黃土溝壑高填方分層沉降監(jiān)測與深層浸水試驗

段 旭， 門玉明， 董 琪，2， 常 園

(1.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院， 陜西 西安 710054；2.陜西科技控股集團有限責(zé)任公司， 陜西 西安 710003； 3.陜西省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院， 陜西 西安 710100)

水保監(jiān)測與應(yīng)用技術(shù)

黃土溝壑高填方分層沉降監(jiān)測與深層浸水試驗

段 旭1， 門玉明1， 董 琪1，2， 常 園3

(1.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院， 陜西 西安 710054；2.陜西科技控股集團有限責(zé)任公司， 陜西 西安 710003； 3.陜西省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院， 陜西 西安 710100)

[目的] 研究黃土溝壑地區(qū)高填方工程在填方完成后填筑體內(nèi)部的變形狀態(tài)，為后續(xù)相關(guān)研究提供基礎(chǔ)依據(jù)。[方法] 在某原始溝壑地形在進行高填方工程后，在填方場地內(nèi)布設(shè)3組深層監(jiān)測井，對填筑體內(nèi)部土體的分層沉降、土壓力以及體積含水率進行了持續(xù)12個月的監(jiān)測。[結(jié)果] 工后12個月時間里，溝壑高填方內(nèi)部的主要變形量集中在填筑體與原始地基交接的位置，溝壑中心地下18—27 m以及原始陡坡部位土層出現(xiàn)明顯的張拉變形。在原始溝壑地形的影響下，填筑體內(nèi)部表現(xiàn)出明顯的土拱效應(yīng)。地下18 m以下不同部位土壓力差異明顯，中心部位土壓力較小，不利于中央部位填土的自重壓密。[結(jié)論] 在黃土溝壑地形中進行高填方工程后，填筑體內(nèi)部出現(xiàn)了對地下水上升表現(xiàn)敏感的區(qū)域，當(dāng)?shù)叵滤簧仙龝r局部的濕化變形可能產(chǎn)生工程土洞、地面塌陷。

黃土高填方； 分層沉降； 土壓力； 深層浸水

文獻參數(shù)： 段旭， 門玉明， 董琪， 等.黃土溝壑高填方分層沉降監(jiān)測與深層浸水試驗[J].水土保持通報，2017,37(3)：222-226.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.037； Duan Xu， Men Yuming， Dong Qi， et al. Layered settlement monitoring and deep soaking test of loess high fill in gully region[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(3)：222-226.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.037

隨著西部山區(qū)建設(shè)用地需求越來越大，土地資源日益緊張，擴展城市空間的填方造地項目不斷涌現(xiàn)。延安新區(qū)作為黃土地區(qū)規(guī)模最大的填方造地工程，最大填筑厚度70 m左右，目前已通過填方1.63×108m3，人工造地10.5 km2，有效擴展了延安城市的發(fā)展空間。由于原始地形復(fù)雜，填筑高度大，黃土溝壑高填方的工后沉降問題備受關(guān)注。

朱才輝等[1-2]以呂梁機場高填方的工后沉降監(jiān)測結(jié)果為基礎(chǔ)，對原始地基及填筑體產(chǎn)生不均勻沉降的原因進行了深入分析，并對溝壑高填方中的土壓力分布進行了測量，認為溝壑高填方中表現(xiàn)出土拱效應(yīng)，但沒有詳細分析拱效應(yīng)對填筑體內(nèi)部的影響；沈細中等[3]運用多種理論和技術(shù)，探討了復(fù)雜環(huán)境中，高填方體的穩(wěn)定、排水、濕化變形、沉降控制等問題；李攀峰等[4]根據(jù)施工中和工后較長時間內(nèi)高填方體內(nèi)的孔隙水壓力、鉆孔水位及坡腳部位盲溝出水量的觀測成果，綜合分析了高填方體內(nèi)地下水分布情況。楊雪強等[5]總結(jié)了土拱效應(yīng)在各類土木工程中的表現(xiàn)形式，其中黏土堤壩中的土拱效應(yīng)與溝壑填方相似。賈雪莉等[6]通過工程實例對土拱的拱形及拱體幾何參數(shù)提出了初步見解。

