濕陷性黃土地基處理設計中應注意的幾個問題

吳 杰 周海軍

(甘肅中建市政工程勘察設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

1 概述

一般來講，濕陷性黃土地基土單元的濕陷起始壓力對地基處理而言，其工程意義在于分析判定地基土被充分浸濕而產生較嚴重變形的可能性大??；濕陷性黃土室內地基土單元的P—δ曲線對地基處理而言，其工程意義在于分析一個土單元如果被充分浸濕，將產生怎樣程度的變形。然而，針對地基整體來講，地基濕陷程度如何卻只有明確不同深度土體單元的P—δ曲線的統(tǒng)計幾何特性才可得知，與此同時，工程實例亦證實不同深度的不同濕陷起始壓力地基土單元的組合常常背離工程師們對場地濕陷特性的一些認識，所以有時候我們不能機械的、一刀切式的按剩余濕陷量等常規(guī)指標來進行地基工程處理。

鑒于以上，合理的確定地基土處理深度本應該充分考慮各深度處的濕陷曲線特征指標，而不能盲目僅憑有限的“經驗剩余濕陷量和經驗處理厚度”數值去判定，否則容易一刀切。下面就帶著以上基本認知對濕陷性黃土場地常規(guī)處理原則所涉及的幾個問題進行闡述與評價。

2 場地濕陷類型的劃分問題

縱觀現行黃土規(guī)范[1,2]或征求意見稿，從為地基處理服務的角度看，之所以將場地分為“自重”與“非自重”兩種類型，其目的是判定濕陷性場地地基土的濕陷起始壓力的利用價值大小。按現行黃土規(guī)范，分界線70 mm僅是一個眾多濕陷事故的觀測經驗值，且該值是在濕陷事故調查統(tǒng)計的基礎上得到的。但客觀上講，某個濕陷事故的原因應當是個綜合因素，這與濕陷敏感土單元的深度、土單元的濕陷曲線特征等因素有關，可謂是一個復雜的態(tài)函數。即便兩個場地的自重濕陷量、濕陷量計算相等，但濕陷敏感單元分布的深度各異，那么經驗指出兩個地基的濕陷危害程度區(qū)別可以很大。也就是說，如果前面在并沒有指定其他參量的情況下就對事故發(fā)生時的自重濕陷量進行統(tǒng)計并將統(tǒng)計濕陷量這個單一量和濕陷事故建立某種聯系是不妥當的，這就將本來因地變動的狀態(tài)量給強制統(tǒng)一化了，認為凡是自重濕陷場地(>70 mm)就一定比非自重場地(<70 mm)的濕陷事故嚴重(即使是對同一建筑物而言)；認為同屬自重濕陷場地，自重濕陷量大的就一定比自重濕陷量小的濕陷事故嚴重(即使是對同一建筑物而言)，這是不夠嚴謹的。

P—δ曲線具有陡增特征的土單元為濕陷敏感單元，該類土在常規(guī)地基壓力下將產生較一般土更大的濕陷量和不穩(wěn)定性，相同的計算濕陷量給工程帶來的危害更大。在此建議在濕陷等級較低的場地，判別場地的濕陷類型時應當充分剖驗地基土單元的P—δ曲線特征以了解其起始濕陷壓力的大小及濕陷敏感程度大小；在計算自重濕陷量或濕陷量時，對埋深區(qū)間不同、濕陷敏感程度不同的土體單元賦予不同的加權系數，以突顯其對建筑地基濕陷的影響程度，以突顯不良地基土的層位埋深，這是一種逼近工程實際的合理途徑。

3 黃土體滲透問題

一般的認識表明，通常熱力學狀況下，作為具有高介電常數的液體水在造巖礦物表面總能“擠掉”氣體而適度鋪展，熱力學平衡態(tài)時，表面幾十納米至幾百納米范圍內(和表面解離度及液體內反號離子濃度相關)存在的是滿足玻爾茲曼分布的反號粒子或結合水粒子[3]，這些粒子的性質和主體相差別很大甚至完全不同，它們不能用普通的宏觀物理公式去描述；但是在孔隙尺寸足夠大(如大于2 μm)的條件下，土顆粒表面擴散雙電層的存在將不會顯著影響水的宏觀動力性質而異于人們宏觀的經驗認識，水這種締合液體的粘性似乎也不足以克服重力而產生宏觀的整體流動，相應的孔隙壓強也可以用普通的公式計算。因此，恒定熱力學條件下，水在小孔中的流動性質如何，需要明確土體的原始孔隙大小、礦物解離常數、土體含鹽量多少這三個量值的范圍值。

對于砂卵石地層，一般孔隙直徑范圍1 mm～10 mm，這個量值使得水在滲透過程中可完全不考慮其在顆粒表面的排列效應和氫鍵締合粘聚力，重力是唯一驅動力，屬宏觀層次，待滲透結束時(雨后一段時間)，僅在大顆粒接觸點處由毛細冷凝作用懸掛滯留少許彎液面水，即該種粗顆粒地層不可能產生上層滯水。

