张呼和吉珲客运专线铁路黏性地基土物理力学特性：试验与分析

张呼和吉珲客运专线铁路黏性地基土物理力学特性：试验与分析一、绪论1.1研究背景与意义随着我国经济的快速发展，交通运输需求日益增长，高速铁路作为一种高效、便捷、安全的运输方式，在我国的交通体系中占据着越来越重要的地位。高速铁路的建设对于促进区域经济发展、加强区域间的联系与合作、提高人们的出行效率等方面都具有重要意义。近年来，我国高速铁路建设取得了举世瞩目的成就，“四纵四横”高铁网已经全面建成，“八纵八横”高铁网正在加快建设。在高速铁路建设过程中，地基处理是一个关键环节，而黏性地基土由于其特殊的物理力学性质，给地基处理带来了诸多挑战。张呼和吉珲客运专线是我国重要的高速铁路项目，其线路经过复杂的地质地形条件，路段中存在大量黏性地基土。这些黏性地基土的物理力学特性对线路的设计、施工和运营安全有着重要影响。如果对黏性地基土的特性认识不足，可能会导致地基沉降过大、不均匀沉降、边坡失稳等问题，从而影响线路的正常运行和行车安全。因此，深入研究张呼和吉珲客运专线铁路黏性地基土的物理力学特性，具有重要的现实意义。从理论方面来看，虽然目前已经有不少关于黏性土物理力学特性的研究成果，但不同地区的黏性土由于其成因、地质条件等因素的不同，其物理力学特性存在较大差异。张呼和吉珲客运专线所经地区的黏性土具有独特的性质，对其进行系统研究，能够丰富和完善黏性土物理力学特性的理论体系，为相关领域的研究提供新的资料和理论依据。从工程实践角度出发，准确掌握黏性地基土的物理力学特性是进行合理地基设计和施工的基础。通过对张呼和吉珲客运专线铁路黏性地基土的试验研究，能够为该线路的地基处理方案提供科学依据，指导工程施工，确保工程质量和安全。同时，研究成果也可为其他类似工程的黏性地基土处理提供参考和借鉴，有助于提高我国高速铁路建设中黏性地基土处理的技术水平，降低工程成本，推动我国高速铁路事业的健康发展。1.2国内外研究现状在黏性地基土物理力学特性的研究领域，国内外学者已取得了丰富的成果。国外对黏性土的研究起步较早，早在20世纪初，Terzaghi提出了有效应力原理，为土力学的发展奠定了基础，该原理对于理解黏性土的力学行为至关重要，后续众多关于黏性土的研究都基于此展开。随着时间的推移，学者们不断深入探究黏性土的特性。例如，在黏性土的强度特性方面，Mohr-Coulomb强度理论被广泛应用于描述黏性土的抗剪强度，众多学者通过大量试验对该理论在不同条件下的适用性进行验证和完善，如Bishop对非饱和黏性土的抗剪强度进行研究，考虑了基质吸力等因素对强度的影响。在变形特性研究中，学者们建立了多种本构模型来描述黏性土的变形规律，如剑桥模型，它较好地反映了黏性土在加载和卸载过程中的变形特性，为工程实践中对黏性土地基变形的预测提供了重要工具。此外，在研究黏性土的渗透特性时，达西定律是基础理论，不少学者通过试验研究了不同因素对黏性土渗透系数的影响，如孔隙比、饱和度等因素与渗透系数之间的关系。国内对于黏性地基土物理力学特性的研究也在不断发展。在早期，主要是借鉴国外的理论和方法，并结合国内工程实际进行应用和探索。随着我国基础设施建设的大规模开展，针对不同地区黏性土的特性研究日益增多。例如，针对沿海地区软黏土，众多学者研究了其高含水量、高压缩性、低强度等特性对工程的影响，并提出了相应的地基处理方法，像真空预压法在处理沿海软黏土地基中得到了广泛应用，学者们对其加固机理、影响因素等方面进行了深入研究。对于内陆地区的黏性土，也有大量研究关注其特殊性质，如黄土地区的黏性土具有湿陷性等特性，学者们通过试验对其湿陷机理、影响因素以及处理措施等方面进行了深入探讨。在研究方法上，国内学者除了运用传统的室内试验和现场测试方法外，还逐渐引入了数值模拟等先进技术，通过有限元、离散元等数值方法对黏性土地基的力学行为进行模拟分析，为工程设计和施工提供了更科学的依据。然而，现有研究仍存在一些不足之处。不同地区的黏性土由于地质成因、沉积环境等因素差异显著，其物理力学特性也各不相同。尽管已有众多研究，但针对张呼和吉珲客运专线铁路沿线这种特定区域的黏性地基土研究还相对匮乏，难以直接为该线路的工程建设提供全面、准确的依据。在研究方法上，虽然数值模拟技术得到了广泛应用，但目前的模型在反映黏性土复杂的力学行为时仍存在一定局限性，如难以准确模拟黏性土在长期荷载作用下的蠕变特性以及复杂应力路径下的力学响应。此外，在考虑环境因素对黏性土物理力学特性的影响方面，现有研究还不够深入，例如气候变化导致的温度、湿度变化，以及地下水水位波动等因素对黏性土特性的长期影响尚未得到充分研究。1.3研究内容与方法1.3.1研究内容本研究主要针对张呼和吉珲客运专线铁路黏性地基土展开，涵盖多方面的试验与分析工作。在物理特性试验方面，将对黏性土的界限含水率进行测试，运用液塑限联合测定法，获取液限、塑限数据，进而计算塑性指数，以此判断黏性土的状态和工程性质。通过量瓶法测定土粒密度，分析土粒的矿物成分和密实程度对土粒密度的影响。对于颗粒分析，采用筛析法和密度计法，确定不同粒径颗粒的含量，绘制颗粒级配曲线，掌握土颗粒的组成情况。运用烘干法精准测定黏性土的含水率，了解其含水量的变化对物理力学性质的影响。借助环刀法测量土的密度，分析密度与土的压实程度、孔隙比等因素的关系。开展击实试验，确定黏性土的最佳含水量和最大干密度，为地基压实控制提供关键参数。在力学特性试验中，开展固结试验，采用压缩仪对土样施加不同等级的压力，记录土样在不同压力下的变形和时间关系，分析黏性土的压缩性指标，如压缩系数、压缩模量等，研究其在压力作用下的变形规律和固结特性。进行直接剪切试验，使用直剪仪对土样施加水平剪切力，测量土样在不同垂直压力下的抗剪强度，确定抗剪强度指标，如黏聚力和内摩擦角，探讨黏性土的抗剪强度特性。实施渗透试验，通过常水头渗透试验或变水头渗透试验，测定黏性土的渗透系数，分析其渗透性能，了解地下水在黏性土地基中的渗流规律。除上述常规试验外，还将探究新型工程材料在黏性土处理中的应用。选取合适的新型工程材料，如高强度土工合成材料、新型固化剂等，将其与黏性土进行混合，通过室内试验研究新型工程材料对黏性土力学特性的改善作用，如强度提升、压缩性降低等。同时，分析新型工程材料应用可能带来的风险，如材料与土的兼容性问题、长期稳定性问题等，并对结果进行评估和分析，提出相应的建议。1.3.2研究方法在研究过程中，将综合运用现场和室内相结合的方法。在现场，根据张呼和吉珲客运专线铁路沿线的地质条件，合理布置取样点，采用薄壁取土器等专业设备进行原位取样，确保土样的完整性和代表性。对取得的土样进行妥善保存和运输，避免土样受到扰动和损坏。在室内，对采集的土样进行切割、制备，使其满足各项试验的要求。利用先进的试验仪器和设备，严格按照相关标准和规范进行物理力学参数的测试。在试验过程中，注重试验条件的控制，如温度、湿度等，确保试验结果的准确性和可靠性。同时，采用多组平行试验，对试验数据进行统计分析，减小试验误差。在数据分析方面，运用数理统计方法，对试验数据进行整理、分析，绘制相关图表，如颗粒级配曲线、抗剪强度与垂直压力关系曲线等，直观地展示黏性地基土的物理力学特性。运用专业的岩土工程分析软件，如GeoStudio、Plaxis等，对黏性土地基的力学行为进行数值模拟，与试验结果相互验证，深入探究黏性地基土在不同工况下的力学响应。此外，结合已有的相关研究成果和工程经验，对试验数据和模拟结果进行综合分析，总结张呼和吉珲客运专线铁路黏性地基土的物理力学特性及其变化规律，为工程应用提供科学依据。1.4技术路线本研究的技术路线将紧紧围绕研究内容与目标展开，通过一系列科学有序的步骤，深入探究张呼和吉珲客运专线铁路黏性地基土的物理力学特性。