國外方面Low等[7]結(jié)合模型試驗和理論分析，研究了填方路堤中土拱效應(yīng)的產(chǎn)生機制和拱體參數(shù)。Labuz等[8]提出了土拱效應(yīng)對土壓力的影響規(guī)律。Sowers等[9]通過分析監(jiān)測數(shù)據(jù)取得了一定的成果，認為碎石壩的長期沉降隨著時間的推移而變緩，但是沉降持續(xù)的時間非常長，工后沉降量與時間的對數(shù)表現(xiàn)出線性關(guān)系。Brandon等[10]通過長期監(jiān)測發(fā)現(xiàn)高填方的濕化變形量比蠕變變形量大得多。Athanasiu等[11]對不同填料、不同填筑方式的高填方工程長期沉降進行了研究，發(fā)現(xiàn)施工階段對填料充分壓實能減少高填方的長期工后沉降。

綜上所述，國內(nèi)學(xué)者對高填方工后沉降的研究主要關(guān)注填方的整體沉降與時間的關(guān)系，對填筑體內(nèi)部的變形規(guī)律研究較少，國外學(xué)者對填土路堤中的土拱效應(yīng)以及填方沉降等方面已經(jīng)開展了較深入的研究，但針對原始溝壑地形中大厚度填方的變形研究較少，由于黃土高填方自身的濕陷性和非飽和特性，當(dāng)?shù)叵滤h(huán)境產(chǎn)生變化時的濕化變形值得關(guān)注。因此，本文擬研究黃土溝壑地區(qū)高填方工程在填方完成后填筑體內(nèi)部的變形狀態(tài)，以期為后續(xù)相關(guān)研究提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 工程概況和試驗區(qū)工程地質(zhì)條件

填筑前，試驗區(qū)溝谷最大深度45 m，原始地基為中更新統(tǒng)風(fēng)積黃土+基巖，區(qū)內(nèi)巖層為侏羅系中統(tǒng)延安組砂巖，巖層向西傾斜，傾角極緩近于水平，約1°～3°。第四紀黃土非常發(fā)育，覆蓋在全區(qū)老地層之上，試驗區(qū)內(nèi)填土覆蓋在原始黃土之上。

依照就近取材的原則，填料主要來源于場地附近削山造地開挖出的松散土，主要為中、晚更新統(tǒng)黃土，填筑工藝為：通過虛鋪(0.6 m)—增濕(近最優(yōu)含水率)—碾壓(平碾、振動碾，局部為強夯)—檢測(每層填土的壓實系數(shù)在0.9以上)等工序。壓實后填筑土的物理參數(shù)如下：塑限含水量ωp=17.3%，液限含水量ωL=31.1%，塑性指數(shù)Ip=13.8，液性指數(shù)IL>10，土粒相對密度ds=2.71，土樣天然含水率為9.3%～14.7%，天然干密度1.35～1.51 g/cm3，黏聚力C=22 kPa，內(nèi)摩擦角21.4(°)。

2 試驗方案及實施

本文中的沉降監(jiān)測采用盤式分層沉降儀，分3部分： ① 沉降盤與感應(yīng)連桿：沉降盤埋入土體后，與土體同步位移，沉降盤之間感應(yīng)連桿長度隨之改變； ② 數(shù)據(jù)線，將各感應(yīng)連桿的數(shù)據(jù)傳輸至地面； ③ 數(shù)據(jù)讀取儀器，用于讀取、記錄沉降數(shù)據(jù)。試驗使用旋挖機開挖45 m深的探井，完全穿透填筑體，在地表進行分層沉降儀的初步組裝，由人工下井進行分層沉降儀的埋設(shè)，同時在探井中以3 m為間隔安裝水分計，對土壤體積含水率進行監(jiān)測。

為研究高填方場地中不同原始地形對工后分層沉降的影響，在試驗區(qū)3個典型位置布設(shè)了分層沉降監(jiān)測點。1號監(jiān)測點所處位置原始地形為45°左右的陡坡，填方厚度20 m左右； 2號監(jiān)測點位于原始溝谷中心位置，填筑體厚度38 m； 3號監(jiān)測點所處位置原始地形為24°緩坡，填筑體厚度20 m左右。

3 結(jié)果與分析

3.1 分層沉降監(jiān)測

在場地填筑完成30 d后，開始埋設(shè)分層沉降監(jiān)測儀，每15 d采集1次監(jiān)測數(shù)據(jù)，經(jīng)過持續(xù)12個月的分層沉降監(jiān)測，取得各位置土體的分層沉降數(shù)據(jù)，得出填筑完成后1，6，12個月時，3個沉降監(jiān)測位置填筑土體的分層變形情況，如圖1—3所示。

