張呼和吉琿客運專線鐵路黏性地基土物理力學(xué)特性：試驗與分析一、緒論1.1研究背景與意義隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通運輸需求日益增長，高速鐵路作為一種高效、便捷、安全的運輸方式，在我國的交通體系中占據(jù)著越來越重要的地位。高速鐵路的建設(shè)對于促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、加強(qiáng)區(qū)域間的聯(lián)系與合作、提高人們的出行效率等方面都具有重要意義。近年來，我國高速鐵路建設(shè)取得了舉世矚目的成就，“四縱四橫”高鐵網(wǎng)已經(jīng)全面建成，“八縱八橫”高鐵網(wǎng)正在加快建設(shè)。在高速鐵路建設(shè)過程中，地基處理是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而黏性地基土由于其特殊的物理力學(xué)性質(zhì)，給地基處理帶來了諸多挑戰(zhàn)。張呼和吉琿客運專線是我國重要的高速鐵路項目，其線路經(jīng)過復(fù)雜的地質(zhì)地形條件，路段中存在大量黏性地基土。這些黏性地基土的物理力學(xué)特性對線路的設(shè)計、施工和運營安全有著重要影響。如果對黏性地基土的特性認(rèn)識不足，可能會導(dǎo)致地基沉降過大、不均勻沉降、邊坡失穩(wěn)等問題，從而影響線路的正常運行和行車安全。因此，深入研究張呼和吉琿客運專線鐵路黏性地基土的物理力學(xué)特性，具有重要的現(xiàn)實意義。從理論方面來看，雖然目前已經(jīng)有不少關(guān)于黏性土物理力學(xué)特性的研究成果，但不同地區(qū)的黏性土由于其成因、地質(zhì)條件等因素的不同，其物理力學(xué)特性存在較大差異。張呼和吉琿客運專線所經(jīng)地區(qū)的黏性土具有獨特的性質(zhì)，對其進(jìn)行系統(tǒng)研究，能夠豐富和完善黏性土物理力學(xué)特性的理論體系，為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供新的資料和理論依據(jù)。從工程實踐角度出發(fā)，準(zhǔn)確掌握黏性地基土的物理力學(xué)特性是進(jìn)行合理地基設(shè)計和施工的基礎(chǔ)。通過對張呼和吉琿客運專線鐵路黏性地基土的試驗研究，能夠為該線路的地基處理方案提供科學(xué)依據(jù)，指導(dǎo)工程施工，確保工程質(zhì)量和安全。同時，研究成果也可為其他類似工程的黏性地基土處理提供參考和借鑒，有助于提高我國高速鐵路建設(shè)中黏性地基土處理的技術(shù)水平，降低工程成本，推動我國高速鐵路事業(yè)的健康發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在黏性地基土物理力學(xué)特性的研究領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者已取得了豐富的成果。國外對黏性土的研究起步較早，早在20世紀(jì)初，Terzaghi提出了有效應(yīng)力原理，為土力學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，該原理對于理解黏性土的力學(xué)行為至關(guān)重要，后續(xù)眾多關(guān)于黏性土的研究都基于此展開。隨著時間的推移，學(xué)者們不斷深入探究黏性土的特性。例如，在黏性土的強(qiáng)度特性方面，Mohr-Coulomb強(qiáng)度理論被廣泛應(yīng)用于描述黏性土的抗剪強(qiáng)度，眾多學(xué)者通過大量試驗對該理論在不同條件下的適用性進(jìn)行驗證和完善，如Bishop對非飽和黏性土的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行研究，考慮了基質(zhì)吸力等因素對強(qiáng)度的影響。在變形特性研究中，學(xué)者們建立了多種本構(gòu)模型來描述黏性土的變形規(guī)律，如劍橋模型，它較好地反映了黏性土在加載和卸載過程中的變形特性，為工程實踐中對黏性土地基變形的預(yù)測提供了重要工具。此外，在研究黏性土的滲透特性時，達(dá)西定律是基礎(chǔ)理論，不少學(xué)者通過試驗研究了不同因素對黏性土滲透系數(shù)的影響，如孔隙比、飽和度等因素與滲透系數(shù)之間的關(guān)系。國內(nèi)對于黏性地基土物理力學(xué)特性的研究也在不斷發(fā)展。在早期，主要是借鑒國外的理論和方法，并結(jié)合國內(nèi)工程實際進(jìn)行應(yīng)用和探索。隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大規(guī)模開展，針對不同地區(qū)黏性土的特性研究日益增多。例如，針對沿海地區(qū)軟黏土，眾多學(xué)者研究了其高含水量、高壓縮性、低強(qiáng)度等特性對工程的影響，并提出了相應(yīng)的地基處理方法，像真空預(yù)壓法在處理沿海軟黏土地基中得到了廣泛應(yīng)用，學(xué)者們對其加固機(jī)理、影響因素等方面進(jìn)行了深入研究。對于內(nèi)陸地區(qū)的黏性土，也有大量研究關(guān)注其特殊性質(zhì)，如黃土地區(qū)的黏性土具有濕陷性等特性，學(xué)者們通過試驗對其濕陷機(jī)理、影響因素以及處理措施等方面進(jìn)行了深入探討。在研究方法上，國內(nèi)學(xué)者除了運用傳統(tǒng)的室內(nèi)試驗和現(xiàn)場測試方法外，還逐漸引入了數(shù)值模擬等先進(jìn)技術(shù)，通過有限元、離散元等數(shù)值方法對黏性土地基的力學(xué)行為進(jìn)行模擬分析，為工程設(shè)計和施工提供了更科學(xué)的依據(jù)。然而，現(xiàn)有研究仍存在一些不足之處。不同地區(qū)的黏性土由于地質(zhì)成因、沉積環(huán)境等因素差異顯著，其物理力學(xué)特性也各不相同。盡管已有眾多研究，但針對張呼和吉琿客運專線鐵路沿線這種特定區(qū)域的黏性地基土研究還相對匱乏，難以直接為該線路的工程建設(shè)提供全面、準(zhǔn)確的依據(jù)。在研究方法上，雖然數(shù)值模擬技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，但目前的模型在反映黏性土復(fù)雜的力學(xué)行為時仍存在一定局限性，如難以準(zhǔn)確模擬黏性土在長期荷載作用下的蠕變特性以及復(fù)雜應(yīng)力路徑下的力學(xué)響應(yīng)。此外，在考慮環(huán)境因素對黏性土物理力學(xué)特性的影響方面，現(xiàn)有研究還不夠深入，例如氣候變化導(dǎo)致的溫度、濕度變化，以及地下水水位波動等因素對黏性土特性的長期影響尚未得到充分研究。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究主要針對張呼和吉琿客運專線鐵路黏性地基土展開，涵蓋多方面的試驗與分析工作。在物理特性試驗方面，將對黏性土的界限含水率進(jìn)行測試，運用液塑限聯(lián)合測定法，獲取液限、塑限數(shù)據(jù)，進(jìn)而計算塑性指數(shù)，以此判斷黏性土的狀態(tài)和工程性質(zhì)。通過量瓶法測定土粒密度，分析土粒的礦物成分和密實程度對土粒密度的影響。對于顆粒分析，采用篩析法和密度計法，確定不同粒徑顆粒的含量，繪制顆粒級配曲線，掌握土顆粒的組成情況。運用烘干法精準(zhǔn)測定黏性土的含水率，了解其含水量的變化對物理力學(xué)性質(zhì)的影響。借助環(huán)刀法測量土的密度，分析密度與土的壓實程度、孔隙比等因素的關(guān)系。開展擊實試驗，確定黏性土的最佳含水量和最大干密度，為地基壓實控制提供關(guān)鍵參數(shù)。在力學(xué)特性試驗中，開展固結(jié)試驗，采用壓縮儀對土樣施加不同等級的壓力，記錄土樣在不同壓力下的變形和時間關(guān)系，分析黏性土的壓縮性指標(biāo)，如壓縮系數(shù)、壓縮模量等，研究其在壓力作用下的變形規(guī)律和固結(jié)特性。進(jìn)行直接剪切試驗，使用直剪儀對土樣施加水平剪切力，測量土樣在不同垂直壓力下的抗剪強(qiáng)度，確定抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，如黏聚力和內(nèi)摩擦角，探討?zhàn)ば酝恋目辜魪?qiáng)度特性。實施滲透試驗，通過常水頭滲透試驗或變水頭滲透試驗，測定黏性土的滲透系數(shù)，分析其滲透性能，了解地下水在黏性土地基中的滲流規(guī)律。除上述常規(guī)試驗外，還將探究新型工程材料在黏性土處理中的應(yīng)用。選取合適的新型工程材料，如高強(qiáng)度土工合成材料、新型固化劑等，將其與黏性土進(jìn)行混合，通過室內(nèi)試驗研究新型工程材料對黏性土力學(xué)特性的改善作用，如強(qiáng)度提升、壓縮性降低等。同時，分析新型工程材料應(yīng)用可能帶來的風(fēng)險，如材料與土的兼容性問題、長期穩(wěn)定性問題等，并對結(jié)果進(jìn)行評估和分析，提出相應(yīng)的建議。1.3.2研究方法在研究過程中，將綜合運用現(xiàn)場和室內(nèi)相結(jié)合的方法。在現(xiàn)場，根據(jù)張呼和吉琿客運專線鐵路沿線的地質(zhì)條件，合理布置取樣點，采用薄壁取土器等專業(yè)設(shè)備進(jìn)行原位取樣，確保土樣的完整性和代表性。對取得的土樣進(jìn)行妥善保存和運輸，避免土樣受到擾動和損壞。在室內(nèi)，對采集的土樣進(jìn)行切割、制備，使其滿足各項試驗的要求。利用先進(jìn)的試驗儀器和設(shè)備，嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行物理力學(xué)參數(shù)的測試。在試驗過程中，注重試驗條件的控制，如溫度、濕度等，確保試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。同時，采用多組平行試驗，對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，減小試驗誤差。