典型黃土–古土壤系列浸水滲透及濕陷變形規(guī)律

趙金剛，呂遠(yuǎn)強(qiáng)，晁 軍，楊 喆，夏 蒙

典型黃土–古土壤系列浸水滲透及濕陷變形規(guī)律

趙金剛，呂遠(yuǎn)強(qiáng)，晁 軍，楊 喆，夏 蒙

(中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

為查明典型黃土–古土壤系列地層結(jié)構(gòu)的水分運(yùn)移及濕陷變形規(guī)律，依托西安北至機(jī)場(chǎng)城際軌道項(xiàng)目于渭北黃土塬區(qū)所進(jìn)行的大型試坑浸水試驗(yàn)，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)的方法，跟蹤測(cè)試了無(wú)滲水孔條件下的濕陷性土層浸水滲透及濕陷變形。結(jié)果表明：在浸水前期，滲透水流以垂直運(yùn)動(dòng)為主，整體形態(tài)似一不斷加大的“秤砣”形，隨著水分運(yùn)移至埋深較大土層時(shí)(約15.0 m)，水平運(yùn)動(dòng)開(kāi)始加大，直至達(dá)到水分入滲擴(kuò)散角界限，最終，浸潤(rùn)區(qū)及飽和區(qū)均呈現(xiàn)形似倒置“漏斗”的形態(tài)；受水分?jǐn)U散的影響，沉降過(guò)程可劃分為：初始浸水段–劇烈濕陷段–濕陷穩(wěn)定段–停水孔壓消散段–固結(jié)沉降段–沉降穩(wěn)定段；古土壤層阻礙了水分的垂直滲透速度，并對(duì)其上土層的側(cè)向擴(kuò)散起到一定促進(jìn)作用，停水后，則起到隔絕水分向下快速擴(kuò)散的作用。研究結(jié)果為認(rèn)識(shí)典型黃土–古土壤系列場(chǎng)地水分運(yùn)移及濕陷變形規(guī)律提供了參考，也可為該地區(qū)未來(lái)工程建設(shè)提供指導(dǎo)及借鑒。

黃土–古土壤系列；試坑浸水試驗(yàn)；水分?jǐn)U散；濕陷變形；渭北黃土塬區(qū)

濕陷性和滲透性是黃土類(lèi)土最主要的工程地質(zhì)特征[1]。自重濕陷性黃土場(chǎng)地的濕陷變形是工程建設(shè)中的難點(diǎn)問(wèn)題，也是工程建設(shè)中必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題，不僅決定著工程地基處理方案的合理選擇和設(shè)計(jì)，而且嚴(yán)重影響著工程投資與施工進(jìn)度。解決這些問(wèn)題的根源在于查清黃土的工程地質(zhì)特征，關(guān)鍵在于查清黃土的濕陷變形和滲透(水分運(yùn)移)規(guī)律。

國(guó)內(nèi)許多學(xué)者在此方面進(jìn)行了大量的相關(guān)研究，在黃土地區(qū)先后開(kāi)展了不同規(guī)模的大型原位浸水試驗(yàn)[2-7]，研究浸水條件下的濕陷變形；羅奇斌等[8]對(duì)浸水過(guò)程中的含水量及土壓力變化進(jìn)行了測(cè)試；劉春龍等[9]對(duì)巴基斯坦地區(qū)的濕陷性黃土進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)研究；韓琳等[10]通過(guò)樁基浸水加載試驗(yàn)，得出濕陷對(duì)樁體變形和受力均有較大影響；葉萬(wàn)軍等[11]對(duì)溫度變化條件下重塑黃土的水分遷移規(guī)律進(jìn)行研究，為黃土場(chǎng)地濕陷性的研究做出了貢獻(xiàn)。近年來(lái)，蘇立海等[12]通過(guò)大型浸水試驗(yàn)，研究浸水場(chǎng)地的水分運(yùn)移規(guī)律，得出浸潤(rùn)區(qū)及飽和區(qū)呈“橢圓形”的規(guī)律；黃雪峰等[13]則得出水分運(yùn)移形態(tài)近似“梨”狀分布；馬閆等[14]、尚銀生等[15]在設(shè)注水孔條件下進(jìn)行浸水試驗(yàn)，得出水分從上下向中間運(yùn)移的結(jié)論；李佳等[16]、姚志華等[17]、羅曉鋒等[18]、康寧等[19]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)，分別得出水分運(yùn)移形態(tài)呈“豎直向橢圓形”“水平向橢圓形”“開(kāi)口喇叭形”分布的規(guī)律。

