渭北地區(qū)濕陷性黃土場地浸水試驗研究*

羅曉鋒，尚海麗，鄭有偉，李偉華，王艷艷，張宏偉

(1.內蒙古科技大學礦業(yè)與煤炭學院，內蒙古 包頭 014010；2.包頭市第四中學，內蒙古 包頭 014020；3.內蒙古科技大學工程訓練中心，內蒙古 包頭 0140102；4.中交第一公路勘察設計院有限公司，陜西 西安 710072)

隨著“十三五”規(guī)劃的實施，我國西部地區(qū)迎來了大發(fā)展，基建項目日益增多，近幾年呈現(xiàn)出從低階地向高階地、從平原區(qū)向高原區(qū)甚至溝壑地帶發(fā)展的態(tài)勢.濕陷性黃土在我國中西部地區(qū)覆蓋最廣、厚度最大，尤其以隴西、隴東和渭北黃土塬區(qū)最為典型.

濕陷性黃土具有孔隙大、壓縮性高、承載力低等特性，受水浸濕后產生急劇且量大的變形，造成建筑物地基失穩(wěn)，道路毀壞.目前，評價濕陷性黃土場地的方法主要有室內壓縮試驗，其易用性和可行性得到業(yè)內人士一致認可，同時也指導了大量工程建設；但其缺陷也日益凸顯，如土樣尺寸、受力狀態(tài)和代表性等對試驗數(shù)據(jù)可靠性的影響.其次，《濕陷性黃土地區(qū)建筑標準》[1](以下簡稱《規(guī)范》)中推薦使用的修正系數(shù)也已無法滿足目前大厚度高階地渭北黃土塬區(qū)“高、大、長、重”等工程建設的需求.

因此，針對濕陷性黃土，采取更加可靠合理的評價方法是改進目前黃土場地評價的有效途徑，《規(guī)范》[1]推薦使用原位浸水試驗.一些學者也進行了形狀各異、不同地區(qū)原位浸水試驗[2-6]，但大多集中在隴西、隴東和關中等典型黃土地區(qū)，如姚志華等[7]對蘭州地區(qū)大厚度濕陷性黃土的浸水試驗研究，王治軍等[8-10]對隴東地區(qū)慶陽董志塬濕陷性黃土的研究，武小鵬等[11]對鄭西高鐵沿線濕陷性黃土的研究等.而對渭北黃土塬區(qū)濕陷性黃土研究較少，尤其對銀西沿線(銀川—百色高速公路區(qū)段)陜西渭北高原黃土塬區(qū)溝壑地帶的研究少之又少，也未進行過大型原位浸水試驗.本文依據(jù)銀西高速公路及某制藥大廈所在地，在渭北黃土塬區(qū)溝壑地帶選擇有代表性黃土場地，進行了現(xiàn)場大型浸水試驗，研究其浸水過程中黃土的濕陷變形規(guī)律.

1 試驗概況及方法

1.1 場地概況

試驗場地位于陜西省旬邑縣太村鎮(zhèn)東側，地貌單元為渭北黃土塬區(qū).通過探井揭露，場地具備試驗條件，25 m深度范圍內地層自上而下主要由新近堆積土、新黃土、古土壤和老黃土組成，地層平穩(wěn)，層理清楚，分布連續(xù).地下水埋藏較深，38 m深度范圍內未見地下水，無其它不良地質結構和早期人類活動遺跡.試驗場地地層巖性如表1，土樣物理力學指標如表2.

表1 場地黃土地層巖性

表2 土樣主要物理力學指標

1.2 浸水試坑設計

現(xiàn)場為莊稼地，經(jīng)平整后布設基準點和探井，通過探井揭露和查閱相關文獻[1，12]，將試坑設計為直徑25 m、深度80 cm的圓坑，坑底鋪設一層厚度10 cm的砂礫石，粒徑1～3 cm；為浸潤充分，在試坑內均勻布設12個深20 m的滲水孔，孔內用砂礫石充填，滲水孔不和各種觀測標點重合.

1.3 觀測標點布設

以試坑圓心為中心，在互成120°的A，B和C3條測線上布設地面沉降觀測淺標點63個，每條測線上21個，其中試坑內21個，試坑外42個，最遠的布設在試坑外25 m處；同樣，在互成60°且與A，B，C軸不重和的E，F(xiàn)，G及其反向延長線E′，F(xiàn)′和G′上布設深部沉降觀測標點42個，每條測線上7個，埋置深度3～21 m(如F3表示F測線上埋深3 m的點，其它以此類推)，全部位于坑內，最深的在試坑底部21 m深度處，詳細布設情況如圖1所示.