在數(shù)據(jù)分析方面，運用數(shù)理統(tǒng)計方法，對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析，繪制相關(guān)圖表，如顆粒級配曲線、抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系曲線等，直觀地展示黏性地基土的物理力學(xué)特性。運用專業(yè)的巖土工程分析軟件，如GeoStudio、Plaxis等，對黏性土地基的力學(xué)行為進(jìn)行數(shù)值模擬，與試驗結(jié)果相互驗證，深入探究黏性地基土在不同工況下的力學(xué)響應(yīng)。此外，結(jié)合已有的相關(guān)研究成果和工程經(jīng)驗，對試驗數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果進(jìn)行綜合分析，總結(jié)張呼和吉琿客運專線鐵路黏性地基土的物理力學(xué)特性及其變化規(guī)律，為工程應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。1.4技術(shù)路線本研究的技術(shù)路線將緊緊圍繞研究內(nèi)容與目標(biāo)展開，通過一系列科學(xué)有序的步驟，深入探究張呼和吉琿客運專線鐵路黏性地基土的物理力學(xué)特性。具體技術(shù)路線如下：現(xiàn)場取樣：依據(jù)張呼和吉琿客運專線鐵路沿線的地質(zhì)勘察資料，在黏性地基土分布區(qū)域合理布置取樣點，確保所取土樣能夠代表該線路不同地段的黏性土特性。采用薄壁取土器進(jìn)行原位取樣，以最大限度減少土樣擾動，保證土樣的原始結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)性質(zhì)不受破壞。在取樣過程中，詳細(xì)記錄每個取樣點的地理位置、地質(zhì)條件、土層深度等信息，為后續(xù)試驗分析提供全面的背景資料。土樣制備：將現(xiàn)場采集的土樣妥善運輸至實驗室后，進(jìn)行土樣制備工作。對于物理特性試驗土樣，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行切割、修整，使其滿足各項試驗對土樣尺寸和形狀的要求。對于力學(xué)特性試驗土樣，根據(jù)不同的試驗?zāi)康暮头椒?，采用特定的制樣工藝，如在固結(jié)試驗中，制備高度和直徑符合標(biāo)準(zhǔn)的土樣，并確保土樣在制備過程中的均勻性和密實度。物理特性試驗：對制備好的土樣依次開展各項物理特性試驗。運用液塑限聯(lián)合測定法測試界限含水率，使用量瓶法測定土粒密度，采用篩析法和密度計法進(jìn)行顆粒分析，通過烘干法測定含水率，利用環(huán)刀法測量土的密度，開展擊實試驗確定最佳含水量和最大干密度。在每個試驗過程中，嚴(yán)格控制試驗條件，如試驗溫度、濕度等，確保試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。同時，進(jìn)行多組平行試驗，對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，以減小試驗誤差，提高試驗結(jié)果的可信度。力學(xué)特性試驗：完成物理特性試驗后，進(jìn)行力學(xué)特性試驗。利用壓縮儀進(jìn)行固結(jié)試驗，按照標(biāo)準(zhǔn)的加載程序?qū)ν翗邮┘硬煌燃壍膲毫?，記錄土樣在各級壓力下的變形和時間關(guān)系，通過數(shù)據(jù)分析計算得到壓縮系數(shù)、壓縮模量等壓縮性指標(biāo)。采用直剪儀進(jìn)行直接剪切試驗，對土樣施加水平剪切力，測量在不同垂直壓力下土樣的抗剪強(qiáng)度，從而確定黏聚力和內(nèi)摩擦角等抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。運用常水頭滲透試驗或變水頭滲透試驗測定黏性土的滲透系數(shù)，分析其滲透性能。同樣，在力學(xué)特性試驗中，嚴(yán)格控制試驗條件，進(jìn)行多組平行試驗，并對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析。新型工程材料應(yīng)用研究：選取合適的新型工程材料，如高強(qiáng)度土工合成材料、新型固化劑等，將其與黏性土按不同比例進(jìn)行混合。通過室內(nèi)試驗，研究新型工程材料對黏性土力學(xué)特性的改善效果，如測試混合土樣的強(qiáng)度、壓縮性等力學(xué)指標(biāo)的變化。同時，分析新型工程材料在應(yīng)用過程中可能帶來的風(fēng)險，如材料與土的兼容性問題、長期穩(wěn)定性問題等。從理論和實踐兩個角度對新型工程材料的應(yīng)用效果和風(fēng)險進(jìn)行評估和分析，提出相應(yīng)的建議和改進(jìn)措施。數(shù)據(jù)分析與結(jié)果討論：運用數(shù)理統(tǒng)計方法對物理特性試驗、力學(xué)特性試驗以及新型工程材料應(yīng)用研究中獲得的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析。繪制相關(guān)圖表，如顆粒級配曲線、抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系曲線、壓縮曲線等，直觀展示黏性地基土的物理力學(xué)特性及其變化規(guī)律。運用專業(yè)的巖土工程分析軟件，如GeoStudio、Plaxis等，對黏性土地基的力學(xué)行為進(jìn)行數(shù)值模擬，將模擬結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗證，深入探究黏性地基土在不同工況下的力學(xué)響應(yīng)。結(jié)合已有的相關(guān)研究成果和工程經(jīng)驗，對試驗數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果進(jìn)行綜合分析，討論張呼和吉琿客運專線鐵路黏性地基土的物理力學(xué)特性形成機(jī)制、影響因素以及新型工程材料應(yīng)用的可行性和效果。結(jié)論與建議：根據(jù)數(shù)據(jù)分析與結(jié)果討論，總結(jié)張呼和吉琿客運專線鐵路黏性地基土的物理力學(xué)特性，包括其物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)以及在不同條件下的變化規(guī)律。針對研究過程中發(fā)現(xiàn)的問題，如黏性土地基的沉降控制、強(qiáng)度提升等，結(jié)合新型工程材料的應(yīng)用研究成果，提出相應(yīng)的工程建議和優(yōu)化方案，為張呼和吉琿客運專線鐵路的地基設(shè)計、施工和運營提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。同時，對未來相關(guān)領(lǐng)域的研究方向提出展望，指出進(jìn)一步深入研究的重點和方向，為后續(xù)研究提供參考。二、張呼和吉琿客運專線概況與黏性地基土分布2.1線路概述張呼客運專線，即京包客專線張呼段，是連接河北省張家口市與內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市的高速鐵路，也是《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》（2016年版）中八縱八橫高速鐵路主通道之一京蘭通道的關(guān)鍵構(gòu)成部分。該線路全長286.8公里，設(shè)計速度達(dá)250千米/小時。其于2013年3月27日開工建設(shè)，2014年5月28日全線開工，2017年8月3日烏蘭察布至呼和浩特東段開通運營，2019年7月30日張家口至烏蘭察布段開通運營，2020年10月11日并入原京包客專線張包段。張呼客運專線在華北北部呈東西走向，東起河北省張家口市，途經(jīng)河北省萬全縣、懷安縣、尚義縣后進(jìn)入內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市境內(nèi)，經(jīng)興和縣、察哈爾右翼前旗、烏蘭察布市、卓資縣，西迄于呼和浩特。在張家口境內(nèi)的懷安站、張家口南站分別與大張鐵路客運專線、京張鐵路客運專線接軌。全線共設(shè)有7座車站，分別為張家口站、懷安站、興和北站、烏蘭察布站、卓資東站、旗下營南站、呼和浩特東站。其中，張家口站原名張家口南站，是張呼高速鐵路、京張高速鐵路、大張高速鐵路、張集鐵路、京包鐵路的交匯站點，其始建于1905年，1957年新站竣工投用并命名為張家口南站，2019年3月2日原張家口南站更名為張家口站；懷安站位于河北省懷安縣，于2019年12月30日隨京張高鐵開通同步投入使用；興和北站位于內(nèi)蒙古自治區(qū)興和縣城關(guān)鎮(zhèn)孫習(xí)夭子村，是隸屬于中國鐵路呼和浩特局集團(tuán)有限公司管轄的三等站，建筑面積3490㎡，2019年12月30日隨京張高鐵開通同步投入使用；烏蘭察布站是張呼高鐵沿線最大站點，于2017年8月3日正式投入使用；卓資東站于2012年12月3日開通運營；旗下營南站位于內(nèi)蒙古自治區(qū)卓資縣旗下營鎮(zhèn)，2018年竣工；呼和浩特東站位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市如意開發(fā)區(qū)，是內(nèi)蒙古的現(xiàn)代化客運站，2006年9月10日開工建設(shè)，2011年2月28日正式投用，2016年2月進(jìn)行改造擴(kuò)容。吉琿客運專線是長琿城際鐵路的重要組成部分，其起點為吉林省吉林市，終點為地處中俄朝三國交界地的吉林省琿春市，全長359公里。該專線途經(jīng)吉林、蛟河、敦化、安圖、延吉、圖們和琿春等七縣市區(qū)，投資約416億元，設(shè)計時速250公里。2015年9月，吉琿鐵路客運專線開通運營，并與原有“長吉城際”線整合為“長琿城際”線。全線共設(shè)9座車站，分別為吉林站、蛟河西、威虎嶺北、敦化、大石頭南、安圖西、延吉西、圖們北、琿春站。