從前人研究認(rèn)識(shí)可以看出，水是誘發(fā)黃土產(chǎn)生濕陷的關(guān)鍵外因，因此，研究黃土的滲透性是進(jìn)行濕陷性研究的前提和基礎(chǔ)。早期科研手段較為落后，多數(shù)研究成果主要以測(cè)試各試驗(yàn)點(diǎn)的自重濕陷量為主；目前，現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)加大了對(duì)場(chǎng)地水分運(yùn)移規(guī)律的研究力度，但試驗(yàn)結(jié)果多限于浸水后的水分?jǐn)U散形態(tài)、入滲角及其與最終濕陷范圍的關(guān)系等方面；對(duì)水分運(yùn)移過(guò)程及其與濕陷變形發(fā)展相關(guān)性，以及對(duì)水分?jǐn)U散產(chǎn)生影響的地層結(jié)構(gòu)方面有待進(jìn)一步研究。

黃雪峰等[2]指出，現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)可以真實(shí)地反映土體實(shí)際的入滲場(chǎng)狀態(tài)。鑒于此，筆者在西安北至機(jī)場(chǎng)軌道跨越渭北黃土塬的自重濕陷性場(chǎng)地進(jìn)行大型試坑浸水試驗(yàn)，跟蹤測(cè)試整個(gè)入滲場(chǎng)地的浸水滲透和濕陷變形過(guò)程，旨在為認(rèn)識(shí)典型黃土–古土壤系列地層結(jié)構(gòu)的水分運(yùn)移及濕陷變形規(guī)律提供一定的試驗(yàn)基礎(chǔ)，以期為濕陷性黃土地基處理方案的合理選擇和設(shè)計(jì)提供依據(jù)，為該地區(qū)未來(lái)工程建設(shè)提供指導(dǎo)和借鑒。

1 試 驗(yàn)

1.1 場(chǎng)地條件

表1 研究區(qū)土層主要物理力學(xué)指標(biāo)

注：表中10.4~11.0數(shù)據(jù)表示厚度最小值~最大值；各地層主要物理力學(xué)指標(biāo)均為平均值；參考試坑鄰近勘探點(diǎn)測(cè)試指標(biāo)給出。

1.2 浸水試坑設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)整平后，開(kāi)挖直徑為25.0 m、深度0.5 m的圓形浸水試坑；坑底鋪設(shè)一層厚度10 cm的碎石，粒徑為1~3 cm。地面沉降觀(guān)測(cè)淺標(biāo)點(diǎn)以試坑圓心為中心，在互成120°的、、共3個(gè)方向軸布設(shè)沉降觀(guān)測(cè)淺標(biāo)點(diǎn)43個(gè)，其中，試坑內(nèi)地表設(shè)淺標(biāo)點(diǎn)19個(gè)(水平間距1.0~2.0 m)；試坑外設(shè)淺標(biāo)點(diǎn)24個(gè)(水平間距1.0~5.0 m)，最遠(yuǎn)距試坑外20.0 m。深部沉降觀(guān)測(cè)標(biāo)點(diǎn)布置在試坑內(nèi)、、軸上，分別與、、軸呈夾角30°，每條測(cè)線(xiàn)交錯(cuò)布置8個(gè)深標(biāo)點(diǎn)，埋設(shè)深度2.0~24.0 m，共計(jì)24個(gè)深標(biāo)點(diǎn)。試坑設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.3 水分計(jì)布置

水分傳感器可以實(shí)時(shí)記錄測(cè)點(diǎn)的含水率變化情況，分別在浸水試坑內(nèi)外不同位置及深度處埋設(shè)水分傳感器，實(shí)時(shí)記錄各傳感器的變化時(shí)間及過(guò)程，即可得出水分運(yùn)移及時(shí)空變化規(guī)律。在浸水試坑內(nèi)西東兩側(cè)開(kāi)挖探井TJ1、TJ2(圖1)，深度為25.0 m，在垂向上均按5.0 m間距刻槽安裝水分傳感器共計(jì)10個(gè)，其中編號(hào)SJ1—SJ5安裝在西側(cè)TJ1探井中，SJ6—SJ10安裝在東側(cè)TJ2探井中。確定水分計(jì)工作正常后，利用預(yù)先篩好的素土回填探井并分層夯實(shí)。浸水試坑外采用預(yù)鉆孔方式布置2排水分計(jì)，每排3個(gè)，編號(hào)SJ11—SJ13埋深均為8.0 m，距試坑邊分別為2.0、4.0、6.0 m；SJ14—SJ16埋深均為16.0 m，距試邊3.0、6.0、9.0 m。水分計(jì)布置剖面如圖2所示。

1.4 水位觀(guān)測(cè)孔布置

為進(jìn)一步監(jiān)測(cè)試驗(yàn)期間水分在浸水試坑外側(cè)土層內(nèi)的運(yùn)移情況，在試坑外側(cè)布置SW1、SW2兩個(gè)水位觀(guān)測(cè)孔，采用鉆機(jī)成孔，過(guò)濾器采用孔眼PVC管，孔周?chē)蒙暗[石填充，孔深均為25.0 m，第1個(gè)水位觀(guān)測(cè)孔距試坑邊3.0 m，兩孔間距3.0 m(圖1)。