如圖1所示，填筑后1個月時，3個沉降監(jiān)測點的沉降發(fā)展趨勢較為接近，地下27 m以上部分沉降量相對較大，平均沉降量為1.2 mm/層，地下27—45 m范圍內(nèi)平均沉降量為0.39 mm/層。1號監(jiān)測點位于原始陡坡位置，地下15 m處土體發(fā)生拉張變形，主要是受填挖結(jié)合部位接坡工藝的影響。

圖1 3個沉降監(jiān)測點工后1個月時沉降量與深度關(guān)系

圖2 3個沉降監(jiān)測點工后6個月時沉降量與深度關(guān)系

如圖2所示，工后6個月時，1號監(jiān)測點出現(xiàn)張拉變形的土層范圍已經(jīng)擴大為地下12—15 m范圍(填挖結(jié)合位置)，總張拉變形量達到4.1 mm。2號監(jiān)測點(溝谷中心位置)地下30—42 m范圍內(nèi)土體壓縮量較大，最大沉降量5.7 mm，總沉降量達到17.2 mm。地下12—27 m范圍內(nèi)出現(xiàn)少量張拉現(xiàn)象，最大張拉變形量2 mm，出現(xiàn)在地下18 m附近。3號監(jiān)測點(原始緩坡位置)沉降量主要集中在地下12—27 m范圍內(nèi)，壓縮變形量達到24 mm。

圖3 3個沉降監(jiān)測點工后12個月時沉降量與深度關(guān)系

如圖3所示，工后12個月時，斷面1中3個分層沉降監(jiān)測點各層土體變形趨勢已呈現(xiàn)出較為明顯的差異。1號監(jiān)測點位于原始陡坡位置，壓縮主要發(fā)生在填筑土體與原始地基相接的部分，地下17—27 m變形量達到12 mm；由地下6 m到地下15 m區(qū)間內(nèi)土體有一定的張拉變形，地下15 m處土體張拉變形量達到4.1 mm，主要是填筑土體與原始地基交接部位的壓縮變形量較大，并且沿原始坡形有一定的水平向變形，導(dǎo)致淺層土體間出現(xiàn)張拉變形。2號監(jiān)測點位于溝谷中心位置，地下30—42 m之間土體壓縮變形明顯，總變形達到18 mm，地下18—27 m范圍內(nèi)表現(xiàn)出張拉變形，總張拉變形量為11 mm。

3.2 土壓力數(shù)據(jù)

在監(jiān)測井中埋設(shè)的土壓力盒采集了填筑體中央以及兩側(cè)不同深度位置的土壓力數(shù)據(jù)。圖4為工后不同監(jiān)測位置土壓力與填方高度的關(guān)系曲線。1和3號監(jiān)測井底部伸入原始土體。

圖4 工后不同監(jiān)測位置土壓力與填方高度的關(guān)系

從圖4中能夠看出，地下0—18 m范圍內(nèi)土壓力隨填方高度的增加近似呈線性增大。3個監(jiān)測井中，土壓力隨深度的增長曲線基本一致，深度達到36 m時，原始陡坡、原始緩坡位置的土壓力分別達到溝壑中央的1.85和1.54倍，填筑體內(nèi)部表現(xiàn)出明顯的土拱效應(yīng)。這種土拱效應(yīng)與填方場地的分層填筑工藝有關(guān)，因土層內(nèi)部高填方的不均勻沉降造成，其次是由于填挖方的剛度差異引起。試驗區(qū)內(nèi)的持續(xù)地表沉降監(jiān)測和深層沉降監(jiān)測[12]表明，高填方中部沉降遠比兩側(cè)溝谷交界面處的大，由于中部過大的沉降量將附加荷載傳至溝谷兩側(cè)原始地基上，兩側(cè)原始土體的結(jié)構(gòu)強度遠比壓實土高，從而產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，土拱將壓力向拱兩邊轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致填方中部土壓力小于兩側(cè)土壓力，使土拱下部土體處于“減壓”狀態(tài)，影響了底部土體的自重壓密。深度超過18 m后，土壓力曲線開始分化，溝壑中央位置的土壓力增長明顯，分層沉降監(jiān)測中出現(xiàn)張拉變形。

3.3 濕化變形系數(shù)