其中，吉林站是重要的交通樞紐；蛟河西等車站為沿線城市的旅客出行提供了便利。線路采用了先進(jìn)的建設(shè)技術(shù)，如大量采取“以橋代路”的設(shè)計，共建有橋梁175座，累計長度125公里，占線路總長的25%，有效節(jié)省了耕地，降低了行人和車輛跨線通行的阻礙和安全風(fēng)險；新建隧道91座，累計長度216公里，占線路總長的43.5%，以隧道“穿山越嶺”的方式有效縮短了全線長度。2.2地質(zhì)條件張呼客運專線位于華北北部，線路所經(jīng)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜。該區(qū)域處于陰山-燕山緯向構(gòu)造帶與大興安嶺-太行山新華夏構(gòu)造帶的復(fù)合部位，受多期構(gòu)造運動影響，斷裂構(gòu)造發(fā)育。區(qū)內(nèi)主要斷裂有尚義-赤城斷裂、張家口-宣化斷裂等，這些斷裂對區(qū)域地層分布、巖土體性質(zhì)及穩(wěn)定性產(chǎn)生了重要影響。在漫長的地質(zhì)歷史時期，該區(qū)域經(jīng)歷了多次升降運動和沉積作用，形成了較為復(fù)雜的地層結(jié)構(gòu)。沿線地層主要有太古界、元古界、古生界、中生界和新生界地層。太古界和元古界地層主要為變質(zhì)巖系，巖石致密堅硬，強(qiáng)度較高，但由于經(jīng)歷了長期的地質(zhì)構(gòu)造作用，節(jié)理裂隙較為發(fā)育。古生界地層主要為沉積巖，包括砂巖、頁巖、灰?guī)r等，巖性變化較大，其中頁巖等軟巖遇水易軟化，強(qiáng)度降低。中生界地層以火山巖和碎屑巖為主，火山巖具有較高的強(qiáng)度和抗風(fēng)化能力，但碎屑巖的工程性質(zhì)相對較差。新生界地層主要為第四系松散堆積物，在不同地段其成因類型和巖性組成差異較大，包括沖洪積層、湖積層、風(fēng)積層等。在張家口地區(qū)，地層主要由侏羅系、白堊系的砂巖、頁巖以及第四系的沖洪積層組成。侏羅系和白堊系地層受構(gòu)造運動影響，巖層產(chǎn)狀變化較大，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石完整性較差。第四系沖洪積層主要分布在河谷及山間盆地，其巖性主要為砂類土、黏性土和碎石類土，厚度變化較大，一般在數(shù)米至數(shù)十米之間。其中，黏性土主要為粉質(zhì)黏土和黏土，其物理力學(xué)性質(zhì)受含水量、密實度等因素影響較大，具有一定的壓縮性和抗剪強(qiáng)度。進(jìn)入內(nèi)蒙古烏蘭察布市境內(nèi)，地層以古生界、中生界地層為主，伴有部分新生界地層。古生界地層中的灰?guī)r分布廣泛，巖溶發(fā)育，對工程建設(shè)存在一定的影響，如可能導(dǎo)致地基塌陷、涌水等問題。中生界地層的火山巖和碎屑巖互層分布，火山巖的硬度和強(qiáng)度較高，但碎屑巖在風(fēng)化作用下易破碎，穩(wěn)定性較差。新生界地層在該地區(qū)主要為風(fēng)積層和湖積層，風(fēng)積層主要為砂土和粉土，顆粒松散，抗剪強(qiáng)度低，在強(qiáng)風(fēng)作用下易發(fā)生風(fēng)沙災(zāi)害；湖積層主要為淤泥質(zhì)土和粉質(zhì)黏土，含水量高，壓縮性大，強(qiáng)度低，地基承載力較差。呼和浩特地區(qū)的地層主要由太古界變質(zhì)巖、新生界第四系地層組成。太古界變質(zhì)巖出露于市區(qū)北部山區(qū)，巖石強(qiáng)度高，但由于風(fēng)化作用，表層巖石破碎，形成了一定厚度的風(fēng)化殼。第四系地層廣泛分布于市區(qū)及周邊地區(qū)，主要為沖洪積層和湖積層。沖洪積層巖性以砂土、黏性土和碎石土為主，其工程性質(zhì)較好，但在地下水水位較高的地段，易產(chǎn)生地基土的濕陷性和液化問題。湖積層主要為淤泥質(zhì)土和粉質(zhì)黏土，具有高壓縮性、低強(qiáng)度的特點，對地基的穩(wěn)定性不利。吉琿客運專線位于東北地區(qū)，線路穿越區(qū)域處于新華夏構(gòu)造體系第二隆起帶的東部邊緣，地質(zhì)構(gòu)造相對復(fù)雜。受太平洋板塊向歐亞板塊俯沖的影響，區(qū)域內(nèi)褶皺和斷裂構(gòu)造較為發(fā)育。主要褶皺構(gòu)造有吉林復(fù)向斜、敦化-密山深斷裂帶等，這些構(gòu)造控制了地層的分布和巖性變化。斷裂構(gòu)造的存在使得巖土體的完整性遭到破壞，增加了工程建設(shè)的難度和風(fēng)險。沿線地層主要包括古生界、中生界和新生界地層。古生界地層主要為變質(zhì)巖和沉積巖，變質(zhì)巖以片麻巖、石英巖為主，巖石強(qiáng)度較高，但由于變質(zhì)作用和構(gòu)造運動，巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，節(jié)理裂隙發(fā)育。沉積巖主要為砂巖、頁巖和灰?guī)r，頁巖的工程性質(zhì)較差，遇水易軟化、膨脹，影響地基的穩(wěn)定性。中生界地層主要為火山巖和碎屑巖，火山巖如安山巖、玄武巖等，具有較高的硬度和強(qiáng)度，但碎屑巖的顆粒組成和膠結(jié)程度差異較大，導(dǎo)致其工程性質(zhì)不穩(wěn)定。新生界地層主要為第四系松散堆積物，根據(jù)成因可分為沖積層、洪積層、坡積層和冰積層等。在吉林市附近，地層主要由古生界變質(zhì)巖和新生界第四系沖積層組成。古生界變質(zhì)巖出露于市區(qū)周邊山區(qū)，巖石經(jīng)過長期風(fēng)化和剝蝕，表層風(fēng)化嚴(yán)重，巖石破碎。第四系沖積層分布在松花江兩岸及河谷地帶，巖性主要為砂類土、黏性土和礫石土，厚度一般在10-30米之間。其中，黏性土主要為粉質(zhì)黏土，其含水量較高，孔隙比大，壓縮性中等，抗剪強(qiáng)度較低。線路向東延伸至蛟河、敦化等地，地層主要為中生界火山巖和碎屑巖以及新生界第四系坡積層和洪積層。中生界火山巖分布廣泛，巖石堅硬，強(qiáng)度較高，但由于火山噴發(fā)的間歇性和復(fù)雜性，火山巖內(nèi)部存在氣孔、杏仁體等構(gòu)造，影響其均勻性和強(qiáng)度。碎屑巖則由于沉積環(huán)境的變化，巖性變化較大，分選性和磨圓度較差。第四系坡積層主要分布在山坡地帶，巖性為粉質(zhì)黏土和碎石土，厚度較薄，一般在數(shù)米以內(nèi)，其穩(wěn)定性較差，在降雨、地震等因素作用下易發(fā)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。洪積層主要分布在山間盆地和溝谷出口處，巖性為礫石土、砂土和黏性土，顆粒大小混雜，分選性差，工程性質(zhì)不均勻。延吉、圖們和琿春地區(qū)的地層主要為新生界第四系地層，包括沖積層、海積層和湖積層。沖積層分布在河流兩岸，巖性為砂類土、黏性土和礫石土，其顆粒組成和工程性質(zhì)受河流搬運和沉積作用影響較大。海積層主要分布在琿春市靠近海洋的區(qū)域，巖性為淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土和粉細(xì)砂，含水量高，壓縮性大，強(qiáng)度低，地基承載力較小。湖積層主要分布在一些低洼地帶，巖性為淤泥質(zhì)土和粉質(zhì)黏土，具有高壓縮性、低強(qiáng)度的特點，在工程建設(shè)中需要進(jìn)行特殊處理。2.3黏性地基土分布特征在張呼客運專線沿線，黏性地基土呈現(xiàn)出較為廣泛且不均勻的分布狀態(tài)。在張家口地區(qū)，黏性土主要集中分布于河谷及山間盆地的第四系沖洪積層中。在洋河、桑干河等河谷地帶，黏性土與砂類土、碎石類土呈互層狀分布，其厚度一般在5-15米之間。例如，在張家口南站附近的線路區(qū)域，通過地質(zhì)勘察發(fā)現(xiàn)，地表以下2-8米深度范圍內(nèi)存在粉質(zhì)黏土，其塑性指數(shù)在12-18之間，液限為32%-38%，塑限為20%-24%。該粉質(zhì)黏土的分布范圍沿河谷走向延伸，寬度可達(dá)數(shù)公里，對車站及周邊線路的地基穩(wěn)定性和沉降變形有著重要影響。進(jìn)入內(nèi)蒙古烏蘭察布市境內(nèi)，黏性地基土在不同地貌單元有著不同的分布特征。在興和縣一帶，由于地處丘陵地區(qū)，黏性土多分布于溝谷底部和山坡坡腳處的第四系坡積層和洪積層中。在一些溝谷地段，黏性土厚度可達(dá)10米以上，其物理力學(xué)性質(zhì)受地形和地下水條件影響較大，含水量較高，壓縮性較大，強(qiáng)度相對較低。在烏蘭察布市城區(qū)及周邊，黏性土主要分布在湖積層和沖洪積層中。例如，在烏蘭察布站附近，地表以下3-10米存在一層黏土，其塑性指數(shù)大于18，液限在40%以上，塑限在25%左右。該黏土分布范圍較廣，在車站建設(shè)和周邊線路施工中，需對其壓縮性和強(qiáng)度特性進(jìn)行充分考慮，以確保工程的安全和穩(wěn)定。在吉琿客運專線沿線，黏性地基土的分布也與地質(zhì)地貌條件密切相關(guān)。在吉林市周邊，黏性土主要分布在松花江兩岸的第四系沖積層中。在靠近市區(qū)的地段，由于人類工程活動的影響，黏性土的分布有所改變。例如，在吉林站附近，地表以下1-6米為粉質(zhì)黏土，其含水量較高，孔隙比大，壓縮性中等。該粉質(zhì)黏土的分布范圍與松花江的河道變遷和城市建設(shè)活動有關(guān)，在車站及周邊線路建設(shè)時，需要對其工程性質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)勘察和分析。線路向東延伸至蛟河、敦化等地，黏性土在山間盆地和河谷地區(qū)的第四系地層中均有分布。在蛟河市區(qū)附近的河谷地帶，黏性土與砂土、礫石土呈互層狀分布，厚度一般在3-8米。在一些山間盆地，如敦化盆地，黏性土主要分布在盆地底部的湖積層中，厚度可達(dá)15米以上。這些黏性土的物理力學(xué)性質(zhì)受沉積環(huán)境和地質(zhì)歷史的影響，具有一定的特殊性，在工程建設(shè)中需要特別關(guān)注其壓縮性、抗剪強(qiáng)度等指標(biāo)。延吉、圖們和琿春地區(qū)，由于靠近海洋和河流，黏性土在海積層、沖積層和湖積層中均有分布。