圖1 浸水試坑總體設計圖

1.4 試驗過程

本次浸水試驗歷時56 d，選在降水量較少的春季.其中第1階段按照當?shù)啬昶骄邓拷?，歷時9 d；第2階段浸水37 d，直到飽和后停水，停水后繼續(xù)監(jiān)測，直到穩(wěn)定，歷時10 d；3階段共消耗水量15 735 m3.每天固定人員固定儀器按時對各沉降標點進行觀測，觀測儀器采用瑞士產精密水準儀，按二級變形測量精度要求進行；同時，對試坑周圍裂縫出現(xiàn)的時間、寬度、間距及裂縫擴展等情況進行觀測記錄.

2 試驗結果與分析

2.1 室內試驗

通過室內土工試驗發(fā)現(xiàn)，17 m以上土層濕陷量較大，18～22 m范圍內土層濕陷量較小.根據(jù)《規(guī)范》[1]，試驗場地位于中國黃土分區(qū)Ⅱ類區(qū)，修正系數(shù)βo取1.20，計算得到場地的自重濕陷量Δzs為38.40 cm，因此為自重濕陷性黃土場地；同樣，可計算得到場地的濕陷量Δs為96.42 cm，由此判定，該場地黃土地基濕陷等級為Ⅳ(很嚴重)級.

2.2 地表沉降特征分析

地表單日沉降量和累積沉降量變化曲線如圖2所示(本文取B測線，其余兩條類似).從圖2a可以看出：浸水后，試坑內、外所有淺標點(本文挑選試坑內的B1，B7標點和試坑外的B8，B14標點進行分析，其余標點變化特征類似)均發(fā)生沉降，但沉降量有所不同，距離坑心最近的B1點沉降量最大，距離坑心最遠的B21沉降量最小；此外，試坑內B1～B7點、試坑外B8～B21點的沉降差較小，但試坑內、外的沉降差較大，尤其從試坑外一定距離的B8點開始，沉降差明顯增大.這說明在試坑浸水過程中存在“邊界效應”，且邊界對沉降影響十分明顯，邊界不一定是試坑邊緣，一般為邊緣外一定距離，本試驗為試坑外1 m.

浸水過程出現(xiàn)3個峰值點，其中第16 d的峰值點最大；整個浸水過程中，前5 d濕陷速率很小，沉降量也很小，水分浸潤土層；從第6 d開始，濕陷速率有所增大，但增大不明顯，部分土層還未達到濕陷起始含水率，直到第二階段浸水后3 d，濕陷速率快速增大，沉降量也隨之迅速增加，出現(xiàn)劇烈濕陷段，單日最大沉降量達5.61 cm，之后單日沉降量逐漸減小，第35 d進入平穩(wěn)階段；停水后，由于孔壓消散，土體固結，產生小規(guī)模沉降，但持續(xù)時間很短，之后迅速回升直至穩(wěn)定.整個過程濕陷速率呈現(xiàn)出“慢—快—慢—穩(wěn)定”的變化特點，反映了浸水后黃土原有結構逐漸破壞，強度逐漸喪失；停水后黃土開始固結排水，新結構逐漸形成，強度逐漸增長.

地表累積沉降量變化曲線如圖2b所示，從圖中可以看出，整個沉降過程可分為5個階段：①初始緩慢沉降段，從浸水開始到第13 d，累積沉降量很小，沉降量最大的B1點沉降7 cm，主要是因為土體未達到濕陷起始含水率；②劇烈沉降段，從第14 d開始，土體達到飽和并快速發(fā)生濕陷，持續(xù)時間較短；③緩慢沉降段，土體基本飽和，水分入滲困難，沉降變??；④停水固結沉降段，孔隙水逐漸消散，土體排水固結，進而產生沉降，持續(xù)時間更短；⑤沉降穩(wěn)定段，土體沉降趨于穩(wěn)定.

從圖中還可以看出，不同標點的累積沉降量變化趨勢相同，試坑內、外標點間的差值基本相當(單日沉降量B7與B8差值較大)，說明從浸水開始到濕陷發(fā)生，土體對水分入滲起到脈沖作用，濕陷沉降延遲滯后.此外，主體沉降量發(fā)生在單日沉降量峰值后3 d，該沉降量約占總沉降量的60%；峰值后7 d，累積沉降量約占總沉降量的80%.因此，黃土的濕陷是一個短暫快捷的過程，只要達到濕陷含水率，這種“崩塌”立刻發(fā)生并迅速完成.