為研究溝壑高填方工后12個月后各層土體的壓縮性質(zhì)與濕化變形性質(zhì)，在3處沉降監(jiān)測點附近開挖探井35 m，從中每隔3 m取一組土樣，進行側(cè)限壓縮試驗和濕化變形系數(shù)的試驗。理論上各層填土在填筑初期的物理力學(xué)性質(zhì)相近，但如圖5中土壓力的監(jiān)測數(shù)據(jù)所示，不同部位土體在填筑后12個月時間里的應(yīng)力變化有明顯區(qū)別，導(dǎo)致土層的壓縮性質(zhì)、濕化變形性質(zhì)逐漸產(chǎn)生區(qū)別。圖5為地表至地下40 m范圍內(nèi)，不同位置土體的濕化變形系數(shù)與深度關(guān)系曲線。

圖5 地表至地下40 m范圍內(nèi)，不同位置 土體的濕化變形系數(shù)與深度關(guān)系

如圖5所示，原始陡坡位置(1#)與原始緩坡位置(3#)土體的濕化變形系數(shù)隨著深度的增大而減小，均小于濕陷性黃土濕陷性指標0.15，溝谷中心位置(2#)濕化變形系數(shù)在地下12—22 m范圍內(nèi)出現(xiàn)一個數(shù)值較大的區(qū)間，與土體張拉變形以及豎向土壓力的差異有關(guān)。

3.4 深層浸水試驗

3.4.1 深層浸水試驗概況 通過分析延安新區(qū)填筑前后的水文資料，在原始溝壑中進行大厚度填筑已經(jīng)改變了原有的水文地質(zhì)環(huán)境，地表徑流量減少，基巖裂隙水的排泄通道(下降泉)被堵塞。謝春慶等[13]的研究表明地下水的上升會對高填方場地產(chǎn)生侵蝕、軟化等作用，引發(fā)工程土洞、地面沉降等次生危害。國內(nèi)開展過多次大面積浸水試驗，研究自重濕陷性黃土場地的自重濕陷量與自重濕陷的時間歷程[14-16]，本文通過深層浸水試驗來進一步研究地下水上升時，高填方場地內(nèi)部的濕化變形情況。浸水試坑直徑50 m，坑內(nèi)布設(shè)直徑130 mm，深50 m的注水孔60個，間距4 m。試驗期間向注水孔中持續(xù)注水，總注水量2 500 m3。浸水的目的是提高深層土體的含水量，模擬地下水上升時填筑體的濕化變形狀態(tài)。

3.4.2 試驗數(shù)據(jù)分析 浸水期間通過提前埋設(shè)的水分計對填筑土體的含水量進行持續(xù)的監(jiān)測，浸水10,20,30 d時2號沉降監(jiān)測點土體的含水量變化如圖6所示。浸水過程中，深層土體含水量增長明顯，浸水30 d時，地下30—45 m范圍內(nèi)土體含水量明顯增大，地下40—45 m土體含水量達到45%，達到了深層浸水試驗的預(yù)期效果。地下15—25 m出現(xiàn)一個含水量增長明顯的范圍，由17%增大至33%。

圖6 浸水30 d后2號沉降監(jiān)測點土體含水率與深度關(guān)系

圖7為原始陡坡(1#)、溝壑中心(2#)、原始緩坡(3#)3個監(jiān)測點在深層浸水30 d后各層土體的濕化變形量。在浸水開始之前，高填方場地已填筑完成12個月，各層土體沉降已基本穩(wěn)定，深層浸水持續(xù)30 d后，原溝壑中心位置填筑土體的濕化變形量大于溝壑兩側(cè)位置，溝壑中心地下15—24 m范圍內(nèi)土體的濕化變形量達到58 mm，明顯大于其他部位。填筑體底部的濕化變形量之所以不大，主要是底部填土填筑較早，施工過程中經(jīng)歷的壓密時間較長，濕化變形系數(shù)很低，從圖7中濕化變形系數(shù)的分布便可以看出。

圖7 3個監(jiān)測點深層浸水30 d后濕化變形量與深度關(guān)系

浸水30 d后，試驗區(qū)內(nèi)注水孔附近出現(xiàn)多處地表塌陷，溝壑中心部位的塌陷量大于溝谷兩側(cè)，以注水孔為圓心，半徑為0.5 m范圍內(nèi)地表出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象，2號探井附近(溝谷中心位置)是地表塌陷量最大的位置，塌陷量達到17 cm，明顯大于1號探井附近的地表塌陷9 cm。