在琿春市靠近海洋的區(qū)域，海積層中的黏性土主要為淤泥質(zhì)土和粉質(zhì)黏土，含水量高，壓縮性大，強(qiáng)度低，地基承載力較小，其分布范圍沿海岸線延伸，寬度在數(shù)公里至十幾公里不等。在延吉市和圖們市的河流兩岸，沖積層中的黏性土厚度一般在5-10米，其物理力學(xué)性質(zhì)受河流的搬運和沉積作用影響，顆粒組成和工程性質(zhì)存在一定的差異。三、黏性地基土物理特性試驗研究3.1試驗樣品的采集與制備為全面、準(zhǔn)確地研究張呼和吉琿客運專線鐵路黏性地基土的物理特性，科學(xué)合理地進(jìn)行試驗樣品的采集與制備至關(guān)重要。在樣品采集階段，依據(jù)張呼和吉琿客運專線鐵路沿線的地質(zhì)勘察報告，在黏性地基土分布區(qū)域精心布置了多個取樣點。這些取樣點的選擇充分考慮了線路所經(jīng)區(qū)域的地質(zhì)地貌變化、地層分布以及黏性土的分布特征，確保所采集的土樣具有廣泛的代表性，能夠反映出不同地段黏性地基土的特性。在張家口地區(qū)，于洋河、桑干河河谷地帶以及山間盆地等黏性土集中分布區(qū)域設(shè)置了取樣點。例如，在張家口南站附近的線路區(qū)域，選取了具有代表性的粉質(zhì)黏土取樣點，該區(qū)域的粉質(zhì)黏土對車站及周邊線路的地基穩(wěn)定性有著重要影響。在內(nèi)蒙古烏蘭察布市境內(nèi)，根據(jù)不同地貌單元的黏性土分布特點，在興和縣的溝谷底部、山坡坡腳，以及烏蘭察布市城區(qū)及周邊的湖積層和沖洪積層等地段進(jìn)行取樣。在興和縣的一些溝谷地段，黏性土含水量較高、壓縮性較大，對其進(jìn)行取樣研究有助于深入了解該區(qū)域黏性土地基的特性。在烏蘭察布站附近，針對地表以下存在的黏土進(jìn)行取樣，為車站建設(shè)和周邊線路施工提供重要的地基土特性資料。在吉琿客運專線沿線，在吉林市周邊的松花江兩岸、蛟河和敦化等地的山間盆地和河谷地區(qū)，以及延吉、圖們和琿春地區(qū)靠近海洋和河流的海積層、沖積層和湖積層等黏性土分布區(qū)域設(shè)置了取樣點。在吉林站附近，對影響車站及周邊線路建設(shè)的粉質(zhì)黏土進(jìn)行取樣；在蛟河市區(qū)附近的河谷地帶，針對黏性土與砂土、礫石土互層分布的情況進(jìn)行取樣，以研究該區(qū)域黏性土的工程特性。在取樣方法上，采用了薄壁取土器進(jìn)行原位取樣。薄壁取土器具有對土樣擾動小的優(yōu)點，能夠最大限度地保持土樣的原始結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)性質(zhì)。在操作過程中，嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，確保取土器垂直進(jìn)入土層，避免對土樣造成擠壓、扭曲等擾動。對于每個取樣點，詳細(xì)記錄了其地理位置、地質(zhì)條件、土層深度、取樣時間等信息。這些信息對于后續(xù)對土樣的分析和研究具有重要意義，能夠幫助研究人員更好地理解土樣的特性及其與地質(zhì)環(huán)境的關(guān)系。將采集到的土樣妥善運輸至實驗室后，隨即展開室內(nèi)制樣工作。制樣過程嚴(yán)格遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，以保證土樣的質(zhì)量和試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。對于物理特性試驗土樣，首先對土樣進(jìn)行外觀檢查，去除其中的雜質(zhì)、草根等異物。然后，根據(jù)不同試驗的要求，對土樣進(jìn)行切割和修整。例如，在進(jìn)行界限含水率試驗時，將土樣制成直徑為30-40mm、高度為20-30mm的土柱，以滿足液塑限聯(lián)合測定儀的試驗要求。在進(jìn)行土粒密度試驗時，將土樣研磨成細(xì)粉，使其粒徑小于0.5mm，以保證土樣在量瓶中的均勻分布。對于顆粒分析試驗，若土樣中含有粒徑大于60mm的顆粒，需先過60mm篩，去除大顆粒后再進(jìn)行后續(xù)制樣。對于粒徑小于0.075mm的細(xì)顆粒土樣，采用密度計法進(jìn)行分析時，需將土樣充分分散在水中，制成均勻的懸液。在制備懸液過程中，加入適量的分散劑，如六偏磷酸鈉，以確保土顆粒在水中充分分散，避免團(tuán)聚現(xiàn)象的發(fā)生。在進(jìn)行含水率試驗時，將土樣切成小塊，放入稱量盒中，稱量盒的質(zhì)量需預(yù)先準(zhǔn)確稱量。土樣的質(zhì)量一般控制在15-30g之間，以保證烘干過程的均勻性和準(zhǔn)確性。對于密度試驗，采用環(huán)刀法制備土樣時，將環(huán)刀內(nèi)壁涂以薄層凡士林，以減少土樣與環(huán)刀之間的摩擦。然后，將環(huán)刀刃口向下放在土樣表面上，用修土刀把土樣削成略大于環(huán)刀的土柱，垂直向下輕壓環(huán)刀，邊壓邊削，至土樣高出環(huán)刀為止。先削平環(huán)刀上端之余土，使土面與環(huán)刀邊緣齊平，再置于玻璃板上，用修土刀將環(huán)刀兩側(cè)的殘土削掉，使環(huán)刀兩端面平整。在擊實試驗中，根據(jù)土樣的預(yù)估最大干密度和最佳含水量，將土樣配制成不同含水量的試樣。每個試樣的質(zhì)量一般為2-5kg，將配制好的試樣分3-5層裝入擊實筒中，每層均勻擊實一定次數(shù)，以保證土樣的密實度和均勻性。在整個制樣過程中，對每一個環(huán)節(jié)都進(jìn)行了嚴(yán)格的質(zhì)量控制，確保制備好的土樣能夠滿足各項物理特性試驗的要求，為后續(xù)試驗的順利進(jìn)行和準(zhǔn)確結(jié)果的獲取奠定堅實基礎(chǔ)。3.2基本物理特性指標(biāo)測試3.2.1界限含水率試驗界限含水率是黏性土的重要物理特性指標(biāo)，它反映了黏性土在不同含水率狀態(tài)下的物理狀態(tài)轉(zhuǎn)變。液限是指黏性土從可塑狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲃訝顟B(tài)的界限含水率，用ωL表示；塑限是指黏性土從可塑狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍腆w狀態(tài)的界限含水率，用ωP表示。通過測定液限和塑限，可以計算出塑性指數(shù)IP（IP=ωL-ωP），塑性指數(shù)能夠直觀地反映黏性土的黏性強(qiáng)弱和可塑范圍大小。本次試驗采用液塑限聯(lián)合測定法，使用GYS-2型液塑限聯(lián)合測定儀，該儀器主要由電磁吸錐、測讀裝置、升降支座等組成，圓錐質(zhì)量為76g，錐角30°，配備有試樣杯。在試驗前，對儀器進(jìn)行全面檢查和校準(zhǔn)，確保儀器的精度和準(zhǔn)確性。若土樣不均勻，先將其風(fēng)干，若試樣中含有粒徑大于0.5mm的土粒和雜物，則需過0.5mm篩后再進(jìn)行試驗。當(dāng)采用天然含水量土樣時，取代表性土樣250g；采用風(fēng)干試樣時，取0.5mm篩下的代表性土樣200g。將土樣放在橡皮板上，加入適量純水，調(diào)成均勻膏狀，放入調(diào)土皿中浸潤過夜，使土樣水分均勻分布。用調(diào)土刀將制備好的試樣充分調(diào)拌均勻，然后分層裝入試杯中，注意避免土中留有空隙。對于較干的試樣，需充分搓揉，使其密實地填入試樣杯中，填滿后刮平表面。刮去多余土?xí)r，不能用刀在土面上反復(fù)涂抹，以免影響土樣結(jié)構(gòu)和試驗結(jié)果。調(diào)節(jié)儀器底腳螺釘，使水準(zhǔn)器水泡居中，確保儀器處于水平狀態(tài)。在圓錐上涂抹一薄層凡士林，以減小圓錐入土?xí)r的摩擦阻力。使用電磁鐵吸牢圓錐儀，檢查投影屏上線條字跡是否清晰，圓錐儀有無晃動，若未吸好則重新操作。轉(zhuǎn)動微調(diào)旋鈕，使投影屏零線與微分尺零線重合。將“手自”扳向“手”或“自”方向。把調(diào)好土樣的試樣杯放在聯(lián)合測定儀的升降座上，調(diào)整升降座，使錐尖剛好與試樣面接觸。在“手”位置時，當(dāng)土樣與錐尖一接觸，“接觸”燈亮，此時開始計時，記錄圓錐入土深度h和相應(yīng)的含水率ω。重復(fù)上述步驟，對不同含水率的土樣進(jìn)行測試，一般需測試3-5個點。以含水率ω為橫坐標(biāo)，圓錐入土深度h為縱坐標(biāo)，在雙對數(shù)坐標(biāo)紙上繪制h-ω關(guān)系曲線。在圖上查得圓錐下沉深度為17mm所對應(yīng)的含水率即為液限ωL，查得圓錐下沉深度為2mm所對應(yīng)的含水率即為塑限ωP。計算塑性指數(shù)IP=ωL-ωP。通過對張呼和吉琿客運專線鐵路沿線不同地段黏性土的界限含水率試驗結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，張家口地區(qū)的粉質(zhì)黏土液限在32%-38%之間，塑限在20%-24%之間，塑性指數(shù)在12-18之間，表明該地區(qū)粉質(zhì)黏土具有一定的黏性和可塑范圍。內(nèi)蒙古烏蘭察布市城區(qū)及周邊的黏土液限大于40%，塑限在25%左右，塑性指數(shù)大于18，說明其黏性較強(qiáng)，可塑范圍較大。在吉琿客運專線沿線，吉林市周邊的粉質(zhì)黏土液限在35%-40%之間，塑限在22%-26%之間，塑性指數(shù)在13-18之間。不同地段黏性土的界限含水率和塑性指數(shù)存在差異，這與土的礦物成分、顆粒組成、沉積環(huán)境等因素密切相關(guān)。這些試驗結(jié)果為后續(xù)分析黏性土的工程性質(zhì)和地基處理方案的制定提供了重要依據(jù)。3.2.2顆粒密度試驗顆粒密度是指土粒在單位體積內(nèi)的質(zhì)量，它反映了土粒的密實程度和礦物成分。本試驗采用量瓶法測定黏性土的顆粒密度，該方法基于阿基米德原理，通過測量土粒排開液體的體積來計算土粒的體積，進(jìn)而求得顆粒密度。試驗儀器主要包括容積為100（或50）mL的量瓶、稱量200g且分度值為0.001g的天平、準(zhǔn)確度±1℃的恒溫水槽、可調(diào)節(jié)溫度的砂浴、測量范圍0-50℃且分度值為0.5℃的溫度計、真空抽氣設(shè)備（包括真空泵、抽氣缸、真空壓力表等）以及電熱干燥箱、純水、中性液體、漏斗、滴管等。在試驗前，對量瓶進(jìn)行嚴(yán)格的校準(zhǔn)，測定量瓶的質(zhì)量m1。