圖2 B測線單日和累積沉降量變化曲線

2.3 地下沉降特征分析

對于重大型建筑物、構筑物，常需查清自重濕陷性土層的下限.地下深標點單日沉降量和累積沉降量變化曲線如圖3所示，由圖可知，其變化趨勢和地表一樣，呈現(xiàn)相同規(guī)律，不再贅述.

區(qū)別于地表土層，深部土層只有在淺部土層濕陷完成后或濕陷完成一大半后才能發(fā)生濕陷變形，并且是自重濕陷性土層下限深度以上的土層發(fā)生濕陷變形，以下的土層即使浸水很久也不會發(fā)生自重濕陷沉降.因此，當深部土體的單日沉降量達到峰值后，土層的自重濕陷累積量在逐漸增大，但濕陷速率在逐步減小，直到濕陷變形結束.因此，從浸水到濕陷土層下限產生濕陷變形，有個發(fā)展的過程，不同場地濕陷土層下限開始濕陷變形的深度是不同的，這在濕陷性黃土地區(qū)尤為關鍵，因此在具體工程中務必謹慎，嚴防場地內長期積水.本場地濕陷土層下限深度約為15 m，建議此范圍內不要長期積水.

圖3 F測線單日和累積沉降量變化曲線

2.4 濕陷影響范圍及分析

試坑地表沉降過程曲線如圖4所示(本文取B，C軸分析).從圖中可以看出，浸水剛開始后，濕陷以坑心為中心大致對稱沉降，隨著浸水延續(xù)，這種對稱越發(fā)明顯，沉降量也越來越大，由初期平緩的“碟型”逐步擴展到中期深凹的“碗型”，繼續(xù)擴展到整個試坑，最終形成寬深的“U”字型對稱分布.

此外，B，C兩軸的7號、17號標點變化趨勢最大，將整個沉降過程劃分為三個區(qū)段：7號以內標點沉降量最大，8～17標點沉降量較小，17號以外標點幾乎沒有沉降.7，8號標點分別位于試坑內、外邊緣，分別屬于地表浸水和邊界浸水，因此沉降趨勢變化最明顯；8～17號標點位于試坑外部，沉降量減小，趨勢變緩；17號以外標點幾乎沒有沉降，表明此處是浸水橫向影響范圍.該影響范圍可通過標點間距計算得到，該場地浸水后濕陷變形水平向影響范圍為距坑邊13.5 m，小于垂向影響范圍17.4 m(圖5).

2.5 水分擴散規(guī)律及分析

對于水分擴散規(guī)律，不同學者持不同觀點：姚志華等[7]認為水分呈“梨型”分布，蘇立海等[13]認為水分呈“橢圓型”運移，趙金剛等[14]則認為浸潤區(qū)和飽和區(qū)均呈倒“漏斗”型.

圖4 試坑地表沉降過程曲線(B～C軸)

本文綜合前人觀點認為：浸水初期，土體未達到飽和，水分以垂直入滲為主；浸水一段時間后，上部土體發(fā)生濕陷壓密，使得空隙中氣體壓力增大，導致水分入滲困難，其側向土體未受到上部飽和土體的濕陷壓密作用，空隙相對較大較多，入滲較為容易，所以水分由垂直向入滲為主轉為水平向滲流為主；此外，在9.5 m之下存在一厚2.5 m的古土壤，它對垂直向入滲的水分也起到阻礙作用，迫使水分向水平向滲透.其水分擴散形態(tài)為一不規(guī)則階梯狀，呈開口逐漸增大的“喇叭型”.

根據(jù)試坑東、西方向對稱布設的兩條測線，測定不同浸水階段垂直向、水平向土樣含水率，繪制得到浸濕影響范圍及其變化示意圖5.從圖中可以看出，水分擴散的邊界線常呈折線向下、向外延伸，飽和區(qū)與浸濕非飽和區(qū)的影響范圍隨深度的增大而逐漸增大，浸濕區(qū)由飽和區(qū)和浸濕非飽和區(qū)組成，浸濕線之上為非浸濕區(qū)，其土體未受到浸水影響.根據(jù)含水率和飽和度測試結果，距離試坑邊緣2 m、深3.5 m的點處于飽和線上，求得飽和線與垂線的夾角為30°，同樣位置深2.2 m的點處于浸濕線上，求得浸濕線與垂線的擴散角為42°；依次可求得不同位置、不同深度的飽和線夾角和浸濕擴散角，按其所占面積權重，最后求得飽和線與垂線的夾角為30°～45°，均值為41°，浸濕擴散角為42°～49°，均值為47°.

