论文部分内容阅读
摘 要：本文以地铁五号线兴庆路站的施工为背景，通过现场试验与室内试验，对比与分析饱和软黄土降水前后性能的变化规律发现：饱和软黄土降水后其侧壁摩阻力、锥尖阻力、旁压模量以及旁压剪切模量都有一定程度提高，另外，饱和软黄土层的含水率比降水前减少了30.2%，天然重度比降水前减少了6.9%，饱和度比降水前减少了32.7%，液限指数降水前减少了71.4%，而孔隙比与干重度等指标变化不大。该场地采用的坑外管井降水工艺有效地改善了饱和软黄土土层的力学性能与承载能力，更进一步地保证了施工的安全，为以后饱和软黄土地层的施工提供了参考。
关键词：地铁施工 降水 饱和软黄土
中图分类号：U231.3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）06（c）-0069-05
西安地区在地铁施工过程中会遇到大量饱和软黄土（饱和度大于80%，湿陷性已退化了的黄土）分布的区域，由于其具有强度低、承载力差等不良物理力学特性，为保证工程施工的安全与稳定，科研与技术工作者对该类黄土进行了相应的基础与应用研究。比如，高虎艳等结合西安地铁勘察成果和其他工程试验与监测结果，从饱和软黄土各方面性能与特点进行较为全面的分析[1]。何武旗以西安地铁六号线东关正街—兴庆路区间地铁隧道的修建为背景，采用现场试验和室内试验对及数值模拟的方法对饱和软黄土的工程地质特性及其对地铁隧道的影响展开了研究工作，得到了饱和软黄土的相关性能指标区间以及相关指标与深度之间的关系[2]。刘洋结合饱和软黄土的工程特性及依托工程概况进行分析，认为饱和软黄土地层段施工风险的主要诱因是饱和软黄土失水引起的地层固结沉降[3];杨锋开展了饱和软黄土地层原位试验和室内试验，并详细研究了饱和软黄土的变形机理[4]。李慎岗介绍了饱和软黄土在中马铁路中的解义、分布、成因、工程特性及其对工程影响情况，确定针对性的勘察方法并提出工程处理措施建议[5]。
上述研究都是针对饱和软黄土的复杂物理力学性能，通过研究它的受力与变性规律，得到相关的控制分析的理论支撑与实际处理方案。本文與上述研究的主要区别在于，通过降水对饱和软黄土进行处理，对比分析降水前后该位置土层的物理性能，从而验证该降水工艺对处理饱和软黄土的效果。
1 工程概况
兴庆路站为五号线一般中间站，前承太乙路站，后接青龙寺站，车站主体位于雁翔路和南二环交叉路口东南侧，沿雁翔路东南向布置于道路下方。车站长为227.7m，标准段宽度为22m，站台宽12.5m，有效站台长118m，高为16.95～23.31m，轨面埋深17.255m。车站起点里程YDK37+690.718，设计终点里程YDK37+918.418。车站主体为地下二层双跨（局部三跨）箱型框架结构，顶板覆土约3.0m，底板最大埋深约23.31m。车站主体采用明挖法施工。车站共设置4个出入口、1个安全出口、2组风亭和1座冷却塔，其中IV号出入口与1号风道合建，安全口和2号风道合建，I号出入口预留市政过街通道接口。
该场地按照每个岩土层按岩土层代号、岩土名、时代成因、岩性描述布列如表1所示。
通过上述表格可知，该区段的饱和软黄土上面还覆盖有三层土，分别是杂填土、素填土以及新黄土，主要分布于场地北部，其层厚为1.0～3.2m，层底深度10.4～11.8m，层底高程413.18～415.69m。
2 降水工艺
根据工程地质条件、水文地质条件、施工方法及基坑周边建筑物环境条件，结合邻近场地基坑降水工程经验，本场地降水采用坑外管井降水。
兴庆路车站2014年3月钻孔内量测的稳定水位埋深9.20～12.60m，根据车站结构底板埋深确定水位降深为9.0～1 1.0m之间（端头局部降深13.0m），由于水位埋深及水位降深均起伏较大，故降水计算时将车站分为2段来考虑，其中第一段布置降水井19口，观测井3口;第二段布置降水井18口，观测井2口，如图2和图3所示。
3 饱和软黄土降水效果
3.1 现场试验
3.1.1 静力触探
本次试验采用20t液压静力触探车，配置JKS15-4型双桥探头，利用车载触探机以20mm/s的速度将触探探头压入土中，利用探头内的测力传感器，并通过自动记录仪分别记录探头贯入过程中的锥尖阻力及侧壁摩阻力。