1.5 試驗(yàn)過(guò)程

于2014年11月28日開(kāi)始往浸水試坑內(nèi)注水，2015年1月14日停水，歷時(shí)48 d，總注水量為14 011 m3。每天使用精密水準(zhǔn)儀對(duì)各沉降標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行觀(guān)測(cè)，并測(cè)量水位，水分計(jì)數(shù)據(jù)采用儀器進(jìn)行自動(dòng)采集，頻率為1次/h；同時(shí)，對(duì)試坑周?chē)芽p出現(xiàn)的時(shí)間、擴(kuò)展延伸情況，裂縫與試坑邊距離、裂隙寬度和間距、錯(cuò)臺(tái)高差等進(jìn)行觀(guān)測(cè)。停水后，在試坑外東側(cè)完成zk1—zk5鉆孔5個(gè)(圖1)，并按間隔0.5 m采取土樣進(jìn)行含水率及飽和度測(cè)試，以確定浸水影響范圍。

圖1 浸水試坑設(shè)計(jì)及觀(guān)測(cè)點(diǎn)布置方案

圖2 水分計(jì)布置剖面

2 浸水試驗(yàn)成果分析

2.1 水分?jǐn)U散規(guī)律

2.1.1 水分垂直運(yùn)動(dòng)(試坑內(nèi))

以試坑內(nèi)SJ1、SJ6及SJ10為例，繪制含水率歷時(shí)變化情況，如圖3所示，其他相同深度內(nèi)水分傳感器變化規(guī)律類(lèi)似，在此不再贅述；圖中拐點(diǎn)表明濕潤(rùn)鋒達(dá)到該傳感器深度的時(shí)間，并迅速達(dá)到飽和狀態(tài)。

圖3 試坑內(nèi)含水率隨浸水時(shí)間變化曲線(xiàn)

從圖3中可以看出以下規(guī)律。

a. 浸水期間 水分垂直運(yùn)移至試坑西側(cè)SJ1耗時(shí)3 d，出現(xiàn)拐點(diǎn)，曲線(xiàn)激增；至東側(cè)SJ6耗時(shí)4 d，隨后土體含水量并未產(chǎn)生較大變化，整體較為平穩(wěn)。

浸水期間，水分運(yùn)移至SJ10處耗時(shí)19 d，在隨后過(guò)程中，土體含水量經(jīng)歷第1次陡降再回升、第2次陡降再平穩(wěn)的階段，且試坑內(nèi)10.0 m以下水分傳感器均產(chǎn)生類(lèi)似現(xiàn)象，究其原因認(rèn)為：3-1-1新黃土的濕陷變形及3-2-1、4-2-1古土壤層的相對(duì)隔水作用，共同導(dǎo)致此類(lèi)現(xiàn)象的發(fā)生。在浸水前期，3-1-1新黃土層逐漸發(fā)生濕陷，土體密度增加，水分向下擠出，導(dǎo)致下部土體含水量短期內(nèi)增大，產(chǎn)生第1次峰值；此外，濕陷變形使該土層滲透系數(shù)降低，加之3-2-1古土壤層的相對(duì)隔水作用，使其下土層水分短期內(nèi)無(wú)法自上部補(bǔ)給，土體含水率下降，產(chǎn)生第1次陡降；隨著注水的持續(xù)進(jìn)行，上下土層之間水力逐漸連通，下部土體含水率再次回升，產(chǎn)生第2次回升；在浸水后期，水分的水平向擴(kuò)散開(kāi)始加大，向下補(bǔ)給減小，使深部土體含水量再次減小，形成第2次陡降。

b. 停水后 因淺部地層水分在大氣影響條件下較易擴(kuò)散，5.0 m深度處土體含水量均逐漸減小，而25.0 m深度土體含水量未發(fā)生較大變化。

2.1.2 水分側(cè)向運(yùn)動(dòng)(試坑外)

圖4為試坑外側(cè)2.0、3.0 m位置不同深度含水率歷時(shí)變化情況，表2為試坑內(nèi)外各測(cè)點(diǎn)水分傳感器拐點(diǎn)日期統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

圖4 試坑外含水率隨浸水時(shí)間變化曲線(xiàn)

表2 水分初次到達(dá)水分計(jì)的耗時(shí)

從圖4和表2可以看出：

水分側(cè)向擴(kuò)散至試坑外側(cè)2.0 m處耗時(shí)10 d，此時(shí)，試坑內(nèi)垂直向入滲深度已至15.0 m；水分?jǐn)U散至試坑外側(cè)3.0 m耗時(shí)14 d，相同時(shí)間內(nèi)，試坑內(nèi)垂向入滲深度已至21.0 m；由此說(shuō)明，在浸水入滲前期，滲透水流以垂直運(yùn)動(dòng)為主，側(cè)向擴(kuò)散較小。