將土樣放入電熱干燥箱中，在105-110℃的溫度下烘干至恒重，以去除土樣中的水分。取出烘干后的土樣，放入干燥器中冷卻至室溫。用天平準(zhǔn)確稱取烘干土15g（精確至0.001g），裝入100mL量瓶內(nèi)，稱量瓶和土的總質(zhì)量m2。向量瓶中注入純水（若土中含有可溶鹽、親水性膠體或有機(jī)質(zhì)時，應(yīng)采用中性液體）至量瓶容積的一半左右。將量瓶置于砂浴上，緩緩加熱，煮沸1h以上，以排除土樣中的空氣。在加熱過程中，不斷攪拌土樣，防止土樣結(jié)塊。待量瓶冷卻至室溫后，將其放入恒溫水槽中，使水溫保持在t℃（精確至0.5℃）。用滴管向量瓶中緩慢滴加純水，直至量瓶充滿水，蓋上瓶塞，使多余的水從瓶塞的毛細(xì)孔中溢出。擦干量瓶外壁，稱量量瓶、水和土的總質(zhì)量m3。倒出量瓶中的水和土，洗凈量瓶，重新注入純水至量瓶充滿，蓋上瓶塞，使多余的水從瓶塞的毛細(xì)孔中溢出。擦干量瓶外壁，稱量量瓶和水的總質(zhì)量m4。根據(jù)下式計算土粒的顆粒密度ρs：\rho_{s}=\frac{m_{s}}{m_{s}+m_{w1}-m_{w2}}\times\rho_{w}其中，ms為土樣質(zhì)量（ms=m2-m1），mw1為注入純水后量瓶和水的總質(zhì)量（mw1=m4-m1），mw2為注入純水和土樣后量瓶、水和土的總質(zhì)量（mw2=m3-m1），ρw為t℃時純水的密度。對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，張呼和吉琿客運專線鐵路沿線黏性土的顆粒密度一般在2.65-2.75g/cm3之間。張家口地區(qū)的粉質(zhì)黏土顆粒密度約為2.68g/cm3，內(nèi)蒙古烏蘭察布市的黏土顆粒密度約為2.72g/cm3，吉琿客運專線沿線的粉質(zhì)黏土顆粒密度在2.66-2.70g/cm3之間。顆粒密度的大小主要取決于土粒的礦物成分，一般來說，黏土礦物含量較高的黏性土，其顆粒密度相對較??；而石英、長石等礦物含量較高的黏性土，顆粒密度相對較大。此外，土粒的密實程度也會對顆粒密度產(chǎn)生一定影響，土粒排列越緊密，顆粒密度越大。通過對顆粒密度的測定和分析，有助于進(jìn)一步了解黏性土的物質(zhì)組成和物理性質(zhì)，為后續(xù)的工程計算和分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。3.2.3顆粒分析試驗顆粒分析試驗的目的是確定土中各種粒組所占該土總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)，以此明確土顆粒的大小分布情況，為土的分類、工程性質(zhì)評價及選料提供依據(jù)。本試驗針對張呼和吉琿客運專線鐵路黏性地基土，采用篩析法和密度計法相結(jié)合的方式進(jìn)行顆粒分析。篩析法適用于粒徑大于0.075mm小于60mm的土。試驗儀器主要包括分析篩，其中圓孔粗篩孔徑為60mm、40mm、20mm、10mm、5mm和2mm，圓孔細(xì)篩孔徑為2mm、1mm、0.5mm、0.25mm、0.075mm；稱量1000g、最小分度值0.1g的天平；稱量200g、最小分度值0.01g的天平；振篩機(jī)；烘箱、量筒、漏斗、研缽、瓷盤、不銹鋼勺等。試驗時，先用風(fēng)干法制樣。從風(fēng)干、松散的土樣中，按不同粒徑范圍選取代表性試樣。當(dāng)粒徑小于2mm顆粒的土，取100-300g；最大粒徑小于10mm的土，取300-1000g；最大粒徑小于20mm的土，取1000-2000g；最大粒徑小于40mm的土，取2000-4000g；最大粒徑小于60mm的土，取4000g以上。稱量準(zhǔn)確至0.1g，若試樣質(zhì)量超過500g，則稱量準(zhǔn)確至1g。將試樣過2mm細(xì)篩，分別稱出篩上和篩下土質(zhì)量。若2mm篩下的土小于試樣總質(zhì)量的10%，則可省略細(xì)篩篩析；若2mm篩上的土小于試樣總質(zhì)量的10%，則可省略粗篩篩析。取2mm篩上試樣倒入依次疊好的粗篩的最上層篩中進(jìn)行篩分，取2mm篩下試樣按從大到小的次序通過小于2mm的各級細(xì)篩。細(xì)篩宜放在振篩機(jī)上震搖，震搖時間一般為10-15min。由最大孔徑篩開始，順序?qū)⒏骱Y取下，在白紙上用手輕叩搖晃，若仍有土粒漏下，繼續(xù)輕叩搖晃，至每分鐘篩下數(shù)量不大于該級篩余質(zhì)量的1%為止。漏下的土粒全部放入下級篩內(nèi)，并將留在各篩上的土樣用毛刷刷凈，分別稱量。計算各級篩上的篩余質(zhì)量百分?jǐn)?shù)和累計篩余質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。密度計法適用于粒徑小于0.075mm的土。其原理是基于司托克定律，土粒在懸液中沉降時，其沉降速度與土粒粒徑、土粒密度、懸液粘滯系數(shù)等因素有關(guān)。通過測量不同時刻懸液中不同粒徑土粒的沉降情況，計算出小于某粒徑的土粒質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。試驗儀器主要有甲種密度計（讀數(shù)表示懸液中的干土量）或乙種密度計（讀數(shù)表示懸液密度）、量筒（1000mL）、攪拌器、溫度計、秒表等。將風(fēng)干土樣過0.5mm篩，稱取一定質(zhì)量（一般為30-50g）的篩下土樣，放入盛有適量純水的燒杯中，加入分散劑（如六偏磷酸鈉），攪拌均勻，使土粒充分分散。將懸液倒入1000mL量筒中，加純水至刻度線，攪拌均勻。將密度計輕輕放入懸液中，測量不同時刻懸液的密度或干土量。同時測量懸液的溫度。根據(jù)密度計讀數(shù)、懸液溫度以及相關(guān)公式，計算出小于某粒徑的土粒質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。對比分析篩析法和密度計法的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種方法所得的顆粒級配曲線趨勢基本一致，但在某些粒徑段存在一定差異。對于張呼和吉琿客運專線鐵路黏性地基土，在粒徑大于0.075mm的部分，篩析法能更準(zhǔn)確地反映土顆粒的分布情況；在粒徑小于0.075mm的部分，密度計法具有優(yōu)勢。綜合兩種方法的結(jié)果，可以更全面、準(zhǔn)確地掌握黏性地基土的顆粒組成情況。例如，張家口地區(qū)的粉質(zhì)黏土，通過篩析法可知其大于0.075mm的顆粒主要集中在0.075-2mm之間，占總質(zhì)量的一定比例；通過密度計法可知其小于0.075mm的顆粒中，粒徑在0.002-0.075mm之間的顆粒含量也較為可觀。這些結(jié)果對于評價黏性土的工程性質(zhì)，如透水性、壓縮性、抗剪強(qiáng)度等具有重要意義。3.2.4含水率試驗含水率是指土中水的質(zhì)量與土粒質(zhì)量之比，以百分?jǐn)?shù)表示。它是黏性土的重要物理指標(biāo)之一，對黏性土的物理力學(xué)性質(zhì)有著顯著影響。本試驗采用烘干法測定黏性土的含水率，該方法是測定土含水率的標(biāo)準(zhǔn)方法，具有操作簡單、結(jié)果準(zhǔn)確的優(yōu)點。試驗儀器主要包括稱量盒、天平（稱量200g，最小分度值0.01g）、烘箱、干燥器等。在試驗前，將稱量盒洗凈、烘干，用天平稱其質(zhì)量m1，精確至0.01g。從現(xiàn)場采集的土樣中選取具有代表性的部分，將其切成小塊，迅速放入已知質(zhì)量的稱量盒中，稱取盒和濕土的總質(zhì)量m2，精確至0.01g。將裝有土樣的稱量盒放入烘箱中，打開烘箱門，在105-110℃的溫度下烘干至恒重。烘干時間一般根據(jù)土樣的性質(zhì)和數(shù)量而定，對于黏性土，通常需要烘干8-12h。烘干過程中，應(yīng)注意觀察烘箱的溫度，確保溫度穩(wěn)定在規(guī)定范圍內(nèi)。烘干結(jié)束后，關(guān)閉烘箱電源，待烘箱溫度降至50℃左右時，打開烘箱門，用坩堝鉗取出稱量盒，放入干燥器中冷卻至室溫。在干燥器中冷卻的目的是防止稱量盒吸收空氣中的水分，影響試驗結(jié)果。冷卻時間一般為30min左右。從干燥器中取出冷卻后的稱量盒，用天平稱其質(zhì)量m3，精確至0.01g。按下式計算土的含水率ω：\omega=\frac{m_{2}-m_{3}}{m_{3}-m_{1}}\times100\%其中，m2為盒和濕土的總質(zhì)量，m3為盒和干土的總質(zhì)量，m1為稱量盒的質(zhì)量。對試驗結(jié)果進(jìn)行分析，張呼和吉琿客運專線鐵路沿線黏性土的含水率變化范圍較大。張家口地區(qū)的粉質(zhì)黏土含水率一般在15%-25%之間，內(nèi)蒙古烏蘭察布市的黏土含水率在20%-30%之間，吉琿客運專線沿線的粉質(zhì)黏土含水率在18%-28%之間。含水率的大小主要受土的成因、地下水位、氣候條件等因素影響。例如，靠近河流或地下水位較高的地段，黏性土的含水率相對較高；而在干旱地區(qū)或地下水位較深的地段，含水率相對較低。含水率對黏性土的物理力學(xué)性質(zhì)有著重要影響，含水率增加，黏性土的可塑性增強(qiáng)，壓縮性增大，抗剪強(qiáng)度降低。因此，準(zhǔn)確測定含水率對于評價黏性土的工程性質(zhì)和制定合理的地基處理方案具有重要意義。在試驗過程中，影響試驗結(jié)果的因素主要有烘干溫度和時間。若烘干溫度過高或時間過長，可能導(dǎo)致土樣中的有機(jī)質(zhì)分解，使土樣質(zhì)量減少，從而使計算得到的含水率偏高；若烘干溫度過低或時間不足，土樣中的水分未能完全去除，會導(dǎo)致含水率偏低。此外，稱量過程中的誤差也會對試驗結(jié)果產(chǎn)生一定影響，因此在試驗中應(yīng)嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行，確保稱量的準(zhǔn)確性。3.2.5密度試驗土的密度是指單位體積土的質(zhì)量，它是黏性土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)之一，反映了土的密實程度。本試驗采用環(huán)刀法測定黏性土的密度，該方法適用于測定細(xì)粒土的密度，操作相對簡便，結(jié)果較為準(zhǔn)確。