗粒之间连接较好，结构紧密，有大量黏土矿物和颗粒填充，出现大量“团块化”现象。
由图12(b)、图12(d)可知，1号样品颗粒表面仅有少量黏土矿物附着，颗粒间小孔隙较多，无法形成强有力的连接；
2号样品表面附有较多黏土矿物，颗粒孔隙较少，颗粒间多被黏土矿物填充。
通过粒度分析试验、XRD衍射试验以及SEM扫描电镜试验，病害段路基土“团块化”程度较高，所形成的结构较为松散；
非病害土“团块化”程度较低，所形成的结构较为紧密。
根据现场排水条件较差的工况以及荷载情况，采用固结不排水(CU)土工常规三轴试验，分别在100，200 kPa和300 kPa的围压下，以0.04 mm/min的速率对土样进行剪切，得出(σ1-σ3)～ε、μ～ε的关系曲线，见图13、图14。
图13 样品(σ1-σ3)～ε曲线
图14 样品μ～ε曲线
由图13可知，在不同的围压下，1号样品较2号样品的偏应力峰值小，1号样品偏应力(σ1-σ3)在不同围压下增长较慢。
由图14可知，1号样品孔隙水压力峰值较2号样品大；
在5%应变之前，1号样品孔隙水压力增长较快，2号样品增长较慢；
在5%应变之后，2号样品孔隙水压力增长较快，并于10%作用的应变下达到峰值，1号样品增长较慢，直到15%左右才达到峰值。
根据三轴试验的(σ1-σ3)～ε、μ～ε关系曲线以及有效应力原理，得出1号样品和2号样品的黏聚力C、内摩擦角φ以及孔隙水压力系数A，见表6。
表6 三轴试验参数
由表7可知，1号样品为黏聚力C、内摩擦角φ较小，尤其是C值，小于10 kPa，孔隙水压力系数在0.5～1之间，为正常固结土；
2号样品黏聚力C、内摩擦角φ较大，孔隙水压力在0.5左右，为超固结黏土。
根据常规土工三轴试验结果以及微观试验结果，土体“团块化”对土体力学性质有较大的影响。非病害土“团块化”程度高，土体的黏聚力C、内摩擦角φ较大，孔隙水压力系数小，表现为超固结土的力学特性，抗破坏性强；
病害土“团块化”程度低，土体黏聚力C和内摩擦角φ较小，表现为正常固结土的力学特性，抗破坏性差。
微观方面，在颗粒组成上，病害土黏粒和粉粒含量较少，砂粒含量较多；
在矿物组成上，病害土黏土矿物含量较少，骨架颗粒矿物较多；
非病害土黏土矿物含量较多，骨架颗粒矿物较少。在微观结构上，病害土“团块化”程度较低，颗粒间填充较少，无法有效连接，从而不能形成稳定的结构；
非病害土“团块化”程度高，颗粒之间填充较多，能形成有效连接，从而能够形成稳定的结构。
在宏观力学特性方面，病害土黏聚力C和内摩擦角φ较小，孔隙水压力系数较大，在施加外部荷载的情况下，孔隙水压力增长较快，轴向应力增长缓慢，导致土颗粒无法有效承受荷载，表现为正常固结黏土的性质；
而非病害段黏聚力C和内摩擦角φ较大，孔隙水压力系数较小，在施加外部荷载的情况下，孔隙水压力增长较慢，土体承受大部分荷载，表现为超固结黏土的性质。
综上所述，土体的“团块化”程度越高，对构建稳定的土体结构，保持较好的力学性质，具有促进作用。
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