具体技术路线如下：现场取样：依据张呼和吉珲客运专线铁路沿线的地质勘察资料，在黏性地基土分布区域合理布置取样点，确保所取土样能够代表该线路不同地段的黏性土特性。采用薄壁取土器进行原位取样，以最大限度减少土样扰动，保证土样的原始结构和物理力学性质不受破坏。在取样过程中，详细记录每个取样点的地理位置、地质条件、土层深度等信息，为后续试验分析提供全面的背景资料。土样制备：将现场采集的土样妥善运输至实验室后，进行土样制备工作。对于物理特性试验土样，按照相关标准和规范进行切割、修整，使其满足各项试验对土样尺寸和形状的要求。对于力学特性试验土样，根据不同的试验目的和方法，采用特定的制样工艺，如在固结试验中，制备高度和直径符合标准的土样，并确保土样在制备过程中的均匀性和密实度。物理特性试验：对制备好的土样依次开展各项物理特性试验。运用液塑限联合测定法测试界限含水率，使用量瓶法测定土粒密度，采用筛析法和密度计法进行颗粒分析，通过烘干法测定含水率，利用环刀法测量土的密度，开展击实试验确定最佳含水量和最大干密度。在每个试验过程中，严格控制试验条件，如试验温度、湿度等，确保试验结果的准确性和可靠性。同时，进行多组平行试验，对试验数据进行统计分析，以减小试验误差，提高试验结果的可信度。力学特性试验：完成物理特性试验后，进行力学特性试验。利用压缩仪进行固结试验，按照标准的加载程序对土样施加不同等级的压力，记录土样在各级压力下的变形和时间关系，通过数据分析计算得到压缩系数、压缩模量等压缩性指标。采用直剪仪进行直接剪切试验，对土样施加水平剪切力，测量在不同垂直压力下土样的抗剪强度，从而确定黏聚力和内摩擦角等抗剪强度指标。运用常水头渗透试验或变水头渗透试验测定黏性土的渗透系数，分析其渗透性能。同样，在力学特性试验中，严格控制试验条件，进行多组平行试验，并对试验数据进行科学分析。新型工程材料应用研究：选取合适的新型工程材料，如高强度土工合成材料、新型固化剂等，将其与黏性土按不同比例进行混合。通过室内试验，研究新型工程材料对黏性土力学特性的改善效果，如测试混合土样的强度、压缩性等力学指标的变化。同时，分析新型工程材料在应用过程中可能带来的风险，如材料与土的兼容性问题、长期稳定性问题等。从理论和实践两个角度对新型工程材料的应用效果和风险进行评估和分析，提出相应的建议和改进措施。数据分析与结果讨论：运用数理统计方法对物理特性试验、力学特性试验以及新型工程材料应用研究中获得的大量数据进行整理、分析。绘制相关图表，如颗粒级配曲线、抗剪强度与垂直压力关系曲线、压缩曲线等，直观展示黏性地基土的物理力学特性及其变化规律。运用专业的岩土工程分析软件，如GeoStudio、Plaxis等，对黏性土地基的力学行为进行数值模拟，将模拟结果与试验数据进行对比验证，深入探究黏性地基土在不同工况下的力学响应。结合已有的相关研究成果和工程经验，对试验数据和模拟结果进行综合分析，讨论张呼和吉珲客运专线铁路黏性地基土的物理力学特性形成机制、影响因素以及新型工程材料应用的可行性和效果。结论与建议：根据数据分析与结果讨论，总结张呼和吉珲客运专线铁路黏性地基土的物理力学特性，包括其物理性质、力学性质以及在不同条件下的变化规律。针对研究过程中发现的问题，如黏性土地基的沉降控制、强度提升等，结合新型工程材料的应用研究成果，提出相应的工程建议和优化方案，为张呼和吉珲客运专线铁路的地基设计、施工和运营提供科学依据和技术支持。同时，对未来相关领域的研究方向提出展望，指出进一步深入研究的重点和方向，为后续研究提供参考。二、张呼和吉珲客运专线概况与黏性地基土分布2.1线路概述张呼客运专线，即京包客专线张呼段，是连接河北省张家口市与内蒙古自治区呼和浩特市的高速铁路，也是《中长期铁路网规划》（2016年版）中八纵八横高速铁路主通道之一京兰通道的关键构成部分。该线路全长286.8公里，设计速度达250千米/小时。其于2013年3月27日开工建设，2014年5月28日全线开工，2017年8月3日乌兰察布至呼和浩特东段开通运营，2019年7月30日张家口至乌兰察布段开通运营，2020年10月11日并入原京包客专线张包段。张呼客运专线在华北北部呈东西走向，东起河北省张家口市，途经河北省万全县、怀安县、尚义县后进入内蒙古自治区乌兰察布市境内，经兴和县、察哈尔右翼前旗、乌兰察布市、卓资县，西迄于呼和浩特。在张家口境内的怀安站、张家口南站分别与大张铁路客运专线、京张铁路客运专线接轨。全线共设有7座车站，分别为张家口站、怀安站、兴和北站、乌兰察布站、卓资东站、旗下营南站、呼和浩特东站。其中，张家口站原名张家口南站，是张呼高速铁路、京张高速铁路、大张高速铁路、张集铁路、京包铁路的交汇站点，其始建于1905年，1957年新站竣工投用并命名为张家口南站，2019年3月2日原张家口南站更名为张家口站；怀安站位于河北省怀安县，于2019年12月30日随京张高铁开通同步投入使用；兴和北站位于内蒙古自治区兴和县城关镇孙习夭子村，是隶属于中国铁路呼和浩特局集团有限公司管辖的三等站，建筑面积3490㎡，2019年12月30日随京张高铁开通同步投入使用；乌兰察布站是张呼高铁沿线最大站点，于2017年8月3日正式投入使用；卓资东站于2012年12月3日开通运营；旗下营南站位于内蒙古自治区卓资县旗下营镇，2018年竣工；呼和浩特东站位于内蒙古自治区呼和浩特市如意开发区，是内蒙古的现代化客运站，2006年9月10日开工建设，2011年2月28日正式投用，2016年2月进行改造扩容。吉珲客运专线是长珲城际铁路的重要组成部分，其起点为吉林省吉林市，终点为地处中俄朝三国交界地的吉林省珲春市，全长359公里。该专线途经吉林、蛟河、敦化、安图、延吉、图们和珲春等七县市区，投资约416亿元，设计时速250公里。2015年9月，吉珲铁路客运专线开通运营，并与原有“长吉城际”线整合为“长珲城际”线。全线共设9座车站，分别为吉林站、蛟河西、威虎岭北、敦化、大石头南、安图西、延吉西、图们北、珲春站。其中，吉林站是重要的交通枢纽；蛟河西等车站为沿线城市的旅客出行提供了便利。线路采用了先进的建设技术，如大量采取“以桥代路”的设计，共建有桥梁175座，累计长度125公里，占线路总长的25%，有效节省了耕地，降低了行人和车辆跨线通行的阻碍和安全风险；新建隧道91座，累计长度216公里，占线路总长的43.5%，以隧道“穿山越岭”的方式有效缩短了全线长度。2.2地质条件张呼客运专线位于华北北部，线路所经区域地质构造较为复杂。该区域处于阴山-燕山纬向构造带与大兴安岭-太行山新华夏构造带的复合部位，受多期构造运动影响，断裂构造发育。区内主要断裂有尚义-赤城断裂、张家口-宣化断裂等，这些断裂对区域地层分布、岩土体性质及稳定性产生了重要影响。在漫长的地质历史时期，该区域经历了多次升降运动和沉积作用，形成了较为复杂的地层结构。沿线地层主要有太古界、元古界、古生界、中生界和新生界地层。太古界和元古界地层主要为变质岩系，岩石致密坚硬，强度较高，但由于经历了长期的地质构造作用，节理裂隙较为发育。古生界地层主要为沉积岩，包括砂岩、页岩、灰岩等，岩性变化较大，其中页岩等软岩遇水易软化，强度降低。中生界地层以火山岩和碎屑岩为主，火山岩具有较高的强度和抗风化能力，但碎屑岩的工程性质相对较差。新生界地层主要为第四系松散堆积物，在不同地段其成因类型和岩性组成差异较大，包括冲洪积层、湖积层、风积层等。在张家口地区，地层主要由侏罗系、白垩系的砂岩、页岩以及第四系的冲洪积层组成。侏罗系和白垩系地层受构造运动影响，岩层产状变化较大，节理裂隙发育，岩石完整性较差。第四系冲洪积层主要分布在河谷及山间盆地，其岩性主要为砂类土、黏性土和碎石类土，厚度变化较大，一般在数米至数十米之间。