停水后，試坑外側(cè)各水分計(jì)均未出現(xiàn)較大變化，曲線(xiàn)較為平緩；說(shuō)明停水開(kāi)始至觀(guān)測(cè)結(jié)束，試坑內(nèi)土體水分仍在產(chǎn)生向外的側(cè)向擴(kuò)散。

2.1.3 試驗(yàn)過(guò)程中水分?jǐn)U散形態(tài)

以表2中各拐點(diǎn)獲取的濕潤(rùn)鋒到達(dá)測(cè)點(diǎn)時(shí)間綜合確定試驗(yàn)過(guò)程中水分?jǐn)U散形態(tài)(圖5)。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)試坑內(nèi)傳感器埋深、試坑外各測(cè)點(diǎn)距坑邊水平距離與耗時(shí)之比得出試坑內(nèi)外各測(cè)點(diǎn)的滲透系數(shù)，以此繪制豎直向、水平向滲透系數(shù)的變化曲線(xiàn)(圖6、圖7)；為便于分析，引入豎徑比概念，即同一時(shí)間點(diǎn)試坑內(nèi)垂直入滲深度與試坑外水平擴(kuò)散距離之比，表征水分在豎直向及水平向的擴(kuò)散關(guān)系(圖8)。

圖5 試驗(yàn)過(guò)程中水分滲流形態(tài)示意

圖6 豎直向滲透系數(shù)隨深度變化曲線(xiàn)

圖7 水平向滲透系數(shù)變化曲線(xiàn)

從表2及圖5—圖8可以看出，雖然試坑內(nèi)外同一土層或同一層位中滲透系數(shù)因土性、垂直節(jié)理分布不均勻等原因而存在一定差異，但其總體分布及變化仍呈現(xiàn)一定規(guī)律。

①?gòu)谋?、圖5可知：浸水15 d后，試坑內(nèi)平均入滲深度已至25.0 m，而試坑外側(cè)水平擴(kuò)散距離僅3.0~4.0 m，水平向滲透系數(shù)(平均值0.265 m/d)遠(yuǎn)低于垂直向(1.49 m/d)，浸潤(rùn)線(xiàn)整體形態(tài)似一不斷加大的“秤砣”形，再次說(shuō)明了試坑浸水前期，滲透水流以垂直運(yùn)動(dòng)為主。

圖8 不同深度豎徑比歷時(shí)變化曲線(xiàn)

②從圖6可知，在3-1-1黃土層中，滲透系數(shù)隨著深度的增加逐漸減小，受3-2-1古土壤層相對(duì)隔水作用的影響，該層上下滲透系數(shù)均較??；水分進(jìn)入4-1-1老黃土層中后，滲透系數(shù)增大，在4-2-1古土壤層隔水作用的影響下，滲透系數(shù)再次降低。

⑤圖6及圖8表現(xiàn)出類(lèi)似的規(guī)律，由此表明，相對(duì)隔水的古土壤層阻礙了水分垂直滲透速度，體現(xiàn)出典型黃土–古土壤系列地層的滲透規(guī)律。

2.1.4 試驗(yàn)結(jié)束時(shí)水分?jǐn)U散形態(tài)

a. 豎向影響范圍確定 根據(jù)試坑內(nèi)水分計(jì)測(cè)試結(jié)果，注水15 d時(shí)，25.0 m位置的水分計(jì)讀數(shù)已開(kāi)始變化，浸水試驗(yàn)實(shí)際注水48 d，期間水文觀(guān)測(cè)孔(SW1、SW2)在22 d、25 d依次出現(xiàn)穩(wěn)定水位(11.0 m、13.5 m)，表明25.0 m以上的地基土達(dá)到充分飽和。

b.水平向影響范圍確定 依據(jù)停水后試坑外東側(cè)完成的5個(gè)鉆孔(編號(hào)zk1-zk5，如圖1所示)所采取浸水后土樣的含水率及飽和度測(cè)試結(jié)果，與TJ2探井所測(cè)浸水前的初始含水率進(jìn)行對(duì)比，得出各鉆孔偏離浸水前含水率的深度，結(jié)合試坑外水分計(jì)讀數(shù)，由此確定最終浸潤(rùn)線(xiàn)的范圍；進(jìn)而，統(tǒng)計(jì)各鉆孔測(cè)試所得飽和度大于85%的土樣深度，繪制飽和范圍，最終浸潤(rùn)區(qū)、飽和區(qū)范圍如圖9所示。