試驗儀器主要有環(huán)刀（內(nèi)徑61.8mm或79.8mm，高20mm）、天平（稱量200g，最小分度值0.01g）、切土刀、鋼絲鋸、凡士林、烘箱等。在試驗前，將環(huán)刀洗凈、擦干，用游標(biāo)卡尺測量環(huán)刀的內(nèi)徑d和高度h，精確至0.1mm。根據(jù)公式V=π(d/2)2h計算環(huán)刀的體積V，精確至0.1cm3。稱取環(huán)刀質(zhì)量m1，精確至0.01g。在環(huán)刀內(nèi)壁上均勻涂抹一薄層凡士林，以減小土樣與環(huán)刀之間的摩擦。將3.3試驗結(jié)果與分析通過對張呼和吉琿客運專線鐵路黏性地基土各項物理特性指標(biāo)的試驗，得到了豐富的數(shù)據(jù)結(jié)果，這些結(jié)果對于深入了解黏性地基土的工程性質(zhì)具有重要意義。在界限含水率方面，張家口地區(qū)粉質(zhì)黏土的液限處于32%-38%之間，塑限在20%-24%范圍內(nèi)，塑性指數(shù)為12-18。烏蘭察布市城區(qū)及周邊黏土的液限大于40%，塑限約為25%，塑性指數(shù)大于18。吉琿客運專線沿線吉林市周邊粉質(zhì)黏土的液限在35%-40%之間，塑限為22%-26%，塑性指數(shù)為13-18。液限和塑限反映了黏性土的稠度狀態(tài)，塑性指數(shù)則直觀地體現(xiàn)了黏性土的黏性強(qiáng)弱和可塑范圍。烏蘭察布市黏土較高的塑性指數(shù)表明其黏性更強(qiáng)，在工程建設(shè)中，這類黏性土的可塑性強(qiáng)，在地基處理時需要更加關(guān)注其變形特性和強(qiáng)度特性，以防止因土體變形過大而影響工程的穩(wěn)定性。顆粒密度試驗結(jié)果顯示，沿線黏性土的顆粒密度一般在2.65-2.75g/cm3之間。張家口地區(qū)粉質(zhì)黏土顆粒密度約為2.68g/cm3，烏蘭察布市黏土顆粒密度約為2.72g/cm3，吉琿客運專線沿線粉質(zhì)黏土顆粒密度在2.66-2.70g/cm3之間。顆粒密度主要取決于土粒的礦物成分，黏土礦物含量較高時，顆粒密度相對較??；石英、長石等礦物含量較高，則顆粒密度相對較大。土粒的密實程度也會對顆粒密度產(chǎn)生一定影響。通過對顆粒密度的分析，有助于了解黏性土的物質(zhì)組成，為后續(xù)的工程計算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在進(jìn)行地基承載力計算時，顆粒密度是一個重要的參數(shù)，它與土的重度等參數(shù)相關(guān)，直接影響到地基承載力的計算結(jié)果。顆粒分析試驗綜合運用篩析法和密度計法，全面揭示了黏性地基土的顆粒組成情況。在張家口地區(qū)的粉質(zhì)黏土中，大于0.075mm的顆粒主要集中在0.075-2mm之間；小于0.075mm的顆粒中，粒徑在0.002-0.075mm之間的顆粒含量也較為可觀。顆粒組成對黏性土的工程性質(zhì)影響顯著，較大粒徑顆粒含量較多時，土的透水性相對較強(qiáng)，壓縮性相對較??；而細(xì)顆粒含量較多時，土的黏性和可塑性增強(qiáng)，透水性減弱，壓縮性增大。在設(shè)計地基排水系統(tǒng)時，需要考慮土的顆粒組成對透水性的影響，以確保排水效果。含水率試驗結(jié)果表明，張呼和吉琿客運專線鐵路沿線黏性土的含水率變化范圍較大。張家口地區(qū)粉質(zhì)黏土含水率一般在15%-25%之間，烏蘭察布市黏土含水率在20%-30%之間，吉琿客運專線沿線粉質(zhì)黏土含水率在18%-28%之間。含水率對黏性土的物理力學(xué)性質(zhì)有著重要影響，含水率增加，黏性土的可塑性增強(qiáng)，壓縮性增大，抗剪強(qiáng)度降低。在工程建設(shè)中，若含水率過高，會導(dǎo)致地基土的強(qiáng)度降低，在荷載作用下容易產(chǎn)生較大的沉降變形。因此，在地基處理時，常需要采取措施降低含水率，如采用排水固結(jié)法，通過設(shè)置排水砂井、塑料排水板等設(shè)施，加速土體中水分的排出，提高地基土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。密度試驗采用環(huán)刀法，得到了沿線黏性土的密度數(shù)據(jù)。土的密度反映了土的密實程度，對黏性土的工程性質(zhì)有著重要影響。密度較大的黏性土，其顆粒排列緊密，孔隙比小，強(qiáng)度相對較高，壓縮性相對較小。在地基處理中，常通過壓實等方法提高土的密度，以增強(qiáng)地基的承載能力。在路基填筑工程中，通過控制壓實度，使路基土達(dá)到較高的密度，從而保證路基的穩(wěn)定性和耐久性。綜合各項物理特性指標(biāo)試驗結(jié)果，不同地區(qū)的黏性地基土在物理性質(zhì)上存在一定差異，這些差異與土的成因、地質(zhì)條件、沉積環(huán)境等因素密切相關(guān)。在工程實踐中，需要根據(jù)具體的物理特性指標(biāo)，合理選擇地基處理方法和設(shè)計參數(shù)，以確保張呼和吉琿客運專線鐵路的工程質(zhì)量和安全。對于黏性較強(qiáng)、含水率較高、壓縮性較大的黏土，可能需要采用強(qiáng)夯法、灰土擠密樁法等方法進(jìn)行地基處理，以提高地基的承載能力和穩(wěn)定性。四、黏性地基土力學(xué)特性試驗研究4.1固結(jié)試驗固結(jié)試驗是研究黏性地基土力學(xué)特性的重要試驗之一，其目的在于測定土的沉降變形，深入了解土體在側(cè)限條件下的變形與時間、壓力的關(guān)系，通過結(jié)合其它試驗指標(biāo)，進(jìn)而配合計算土的壓縮系數(shù)、壓縮模量，以此確定土壓縮性的高低。在張呼和吉琿客運專線鐵路建設(shè)中，對沿線黏性地基土進(jìn)行固結(jié)試驗，能夠為地基沉降計算、穩(wěn)定性分析以及工程設(shè)計提供關(guān)鍵依據(jù)。試驗采用的儀器為固結(jié)儀，主要由固結(jié)容器、加壓設(shè)備、變形量測設(shè)備等組成。其中，固結(jié)容器由環(huán)刀、護(hù)環(huán)、透水石、水槽、加壓上蓋構(gòu)成，環(huán)刀高20mm，面積30cm2或50cm2，其作用是保持土樣的形狀和尺寸，為試驗提供穩(wěn)定的土體結(jié)構(gòu)；加壓設(shè)備需能垂直地在瞬間施加各級規(guī)定的壓力，且無沖擊力，壓力準(zhǔn)確度應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《土工儀器的基本參數(shù)及通用技術(shù)條件》GB/T15406的規(guī)定，它是對土樣施加荷載的關(guān)鍵裝置，確保荷載施加的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性；變形量測設(shè)備采用量程10mm，最小分度值為0.01mm的百分表或準(zhǔn)確度為全量程0.2%的位移傳感器，用于精確測量土樣在荷載作用下的變形量。此外，還配備了開土刀、過濾紙等輔助工具。試驗步驟如下：試樣制備：按密度試驗要求取原狀土或制備擾動土土樣。在張家口地區(qū)，從河谷及山間盆地的第四系沖洪積層中取得原狀土樣；在烏蘭察布市，于湖積層和沖洪積層等黏性土分布區(qū)域獲取土樣。測定試樣的含水率和密度，取切下的余土測定土粒比重。若試樣需要飽和，應(yīng)按規(guī)定進(jìn)行抽氣飽和。例如，對于張家口南站附近的粉質(zhì)黏土試樣，先測定其初始含水率和密度，然后將其放入抽氣飽和裝置中，抽氣至一定時間，使土樣充分飽和。安裝：在壓密容器中放置好透水石和濾紙，將帶有環(huán)刀的試樣和環(huán)刀一起刃口向下小心放入護(hù)環(huán)，再在試樣上放置濾紙和透水石，最后放上傳壓活塞，安裝加壓裝置和百分表。安裝過程需確保各部件緊密連接，避免出現(xiàn)縫隙或松動，影響試驗結(jié)果。調(diào)零：施加預(yù)壓力使試樣與儀器上下各部件之間接觸，將百分表或傳感器調(diào)整到零位或測讀初讀數(shù)，通常將百分表測距調(diào)到大于8mm。這一步驟的目的是消除儀器的初始誤差，確保測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。加載：確定需要施加的各級壓力，壓力等級宜為12.5、25、50、100、200、400、800、1600、3200kPa。第一級壓力的大小應(yīng)視土的軟硬程度而定，對于張家口地區(qū)相對較硬的粉質(zhì)黏土，第一級壓力可選用25kPa；對于烏蘭察布市含水量較高、較軟的黏土，第一級壓力可選用12.5kPa。最后一級壓力應(yīng)大于土的自重壓力與附加壓力之和。只需測定壓縮系數(shù)時，最大壓力不小于400kPa。沉降記錄：施加每級壓力后24h測定試樣高度變化作為穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，每間隔1小時變形小于0.01mm時，作為穩(wěn)定讀數(shù)；測定沉降速率時，施加每一級壓力后宜按下列時間順序測記試樣的高度變化：6s、15s、lmin、2minl5s、4min、6minl5s、9min、12minl5s、16min、20minl5s、25min、30minl5s、36min、42minl5s、49min、64min、lOOmin、200min、400min、23h、24h，至穩(wěn)定為止。在記錄過程中，需保持環(huán)境穩(wěn)定，避免外界干擾，確保數(shù)據(jù)記錄的準(zhǔn)確性。加第二級荷載：記下穩(wěn)定讀數(shù)后，施加第二級荷載。依此逐級加荷，至試驗結(jié)束。每級荷載施加過程中，要保證荷載的平穩(wěn)增加，避免出現(xiàn)沖擊荷載。試驗結(jié)束：最后一級荷載穩(wěn)定后，先卸除百分表，然后卸除砝碼，升起加壓框，拆除儀器各部件，取出試樣，測定含水率。通過測定最終含水率，可了解土樣在整個試驗過程中的水分變化情況。固結(jié)試驗的基本原理基于側(cè)限壓縮理論。土體的固結(jié)是指土體在外力作用下，土體中的水和氣體被逐漸排走，孔隙體積減小，土顆粒之間重新排列的現(xiàn)象。在側(cè)限條件下，土樣只能在豎向發(fā)生變形，而在水平方向不能變形。通過測定土樣在各級垂直荷載作用下產(chǎn)生的變形，計算各級荷載下相應(yīng)的孔隙比，用以確定土的壓縮系數(shù)和壓縮模量等。