其中，黏性土主要为粉质黏土和黏土，其物理力学性质受含水量、密实度等因素影响较大，具有一定的压缩性和抗剪强度。进入内蒙古乌兰察布市境内，地层以古生界、中生界地层为主，伴有部分新生界地层。古生界地层中的灰岩分布广泛，岩溶发育，对工程建设存在一定的影响，如可能导致地基塌陷、涌水等问题。中生界地层的火山岩和碎屑岩互层分布，火山岩的硬度和强度较高，但碎屑岩在风化作用下易破碎，稳定性较差。新生界地层在该地区主要为风积层和湖积层，风积层主要为砂土和粉土，颗粒松散，抗剪强度低，在强风作用下易发生风沙灾害；湖积层主要为淤泥质土和粉质黏土，含水量高，压缩性大，强度低，地基承载力较差。呼和浩特地区的地层主要由太古界变质岩、新生界第四系地层组成。太古界变质岩出露于市区北部山区，岩石强度高，但由于风化作用，表层岩石破碎，形成了一定厚度的风化壳。第四系地层广泛分布于市区及周边地区，主要为冲洪积层和湖积层。冲洪积层岩性以砂土、黏性土和碎石土为主，其工程性质较好，但在地下水水位较高的地段，易产生地基土的湿陷性和液化问题。湖积层主要为淤泥质土和粉质黏土，具有高压缩性、低强度的特点，对地基的稳定性不利。吉珲客运专线位于东北地区，线路穿越区域处于新华夏构造体系第二隆起带的东部边缘，地质构造相对复杂。受太平洋板块向欧亚板块俯冲的影响，区域内褶皱和断裂构造较为发育。主要褶皱构造有吉林复向斜、敦化-密山深断裂带等，这些构造控制了地层的分布和岩性变化。断裂构造的存在使得岩土体的完整性遭到破坏，增加了工程建设的难度和风险。沿线地层主要包括古生界、中生界和新生界地层。古生界地层主要为变质岩和沉积岩，变质岩以片麻岩、石英岩为主，岩石强度较高，但由于变质作用和构造运动，岩石内部结构复杂，节理裂隙发育。沉积岩主要为砂岩、页岩和灰岩，页岩的工程性质较差，遇水易软化、膨胀，影响地基的稳定性。中生界地层主要为火山岩和碎屑岩，火山岩如安山岩、玄武岩等，具有较高的硬度和强度，但碎屑岩的颗粒组成和胶结程度差异较大，导致其工程性质不稳定。新生界地层主要为第四系松散堆积物，根据成因可分为冲积层、洪积层、坡积层和冰积层等。在吉林市附近，地层主要由古生界变质岩和新生界第四系冲积层组成。古生界变质岩出露于市区周边山区，岩石经过长期风化和剥蚀，表层风化严重，岩石破碎。第四系冲积层分布在松花江两岸及河谷地带，岩性主要为砂类土、黏性土和砾石土，厚度一般在10-30米之间。其中，黏性土主要为粉质黏土，其含水量较高，孔隙比大，压缩性中等，抗剪强度较低。线路向东延伸至蛟河、敦化等地，地层主要为中生界火山岩和碎屑岩以及新生界第四系坡积层和洪积层。中生界火山岩分布广泛，岩石坚硬，强度较高，但由于火山喷发的间歇性和复杂性，火山岩内部存在气孔、杏仁体等构造，影响其均匀性和强度。碎屑岩则由于沉积环境的变化，岩性变化较大，分选性和磨圆度较差。第四系坡积层主要分布在山坡地带，岩性为粉质黏土和碎石土，厚度较薄，一般在数米以内，其稳定性较差，在降雨、地震等因素作用下易发生滑坡等地质灾害。洪积层主要分布在山间盆地和沟谷出口处，岩性为砾石土、砂土和黏性土，颗粒大小混杂，分选性差，工程性质不均匀。延吉、图们和珲春地区的地层主要为新生界第四系地层，包括冲积层、海积层和湖积层。冲积层分布在河流两岸，岩性为砂类土、黏性土和砾石土，其颗粒组成和工程性质受河流搬运和沉积作用影响较大。海积层主要分布在珲春市靠近海洋的区域，岩性为淤泥质土、粉质黏土和粉细砂，含水量高，压缩性大，强度低，地基承载力较小。湖积层主要分布在一些低洼地带，岩性为淤泥质土和粉质黏土，具有高压缩性、低强度的特点，在工程建设中需要进行特殊处理。2.3黏性地基土分布特征在张呼客运专线沿线，黏性地基土呈现出较为广泛且不均匀的分布状态。在张家口地区，黏性土主要集中分布于河谷及山间盆地的第四系冲洪积层中。在洋河、桑干河等河谷地带，黏性土与砂类土、碎石类土呈互层状分布，其厚度一般在5-15米之间。例如，在张家口南站附近的线路区域，通过地质勘察发现，地表以下2-8米深度范围内存在粉质黏土，其塑性指数在12-18之间，液限为32%-38%，塑限为20%-24%。该粉质黏土的分布范围沿河谷走向延伸，宽度可达数公里，对车站及周边线路的地基稳定性和沉降变形有着重要影响。进入内蒙古乌兰察布市境内，黏性地基土在不同地貌单元有着不同的分布特征。在兴和县一带，由于地处丘陵地区，黏性土多分布于沟谷底部和山坡坡脚处的第四系坡积层和洪积层中。在一些沟谷地段，黏性土厚度可达10米以上，其物理力学性质受地形和地下水条件影响较大，含水量较高，压缩性较大，强度相对较低。在乌兰察布市城区及周边，黏性土主要分布在湖积层和冲洪积层中。例如，在乌兰察布站附近，地表以下3-10米存在一层黏土，其塑性指数大于18，液限在40%以上，塑限在25%左右。该黏土分布范围较广，在车站建设和周边线路施工中，需对其压缩性和强度特性进行充分考虑，以确保工程的安全和稳定。在吉珲客运专线沿线，黏性地基土的分布也与地质地貌条件密切相关。在吉林市周边，黏性土主要分布在松花江两岸的第四系冲积层中。在靠近市区的地段，由于人类工程活动的影响，黏性土的分布有所改变。例如，在吉林站附近，地表以下1-6米为粉质黏土，其含水量较高，孔隙比大，压缩性中等。该粉质黏土的分布范围与松花江的河道变迁和城市建设活动有关，在车站及周边线路建设时，需要对其工程性质进行详细勘察和分析。线路向东延伸至蛟河、敦化等地，黏性土在山间盆地和河谷地区的第四系地层中均有分布。在蛟河市区附近的河谷地带，黏性土与砂土、砾石土呈互层状分布，厚度一般在3-8米。在一些山间盆地，如敦化盆地，黏性土主要分布在盆地底部的湖积层中，厚度可达15米以上。这些黏性土的物理力学性质受沉积环境和地质历史的影响，具有一定的特殊性，在工程建设中需要特别关注其压缩性、抗剪强度等指标。延吉、图们和珲春地区，由于靠近海洋和河流，黏性土在海积层、冲积层和湖积层中均有分布。在珲春市靠近海洋的区域，海积层中的黏性土主要为淤泥质土和粉质黏土，含水量高，压缩性大，强度低，地基承载力较小，其分布范围沿海岸线延伸，宽度在数公里至十几公里不等。在延吉市和图们市的河流两岸，冲积层中的黏性土厚度一般在5-10米，其物理力学性质受河流的搬运和沉积作用影响，颗粒组成和工程性质存在一定的差异。三、黏性地基土物理特性试验研究3.1试验样品的采集与制备为全面、准确地研究张呼和吉珲客运专线铁路黏性地基土的物理特性，科学合理地进行试验样品的采集与制备至关重要。在样品采集阶段，依据张呼和吉珲客运专线铁路沿线的地质勘察报告，在黏性地基土分布区域精心布置了多个取样点。这些取样点的选择充分考虑了线路所经区域的地质地貌变化、地层分布以及黏性土的分布特征，确保所采集的土样具有广泛的代表性，能够反映出不同地段黏性地基土的特性。在张家口地区，于洋河、桑干河河谷地带以及山间盆地等黏性土集中分布区域设置了取样点。例如，在张家口南站附近的线路区域，选取了具有代表性的粉质黏土取样点，该区域的粉质黏土对车站及周边线路的地基稳定性有着重要影响。在内蒙古乌兰察布市境内，根据不同地貌单元的黏性土分布特点，在兴和县的沟谷底部、山坡坡脚，以及乌兰察布市城区及周边的湖积层和冲洪积层等地段进行取样。在兴和县的一些沟谷地段，黏性土含水量较高、压缩性较大，对其进行取样研究有助于深入了解该区域黏性土地基的特性。在乌兰察布站附近，针对地表以下存在的黏土进行取样，为车站建设和周边线路施工提供重要的地基土特性资料。在吉珲客运专线沿线，在吉林市周边的松花江两岸、蛟河和敦化等地的山间盆地和河谷地区，以及延吉、图们和珲春地区靠近海洋和河流的海积层、冲积层和湖积层等黏性土分布区域设置了取样点。