圖9 試驗(yàn)結(jié)束時(shí)浸潤(rùn)區(qū)及飽和區(qū)范圍

從圖9可以看出：

①浸水試驗(yàn)結(jié)束后，浸水影響范圍形狀類(lèi)似一個(gè)倒置的漏斗，浸潤(rùn)區(qū)與飽和區(qū)的影響范圍隨深度的增加而逐漸增大；最終，3-2-1古土壤層以上(濕陷土層厚度內(nèi))浸潤(rùn)區(qū)與試坑邊緣垂直線(xiàn)約50°，飽和區(qū)與試坑邊緣垂直線(xiàn)約42°，古土壤以下分別為41°及27°。

②通過(guò)與試驗(yàn)過(guò)程中水分滲流形態(tài)(圖5)對(duì)比可知，水分的擴(kuò)散并不是一開(kāi)始就按照固定的入滲角向下入滲，該入滲角隨著入滲時(shí)間及深度的不斷增加而逐漸擴(kuò)大。

③結(jié)合圖6及圖8可以得出，古土壤層降低水分的垂直滲透速度，對(duì)其上土層的水平向擴(kuò)散起到一定的促進(jìn)作用，因此，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，浸潤(rùn)線(xiàn)和飽和區(qū)在古土壤層處略微向外突出。

2.2 水分?jǐn)U散與濕陷變形關(guān)系探討

2.2.1 地表濕陷變形特征

限于篇幅，本次挑選軸位于試坑內(nèi)的1、5標(biāo)點(diǎn)和試坑外7、11共4個(gè)淺標(biāo)點(diǎn)為代表(圖10)，分析水分?jǐn)U散與濕陷變形的關(guān)系，其余標(biāo)點(diǎn)規(guī)律類(lèi)似，不再贅述?？梢缘贸?，受水分?jǐn)U散過(guò)程的影響，整個(gè)浸水試驗(yàn)沉降過(guò)程可分為6個(gè)階段。

a. 初始浸水a(chǎn)b段 自注水開(kāi)始，該階段持續(xù)時(shí)間4 d，濕潤(rùn)鋒入滲深度可達(dá)5.0 m，因上部土層未達(dá)到濕陷起始含水率，日平均沉降約0.7 mm/d。

b. 劇烈濕陷bc段 隨著濕潤(rùn)鋒向下擴(kuò)散，上部土層達(dá)到飽和并隨即發(fā)生劇烈濕陷，單日最大濕陷量53.6 mm，發(fā)生于注水開(kāi)始第7 天，此時(shí)濕潤(rùn)鋒下滲深度達(dá)10 m(接近全部濕陷土層厚度)，隨后單日濕陷量逐漸降低，日濕陷量介于3.4~26.8 mm，該階段持續(xù)時(shí)間為6 d。

c. 濕陷穩(wěn)定cd段 經(jīng)劇烈濕陷變形后，大部濕陷性土層已完成自重濕陷，此階段沉降包括2部分：隨著飽和區(qū)向下擴(kuò)散，剩余濕陷性土層產(chǎn)生的自重濕陷量；因上部飽和土體自重壓力作用而產(chǎn)生的少量固結(jié)；該階段持續(xù)時(shí)間38 d，日平均沉降約5.0 mm/d。

d. 停水孔壓消散de段 該階段平均沉降變化很小，持續(xù)時(shí)間約2 d，受下部多層古土壤隔水作用的影響，水分無(wú)法快速自下部擴(kuò)散，其主要擴(kuò)散途徑為自然蒸發(fā)及側(cè)向擴(kuò)散。

圖10 地表累計(jì)沉降過(guò)程曲線(xiàn)

e. 固結(jié)沉降ef段 隨著表層土體孔壓的逐漸消散，土體逐層產(chǎn)生固結(jié)沉降，該階段持續(xù)時(shí)間7 d，單日最大沉降量18.0 mm。

f. 沉降穩(wěn)定fg段 日均沉降約2 mm/d，沉降變形區(qū)域穩(wěn)定。

2.2.2 水分?jǐn)U散與濕陷影響范圍的關(guān)系

以—軸沉降過(guò)程曲線(xiàn)為例(圖11)，結(jié)合前述分析結(jié)果，探討水分?jǐn)U散與濕陷影響范圍的關(guān)系。

①地面沉降在試坑中心附近最為劇烈，在浸水起始階段，濕陷在軸率先開(kāi)始沉降，隨著時(shí)間推移，逐步擴(kuò)展至整個(gè)試坑，最終呈較為規(guī)則的“U”字形對(duì)稱(chēng)分布。經(jīng)過(guò)分析，因試坑內(nèi)不同部位土性、垂直節(jié)理分布不均勻，土層達(dá)到飽和的時(shí)間不一致，進(jìn)而導(dǎo)致起始段沉降不均勻，后期在濕陷性土層均完成自重濕陷后，沉降逐步過(guò)渡至對(duì)稱(chēng)分布。

