西韓城際鐵路濕陷性黃土地層現(xiàn)場浸水試驗研究

張照龍

(中鐵建投(煙臺)開發(fā)有限公司 山東煙臺 265599)

1 前言

黃土的濕陷性，文獻[1]給出了兩種常用的評價方法，一是室內(nèi)壓縮試驗，二是現(xiàn)場試坑浸水試驗。前者是在現(xiàn)場采取不擾動土樣，送至實驗室開展室內(nèi)壓縮試驗測定黃土濕陷系數(shù)和自重濕陷系數(shù)，通過給定的公式計算得到濕陷量和自重濕陷量(稱之為“計算值”)；后者為大型原位試驗，即在工程現(xiàn)場開挖試坑，通過對沉降標點的監(jiān)測，直接得到試坑在浸水條件下的自重濕陷量(稱之為“實測值”)。

一般認為，現(xiàn)場試坑浸水試驗判定結(jié)果比較可靠，但是，由于原位試驗費用高，且費工費時，一般只是在缺乏經(jīng)驗的地區(qū)建設(shè)重要建筑物勘察時才使用。

西韓城際鐵路位于陜西省渭南市、關(guān)中平原東北部，線路長度約175 km，設(shè)計速度250 km/h，是一條高標準城際鐵路，未來也是連接西延高鐵和大西高鐵的區(qū)域性高鐵。線路經(jīng)過地區(qū)基本為黃土覆蓋，主要經(jīng)過渭北黃土臺塬區(qū)和侵蝕黃土塬區(qū)兩個長大段落的大厚度自重濕陷性黃土地貌單元，黃土濕陷厚度高達30 m[2－4]。

為了準確查明黃土濕陷類型和濕陷機理，尤其是Q2黃土的濕陷機理，查明大面積浸水的影響范圍，為濕陷性黃土地基處理和防排水設(shè)計提供依據(jù)，課題組在渭北黃土臺塬區(qū)選擇了一處場地開展現(xiàn)場試坑浸水試驗。

2 場地勘察情況

2.1 場地環(huán)境

試驗場位于蒲城縣岳興村，擬建城際鐵路右側(cè)約170 m處，場地附近地形開闊、地勢平坦，地表為耕地，周邊沒有對沉降反應(yīng)明顯的建(構(gòu))筑物，有簡易道路與外界相通，交通較為便利[5－7]。

2.2 場地地基土性質(zhì)

試驗場地層自上而下分別為Q3黏質(zhì)黃土(厚約5.1 m)、Q3古土壤(厚約3.5 m)、Q2黏質(zhì)黃土(厚約34.2 m)、Q2粉砂(厚8.1 m)。地下水位埋深43 m。

根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果，30 m范圍內(nèi)地基土天然含水率為14%～20%，干密度為1.30～1.60 g/cm3，天然孔隙比為0.700～1.100，塑性指數(shù)為10.5～13，綜合垂直滲透系數(shù)為3.25×10－4cm/s。

場地內(nèi)布置3個探井，采用機械洛陽鏟成孔、坑壁人工刻槽取樣的方法采取原狀土樣，開展室內(nèi)壓縮試驗。計算場地土體自重濕陷量為81.0～325.8 mm，平均值為177.0 mm；總濕陷量為334.0～672.8 mm，平均值為500.4 mm。綜合判定場地屬Ⅱ級自重濕陷場地，濕陷土層最大厚度為29.5 m。

忽略地區(qū)修正系數(shù)(β0＝1)，計算得出場地自重濕陷量為90.0～362.0 mm，平均值為196.7 mm。

3 試驗方案設(shè)計

本次試驗的浸水試坑采用直徑為32 m的圓形試坑，坑深約0.5 m，試坑底部鋪設(shè)10～20 cm厚的碎石。場地內(nèi)布置沉降監(jiān)測點79個、水分計探井4個、滲水孔12孔、水位觀測孔6孔。

3.1 淺標點布設(shè)

在試坑內(nèi)部和試坑外1.5倍試坑半徑范圍內(nèi)由試坑中心向坑外3個方向放射狀布置三條測線，如圖1中的OA、OB、OC。每條測線第一個淺標點距圓心為1.5 m，之后淺標點間距為2 m，坑內(nèi)共布置8個淺標點。坑外1.5倍試坑半徑范圍內(nèi)布置8個淺標點，第一個淺標點距坑邊1 m，然后向外以間距3×2 m＋1×3 m＋1×4 m＋2×5 m布設(shè)，最遠處的淺標點距試坑中心距離為40 m。場地內(nèi)共布設(shè)49個淺標點，其中試坑內(nèi)25個、試坑外24個。

圖1 試驗場平面布置

3.2 深標點布設(shè)

平面上過試坑中心布置了三條測線，如圖1中的 DD′、EE′、FF′，深標點測線與淺標點測線夾角為30°。每條測線上深標點按間距3 m布置，共布置30個深標點。

空間上地表以下35 m范圍內(nèi)結(jié)合各土層界線布設(shè)，大致間隔2.5 m，每個深度布設(shè)不少于2個深標點，同一測線上同一深度的兩個標點距試坑中心的平均距離相等[8－10]。

3.3 土壤水分計布設(shè)

在試坑內(nèi)和試坑外各布置2個探井，井徑60 cm、深31 m。其中試坑內(nèi)的探井位于試坑中心兩側(cè)各9 m，試坑外探井距離坑邊分別為2 m和5 m。4個探井在平面上形成一個剖面。