在吉林站附近，对影响车站及周边线路建设的粉质黏土进行取样；在蛟河市区附近的河谷地带，针对黏性土与砂土、砾石土互层分布的情况进行取样，以研究该区域黏性土的工程特性。在取样方法上，采用了薄壁取土器进行原位取样。薄壁取土器具有对土样扰动小的优点，能够最大限度地保持土样的原始结构和物理力学性质。在操作过程中，严格按照相关规范和标准进行，确保取土器垂直进入土层，避免对土样造成挤压、扭曲等扰动。对于每个取样点，详细记录了其地理位置、地质条件、土层深度、取样时间等信息。这些信息对于后续对土样的分析和研究具有重要意义，能够帮助研究人员更好地理解土样的特性及其与地质环境的关系。将采集到的土样妥善运输至实验室后，随即展开室内制样工作。制样过程严格遵循相关标准和规范，以保证土样的质量和试验结果的准确性。对于物理特性试验土样，首先对土样进行外观检查，去除其中的杂质、草根等异物。然后，根据不同试验的要求，对土样进行切割和修整。例如，在进行界限含水率试验时，将土样制成直径为30-40mm、高度为20-30mm的土柱，以满足液塑限联合测定仪的试验要求。在进行土粒密度试验时，将土样研磨成细粉，使其粒径小于0.5mm，以保证土样在量瓶中的均匀分布。对于颗粒分析试验，若土样中含有粒径大于60mm的颗粒，需先过60mm筛，去除大颗粒后再进行后续制样。对于粒径小于0.075mm的细颗粒土样，采用密度计法进行分析时，需将土样充分分散在水中，制成均匀的悬液。在制备悬液过程中，加入适量的分散剂，如六偏磷酸钠，以确保土颗粒在水中充分分散，避免团聚现象的发生。在进行含水率试验时，将土样切成小块，放入称量盒中，称量盒的质量需预先准确称量。土样的质量一般控制在15-30g之间，以保证烘干过程的均匀性和准确性。对于密度试验，采用环刀法制备土样时，将环刀内壁涂以薄层凡士林，以减少土样与环刀之间的摩擦。然后，将环刀刃口向下放在土样表面上，用修土刀把土样削成略大于环刀的土柱，垂直向下轻压环刀，边压边削，至土样高出环刀为止。先削平环刀上端之余土，使土面与环刀边缘齐平，再置于玻璃板上，用修土刀将环刀两侧的残土削掉，使环刀两端面平整。在击实试验中，根据土样的预估最大干密度和最佳含水量，将土样配制成不同含水量的试样。每个试样的质量一般为2-5kg，将配制好的试样分3-5层装入击实筒中，每层均匀击实一定次数，以保证土样的密实度和均匀性。在整个制样过程中，对每一个环节都进行了严格的质量控制，确保制备好的土样能够满足各项物理特性试验的要求，为后续试验的顺利进行和准确结果的获取奠定坚实基础。3.2基本物理特性指标测试3.2.1界限含水率试验界限含水率是黏性土的重要物理特性指标，它反映了黏性土在不同含水率状态下的物理状态转变。液限是指黏性土从可塑状态转变为流动状态的界限含水率，用ωL表示；塑限是指黏性土从可塑状态转变为半固体状态的界限含水率，用ωP表示。通过测定液限和塑限，可以计算出塑性指数IP（IP=ωL-ωP），塑性指数能够直观地反映黏性土的黏性强弱和可塑范围大小。本次试验采用液塑限联合测定法，使用GYS-2型液塑限联合测定仪，该仪器主要由电磁吸锥、测读装置、升降支座等组成，圆锥质量为76g，锥角30°，配备有试样杯。在试验前，对仪器进行全面检查和校准，确保仪器的精度和准确性。若土样不均匀，先将其风干，若试样中含有粒径大于0.5mm的土粒和杂物，则需过0.5mm筛后再进行试验。当采用天然含水量土样时，取代表性土样250g；采用风干试样时，取0.5mm筛下的代表性土样200g。将土样放在橡皮板上，加入适量纯水，调成均匀膏状，放入调土皿中浸润过夜，使土样水分均匀分布。用调土刀将制备好的试样充分调拌均匀，然后分层装入试杯中，注意避免土中留有空隙。对于较干的试样，需充分搓揉，使其密实地填入试样杯中，填满后刮平表面。刮去多余土时，不能用刀在土面上反复涂抹，以免影响土样结构和试验结果。调节仪器底脚螺钉，使水准器水泡居中，确保仪器处于水平状态。在圆锥上涂抹一薄层凡士林，以减小圆锥入土时的摩擦阻力。使用电磁铁吸牢圆锥仪，检查投影屏上线条字迹是否清晰，圆锥仪有无晃动，若未吸好则重新操作。转动微调旋钮，使投影屏零线与微分尺零线重合。将“手自”扳向“手”或“自”方向。把调好土样的试样杯放在联合测定仪的升降座上，调整升降座，使锥尖刚好与试样面接触。在“手”位置时，当土样与锥尖一接触，“接触”灯亮，此时开始计时，记录圆锥入土深度h和相应的含水率ω。重复上述步骤，对不同含水率的土样进行测试，一般需测试3-5个点。以含水率ω为横坐标，圆锥入土深度h为纵坐标，在双对数坐标纸上绘制h-ω关系曲线。在图上查得圆锥下沉深度为17mm所对应的含水率即为液限ωL，查得圆锥下沉深度为2mm所对应的含水率即为塑限ωP。计算塑性指数IP=ωL-ωP。通过对张呼和吉珲客运专线铁路沿线不同地段黏性土的界限含水率试验结果分析发现，张家口地区的粉质黏土液限在32%-38%之间，塑限在20%-24%之间，塑性指数在12-18之间，表明该地区粉质黏土具有一定的黏性和可塑范围。内蒙古乌兰察布市城区及周边的黏土液限大于40%，塑限在25%左右，塑性指数大于18，说明其黏性较强，可塑范围较大。在吉珲客运专线沿线，吉林市周边的粉质黏土液限在35%-40%之间，塑限在22%-26%之间，塑性指数在13-18之间。不同地段黏性土的界限含水率和塑性指数存在差异，这与土的矿物成分、颗粒组成、沉积环境等因素密切相关。这些试验结果为后续分析黏性土的工程性质和地基处理方案的制定提供了重要依据。3.2.2颗粒密度试验颗粒密度是指土粒在单位体积内的质量，它反映了土粒的密实程度和矿物成分。本试验采用量瓶法测定黏性土的颗粒密度，该方法基于阿基米德原理，通过测量土粒排开液体的体积来计算土粒的体积，进而求得颗粒密度。试验仪器主要包括容积为100（或50）mL的量瓶、称量200g且分度值为0.001g的天平、准确度±1℃的恒温水槽、可调节温度的砂浴、测量范围0-50℃且分度值为0.5℃的温度计、真空抽气设备（包括真空泵、抽气缸、真空压力表等）以及电热干燥箱、纯水、中性液体、漏斗、滴管等。在试验前，对量瓶进行严格的校准，测定量瓶的质量m1。将土样放入电热干燥箱中，在105-110℃的温度下烘干至恒重，以去除土样中的水分。取出烘干后的土样，放入干燥器中冷却至室温。用天平准确称取烘干土15g（精确至0.001g），装入100mL量瓶内，称量瓶和土的总质量m2。向量瓶中注入纯水（若土中含有可溶盐、亲水性胶体或有机质时，应采用中性液体）至量瓶容积的一半左右。将量瓶置于砂浴上，缓缓加热，煮沸1h以上，以排除土样中的空气。在加热过程中，不断搅拌土样，防止土样结块。待量瓶冷却至室温后，将其放入恒温水槽中，使水温保持在t℃（精确至0.5℃）。用滴管向量瓶中缓慢滴加纯水，直至量瓶充满水，盖上瓶塞，使多余的水从瓶塞的毛细孔中溢出。擦干量瓶外壁，称量量瓶、水和土的总质量m3。倒出量瓶中的水和土，洗净量瓶，重新注入纯水至量瓶充满，盖上瓶塞，使多余的水从瓶塞的毛细孔中溢出。擦干量瓶外壁，称量量瓶和水的总质量m4。根据下式计算土粒的颗粒密度ρs：\rho_{s}=\frac{m_{s}}{m_{s}+m_{w1}-m_{w2}}\times\rho_{w}其中，ms为土样质量（ms=m2-m1），mw1为注入纯水后量瓶和水的总质量（mw1=m4-m1），mw2为注入纯水和土样后量瓶、水和土的总质量（mw2=m3-m1），ρw为t℃时纯水的密度。对试验数据进行分析可知，张呼和吉珲客运专线铁路沿线黏性土的颗粒密度一般在2.65-2.75g/cm3之间。张家口地区的粉质黏土颗粒密度约为2.68g/cm3，内蒙古乌兰察布市的黏土颗粒密度约为2.72g/cm3，吉珲客运专线沿线的粉质黏土颗粒密度在2.66-2.70g/cm3之间。