②在12月2日(浸水第5 天)，軸南側(cè)距試坑邊1.0~3.0 m開(kāi)始出現(xiàn)第一道裂縫，從前文分析可知，此時(shí)濕潤(rùn)鋒側(cè)向擴(kuò)散較小(不到1.0 m)，因此，該處裂縫的出現(xiàn)主要因試坑內(nèi)濕陷沉降而產(chǎn)生的側(cè)向拉伸所致。

③隨著水分水平向滲透運(yùn)動(dòng)的不斷進(jìn)行，試坑外側(cè)土體逐步產(chǎn)生自重濕陷，受入滲擴(kuò)散角影響，該部分濕陷僅發(fā)生于下部地層，其影響范圍及裂縫出現(xiàn)的位置不斷外擴(kuò)。

④試驗(yàn)終止前，入滲擴(kuò)散角基本達(dá)到試驗(yàn)階段最大值，此時(shí)，下部飽和區(qū)土層濕陷基本結(jié)束，濕陷變形趨于穩(wěn)定，且試坑外側(cè)不再出現(xiàn)新的裂隙。

圖11 A—C軸地表沉降歷時(shí)曲線(xiàn)

3 水分?jǐn)U散、濕陷變形及地層結(jié)構(gòu)關(guān)系探討

試驗(yàn)區(qū)位于渭北黃土塬區(qū)典型的黃土–古土壤系列地層上，特殊的地層結(jié)構(gòu)致使該地區(qū)滲透及濕陷規(guī)律與其他黃土地區(qū)存在一些差異。

①水分的垂向擴(kuò)散(尤指飽和區(qū)的擴(kuò)散)直接影響著濕陷變形的發(fā)展，濕潤(rùn)鋒擴(kuò)展較淺時(shí)，沉降也較小，最大單日濕陷量產(chǎn)生于濕潤(rùn)鋒垂直滲透至10 m深度(接近全部濕陷土層厚度)的時(shí)間；主要濕陷土層均達(dá)到飽和狀態(tài)后，濕陷變形進(jìn)入穩(wěn)定階段。

②水分的側(cè)向擴(kuò)散對(duì)濕陷平面影響范圍起到關(guān)鍵作用，浸水前期，濕潤(rùn)鋒側(cè)向擴(kuò)散較小，此時(shí)坑外變形為坑內(nèi)濕陷而產(chǎn)生的側(cè)向拉伸，隨著側(cè)向擴(kuò)散的不斷進(jìn)行，入滲擴(kuò)散角不斷擴(kuò)大，坑外下部飽和區(qū)土層不斷濕陷，直至擴(kuò)散角達(dá)到本次試驗(yàn)最大值，其平面影響范圍趨于穩(wěn)定。

③浸水階段，起相對(duì)隔水作用的古土壤層阻礙了水分垂直滲透速度，并對(duì)其上土層的水平向擴(kuò)散起到一定促進(jìn)作用；停水階段，下部多層古土壤層隔絕了水分向下擴(kuò)散的通道，導(dǎo)致其上土層水分?jǐn)U散主要依靠自然蒸發(fā)及側(cè)向滲透。

④濕陷變形對(duì)水分的擴(kuò)散存在一定影響，在注水過(guò)程中，上部土層不同階段的濕陷變形導(dǎo)致土體壓密，密度的增大使土體含水量減?。淮送?，上部土體水分的擠出可引起下部土體含水量增大。

4 結(jié)論

a. 水分?jǐn)U散的入滲角隨著入滲時(shí)間及深度的不斷增加而逐漸擴(kuò)大；在浸水前期，滲透水流以垂直運(yùn)動(dòng)為主，整體形態(tài)似一不斷加大的“秤砣”形；水平運(yùn)動(dòng)在豎直滲透至15.0 m時(shí)開(kāi)始加大，直至達(dá)到水分入滲擴(kuò)散角最大值，最終，浸潤(rùn)區(qū)及飽和區(qū)均呈現(xiàn)形似倒置“漏斗”形態(tài)。

b. 受水分?jǐn)U散的影響，整個(gè)浸水試驗(yàn)沉降過(guò)程可分為6個(gè)階段：初始浸水段、劇烈濕陷段、濕陷穩(wěn)定段、停水孔壓消散段、固結(jié)沉降段和沉降穩(wěn)定段。

c. 古土壤層的相對(duì)隔水作用，在浸水階段阻礙水分在垂直方向的滲透，并在一定程度上增強(qiáng)其上土層的水平向擴(kuò)散；在停水階段則限制水分的向下擴(kuò)散；由于古土壤層在浸水及停水階段對(duì)水分運(yùn)移的阻礙、限制作用，構(gòu)成了典型黃土–古土壤系列地層結(jié)構(gòu)特有的水分運(yùn)移特征。

d. 黃土濕陷變形的產(chǎn)生、發(fā)展及最終形態(tài)，與水分的擴(kuò)散及發(fā)展息息相關(guān)，自重濕陷性土層內(nèi)飽和區(qū)的垂向擴(kuò)散直接影響著濕陷變形的發(fā)展，其側(cè)向擴(kuò)散對(duì)濕陷平面影響范圍起到關(guān)鍵作用。

請(qǐng)聽(tīng)作者語(yǔ)音介紹創(chuàng)新技術(shù)成果等信息，歡迎與作者進(jìn)行交流

[1] 張宗祜. 中國(guó)黃土類(lèi)土濕陷性及滲透性基本特征[J]. 中國(guó)地質(zhì)，1962(12)：1–8. ZHANG Zonghu. Basic characteristics of collapsibility and permeability of loess soils in china[J]. Geology in China，1962(12)：1–8.