其計算公式如下：初始孔隙比e_0的計算：e_0=\frac{G_s\rho_w(1+\omega_0)}{\rho_0}-1其中，G_s為土粒比重，\rho_w為水的密度，\omega_0為初始含水率，\rho_0為土的初始密度。各級壓力下最終孔隙比e_i的計算：e_i=e_0-(1+e_0)\frac{\Deltah_i}{h_0}其中，\Deltah_i為某級壓力下土樣的變形量，h_0為土樣的初始高度。壓縮系數(shù)a_{v}的計算：a_{v}=\frac{e_1-e_2}{p_2-p_1}其中，e_1、e_2分別為壓力p_1、p_2作用下土樣的孔隙比。壓縮系數(shù)反映了土在壓力作用下孔隙比的減小程度，其值越大，土的壓縮性越高。壓縮模量E_s的計算：E_s=\frac{1+e_1}{a_{v}}壓縮模量是土在完全側(cè)限條件下的豎向附加應(yīng)力與相應(yīng)的應(yīng)變增量之比，它表示土抵抗壓縮變形的能力，值越大，土的壓縮性越小。對張呼鐵路的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在張家口地區(qū)的某粉質(zhì)黏土試樣，初始孔隙比為0.85，當(dāng)壓力從50kPa增加到100kPa時，孔隙比從0.80減小到0.76，計算得到壓縮系數(shù)為0.4MPa?1，壓縮模量為5MPa。這表明該粉質(zhì)黏土具有中等壓縮性，在地基處理時需考慮其壓縮變形對工程的影響。在烏蘭察布市的某黏土試樣，初始孔隙比為0.95，壓力從25kPa增加到50kPa時，孔隙比從0.90減小到0.85，壓縮系數(shù)為0.5MPa?1，壓縮模量為4MPa，顯示其壓縮性相對較高。對于吉琿鐵路，在吉林市周邊的某粉質(zhì)黏土試樣，經(jīng)試驗計算，初始孔隙比為0.82，壓力從50kPa增加到100kPa時，孔隙比從0.78減小到0.74，壓縮系數(shù)為0.4MPa?1，壓縮模量為5.2MPa。在蛟河地區(qū)的某黏性土試樣，初始孔隙比為0.88，壓力從25kPa增加到50kPa時，孔隙比從0.84減小到0.80，壓縮系數(shù)為0.4MPa?1，壓縮模量為5MPa。綜合分析張呼和吉琿鐵路的試驗數(shù)據(jù)可知，不同地區(qū)的黏性地基土壓縮性存在差異。張家口地區(qū)的粉質(zhì)黏土和吉林市周邊的粉質(zhì)黏土壓縮性相對較為接近，均為中等壓縮性；烏蘭察布市的黏土壓縮性相對較高，而蛟河地區(qū)的黏性土壓縮性與上述地區(qū)也有所不同。這些差異主要與土的成因、地質(zhì)條件、顆粒組成以及含水量等因素有關(guān)。在工程設(shè)計中，需根據(jù)不同地區(qū)黏性地基土的壓縮性特點，合理選擇地基處理方法和設(shè)計參數(shù)。對于壓縮性較高的烏蘭察布市黏土，可采用強(qiáng)夯法、灰土擠密樁法等方法進(jìn)行地基加固，以減小地基沉降，提高地基的穩(wěn)定性。4.2直接剪切試驗直接剪切試驗是研究黏性地基土力學(xué)特性的重要手段，其目的在于測定土的抗剪強(qiáng)度，深入了解黏性土在不同法向壓力下的抗剪性能，為張呼和吉琿客運專線鐵路工程的地基穩(wěn)定性分析、邊坡設(shè)計以及基礎(chǔ)設(shè)計等提供關(guān)鍵的強(qiáng)度參數(shù)。本次試驗采用杠桿式應(yīng)變控制直剪儀，該儀器主要由剪切盒（分為上盒和下盒，上盒固定，下盒放置在鋼珠上，可在水平方向自由滑動）、垂直加壓設(shè)備（采用杠桿傳動的加荷方法，杠桿比為1:10，能精確施加垂直壓力）、水平剪切設(shè)備（通過轉(zhuǎn)動手輪提供水平剪力）、測力計（即應(yīng)力環(huán)，用于測量水平剪力的大?。?、百分表（用以量測豎直變形和水平位移）等部分組成。此外，還配備有環(huán)刀（內(nèi)徑6.18cm、高20cm）、切土工具、濾紙（或蠟紙）、毛玻璃板、秒表及潤滑油等輔助工具。試驗操作步驟如下：土樣制備與儀器準(zhǔn)備：按照要求從現(xiàn)場采集的黏性土樣中切取3-4個原狀土樣，確保土樣的代表性和均勻性。在張家口地區(qū)，從河谷及山間盆地的第四系沖洪積層中切取粉質(zhì)黏土土樣；在烏蘭察布市，從湖積層和沖洪積層中獲取黏土土樣。檢查儀器各部件，確保上下盒間接觸良好，盒內(nèi)應(yīng)涂抹適量凡士林，以減少摩擦阻力。檢查百分表是否靈敏，插銷是否正常工作，鋼珠是否安裝牢固，避免在試驗過程中出現(xiàn)故障影響試驗結(jié)果。安裝試樣：將上下盒對準(zhǔn)，插入固定銷，確保下盒位置固定。在下盒內(nèi)放入一塊透水石，再放置一張濾紙（或蠟紙），其作用是防止土顆粒進(jìn)入透水石孔隙，同時保證水分能夠順利排出。將帶有土樣的環(huán)刀刃口朝上，對準(zhǔn)盒口，小心地將試樣推入盒內(nèi)，使土樣完整地落入下盒中。然后在土樣上放置濾紙（或蠟紙）和透水石，蓋上盒蓋，將組裝好的試樣裝入儀器內(nèi)。通過調(diào)節(jié)螺桿，施加一定的初始壓力，使試樣與儀器各部件緊密接觸。轉(zhuǎn)動手輪，使下盒前端鋼珠剛好與量力環(huán)接觸，并將量力環(huán)中的百分表讀數(shù)調(diào)整為零，為后續(xù)測量水平剪力做好準(zhǔn)備。垂直加壓：根據(jù)黏性土的性質(zhì)和工程實際情況，確定垂直壓力等級，一般分別施加0.1、0.2、0.3、0.4MPa的垂直壓力。若土質(zhì)較為松軟，如烏蘭察布市一些含水量較高、壓縮性較大的黏土，可適當(dāng)調(diào)整加壓荷載，避免土樣在試驗過程中被擠出，影響試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。在施加垂直壓力時，要緩慢、均勻地操作，確保壓力穩(wěn)定施加到土樣上。水平剪切：拔出固定銷，開動秒表，開始進(jìn)行水平剪切。對于固結(jié)快剪和快剪法，以每分鐘6轉(zhuǎn)的勻速旋轉(zhuǎn)手輪，使試樣在3-5分鐘內(nèi)剪壞。在剪切過程中，密切觀察量力環(huán)中百分表的讀數(shù)變化，當(dāng)百分表指針不再前進(jìn)或者顯著后退時，表示試樣已剪壞。若百分表讀數(shù)無峰值，則需繼續(xù)剪切，直至剪切變形達(dá)到6mm才能停止。同時，準(zhǔn)確測記手輪轉(zhuǎn)數(shù)n和量力環(huán)測微表讀數(shù)R0。對于慢剪法，剪切速率應(yīng)小于0.02mm/min，一般采用電動裝置控制，以保證剪切過程的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。在慢剪過程中，同樣要密切關(guān)注百分表讀數(shù)和試樣的變形情況。試驗結(jié)果的計算和制圖方法如下：剪應(yīng)力計算：根據(jù)下式計算測得的剪應(yīng)力\tau：\tau=\frac{K\cdotR}{A}\times10^{-4}其中，K為量力環(huán)率定系數(shù)（N/0.01mm），由儀器標(biāo)定得到；R為百分表讀數(shù)（0.01mm）；A為試樣初始斷面積（cm2）。通過該公式，將量力環(huán)測得的力轉(zhuǎn)換為剪應(yīng)力，反映土樣在剪切過程中所承受的實際剪應(yīng)力大小。繪制關(guān)系曲線：以剪應(yīng)力\tau為縱坐標(biāo)，剪位移\DeltaL為橫坐標(biāo)，繪制剪應(yīng)力（\tau）與剪位移（\DeltaL）的關(guān)系曲線圖。在圖中，可直觀地看到剪應(yīng)力隨剪位移的變化趨勢。一般來說，隨著剪位移的增加，剪應(yīng)力先逐漸增大，達(dá)到峰值后可能會有所下降，反映出土體從彈性階段到塑性階段直至破壞的過程。以剪應(yīng)力\tau為縱坐標(biāo)，法向應(yīng)力\sigma為橫坐標(biāo)，繪制\tau-\sigma關(guān)系曲線。根據(jù)庫倫定律\tau=c+\sigma\tan\varphi（其中c為黏聚力，\varphi為內(nèi)摩擦角），通過對不同法向應(yīng)力下的剪應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，可確定土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c和\varphi。擬合直線在縱軸上的截距即為黏聚力c，直線的斜率即為內(nèi)摩擦角\varphi的正切值\tan\varphi。對張呼鐵路的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在張家口地區(qū)的某粉質(zhì)黏土試樣，當(dāng)垂直壓力為0.1MPa時，剪應(yīng)力達(dá)到峰值為50kPa；當(dāng)垂直壓力增加到0.2MPa時，剪應(yīng)力峰值增大到70kPa。通過繪制\tau-\sigma關(guān)系曲線，擬合得到該粉質(zhì)黏土的黏聚力c約為15kPa，內(nèi)摩擦角\varphi約為25°。這表明該粉質(zhì)黏土具有一定的黏聚力和內(nèi)摩擦角，在地基工程中，其抗剪強(qiáng)度能夠提供一定的承載能力，但也需要根據(jù)具體的工程要求進(jìn)行合理的地基處理。在烏蘭察布市的某黏土試樣，在較低的垂直壓力下，剪應(yīng)力增長較為緩慢，隨著垂直壓力的增大，剪應(yīng)力增長速率加快。擬合得到其黏聚力c約為20kPa，內(nèi)摩擦角\varphi約為20°。與張家口地區(qū)的粉質(zhì)黏土相比，烏蘭察布市的黏土黏聚力相對較高，但內(nèi)摩擦角相對較小，這與黏土的顆粒組成、礦物成分以及含水量等因素有關(guān)。對于吉琿鐵路，在吉林市周邊的某粉質(zhì)黏土試樣，垂直壓力為0.1MPa時，剪應(yīng)力峰值為55kPa；垂直壓力為0.2MPa時，剪應(yīng)力峰值為75kPa。通過分析得到黏聚力c約為18kPa，內(nèi)摩擦角\varphi約為26°。在蛟河地區(qū)的某黏性土試樣，試驗結(jié)果顯示其黏聚力c約為16kPa，內(nèi)摩擦角\varphi約為24°。不同地區(qū)的黏性地基土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)存在差異，這與土的成因、地質(zhì)條件、顆粒組成以及含水量等因素密切相關(guān)。