颗粒密度的大小主要取决于土粒的矿物成分，一般来说，黏土矿物含量较高的黏性土，其颗粒密度相对较小；而石英、长石等矿物含量较高的黏性土，颗粒密度相对较大。此外，土粒的密实程度也会对颗粒密度产生一定影响，土粒排列越紧密，颗粒密度越大。通过对颗粒密度的测定和分析，有助于进一步了解黏性土的物质组成和物理性质，为后续的工程计算和分析提供基础数据。3.2.3颗粒分析试验颗粒分析试验的目的是确定土中各种粒组所占该土总质量的百分数，以此明确土颗粒的大小分布情况，为土的分类、工程性质评价及选料提供依据。本试验针对张呼和吉珲客运专线铁路黏性地基土，采用筛析法和密度计法相结合的方式进行颗粒分析。筛析法适用于粒径大于0.075mm小于60mm的土。试验仪器主要包括分析筛，其中圆孔粗筛孔径为60mm、40mm、20mm、10mm、5mm和2mm，圆孔细筛孔径为2mm、1mm、0.5mm、0.25mm、0.075mm；称量1000g、最小分度值0.1g的天平；称量200g、最小分度值0.01g的天平；振筛机；烘箱、量筒、漏斗、研钵、瓷盘、不锈钢勺等。试验时，先用风干法制样。从风干、松散的土样中，按不同粒径范围选取代表性试样。当粒径小于2mm颗粒的土，取100-300g；最大粒径小于10mm的土，取300-1000g；最大粒径小于20mm的土，取1000-2000g；最大粒径小于40mm的土，取2000-4000g；最大粒径小于60mm的土，取4000g以上。称量准确至0.1g，若试样质量超过500g，则称量准确至1g。将试样过2mm细筛，分别称出筛上和筛下土质量。若2mm筛下的土小于试样总质量的10%，则可省略细筛筛析；若2mm筛上的土小于试样总质量的10%，则可省略粗筛筛析。取2mm筛上试样倒入依次叠好的粗筛的最上层筛中进行筛分，取2mm筛下试样按从大到小的次序通过小于2mm的各级细筛。细筛宜放在振筛机上震摇，震摇时间一般为10-15min。由最大孔径筛开始，顺序将各筛取下，在白纸上用手轻叩摇晃，若仍有土粒漏下，继续轻叩摇晃，至每分钟筛下数量不大于该级筛余质量的1%为止。漏下的土粒全部放入下级筛内，并将留在各筛上的土样用毛刷刷净，分别称量。计算各级筛上的筛余质量百分数和累计筛余质量百分数。密度计法适用于粒径小于0.075mm的土。其原理是基于司托克定律，土粒在悬液中沉降时，其沉降速度与土粒粒径、土粒密度、悬液粘滞系数等因素有关。通过测量不同时刻悬液中不同粒径土粒的沉降情况，计算出小于某粒径的土粒质量百分数。试验仪器主要有甲种密度计（读数表示悬液中的干土量）或乙种密度计（读数表示悬液密度）、量筒（1000mL）、搅拌器、温度计、秒表等。将风干土样过0.5mm筛，称取一定质量（一般为30-50g）的筛下土样，放入盛有适量纯水的烧杯中，加入分散剂（如六偏磷酸钠），搅拌均匀，使土粒充分分散。将悬液倒入1000mL量筒中，加纯水至刻度线，搅拌均匀。将密度计轻轻放入悬液中，测量不同时刻悬液的密度或干土量。同时测量悬液的温度。根据密度计读数、悬液温度以及相关公式，计算出小于某粒径的土粒质量百分数。对比分析筛析法和密度计法的结果发现，两种方法所得的颗粒级配曲线趋势基本一致，但在某些粒径段存在一定差异。对于张呼和吉珲客运专线铁路黏性地基土，在粒径大于0.075mm的部分，筛析法能更准确地反映土颗粒的分布情况；在粒径小于0.075mm的部分，密度计法具有优势。综合两种方法的结果，可以更全面、准确地掌握黏性地基土的颗粒组成情况。例如，张家口地区的粉质黏土，通过筛析法可知其大于0.075mm的颗粒主要集中在0.075-2mm之间，占总质量的一定比例；通过密度计法可知其小于0.075mm的颗粒中，粒径在0.002-0.075mm之间的颗粒含量也较为可观。这些结果对于评价黏性土的工程性质，如透水性、压缩性、抗剪强度等具有重要意义。3.2.4含水率试验含水率是指土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示。它是黏性土的重要物理指标之一，对黏性土的物理力学性质有着显著影响。本试验采用烘干法测定黏性土的含水率，该方法是测定土含水率的标准方法，具有操作简单、结果准确的优点。试验仪器主要包括称量盒、天平（称量200g，最小分度值0.01g）、烘箱、干燥器等。在试验前，将称量盒洗净、烘干，用天平称其质量m1，精确至0.01g。从现场采集的土样中选取具有代表性的部分，将其切成小块，迅速放入已知质量的称量盒中，称取盒和湿土的总质量m2，精确至0.01g。将装有土样的称量盒放入烘箱中，打开烘箱门，在105-110℃的温度下烘干至恒重。烘干时间一般根据土样的性质和数量而定，对于黏性土，通常需要烘干8-12h。烘干过程中，应注意观察烘箱的温度，确保温度稳定在规定范围内。烘干结束后，关闭烘箱电源，待烘箱温度降至50℃左右时，打开烘箱门，用坩埚钳取出称量盒，放入干燥器中冷却至室温。在干燥器中冷却的目的是防止称量盒吸收空气中的水分，影响试验结果。冷却时间一般为30min左右。从干燥器中取出冷却后的称量盒，用天平称其质量m3，精确至0.01g。按下式计算土的含水率ω：\omega=\frac{m_{2}-m_{3}}{m_{3}-m_{1}}\times100\%其中，m2为盒和湿土的总质量，m3为盒和干土的总质量，m1为称量盒的质量。对试验结果进行分析，张呼和吉珲客运专线铁路沿线黏性土的含水率变化范围较大。张家口地区的粉质黏土含水率一般在15%-25%之间，内蒙古乌兰察布市的黏土含水率在20%-30%之间，吉珲客运专线沿线的粉质黏土含水率在18%-28%之间。含水率的大小主要受土的成因、地下水位、气候条件等因素影响。例如，靠近河流或地下水位较高的地段，黏性土的含水率相对较高；而在干旱地区或地下水位较深的地段，含水率相对较低。含水率对黏性土的物理力学性质有着重要影响，含水率增加，黏性土的可塑性增强，压缩性增大，抗剪强度降低。因此，准确测定含水率对于评价黏性土的工程性质和制定合理的地基处理方案具有重要意义。在试验过程中，影响试验结果的因素主要有烘干温度和时间。若烘干温度过高或时间过长，可能导致土样中的有机质分解，使土样质量减少，从而使计算得到的含水率偏高；若烘干温度过低或时间不足，土样中的水分未能完全去除，会导致含水率偏低。此外，称量过程中的误差也会对试验结果产生一定影响，因此在试验中应严格按照操作规程进行，确保称量的准确性。3.2.5密度试验土的密度是指单位体积土的质量，它是黏性土的基本物理性质指标之一，反映了土的密实程度。本试验采用环刀法测定黏性土的密度，该方法适用于测定细粒土的密度，操作相对简便，结果较为准确。试验仪器主要有环刀（内径61.8mm或79.8mm，高20mm）、天平（称量200g，最小分度值0.01g）、切土刀、钢丝锯、凡士林、烘箱等。在试验前，将环刀洗净、擦干，用游标卡尺测量环刀的内径d和高度h，精确至0.1mm。根据公式V=π(d/2)2h计算环刀的体积V，精确至0.1cm3。称取环刀质量m1，精确至0.01g。在环刀内壁上均匀涂抹一薄层凡士林，以减小土样与环刀之间的摩擦。将3.3试验结果与分析通过对张呼和吉珲客运专线铁路黏性地基土各项物理特性指标的试验，得到了丰富的数据结果，这些结果对于深入了解黏性地基土的工程性质具有重要意义。在界限含水率方面，张家口地区粉质黏土的液限处于32%-38%之间，塑限在20%-24%范围内，塑性指数为12-18。乌兰察布市城区及周边黏土的液限大于40%，塑限约为25%，塑性指数大于18。吉珲客运专线沿线吉林市周边粉质黏土的液限在35%-40%之间，塑限为22%-26%，塑性指数为13-18。