通过图4和图5可以得知，侧壁摩阻力与锥尖阻力在2.0～15.0m各个土层范围内基本都得到了提高，侧壁摩阻力在降水后增加较多，锥尖阻力增加相对较小。特别是在8.0～11.0m的饱和软黄土土层，其降水前后侧壁摩阻力与锥尖阻力都有一定程度提高。
3.1.2 旁压
本次试验采用法国Menard（梅纳）G-AmⅢ型预钻式旁压仪进行，旁压器型号Nx型，外径Φ74mm，量测腔长度230mm，固有体积880cm3，仪器容许最大压力9.0MPa。测试采用1min快速加压法，加压后15s、30s、60s测读体积变形量。
取10m深度附近的饱和软黄土土层进行旁压试验，其降水前后的试验结果如图6和图7所示。
根据上图所测得的旁压曲线特征以及相应的计算方法，可以确定出孔壁土体的静止侧压力P0、临塑压力Pf、极限压力PL、旁压模量、旁压剪切模量以及基床系数等不同参数，结果如表2所示。由表3和表4可知，饱和软黄土降水前后各项指标的性能都得到了大幅度提高。特别是降水前，饱和软黄土从临塑状态到达破坏阶段时，只需要44kPa，而降水后的黄土，从临塑状态到达破坏阶段需要208kPa，极大程度地延缓了土体的变形发展速度。 3.2 室内试验
3.2.1 物理性质指标试验
降水前，饱和软黄土层的黄土含水率平均值为29.7%，天然重度平均值为19.0kN/m3，孔隙比平均值为0.815，饱和度平均值为98.2%，塑性指数平均值为11.6，液限指数平均值为1.05。
降水后，饱和软黄土层的黄土含水率平均值为20.7%，比降水前减少了30.2%;天然重度平均值为17.7kN/m3，比降水前减少了6.9%;饱和度平均值为66.1%，比降水前减少了32.7%;液限指数平均值为0.30，比降水前减少了71.4%。而孔隙比与干重度等指标变化不大。
3.2.2 压缩性指标试验
通过表5和表6得知，降水前后饱和软黄土的压缩模量得到一定程度提高，由于试验过程中的扰动与固结压力的施加，使得前面小荷載所对应的Es1-2、Es2-3、Es3-4等压缩模量变化不大，但后面大荷载所对应的Es4-5、Es5-6、Es6-7、Es7-8等压缩模量提高较多，其中Es7-8提高66.3%。
4 结语
本场地降水采用的坑外管井降水工艺，极大程度地改善了各土层的力学性能。特别是针对饱和软黄土土层，并通过静力触探、旁压以及室内试验对比分析了降水前后各方面性能指标的变化，实验结果表明，该降水工艺能够消除饱和软黄土土层强度低、承载力差等不良物理力学特性，具体提高程度如下所示。
（1）侧壁摩阻力与锥尖阻力在2.0m～15.0m各个土层范围内基本都得到了提高，侧壁摩阻力在降水后增加较多，锥尖阻力增加相对较小。特别是在8.0m～11.0m的饱和软黄土土层，其降水前后侧壁摩阻力与锥尖阻力都有一定程度提高。
（2）饱和软黄土降水前后各项指标的性能都得到了大幅度提高。特别是降水前，饱和软黄土从临塑状态到达破坏阶段时，只需要44kPa，而降水后的黄土，从临塑状态到达破坏阶段需要208kPa，极大程度地延缓了土体的变形发展速度。
（3）降水后，饱和软黄土层的黄土含水率平均值为20.7%，比降水前减少了30.2%;天然重度平均值为17.7kN/m3，比降水前减少了6.9%;饱和度平均值为66.1%，比降水前减少了32.7%;液限指数平均值为0.30，比降水前减少了71.4%。而孔隙比与干重度等指标变化不大。
（4）降水后，饱和软黄土的压缩模量得到一定程度提高，由于试验过程中的扰动与固结压力的施加，使得前面小荷载所对应的Es1-2、Es2-3、Es3-4等压缩模量变化不大，但后面大荷载所对应的Es4-5、Es5-6、Es6-7、Es7-8等压缩模量提高较多，其中Es7-8提高66.3%。
参考文献
[1] 高虎艳，邓国华.饱和软黄土的力学与工程性质分析[J].水利与建筑工程学报，2012，10（3）：38-42.
[2] 何武旗.西安兴庆湖周边饱和软黄土的工程地质特性及穿越方案研究[D].西安科技大学，2018.