[2] 黃雪峰，楊校輝. 濕陷性黃土現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)研究進(jìn)展[J]. 巖土力學(xué)，2013，34(增刊2)：222–228. HUANG Xuefeng，YANG Xiaohui. A study progress on in-situ soaking test on collapsible loess[J]. Rock and Soil Mechanics，2013，34(S2)：222–228.

[3] 錢(qián)鴻縉，朱梅，謝爽. 河津黃土地基濕陷變形試驗(yàn)研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，1992，14(6)：1–9. QIAN Hongjin，ZHU Mei，XIE Shuang. Experimental study on the regularities of collapsible deformation of loess foundation in Hejin，Shanxi[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，1992，14(6)：1–9.

[4] 李大展，何頤華，隋國(guó)秀. Q2黃土大面積浸水試驗(yàn)研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，1993，15(2)：1–11. LI Dazhan，HE Yihua，SUI Guoxiu. Study and test on immersion of Q2 loess in large area[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，1993，15(2)：1–11.

[5] 劉保健，謝永利，于友成. 黃土非飽和入滲規(guī)律原位試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(24)：4156–4160. LIU Baojian，XIE Yongli，YU Youcheng. In-situ testing study on infiltration in unsaturated loess[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23(24)：4156–4160.

[6] 王小軍，米維軍，熊治文，等. 鄭西客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)黃土地基濕陷性現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)研究[J]. 鐵道學(xué)報(bào)，2012，34(1)：83–90. WANG Xiaojun，MI Weijun，XIONG Zhiwen，et al. Water immersion field tests of collapsibility of loess foundation of Zhengzhou-Xi’an passenger dedicated line[J]. Journal of the China Railway Society，2012，34(1)：83–90.

[7] 姚志華，黃雪峰，陳正漢，等. 蘭州地區(qū)大厚度自重濕陷性黃土場(chǎng)地浸水試驗(yàn)綜合觀(guān)測(cè)研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2012，34(1)：65–74. YAO Zhihua，HUANG Xuefeng，CHEN Zhenghan，et al. Comprehensive soaking tests on self-weight collapse loess with heavy section in Lanzhou region[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2012，34(1)：65–74.

[8] 羅奇斌，王家鼎，史竹葉. 濕陷性黃土試坑浸水試驗(yàn)中土壓力及含水量變化分析[J]. 水土保持通報(bào)，2012，32(4)：200–202. LUO Qibin，WANG Jiading，SHI Zhuye. Changes of soil pressure and water content of collapsible loess during water immersion tests[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation，2012，32(4)：200–202.

[9] 劉春龍，張志強(qiáng)，劉奉銀，等. 巴基斯坦某黃土場(chǎng)地濕陷特性試驗(yàn)[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2019，47(2)：177–182. LIU Chunlong，ZHANG Zhiqiang，LIU Fengyin，et al. Research on collapsibility of a loess site in Pakistan[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(2)：177–182.

[10] 韓琳，沈軍. 淺薄層濕陷性黃土場(chǎng)地單樁承載特性試驗(yàn)[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2018，46(4)：108–114. HAN Lin，SHEN Jun. Bearing capacity of single pile in some sites with shallow thin layer of collapsible loess[J]. Coal Geology & Exploration，2018，46(4)：108–114.

[11] 葉萬(wàn)軍，劉忠祥，楊更社，等. 溫度變化條件下重塑黃土水分遷移試驗(yàn)[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2017，45(4)：126–130. YE Wanjun，LIU Zhongxiang，YANG Gengshe，et al. Test of water migration of remolded loess under temperature variation[J]. Coal Geology & Exploration，2017，45(4)：126–130.

[12] 蘇立海，姚志華，黃雪峰，等. 自重濕陷性黃土場(chǎng)地的水分運(yùn)移規(guī)律研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2016，35(增刊2)：4328–4336. SU Lihai，YAO Zhihua，HUANG Xuefeng，et al. Water migration regularity of self weight collapsible loess ground[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2016，35(S2)：4328–4336.