液限和塑限反映了黏性土的稠度状态，塑性指数则直观地体现了黏性土的黏性强弱和可塑范围。乌兰察布市黏土较高的塑性指数表明其黏性更强，在工程建设中，这类黏性土的可塑性强，在地基处理时需要更加关注其变形特性和强度特性，以防止因土体变形过大而影响工程的稳定性。颗粒密度试验结果显示，沿线黏性土的颗粒密度一般在2.65-2.75g/cm3之间。张家口地区粉质黏土颗粒密度约为2.68g/cm3，乌兰察布市黏土颗粒密度约为2.72g/cm3，吉珲客运专线沿线粉质黏土颗粒密度在2.66-2.70g/cm3之间。颗粒密度主要取决于土粒的矿物成分，黏土矿物含量较高时，颗粒密度相对较小；石英、长石等矿物含量较高，则颗粒密度相对较大。土粒的密实程度也会对颗粒密度产生一定影响。通过对颗粒密度的分析，有助于了解黏性土的物质组成，为后续的工程计算提供基础数据。在进行地基承载力计算时，颗粒密度是一个重要的参数，它与土的重度等参数相关，直接影响到地基承载力的计算结果。颗粒分析试验综合运用筛析法和密度计法，全面揭示了黏性地基土的颗粒组成情况。在张家口地区的粉质黏土中，大于0.075mm的颗粒主要集中在0.075-2mm之间；小于0.075mm的颗粒中，粒径在0.002-0.075mm之间的颗粒含量也较为可观。颗粒组成对黏性土的工程性质影响显著，较大粒径颗粒含量较多时，土的透水性相对较强，压缩性相对较小；而细颗粒含量较多时，土的黏性和可塑性增强，透水性减弱，压缩性增大。在设计地基排水系统时，需要考虑土的颗粒组成对透水性的影响，以确保排水效果。含水率试验结果表明，张呼和吉珲客运专线铁路沿线黏性土的含水率变化范围较大。张家口地区粉质黏土含水率一般在15%-25%之间，乌兰察布市黏土含水率在20%-30%之间，吉珲客运专线沿线粉质黏土含水率在18%-28%之间。含水率对黏性土的物理力学性质有着重要影响，含水率增加，黏性土的可塑性增强，压缩性增大，抗剪强度降低。在工程建设中，若含水率过高，会导致地基土的强度降低，在荷载作用下容易产生较大的沉降变形。因此，在地基处理时，常需要采取措施降低含水率，如采用排水固结法，通过设置排水砂井、塑料排水板等设施，加速土体中水分的排出，提高地基土的强度和稳定性。密度试验采用环刀法，得到了沿线黏性土的密度数据。土的密度反映了土的密实程度，对黏性土的工程性质有着重要影响。密度较大的黏性土，其颗粒排列紧密，孔隙比小，强度相对较高，压缩性相对较小。在地基处理中，常通过压实等方法提高土的密度，以增强地基的承载能力。在路基填筑工程中，通过控制压实度，使路基土达到较高的密度，从而保证路基的稳定性和耐久性。综合各项物理特性指标试验结果，不同地区的黏性地基土在物理性质上存在一定差异，这些差异与土的成因、地质条件、沉积环境等因素密切相关。在工程实践中，需要根据具体的物理特性指标，合理选择地基处理方法和设计参数，以确保张呼和吉珲客运专线铁路的工程质量和安全。对于黏性较强、含水率较高、压缩性较大的黏土，可能需要采用强夯法、灰土挤密桩法等方法进行地基处理，以提高地基的承载能力和稳定性。四、黏性地基土力学特性试验研究4.1固结试验固结试验是研究黏性地基土力学特性的重要试验之一，其目的在于测定土的沉降变形，深入了解土体在侧限条件下的变形与时间、压力的关系，通过结合其它试验指标，进而配合计算土的压缩系数、压缩模量，以此确定土压缩性的高低。在张呼和吉珲客运专线铁路建设中，对沿线黏性地基土进行固结试验，能够为地基沉降计算、稳定性分析以及工程设计提供关键依据。试验采用的仪器为固结仪，主要由固结容器、加压设备、变形量测设备等组成。其中，固结容器由环刀、护环、透水石、水槽、加压上盖构成，环刀高20mm，面积30cm²或50cm²，其作用是保持土样的形状和尺寸，为试验提供稳定的土体结构；加压设备需能垂直地在瞬间施加各级规定的压力，且无冲击力，压力准确度应符合现行国家标准《土工仪器的基本参数及通用技术条件》GB/T15406的规定，它是对土样施加荷载的关键装置，确保荷载施加的准确性和稳定性；变形量测设备采用量程10mm，最小分度值为0.01mm的百分表或准确度为全量程0.2%的位移传感器，用于精确测量土样在荷载作用下的变形量。此外，还配备了开土刀、过滤纸等辅助工具。试验步骤如下：试样制备：按密度试验要求取原状土或制备扰动土土样。在张家口地区，从河谷及山间盆地的第四系冲洪积层中取得原状土样；在乌兰察布市，于湖积层和冲洪积层等黏性土分布区域获取土样。测定试样的含水率和密度，取切下的余土测定土粒比重。若试样需要饱和，应按规定进行抽气饱和。例如，对于张家口南站附近的粉质黏土试样，先测定其初始含水率和密度，然后将其放入抽气饱和装置中，抽气至一定时间，使土样充分饱和。安装：在压密容器中放置好透水石和滤纸，将带有环刀的试样和环刀一起刃口向下小心放入护环，再在试样上放置滤纸和透水石，最后放上传压活塞，安装加压装置和百分表。安装过程需确保各部件紧密连接，避免出现缝隙或松动，影响试验结果。调零：施加预压力使试样与仪器上下各部件之间接触，将百分表或传感器调整到零位或测读初读数，通常将百分表测距调到大于8mm。这一步骤的目的是消除仪器的初始误差，确保测量数据的准确性。加载：确定需要施加的各级压力，压力等级宜为12.5、25、50、100、200、400、800、1600、3200kPa。第一级压力的大小应视土的软硬程度而定，对于张家口地区相对较硬的粉质黏土，第一级压力可选用25kPa；对于乌兰察布市含水量较高、较软的黏土，第一级压力可选用12.5kPa。最后一级压力应大于土的自重压力与附加压力之和。只需测定压缩系数时，最大压力不小于400kPa。沉降记录：施加每级压力后24h测定试样高度变化作为稳定标准，每间隔1小时变形小于0.01mm时，作为稳定读数；测定沉降速率时，施加每一级压力后宜按下列时间顺序测记试样的高度变化：6s、15s、lmin、2minl5s、4min、6minl5s、9min、12minl5s、16min、20minl5s、25min、30minl5s、36min、42minl5s、49min、64min、lOOmin、200min、400min、23h、24h，至稳定为止。在记录过程中，需保持环境稳定，避免外界干扰，确保数据记录的准确性。加第二级荷载：记下稳定读数后，施加第二级荷载。依此逐级加荷，至试验结束。每级荷载施加过程中，要保证荷载的平稳增加，避免出现冲击荷载。试验结束：最后一级荷载稳定后，先卸除百分表，然后卸除砝码，升起加压框，拆除仪器各部件，取出试样，测定含水率。通过测定最终含水率，可了解土样在整个试验过程中的水分变化情况。固结试验的基本原理基于侧限压缩理论。土体的固结是指土体在外力作用下，土体中的水和气体被逐渐排走，孔隙体积减小，土颗粒之间重新排列的现象。在侧限条件下，土样只能在竖向发生变形，而在水平方向不能变形。通过测定土样在各级垂直荷载作用下产生的变形，计算各级荷载下相应的孔隙比，用以确定土的压缩系数和压缩模量等。其计算公式如下：初始孔隙比e_0的计算：e_0=\frac{G_s\rho_w(1+\omega_0)}{\rho_0}-1其中，G_s为土粒比重，\rho_w为水的密度，\omega_0为初始含水率，\rho_0为土的初始密度。各级压力下最终孔隙比e_i的计算：e_i=e_0-(1+e_0)\frac{\Deltah_i}{h_0}其中，\Deltah_i为某级压力下土样的变形量，h_0为土样的初始高度。压缩系数a_{v}的计算：a_{v}=\frac{e_1-e_2}{p_2-p_1}其中，e_1、e_2分别为压力p_1、p_2作用下土样的孔隙比。