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

在對跨度45 m左右的原始溝壑進行最大厚度45 m的填筑后，原始地形對填筑體的變形趨勢產(chǎn)生了明顯的影響，原始陡坡及溝壑中心部位出現(xiàn)悖于常態(tài)的張拉變形，室內(nèi)試驗與深層浸水試驗均表明這一范圍內(nèi)土體濕化變形系數(shù)較大，對地下水的上升較為敏感。

水文監(jiān)測資料表明，高填方的建設(shè)明顯改變了地下水、基巖裂隙水的蒸發(fā)、排泄渠道，當(dāng)?shù)叵滤仙?，水分以毛細傳播的方式不斷上升，填筑體底部土體的含水率增大，“土拱”下部土體的濕化變形量增大明顯，便出現(xiàn)沉降監(jiān)測中的張拉變形狀態(tài)。這種局部的變形容易誘發(fā)工程土洞、地表塌陷等危害。對于溝壑高填方中拱體的幾何參數(shù)、力學(xué)性質(zhì)與發(fā)展趨勢仍需要進一步的研究。

4.2 結(jié) 論

(1) 12個月的分層沉降監(jiān)測表明：溝壑中心位置地下18—27 m范圍內(nèi)土層出現(xiàn)張拉變形，總張拉變形量為11 mm。

(2) 土壓力監(jiān)測表明溝壑高填方內(nèi)部表現(xiàn)出明顯的土拱效應(yīng)，地下18 m為起點溝谷兩側(cè)與中心位置的土壓力開始出現(xiàn)分化，土拱效應(yīng)對填筑體內(nèi)部土體的自重壓密產(chǎn)生不利影響。

(3) 溝壑中心位置在地表以下12—22 m范圍內(nèi)土體的濕化變形系數(shù)出現(xiàn)一個數(shù)值較大的區(qū)間，最大值達到0.14。

(4) 深層浸水試驗結(jié)果表明，溝谷中心位置地下15—24 m內(nèi)濕化變形量達到58 mm，明顯大于其他部分，是黃土溝壑高填方水敏性最強的部位。

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Layered Settlement Monitoring and Deep Soaking Test of Loess High Fill in Gully Region

DUAN Xu1， MEN Yuming1， DONG Qi1,2， CHANG Yuan3

(1.SchoolofGeologicalandSurveyingEngineering,Chang’anUniversity,Xi’an,Shaanxi710054,China; 2.ShaanxiScience&TechnologyHoldingGroupCo.,Ltd.,Xi’an,Shaanxi710003,China;3.ShaanxiNuclearIndustryGeologySurveyingInstitute,Xi’an,Shaanxi710100,China)

[Objective] The deformation state of the laess-filled body after filling in the Loess Plateau was studied to provide basis for relevant research. [Methods] Three deep monitoring points in high embankment was laid after loess high fill construction, the layered settlement, soil pressure and volumetric water content of the soil were monitored consecutively about 12 months. [Results] After 12 months of construction, a compression deformation occurred in the junction of the filling and the transfer of the original foundation. Underground of 18 to 27 meters below gully center and the original steep slope occurred obvious tensile deformation. Under the influence of primitive gully terrain, the performance of internal filling body appeared obvious soil arching effect. Under 18 m below ground, the soil pressure difference was obvious, and the influence of the filling body in original gully terrain is not conducive to the weight of the filling body of the central parts. [Conclusion] There is an area sensitive to water after filling in the Loess Plateau, when the underground water level rise, the partial wetting deformation may cause the engineering soil hole and cause the ground collapse.

loess high fill; layered settlement; soil pressure; deep soaking test

2016-06-22

2016-10-11

陜西省重點科技創(chuàng)新團隊計劃項目“黃土地區(qū)土木工程與地質(zhì)環(huán)境協(xié)調(diào)研究”(2016KCT-13); 陜西省重點產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新鏈社會發(fā)展領(lǐng)域“填方區(qū)建筑物基礎(chǔ)破壞模式與機理研究”(2015KTZDSF03-02); 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金(310826171016)

段旭(1991—),男(漢族),陜西省西安市人,博士研究生,主要從事土與結(jié)構(gòu)物相互作用的研究。E-mail:duanxutim@163.com。

B

1000-288X(2017)03-0222-05

U41