[13] 黃雪峰，李佳，崔紅，等. 非飽和原狀黃土垂直高邊坡潛在土壓力原位測(cè)試試驗(yàn)研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2010，32(4)：500–506. HUANG Xuefeng，LI Jia，CUI Hong，et al. Distribution characteristics of earth pressure for unsaturated intact loess[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2010，32(4)：500–506.

[14] 馬閆，王家鼎，彭淑君，等. 大厚度黃土自重濕陷性場(chǎng)地浸水濕陷變形特征研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2014，36(3)：537–546. MA Yan，WANG Jiading，PENG Shujun，et al. Immersion tests on characteristics of deformation of self-weight collapsible loess under overburden pressure[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2014，36(3)：537–546.

[15] 尚銀生，胡孟卿，閆金忠，等. 設(shè)注水孔條件下濕陷性黃土試坑水分入滲規(guī)律[J]. 河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015，43(2)：144–149. SHANG Yinsheng，HU Mengqing，YAN Jinzhong，et al. Study on water infiltration law of test pits of collapsible loess with water injection holes[J]. Journal of Hehai University(Natural Sciences)，2015，43(2)：144–149.

[16] 李佳，高廣運(yùn)，黃雪峰. 非飽和原狀黃土邊坡浸水試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30(5)：1043–1048. LI Jia，GAO Guangyun，HUANG Xuefeng. Experimental research on immersion for unsaturated intact loess slope[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2011，30(5)：1043–1048.

[17] 姚志華，黃雪峰，陳正漢，等. 蘭州地區(qū)大厚度自重濕陷性黃土場(chǎng)地浸水試驗(yàn)綜合觀(guān)測(cè)研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2012，34(1)：65–74. YAO Zhihua， HUANG Xuefeng，CHEN Zhenghan，et al. Comprehensive soaking tests on self-weight collapse loess with heavy section in Lanzhou region[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2012，34(1)：65–74.

[18] 羅曉鋒，王艷艷，崔光輝. 大厚度濕陷性黃土路基浸水試驗(yàn)與沉降變形研究[J]. 蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，33(1)：124–130. LUO Xiaofeng， WANG Yanyan，CUI Guanghui. Study on immersion test and settlement deformation of large thickness collapsible loess subgrade[J]. Journal of Lanzhou Jiaotong University，2014，33(1)：124–130.

[19] 康寧，羅奇斌，郭樂(lè)，等. 大西客專(zhuān)濕陷性黃土的大型浸水試驗(yàn)和路基處理方案研究[J]. 工業(yè)建筑，2018，48(12)：115–119. KANG Ning，LUO Qibin，GUO Le，et al. Water immersion test at collapsible loess area of Datong-Xi’an high-speed railway and its subgrade treatment scheme[J]. Industrial Construction，2018，48(12)：115–119.

The law of soaking infiltration and collapse deformation in typical loess-paleosol series

ZHAO Jingang, LYU Yuanqiang, CHAO Jun, YANG Zhe, XIA Meng

(China Coal Xi’an Design Engineering Co. Ltd., China National Coal Group Corp., Xi’an 710054, China)

In order to investigate the law of moisture migration and collapse deformation of the typical loess-paleosol series, on the basis of water immersion test of the large test pits of Xi’an North-airport intercity rail transit in the loess tableland of Weibei, the real-time in-site observation was adopted, the soaking infiltration and collapse deformation of collapsible soil layer under conditions of non water seepage hole were traced and tested. The results show that: The movement of water immersion is dominated by vertical movement in the early stage. The whole form is like a continuous increase of “weight” shape. As the water moves to the deeper layer (about 15.0 m), the horizontal movement begins to increase until it reaches the boundary of water diffusion angle; The infiltrating and saturation area appear like inverted “funnel” form; secondly, under the influence of water diffusion, settlement can be divided into the following stages: the initial soaking stage-the drastic collapsible stage-the collapsible stable stage-the dewatering pressure dissipation stage-the consolidation settlement stage-the settlement stable stage; The paleosol layer hinders the vertical penetration rate of water and promotes the lateral diffusion of the upper layer . The research results provide a solid foundation for understanding the water migration and the law of collapsible deformation of the typical loess-paleosol series, also guidance and reference for the future project construction in this area.

loess-paleosol series; soaking test; water infiltration; collapsible deformation; loess tableland of Weibei

TU444

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.022

1001-1986(2020)03-0152-08

2019-12-05；

2020-04-26

趙金剛，1985年生，男，河南新密人，博士，工程師，從事地質(zhì)工程研究工作. E-mail：276071760@qq.com

趙金剛，呂遠(yuǎn)強(qiáng)，晁軍，等. 典型黃土–古土壤系列浸水滲透及濕陷變形規(guī)律[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(3)：152–159.

ZHAO Jingang，LYU Yuanqiang，CHAO Jun，et al. The law of soaking infiltration and collapsible deformation in typical loess-paleosol series[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(3)：152–159.

(責(zé)任編輯 周建軍)