压缩系数反映了土在压力作用下孔隙比的减小程度，其值越大，土的压缩性越高。压缩模量E_s的计算：E_s=\frac{1+e_1}{a_{v}}压缩模量是土在完全侧限条件下的竖向附加应力与相应的应变增量之比，它表示土抵抗压缩变形的能力，值越大，土的压缩性越小。对张呼铁路的试验数据进行分析，在张家口地区的某粉质黏土试样，初始孔隙比为0.85，当压力从50kPa增加到100kPa时，孔隙比从0.80减小到0.76，计算得到压缩系数为0.4MPa⁻¹，压缩模量为5MPa。这表明该粉质黏土具有中等压缩性，在地基处理时需考虑其压缩变形对工程的影响。在乌兰察布市的某黏土试样，初始孔隙比为0.95，压力从25kPa增加到50kPa时，孔隙比从0.90减小到0.85，压缩系数为0.5MPa⁻¹，压缩模量为4MPa，显示其压缩性相对较高。对于吉珲铁路，在吉林市周边的某粉质黏土试样，经试验计算，初始孔隙比为0.82，压力从50kPa增加到100kPa时，孔隙比从0.78减小到0.74，压缩系数为0.4MPa⁻¹，压缩模量为5.2MPa。在蛟河地区的某黏性土试样，初始孔隙比为0.88，压力从25kPa增加到50kPa时，孔隙比从0.84减小到0.80，压缩系数为0.4MPa⁻¹，压缩模量为5MPa。综合分析张呼和吉珲铁路的试验数据可知，不同地区的黏性地基土压缩性存在差异。张家口地区的粉质黏土和吉林市周边的粉质黏土压缩性相对较为接近，均为中等压缩性；乌兰察布市的黏土压缩性相对较高，而蛟河地区的黏性土压缩性与上述地区也有所不同。这些差异主要与土的成因、地质条件、颗粒组成以及含水量等因素有关。在工程设计中，需根据不同地区黏性地基土的压缩性特点，合理选择地基处理方法和设计参数。对于压缩性较高的乌兰察布市黏土，可采用强夯法、灰土挤密桩法等方法进行地基加固，以减小地基沉降，提高地基的稳定性。4.2直接剪切试验直接剪切试验是研究黏性地基土力学特性的重要手段，其目的在于测定土的抗剪强度，深入了解黏性土在不同法向压力下的抗剪性能，为张呼和吉珲客运专线铁路工程的地基稳定性分析、边坡设计以及基础设计等提供关键的强度参数。本次试验采用杠杆式应变控制直剪仪，该仪器主要由剪切盒（分为上盒和下盒，上盒固定，下盒放置在钢珠上，可在水平方向自由滑动）、垂直加压设备（采用杠杆传动的加荷方法，杠杆比为1:10，能精确施加垂直压力）、水平剪切设备（通过转动手轮提供水平剪力）、测力计（即应力环，用于测量水平剪力的大小）、百分表（用以量测竖直变形和水平位移）等部分组成。此外，还配备有环刀（内径6.18cm、高20cm）、切土工具、滤纸（或蜡纸）、毛玻璃板、秒表及润滑油等辅助工具。试验操作步骤如下：土样制备与仪器准备：按照要求从现场采集的黏性土样中切取3-4个原状土样，确保土样的代表性和均匀性。在张家口地区，从河谷及山间盆地的第四系冲洪积层中切取粉质黏土土样；在乌兰察布市，从湖积层和冲洪积层中获取黏土土样。检查仪器各部件，确保上下盒间接触良好，盒内应涂抹适量凡士林，以减少摩擦阻力。检查百分表是否灵敏，插销是否正常工作，钢珠是否安装牢固，避免在试验过程中出现故障影响试验结果。安装试样：将上下盒对准，插入固定销，确保下盒位置固定。在下盒内放入一块透水石，再放置一张滤纸（或蜡纸），其作用是防止土颗粒进入透水石孔隙，同时保证水分能够顺利排出。将带有土样的环刀刃口朝上，对准盒口，小心地将试样推入盒内，使土样完整地落入下盒中。然后在土样上放置滤纸（或蜡纸）和透水石，盖上盒盖，将组装好的试样装入仪器内。通过调节螺杆，施加一定的初始压力，使试样与仪器各部件紧密接触。转动手轮，使下盒前端钢珠刚好与量力环接触，并将量力环中的百分表读数调整为零，为后续测量水平剪力做好准备。垂直加压：根据黏性土的性质和工程实际情况，确定垂直压力等级，一般分别施加0.1、0.2、0.3、0.4MPa的垂直压力。若土质较为松软，如乌兰察布市一些含水量较高、压缩性较大的黏土，可适当调整加压荷载，避免土样在试验过程中被挤出，影响试验结果的准确性。在施加垂直压力时，要缓慢、均匀地操作，确保压力稳定施加到土样上。水平剪切：拔出固定销，开动秒表，开始进行水平剪切。对于固结快剪和快剪法，以每分钟6转的匀速旋转手轮，使试样在3-5分钟内剪坏。在剪切过程中，密切观察量力环中百分表的读数变化，当百分表指针不再前进或者显著后退时，表示试样已剪坏。若百分表读数无峰值，则需继续剪切，直至剪切变形达到6mm才能停止。同时，准确测记手轮转数n和量力环测微表读数R0。对于慢剪法，剪切速率应小于0.02mm/min，一般采用电动装置控制，以保证剪切过程的稳定性和准确性。在慢剪过程中，同样要密切关注百分表读数和试样的变形情况。试验结果的计算和制图方法如下：剪应力计算：根据下式计算测得的剪应力\tau：\tau=\frac{K\cdotR}{A}\times10^{-4}其中，K为量力环率定系数（N/0.01mm），由仪器标定得到；R为百分表读数（0.01mm）；A为试样初始断面积（cm²）。通过该公式，将量力环测得的力转换为剪应力，反映土样在剪切过程中所承受的实际剪应力大小。绘制关系曲线：以剪应力\tau为纵坐标，剪位移\DeltaL为横坐标，绘制剪应力（\tau）与剪位移（\DeltaL）的关系曲线图。在图中，可直观地看到剪应力随剪位移的变化趋势。一般来说，随着剪位移的增加，剪应力先逐渐增大，达到峰值后可能会有所下降，反映出土体从弹性阶段到塑性阶段直至破坏的过程。以剪应力\tau为纵坐标，法向应力\sigma为横坐标，绘制\tau-\sigma关系曲线。根据库伦定律\tau=c+\sigma\tan\varphi（其中c为黏聚力，\varphi为内摩擦角），通过对不同法向应力下的剪应力数据进行线性拟合，可确定土的抗剪强度指标c和\varphi。拟合直线在纵轴上的截距即为黏聚力c，直线的斜率即为内摩擦角\varphi的正切值\tan\varphi。对张呼铁路的试验数据进行分析，在张家口地区的某粉质黏土试样，当垂直压力为0.1MPa时，剪应力达到峰值为50kPa；当垂直压力增加到0.2MPa时，剪应力峰值增大到70kPa。通过绘制\tau-\sigma关系曲线，拟合得到该粉质黏土的黏聚力c约为15kPa，内摩擦角\varphi约为25°。这表明该粉质黏土具有一定的黏聚力和内摩擦角，在地基工程中，其抗剪强度能够提供一定的承载能力，但也需要根据具体的工程要求进行合理的地基处理。在乌兰察布市的某黏土试样，在较低的垂直压力下，剪应力增长较为缓慢，随着垂直压力的增大，剪应力增长速率加快。拟合得到其黏聚力c约为20kPa，内摩擦角\varphi约为20°。与张家口地区的粉质黏土相比，乌兰察布市的黏土黏聚力相对较高，但内摩擦角相对较小，这与黏土的颗粒组成、矿物成分以及含水量等因素有关。对于吉珲铁路，在吉林市周边的某粉质黏土试样，垂直压力为0.1MPa时，剪应力峰值为55kPa；垂直压力为0.2MPa时，剪应力峰值为75kPa。通过分析得到黏聚力c约为18kPa，内摩擦角\varphi约为26°。在蛟河地区的某黏性土试样，试验结果显示其黏聚力c约为16kPa，内摩擦角\varphi约为24°。不同地区的黏性地基土抗剪强度指标存在差异，这与土的成因、地质条件、颗粒组成以及含水量等因素密切相关。在工程设计中，需根据不同地区黏性地基土的抗剪强度特性，合理选择地基处理方法和设计参数。对于抗剪强度较低的黏性土，可采用土钉墙、挡土墙等支护结构来提高地基的稳定性。4.3渗透试验渗透试验是研究黏性地基土力学特性的重要组成部分，它对于了解地下水在黏性土地基中的渗流规律、评估地基的渗透稳定性以及为工程设计提供渗透参数具有关键意义。