對于黏土地層，一般電鏡觀察顯示其顆粒間距一般為0.1 μm～1 μm量級，在土體體積受限且水源充足(地表始終有水)時，當水分子進入上述間距后便在解離的表面上吸附，長程電分子力使得水分子排列厚度增至幾十至上百納米，這樣便可減小甚至堵塞相當數量的黏土粒表面間孔隙，此時氫鍵締合所產生的粘性阻止宏觀力(如重力、液體壓強)的趨勢就顯得舉足輕重了，此滲透過程的主要驅動力不是重力，而是反離子或極性水分子在礦物表面的分布熵，其實質是受限體積內的界面能量最低趨勢，在純熵驅動的條件下，滲透路徑是受孔隙氣體與土顆粒表面間在水介質中的非阻滯哈馬克常量控制的，水體滲透總是自動選擇哈馬克常量較低值的礦物表面間區(qū)域，這些區(qū)域連起來便成為水的運移通道，沒能連在一起的就得不到水的“浸潤”，因此從亞微觀層面看，黏土不論浸水多長時間，始終不可能達到分子層面意義上的飽和態(tài)。上述堵塞效應使得黏土的宏觀透水性變差或不透水。

黃土高原地區(qū)，顆粒分析試驗判定一般黃土屬粉土類，無論其密實度如何，粉土顆粒間距始終介于黏土和砂類土，這種區(qū)分不只是建立在孔隙幾何尺寸大小的基礎上，而更是建立在水分運移機理差異的基礎上。異于砂土和黏土，水在粉土中的移動所受的各主要因素包含氫鍵締合粘聚力、重力、毛細管力這三種。實際上，在粉土孔隙大小的孔中(如1 μm～5 μm)，水在礦物表面的排列效應對水的運移通道堵塞可視為次要方面，這樣在水源充足(地表始終有水)時，水體下滲的主要驅動力為宏觀性質的重力(靜態(tài)時等效于孔隙水壓)和毛細管力；而異于砂卵石地層，這時還應考慮另外一個阻力因素便是水的氫鍵締合粘聚力，如果該粘聚力能夠大幅抵消宏觀重力，那么，水分下滲則主要靠毛細管力和外界大氣壓驅動，水與一般造巖礦物表面的接觸角較小，在微米級的孔隙半徑時，毛細驅動的拉普拉斯壓強為0.5～1.5個標準大氣壓強，對于一般低含水量的黃土來講，孔隙氣全是聯通的，滲透沖鋒面處的孔隙氣壓力也在這個范圍，基本能夠抵消沖鋒面處的拉普拉斯壓強?，F在從整體上來看，影響水體下滲的各種力抵消后就只剩下外界大氣壓了，即無限制下滲，直至某一深度處遇見不得不考慮水分子在其表面有排列效應的大厚度粘性土為止。但是當水源不充足時，譬如下雨時間短，地表積水時間有限，或者說地表的防水措施到位、蒸發(fā)等，這類滲透過程除上述滲透細節(jié)外還應考慮當地表水全部入滲后在水體表面處(實為彎月面)形成的拉普拉斯壓強，通過上面的量級分析，這個向上的壓強差恰能阻止大氣壓力對滲透的驅動，這時下部的滲透沖鋒面雖然可能繼續(xù)向下走動一段距離，但是步伐會明顯的放緩直至停留，平衡態(tài)時沿深度形成多處不連續(xù)的靜止毛細水段，隨著時間的推移，這些水段彼此之間可能會發(fā)生位置微調，但不會有整體再向下運移的趨勢。

總之，散體結構中水的滲透并不是一味受宏觀力的牽引和控制，也并不是無終止的向下滲透；不同的浸水條件，不同的礦物組成，不同的孔隙尺寸，其滲透控制機理將有較大或顛覆性的本質差異。針對大厚度濕陷性黃土地基，地基自重濕陷量的計算建議結合地形、氣候、臨近水源、管道施工及維護質量等因素充分考慮場地的浸水條件，在這個基礎上再給予濕陷量計算值一定的折減是合理的，地形條件好，地表侵水幾率小的場地，濕陷量的折減量將大幅增加。該折減量是在原始場地(即未考慮將來擠密地層的隔水貢獻)的前提下闡述的，這樣便相當于又多出一個附加的安全系數。

4 結語

1)場地濕陷等級較低時，地基濕陷性敏感土體單元隨深度的分布有時并無明顯的規(guī)律，建議給場地的濕陷類型定性時應當充分剖驗地基土單元的P—δ曲線以了解其起始濕陷壓力的大小，判定特定深度土體的濕陷起始壓力的利用價值；在計算自重濕陷量時，對埋深不同的濕陷敏感土體單元給予不同的加權系數，以突顯其對建筑地基濕陷性的影響程度，工程角度講，這是必要的。

2)當水源充足(地表始終有水)時，水體下滲的主要驅動力為重力、毛細管力；阻力因素便是水的氫鍵締合粘聚力，如果該粘聚力能夠大幅抵消宏觀重力，那么，水分下滲則主要靠毛細管力和外界大氣壓驅動，對于一般低含水量的黃土來講，滲透沖鋒面處的孔隙氣壓力基本能夠抵消沖鋒面處的拉普拉斯壓強，這樣，水體便無限制下滲，直至某一深度處遇見不得不考慮水分子在其表面有排列效應的粘性土為止。當水源不充足時，滲透過程還應考慮地表水全部入滲后在水體表面處(實為彎月面)形成的拉普拉斯壓強，這個向上的壓強差一般能阻止大氣壓力對滲透的驅動，這時下部的滲透沖鋒面雖然可能繼續(xù)向下走動一段距離，但是步伐會明顯的放緩直至停留，平衡態(tài)時沿深度形成多處不連續(xù)的靜止毛細水段,并不會有整體再向下運移的趨勢。

針對大厚度濕陷性黃土地基，地基自重濕陷量的計算建議根據地形、氣候、臨近水源、管道施工及維護質量等因素充分考慮場地的浸水條件、入滲機理給予一定的折減是合理的。