2.6 裂縫發(fā)展規(guī)律及分析

隨著試坑浸水和自重濕陷量的產生，試坑周圍出現(xiàn)了多條連續(xù)裂縫，以同心圓狀隨浸水時間延長而擴大，最外側出現(xiàn)不連續(xù)裂縫，如圖6所示.越靠近試坑邊緣，裂縫越密集，縫寬、斷差及深度也越大，試坑周圍出現(xiàn)較大階梯狀地形.裂縫出現(xiàn)的順序也有一定規(guī)律，離試坑邊緣最近的L1裂縫出現(xiàn)最早，且L1裂縫是由局部裂縫逐漸發(fā)展連接而來，之后依次是較遠的L2、L3裂縫，L3裂縫比前兩個裂縫稀疏且不連續(xù).裂縫寬2～3 cm，深40～60 cm，成V字型向下尖滅，有少量小規(guī)模錯臺.

圖5 浸濕范圍及變化示意圖

裂縫的形成有一定規(guī)律：開始地面出現(xiàn)較細裂紋，隨著浸水時間延長，試坑周圍出現(xiàn)環(huán)形洼地，到浸水第二階段結束時，階梯狀地形出現(xiàn).裂縫的發(fā)展過程大致為：首先，試坑內越靠近中心位置的土體濕陷變形越大，當靠近試坑中心一側的土體濕陷后，外側土體失去側向支撐產生拉力，側向拉力產生了縱向裂縫，其寬度大于深度，裂縫兩側土體基本等高；接著，水分運移到縱向裂縫內側的土體下方，其土體產生濕陷，于是剪切力出現(xiàn)并占主導，所以裂縫縱向發(fā)展較快；水分繼續(xù)運移，直到縱向裂縫外側土體的下方，土體濕陷導致新裂縫產生，也就是說，較遠新裂縫是由較近老裂縫劇烈活動引起的，縱向裂縫受外側土體擠壓，裂縫變窄；浸水后期，早先形成的裂縫受后期裂縫發(fā)展擠壓，其寬度減小直至閉合，兩側土體穩(wěn)定.從裂縫發(fā)展的過程可以看出，水分擴散是控制裂縫產生和發(fā)展的主要因素.

2.7 黃土濕陷敏感性評價

敏感性是評價黃土濕陷性能的主要參數(shù)，具有重要意義，主要有以下2種方法：

(1)室內試驗結果評價：用靈敏度K′進行判別，其表達式如下：

(1)

式中：Pz為上覆土體的飽和自重壓力，N；Psh為土體的濕陷起始壓力，N.結合室內試驗，計算得到各土層的K′值見表3所示.除2，3，15，16和17 m深度的土層濕陷敏感性弱外，其余土層濕陷敏感性均較強或很強，其中2 m和3 m深度處土層無自重濕陷，15，16和17 m深度處土層的自重濕陷系數(shù)較小，即這三處土層自重濕陷量在總自重濕陷量中占得比例較小，因此該場地的自重濕陷敏感性為較強.

圖6 試坑周圍裂縫展布圖

(2)實測數(shù)據(jù)與室內試驗結果比值：常采用自重濕陷量實測值與室內試驗計算值之比K0進行評價，其表達式如下：

(2)

3 結論

(1)室內試驗計算得到該場地自重濕陷量為38.40 cm，總濕陷量為96.42 cm.據(jù)此判定該場地為自重濕陷性黃土場地，濕陷等級Ⅳ(很嚴重)級.

(2)深淺標點實測數(shù)據(jù)表明，試坑中心濕陷變形最大、發(fā)展速度最快、發(fā)生時間最早；地表和地下濕陷速率均出現(xiàn)3個峰值點，呈現(xiàn)出“慢—快—慢—穩(wěn)定”的特點，累積沉降量由5段組成.

(3)該場地水分在垂向上入滲比水平向入滲更為容易，垂向影響范圍17.4 m，而水平向僅為13.5 m，地表濕陷沉降過程曲線為一寬深“U”字型.

表3 K′值判別土層自重濕陷敏感性

表4 K0值判別土層自重濕陷敏感性

(4)該場地水分擴散形態(tài)呈一開口逐漸增大的“喇叭型”，飽和線與垂線夾角30°～45°，均值41°，浸潤線與垂線夾角42°～49°，均值47°.

(5)試坑周邊產生連續(xù)環(huán)形裂縫，寬度較小，深度較淺，呈“V”字型向下延伸，最后減少直至閉合.

(6)通過兩種評價方法，判定該場地黃土濕陷敏感性較強，和《規(guī)范》中該地區(qū)黃土濕陷性較敏感一致，說明數(shù)據(jù)真實可靠.