[3] 刘洋.深厚饱和软黄土地层地铁隧道暗挖安全保障技术研究[D].长安大学，2018.
[4] 杨锋.饱和软黄土地铁隧道施工地表沉降特性及其控制技术[D].西安科技大学，2017.
[5] 李慎岗.中马铁路饱和软黄土浅析[J].铁道勘察，2015（4102）：53-55.
关键词：地铁施工 降水 饱和软黄土
中图分类号：U231.3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）06（c）-0069-05
西安地区在地铁施工过程中会遇到大量饱和软黄土（饱和度大于80%，湿陷性已退化了的黄土）分布的区域，由于其具有强度低、承载力差等不良物理力学特性，为保证工程施工的安全与稳定，科研与技术工作者对该类黄土进行了相应的基础与应用研究。比如，高虎艳等结合西安地铁勘察成果和其他工程试验与监测结果，从饱和软黄土各方面性能与特点进行较为全面的分析[1]。何武旗以西安地铁六号线东关正街—兴庆路区间地铁隧道的修建为背景，采用现场试验和室内试验对及数值模拟的方法对饱和软黄土的工程地质特性及其对地铁隧道的影响展开了研究工作，得到了饱和软黄土的相关性能指标区间以及相关指标与深度之间的关系[2]。刘洋结合饱和软黄土的工程特性及依托工程概况进行分析，认为饱和软黄土地层段施工风险的主要诱因是饱和软黄土失水引起的地层固结沉降[3];杨锋开展了饱和软黄土地层原位试验和室内试验，并详细研究了饱和软黄土的变形机理[4]。李慎岗介绍了饱和软黄土在中马铁路中的解义、分布、成因、工程特性及其对工程影响情况，确定针对性的勘察方法并提出工程处理措施建议[5]。
上述研究都是针对饱和软黄土的复杂物理力学性能，通过研究它的受力与变性规律，得到相关的控制分析的理论支撑与实际处理方案。本文與上述研究的主要区别在于，通过降水对饱和软黄土进行处理，对比分析降水前后该位置土层的物理性能，从而验证该降水工艺对处理饱和软黄土的效果。
1 工程概况
兴庆路站为五号线一般中间站，前承太乙路站，后接青龙寺站，车站主体位于雁翔路和南二环交叉路口东南侧，沿雁翔路东南向布置于道路下方。车站长为227.7m，标准段宽度为22m，站台宽12.5m，有效站台长118m，高为16.95～23.31m，轨面埋深17.255m。车站起点里程YDK37+690.718，设计终点里程YDK37+918.418。车站主体为地下二层双跨（局部三跨）箱型框架结构，顶板覆土约3.0m，底板最大埋深约23.31m。车站主体采用明挖法施工。车站共设置4个出入口、1个安全出口、2组风亭和1座冷却塔，其中IV号出入口与1号风道合建，安全口和2号风道合建，I号出入口预留市政过街通道接口。
该场地按照每个岩土层按岩土层代号、岩土名、时代成因、岩性描述布列如表1所示。
通过上述表格可知，该区段的饱和软黄土上面还覆盖有三层土，分别是杂填土、素填土以及新黄土，主要分布于场地北部，其层厚为1.0～3.2m，层底深度10.4～11.8m，层底高程413.18～415.69m。
2 降水工艺
根据工程地质条件、水文地质条件、施工方法及基坑周边建筑物环境条件，结合邻近场地基坑降水工程经验，本场地降水采用坑外管井降水。
兴庆路车站2014年3月钻孔内量测的稳定水位埋深9.20～12.60m，根据车站结构底板埋深确定水位降深为9.0～1 1.0m之间（端头局部降深13.0m），由于水位埋深及水位降深均起伏较大，故降水计算时将车站分为2段来考虑，其中第一段布置降水井19口，观测井3口;第二段布置降水井18口，观测井2口，如图2和图3所示。
3 饱和软黄土降水效果
3.1 现场试验
3.1.1 静力触探
本次试验采用20t液压静力触探车，配置JKS15-4型双桥探头，利用车载触探机以20mm/s的速度将触探探头压入土中，利用探头内的测力传感器，并通过自动记录仪分别记录探头贯入过程中的锥尖阻力及侧壁摩阻力。
通过图4和图5可以得知，侧壁摩阻力与锥尖阻力在2.0～15.0m各个土层范围内基本都得到了提高，侧壁摩阻力在降水后增加较多，锥尖阻力增加相对较小。特别是在8.0～11.0m的饱和软黄土土层，其降水前后侧壁摩阻力与锥尖阻力都有一定程度提高。