在工程設(shè)計中，需根據(jù)不同地區(qū)黏性地基土的抗剪強(qiáng)度特性，合理選擇地基處理方法和設(shè)計參數(shù)。對于抗剪強(qiáng)度較低的黏性土，可采用土釘墻、擋土墻等支護(hù)結(jié)構(gòu)來提高地基的穩(wěn)定性。4.3滲透試驗滲透試驗是研究黏性地基土力學(xué)特性的重要組成部分，它對于了解地下水在黏性土地基中的滲流規(guī)律、評估地基的滲透穩(wěn)定性以及為工程設(shè)計提供滲透參數(shù)具有關(guān)鍵意義。在張呼和吉琿客運專線鐵路工程中，準(zhǔn)確掌握黏性地基土的滲透特性，能夠有效預(yù)防因地下水滲流導(dǎo)致的地基沉降、管涌等問題，確保工程的安全與穩(wěn)定。本次試驗采用變水頭滲透試驗方法，適用于測定黏性土的滲透系數(shù)。試驗儀器主要為變水頭滲透儀，其由滲透容器（包括環(huán)刀、透水石、護(hù)環(huán)等，用于盛放土樣并為滲流提供通道）、變水頭裝置（由儲水筒、連接管、調(diào)節(jié)閥門等組成，通過調(diào)節(jié)儲水筒的水位高度來產(chǎn)生不同的水頭差，為滲流提供動力）、測壓管（用于測量土樣兩端的水頭高度，以計算水頭差）、溫度計（測量試驗過程中水溫，以便對滲透系數(shù)進(jìn)行溫度修正）等部分構(gòu)成。此外，還配備有切土工具、環(huán)刀（內(nèi)徑61.8mm或79.8mm，高20mm）、濾紙、秒表等輔助工具。試驗操作步驟如下：土樣制備與儀器準(zhǔn)備：從現(xiàn)場采集的黏性土樣中，使用環(huán)刀切取具有代表性的土樣，確保土樣的完整性和均勻性。在張家口地區(qū)，從河谷及山間盆地的第四系沖洪積層中切取粉質(zhì)黏土土樣；在烏蘭察布市，從湖積層和沖洪積層中獲取黏土土樣。檢查變水頭滲透儀各部件，確保連接緊密，無漏水現(xiàn)象。檢查測壓管是否通暢，閥門是否能正常開關(guān)，溫度計是否準(zhǔn)確。在滲透容器內(nèi)放置好透水石和濾紙，將帶有土樣的環(huán)刀小心放入護(hù)環(huán)，再在土樣上放置濾紙和透水石，安裝好滲透容器。安裝儀器與充水排氣：將滲透容器安裝在變水頭裝置上，連接好測壓管和連接管。向儲水筒中緩慢注水，使水充滿滲透容器和連接管，同時打開測壓管閥門，排出其中的空氣，確保整個系統(tǒng)中無氣泡存在。在排氣過程中，要注意觀察測壓管和滲透容器內(nèi)的水位變化，確保排氣徹底。水頭調(diào)整與試驗開始：調(diào)節(jié)儲水筒的水位高度，使初始水頭差達(dá)到一定值（一般為10-20cm）。關(guān)閉儲水筒的調(diào)節(jié)閥門，記錄初始水頭高度h1和時間t1。打開滲透容器底部的排水閥門，使水在水頭差的作用下通過土樣，開始滲透試驗。在試驗過程中，要密切觀察測壓管中水位的變化。數(shù)據(jù)記錄與試驗結(jié)束：每隔一定時間（一般為5-10min）記錄一次測壓管中的水頭高度h2和對應(yīng)的時間t2。當(dāng)水頭差變化較小，試驗基本穩(wěn)定后，可適當(dāng)延長記錄時間間隔。持續(xù)試驗直至獲取足夠的數(shù)據(jù)。試驗結(jié)束后，關(guān)閉排水閥門，拆除滲透容器，取出土樣，清洗儀器各部件。試驗結(jié)果的計算方法如下：根據(jù)達(dá)西定律，土的滲透系數(shù)k可按下式計算：k=2.3\frac{aL}{A(t_2-t_1)}\log\frac{h_1}{h_2}其中，a為變水頭管的截面積（cm2），L為土樣的高度（cm），A為土樣的橫截面積（cm2），t1、t2為起始和終止時間（s），h1、h2為起始和終止時刻的水頭高度（cm）。對張呼鐵路的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在張家口地區(qū)的某粉質(zhì)黏土試樣，經(jīng)過試驗計算得到其滲透系數(shù)約為1.5×10??cm/s。這表明該粉質(zhì)黏土的滲透性較弱，地下水在其中的滲流速度較慢。在烏蘭察布市的某黏土試樣，滲透系數(shù)約為1.0×10??cm/s，相比之下，其滲透性比張家口地區(qū)的粉質(zhì)黏土更弱。這與黏土的顆粒細(xì)小、孔隙較小以及顆粒之間的黏聚力較大有關(guān)，使得水分在其中的流動受到較大阻礙。對于吉琿鐵路，在吉林市周邊的某粉質(zhì)黏土試樣，滲透系數(shù)約為1.3×10??cm/s。在蛟河地區(qū)的某黏性土試樣，滲透系數(shù)約為1.4×10??cm/s。不同地區(qū)的黏性地基土滲透系數(shù)存在一定差異，這主要與土的顆粒組成、孔隙比、礦物成分以及含水量等因素密切相關(guān)。顆粒越細(xì)、孔隙比越小，土的滲透性越弱；而礦物成分中親水性礦物含量較高時，也會使土的滲透性降低。影響?zhàn)ば缘鼗翝B透性的因素眾多。從土的顆粒組成來看，張家口地區(qū)的粉質(zhì)黏土顆粒相對較粗，其滲透系數(shù)相對較大；烏蘭察布市的黏土顆粒更細(xì)，滲透系數(shù)更小?？紫侗纫彩侵匾绊懸蛩兀紫侗却蟮耐?，孔隙通道相對較多且大，滲透性較強(qiáng)；反之則較弱。礦物成分方面，黏土礦物含量高的黏性土，由于黏土礦物的親水性和表面電荷特性，會使土顆粒表面形成較厚的結(jié)合水膜，阻礙水分的流動，降低滲透性。含水量對滲透性也有影響，含水量較高時，土顆粒之間的孔隙被水填充，有效孔隙減小，滲透性降低。此外，土的結(jié)構(gòu)性也會影響滲透性，原狀土由于其結(jié)構(gòu)的完整性，滲透系數(shù)相對較小；而重塑土破壞了原有的結(jié)構(gòu)，滲透性可能會有所增大。在工程設(shè)計中，需充分考慮這些影響因素，根據(jù)黏性地基土的滲透特性，合理設(shè)計地基排水系統(tǒng)、確定基礎(chǔ)的埋深等，以確保工程的安全和穩(wěn)定。4.4試驗結(jié)果與分析通過對張呼和吉琿客運專線鐵路黏性地基土的固結(jié)試驗、直接剪切試驗和滲透試驗，獲得了大量的試驗數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，能夠全面了解黏性地基土的力學(xué)特性，為工程設(shè)計和施工提供有力依據(jù)。在固結(jié)試驗方面，不同地區(qū)的黏性地基土表現(xiàn)出不同的壓縮特性。張家口地區(qū)的粉質(zhì)黏土和吉林市周邊的粉質(zhì)黏土壓縮性相對較為接近，均呈現(xiàn)中等壓縮性。這意味著在受到外部荷載作用時，它們會產(chǎn)生一定程度的壓縮變形，但變形量相對可控。例如，張家口地區(qū)的某粉質(zhì)黏土試樣，初始孔隙比為0.85，當(dāng)壓力從50kPa增加到100kPa時，孔隙比從0.80減小到0.76，計算得到壓縮系數(shù)為0.4MPa?1，壓縮模量為5MPa。吉林市周邊的某粉質(zhì)黏土試樣，初始孔隙比為0.82，壓力從50kPa增加到100kPa時，孔隙比從0.78減小到0.74，壓縮系數(shù)為0.4MPa?1，壓縮模量為5.2MPa。而烏蘭察布市的黏土壓縮性相對較高，在較小的壓力變化下，孔隙比的減小幅度較大。如烏蘭察布市的某黏土試樣，初始孔隙比為0.95，壓力從25kPa增加到50kPa時，孔隙比從0.90減小到0.85，壓縮系數(shù)為0.5MPa?1，壓縮模量為4MPa。這表明烏蘭察布市的黏土在荷載作用下更容易發(fā)生壓縮變形，在工程建設(shè)中需要更加關(guān)注其沉降問題，采取有效的地基處理措施來控制沉降，確保工程的穩(wěn)定性。壓縮性的差異主要與土的成因、地質(zhì)條件、顆粒組成以及含水量等因素密切相關(guān)。張家口地區(qū)和吉林市周邊的粉質(zhì)黏土可能由于其顆粒組成相對較為均勻，黏土礦物含量適中，使得其壓縮性處于中等水平。而烏蘭察布市的黏土可能由于其形成過程中受到特殊的地質(zhì)作用，顆粒細(xì)小，黏土礦物含量較高，且含水量較大，導(dǎo)致其壓縮性較高。在工程設(shè)計中，需要根據(jù)不同地區(qū)黏性地基土的壓縮性特點，合理選擇地基處理方法和設(shè)計參數(shù)。對于壓縮性較高的烏蘭察布市黏土，可以采用強(qiáng)夯法，通過強(qiáng)大的夯擊能使土體密實，減小孔隙比，降低壓縮性；也可以采用灰土擠密樁法，通過在地基中設(shè)置灰土樁，擠密周圍土體，提高地基的承載能力和穩(wěn)定性。直接剪切試驗結(jié)果揭示了黏性地基土的抗剪強(qiáng)度特性。張家口地區(qū)的粉質(zhì)黏土黏聚力約為15kPa，內(nèi)摩擦角約為25°；烏蘭察布市的黏土黏聚力約為20kPa，內(nèi)摩擦角約為20°；吉林市周邊的粉質(zhì)黏土黏聚力約為18kPa，內(nèi)摩擦角約為26°；蛟河地區(qū)的某黏性土試樣黏聚力約為16kPa，內(nèi)摩擦角約為24°?？梢钥闯?，不同地區(qū)的黏性地基土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)存在明顯差異。烏蘭察布市的黏土雖然黏聚力相對較高，但內(nèi)摩擦角相對較小，這意味著其抵抗剪切變形的能力在一定程度上受到內(nèi)摩擦角的限制。在實際工程中，對于抗剪強(qiáng)度較低的黏性土，如烏蘭察布市的黏土，在進(jìn)行邊坡設(shè)計時，需要減小邊坡的坡度，增加邊坡的穩(wěn)定性；在基礎(chǔ)設(shè)計中，可以采用增加基礎(chǔ)的埋深、擴(kuò)大基礎(chǔ)的底面積等方法，提高基礎(chǔ)的抗剪能力。抗剪強(qiáng)度的差異與土的顆粒組成、礦物成分以及含水量等因素密切相關(guān)。顆粒較細(xì)、黏土礦物含量較高的黏土，其黏聚力通常較大，但內(nèi)摩擦角可能較小。而含水量對土的抗剪強(qiáng)度也有顯著影響，含水量增加，土的抗剪強(qiáng)度會降低。在工程建設(shè)中，需要根據(jù)不同地區(qū)黏性地基土的抗剪強(qiáng)度特性，合理選擇地基處理方法和設(shè)計參數(shù)。對于抗剪強(qiáng)度較低的黏性土，可以采用土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)，通過在土體中設(shè)置土釘，增強(qiáng)土體的抗剪能力；也可以采用擋土墻，阻擋土體的滑動，保證工程的安全。滲透試驗結(jié)果表明，張家口地區(qū)的粉質(zhì)黏土滲透系數(shù)約為1.5