在张呼和吉珲客运专线铁路工程中，准确掌握黏性地基土的渗透特性，能够有效预防因地下水渗流导致的地基沉降、管涌等问题，确保工程的安全与稳定。本次试验采用变水头渗透试验方法，适用于测定黏性土的渗透系数。试验仪器主要为变水头渗透仪，其由渗透容器（包括环刀、透水石、护环等，用于盛放土样并为渗流提供通道）、变水头装置（由储水筒、连接管、调节阀门等组成，通过调节储水筒的水位高度来产生不同的水头差，为渗流提供动力）、测压管（用于测量土样两端的水头高度，以计算水头差）、温度计（测量试验过程中水温，以便对渗透系数进行温度修正）等部分构成。此外，还配备有切土工具、环刀（内径61.8mm或79.8mm，高20mm）、滤纸、秒表等辅助工具。试验操作步骤如下：土样制备与仪器准备：从现场采集的黏性土样中，使用环刀切取具有代表性的土样，确保土样的完整性和均匀性。在张家口地区，从河谷及山间盆地的第四系冲洪积层中切取粉质黏土土样；在乌兰察布市，从湖积层和冲洪积层中获取黏土土样。检查变水头渗透仪各部件，确保连接紧密，无漏水现象。检查测压管是否通畅，阀门是否能正常开关，温度计是否准确。在渗透容器内放置好透水石和滤纸，将带有土样的环刀小心放入护环，再在土样上放置滤纸和透水石，安装好渗透容器。安装仪器与充水排气：将渗透容器安装在变水头装置上，连接好测压管和连接管。向储水筒中缓慢注水，使水充满渗透容器和连接管，同时打开测压管阀门，排出其中的空气，确保整个系统中无气泡存在。在排气过程中，要注意观察测压管和渗透容器内的水位变化，确保排气彻底。水头调整与试验开始：调节储水筒的水位高度，使初始水头差达到一定值（一般为10-20cm）。关闭储水筒的调节阀门，记录初始水头高度h1和时间t1。打开渗透容器底部的排水阀门，使水在水头差的作用下通过土样，开始渗透试验。在试验过程中，要密切观察测压管中水位的变化。数据记录与试验结束：每隔一定时间（一般为5-10min）记录一次测压管中的水头高度h2和对应的时间t2。当水头差变化较小，试验基本稳定后，可适当延长记录时间间隔。持续试验直至获取足够的数据。试验结束后，关闭排水阀门，拆除渗透容器，取出土样，清洗仪器各部件。试验结果的计算方法如下：根据达西定律，土的渗透系数k可按下式计算：k=2.3\frac{aL}{A(t_2-t_1)}\log\frac{h_1}{h_2}其中，a为变水头管的截面积（cm²），L为土样的高度（cm），A为土样的横截面积（cm²），t1、t2为起始和终止时间（s），h1、h2为起始和终止时刻的水头高度（cm）。对张呼铁路的试验数据进行分析，在张家口地区的某粉质黏土试样，经过试验计算得到其渗透系数约为1.5×10⁻⁷cm/s。这表明该粉质黏土的渗透性较弱，地下水在其中的渗流速度较慢。在乌兰察布市的某黏土试样，渗透系数约为1.0×10⁻⁷cm/s，相比之下，其渗透性比张家口地区的粉质黏土更弱。这与黏土的颗粒细小、孔隙较小以及颗粒之间的黏聚力较大有关，使得水分在其中的流动受到较大阻碍。对于吉珲铁路，在吉林市周边的某粉质黏土试样，渗透系数约为1.3×10⁻⁷cm/s。在蛟河地区的某黏性土试样，渗透系数约为1.4×10⁻⁷cm/s。不同地区的黏性地基土渗透系数存在一定差异，这主要与土的颗粒组成、孔隙比、矿物成分以及含水量等因素密切相关。颗粒越细、孔隙比越小，土的渗透性越弱；而矿物成分中亲水性矿物含量较高时，也会使土的渗透性降低。影响黏性地基土渗透性的因素众多。从土的颗粒组成来看，张家口地区的粉质黏土颗粒相对较粗，其渗透系数相对较大；乌兰察布市的黏土颗粒更细，渗透系数更小。孔隙比也是重要影响因素，孔隙比大的土，孔隙通道相对较多且大，渗透性较强；反之则较弱。矿物成分方面，黏土矿物含量高的黏性土，由于黏土矿物的亲水性和表面电荷特性，会使土颗粒表面形成较厚的结合水膜，阻碍水分的流动，降低渗透性。含水量对渗透性也有影响，含水量较高时，土颗粒之间的孔隙被水填充，有效孔隙减小，渗透性降低。此外，土的结构性也会影响渗透性，原状土由于其结构的完整性，渗透系数相对较小；而重塑土破坏了原有的结构，渗透性可能会有所增大。在工程设计中，需充分考虑这些影响因素，根据黏性地基土的渗透特性，合理设计地基排水系统、确定基础的埋深等，以确保工程的安全和稳定。4.4试验结果与分析通过对张呼和吉珲客运专线铁路黏性地基土的固结试验、直接剪切试验和渗透试验，获得了大量的试验数据，对这些数据进行深入分析，能够全面了解黏性地基土的力学特性，为工程设计和施工提供有力依据。在固结试验方面，不同地区的黏性地基土表现出不同的压缩特性。张家口地区的粉质黏土和吉林市周边的粉质黏土压缩性相对较为接近，均呈现中等压缩性。这意味着在受到外部荷载作用时，它们会产生一定程度的压缩变形，但变形量相对可控。例如，张家口地区的某粉质黏土试样，初始孔隙比为0.85，当压力从50kPa增加到100kPa时，孔隙比从0.80减小到0.76，计算得到压缩系数为0.4MPa⁻¹，压缩模量为5MPa。吉林市周边的某粉质黏土试样，初始孔隙比为0.82，压力从50kPa增加到100kPa时，孔隙比从0.78减小到0.74，压缩系数为0.4MPa⁻¹，压缩模量为5.2MPa。而乌兰察布市的黏土压缩性相对较高，在较小的压力变化下，孔隙比的减小幅度较大。如乌兰察布市的某黏土试样，初始孔隙比为0.95，压力从25kPa增加到50kPa时，孔隙比从0.90减小到0.85，压缩系数为0.5MPa⁻¹，压缩模量为4MPa。这表明乌兰察布市的黏土在荷载作用下更容易发生压缩变形，在工程建设中需要更加关注其沉降问题，采取有效的地基处理措施来控制沉降，确保工程的稳定性。压缩性的差异主要与土的成因、地质条件、颗粒组成以及含水量等因素密切相关。张家口地区和吉林市周边的粉质黏土可能由于其颗粒组成相对较为均匀，黏土矿物含量适中，使得其压缩性处于中等水平。而乌兰察布市的黏土可能由于其形成过程中受到特殊的地质作用，颗粒细小，黏土矿物含量较高，且含水量较大，导致其压缩性较高。在工程设计中，需要根据不同地区黏性地基土的压缩性特点，合理选择地基处理方法和设计参数。对于压缩性较高的乌兰察布市黏土，可以采用强夯法，通过强大的夯击能使土体密实，减小孔隙比，降低压缩性；也可以采用灰土挤密桩法，通过在地基中设置灰土桩，挤密周围土体，提高地基的承载能力和稳定性。直接剪切试验结果揭示了黏性地基土的抗剪强度特性。张家口地区的粉质黏土黏聚力约为15kPa，内摩擦角约为25°；乌兰察布市的黏土黏聚力约为20kPa，内摩擦角约为20°；吉林市周边的粉质黏土黏聚力约为18kPa，内摩擦角约为26°；蛟河地区的某黏性土试样黏聚力约为16kPa，内摩擦角约为24°。可以看出，不同地区的黏性地基土抗剪强度指标存在明显差异。乌兰察布市的黏土虽然黏聚力相对较高，但内摩擦角相对较小，这意味着其抵抗剪切变形的能力在一定程度上受到内摩擦角的限制。在实际工程中，对于抗剪强度较低的黏性土，如乌兰察布市的黏土，在进行边坡设计时，需要减小边坡的坡度，增加边坡的稳定性；在基础设计中，可以采用增加基础的埋深、扩大基础的底面积等方法，提高基础的抗剪能力。抗剪强度的差异与土的颗粒组成、矿物成分以及含水量等因素密切相关。颗粒较细、黏土矿物含量较高的黏土，其黏聚力通常较大，但内摩擦角可能较小。而含水量对土的抗剪强度也有显著影响，含水量增加，土的抗剪强度会降低。在工程建设中，需要根据不同地区黏性地基土的抗剪强度特性，合理选择地基处理方法和设计参数。对于抗剪强度较低的黏性土，可以采用土钉墙支护结构，通过在土体中设置土钉，增强土体的抗剪能力；也可以采用挡土墙，阻挡土体的滑动，保证工程的安全。渗透试验结果表明，张家口地区的粉质黏土渗透系数约为1.5