3.1.2 旁压
本次试验采用法国Menard（梅纳）G-AmⅢ型预钻式旁压仪进行，旁压器型号Nx型，外径Φ74mm，量测腔长度230mm，固有体积880cm3，仪器容许最大压力9.0MPa。测试采用1min快速加压法，加压后15s、30s、60s测读体积变形量。
取10m深度附近的饱和软黄土土层进行旁压试验，其降水前后的试验结果如图6和图7所示。
根据上图所测得的旁压曲线特征以及相应的计算方法，可以确定出孔壁土体的静止侧压力P0、临塑压力Pf、极限压力PL、旁压模量、旁压剪切模量以及基床系数等不同参数，结果如表2所示。由表3和表4可知，饱和软黄土降水前后各项指标的性能都得到了大幅度提高。特别是降水前，饱和软黄土从临塑状态到达破坏阶段时，只需要44kPa，而降水后的黄土，从临塑状态到达破坏阶段需要208kPa，极大程度地延缓了土体的变形发展速度。 3.2 室内试验
3.2.1 物理性质指标试验
降水前，饱和软黄土层的黄土含水率平均值为29.7%，天然重度平均值为19.0kN/m3，孔隙比平均值为0.815，饱和度平均值为98.2%，塑性指数平均值为11.6，液限指数平均值为1.05。
降水后，饱和软黄土层的黄土含水率平均值为20.7%，比降水前减少了30.2%;天然重度平均值为17.7kN/m3，比降水前减少了6.9%;饱和度平均值为66.1%，比降水前减少了32.7%;液限指数平均值为0.30，比降水前减少了71.4%。而孔隙比与干重度等指标变化不大。
3.2.2 压缩性指标试验
通过表5和表6得知，降水前后饱和软黄土的压缩模量得到一定程度提高，由于试验过程中的扰动与固结压力的施加，使得前面小荷載所对应的Es1-2、Es2-3、Es3-4等压缩模量变化不大，但后面大荷载所对应的Es4-5、Es5-6、Es6-7、Es7-8等压缩模量提高较多，其中Es7-8提高66.3%。
4 结语
本场地降水采用的坑外管井降水工艺，极大程度地改善了各土层的力学性能。特别是针对饱和软黄土土层，并通过静力触探、旁压以及室内试验对比分析了降水前后各方面性能指标的变化，实验结果表明，该降水工艺能够消除饱和软黄土土层强度低、承载力差等不良物理力学特性，具体提高程度如下所示。
（1）侧壁摩阻力与锥尖阻力在2.0m～15.0m各个土层范围内基本都得到了提高，侧壁摩阻力在降水后增加较多，锥尖阻力增加相对较小。特别是在8.0m～11.0m的饱和软黄土土层，其降水前后侧壁摩阻力与锥尖阻力都有一定程度提高。
（2）饱和软黄土降水前后各项指标的性能都得到了大幅度提高。特别是降水前，饱和软黄土从临塑状态到达破坏阶段时，只需要44kPa，而降水后的黄土，从临塑状态到达破坏阶段需要208kPa，极大程度地延缓了土体的变形发展速度。
（3）降水后，饱和软黄土层的黄土含水率平均值为20.7%，比降水前减少了30.2%;天然重度平均值为17.7kN/m3，比降水前减少了6.9%;饱和度平均值为66.1%，比降水前减少了32.7%;液限指数平均值为0.30，比降水前减少了71.4%。而孔隙比与干重度等指标变化不大。
（4）降水后，饱和软黄土的压缩模量得到一定程度提高，由于试验过程中的扰动与固结压力的施加，使得前面小荷载所对应的Es1-2、Es2-3、Es3-4等压缩模量变化不大，但后面大荷载所对应的Es4-5、Es5-6、Es6-7、Es7-8等压缩模量提高较多，其中Es7-8提高66.3%。
参考文献
[1] 高虎艳，邓国华.饱和软黄土的力学与工程性质分析[J].水利与建筑工程学报，2012，10（3）：38-42.
[2] 何武旗.西安兴庆湖周边饱和软黄土的工程地质特性及穿越方案研究[D].西安科技大学，2018.
[3] 刘洋.深厚饱和软黄土地层地铁隧道暗挖安全保障技术研究[D].长安大学，2018.
[4] 杨锋.饱和软黄土地铁隧道施工地表沉降特性及其控制技术[D].西安科技大学，2017.
[5] 李慎岗.中马铁路饱和软黄土浅析[J].铁道勘察，2015（4102）：53-55.