每個探井內(nèi)自上而下，20 m以內(nèi)間隔1 m、20 m以下間隔2 m在探井側(cè)壁布設(shè)水分計，形成豎向剖面。場地內(nèi)合計布設(shè)水分計100個。

3.4 滲水孔布設(shè)

在距離半徑11 m的圓周上均勻布置滲水孔12孔，孔深9 m(穿透古土壤)。滲水孔孔徑130 mm，孔內(nèi)回填碎石。

3.5 水位觀測孔布設(shè)

在試坑外南北方向各布置一排水位觀測孔，一排3個，間距為3 m，第1個水位觀測孔距離試坑邊沿3 m，共計6個水位觀測孔，每排觀測孔孔深由近及遠分別為20 m、25 m、30 m。

4 試驗結(jié)果分析

4.1 注水量

試驗場于2020年5月19日中午12點開始注水，至7月26日早8點停止注水，歷時68 d。累計注水量8 867 m3，平均日注水量約130 m3。

為計算注水期內(nèi)降雨和蒸發(fā)對注水量的影響，在場地內(nèi)埋置直徑60 cm、高70 cm的塑料桶，塑料桶高出地面20 cm，于5月19日同期注水，水深40 cm。至停水當日，桶內(nèi)水位累計下降14 cm，按面積換算，受降雨和蒸發(fā)影響，浸水試坑在注水期內(nèi)累計損失水量為114 m3，約為注水量的1.3%，因此，降雨和蒸發(fā)對注水量的影響可以忽略不計[11]。

4.2 土壤水分計數(shù)據(jù)分析

試驗期間，浸水試坑內(nèi)外4個斷面的100支土壤水分計每隔10 min自動采集地基土的含水率，以研究浸水區(qū)地下浸潤邊界及時空變化規(guī)律。數(shù)據(jù)表明:

(1)豎向上，受地基土不均勻性的影響，試坑內(nèi)不同位置的水流下滲速度不同步，呈現(xiàn)出不均勻下滲的規(guī)律。垂直滲流前鋒在注水后的第56天達到30 m深度，實測綜合垂直滲透系數(shù)為5.8×10－4cm/s，約為室內(nèi)試驗值的1.8倍。

(2)橫向上，水流沿一定角度向側(cè)下方滲流，速度較慢，在停水后的第8天，滲流才到達30 m深度，實測綜合水平滲透系數(shù)為1.2×10－4cm/s，約為垂直滲透系數(shù)的0.2倍。

4.3 水位觀測孔數(shù)據(jù)分析

浸水第38天，在場地北側(cè)距離試坑最近的孔內(nèi)觀測到自由水面，然后水位緩慢抬升，至第55天達到18.3 m的最高水位，之后緩慢下降。在停水后有個加速下降的過程，而后在一段時間內(nèi)保持穩(wěn)定(19.6 m)，現(xiàn)場試驗結(jié)束時，水面埋深為19.85 m。

浸水第57天，在場地南側(cè)距離試坑最近的孔內(nèi)觀測到自由水面，然后水面緩慢抬升，至第63天達到19.5 m的最高水位，之后保持穩(wěn)定。停水后逐漸下降，至第79天水面消失。

其余水位觀測孔未觀測到自由水面。

4.4 豎向浸水深度分析

停止浸水后的第3天和第4天，在試坑內(nèi)南北兩側(cè)各施作1個取樣孔，孔深均為50 m。鉆探揭示，試坑下部50 m范圍內(nèi)的土體均已被完全浸泡，呈軟塑～可塑狀態(tài)。根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果，浸水后試坑下部50 m范圍土體的含水率普遍大于20%，最大含水率達到29.1%。其中上部30 m范圍的土層，浸水前平均含水率為12.9%～18.8%，浸水后平均含水率為19.0%～27.5%，含水率增幅最大達到84.6%，如圖2所示。

圖2 試坑內(nèi)地基土浸水前后含水率變化

4.5 浸水影響范圍分析

浸水后的第21天、第41、42天和停水前后的第66～72天分別在試坑外南、北兩側(cè)布置了2排取樣孔，取樣測定含水率，與浸水前的試驗結(jié)果做對比分析。結(jié)合現(xiàn)場巖芯鑒定和土壤水分計監(jiān)測結(jié)果，繪制本次浸水試驗的浸潤范圍和飽和范圍，如圖3所示。從圖3中得出浸潤角約為40°，且南北兩側(cè)略有差異。

圖3 試驗場浸潤范圍和飽和范圍

4.6 沉降觀測

本次試驗采用高精度精密水準儀配合銦瓦水準尺進行測量，按二級變形測量精度、相對高差基準系進行觀測。

(1)淺標點:淺標點埋深約0.5 m，用于測量地面變形(總的自重變形)。對A、B、C三個系列的觀測數(shù)據(jù)進行整理，如圖4和圖5所示。從觀測數(shù)據(jù)上看:淺標點的沉降量整體趨勢由圓心向外逐漸減小，呈漏斗狀，最大沉降發(fā)生在圓心周邊2 m的區(qū)域內(nèi)，累計最大沉降量為27.3 mm；場地內(nèi)的沉降主要發(fā)生在浸水試坑內(nèi)，以及試坑外4 m范圍內(nèi)，試坑外超過4 m的區(qū)域沉降量比較小，主要以輕微抬升為主。

圖4 A-B系列淺標點沉降量隨時間變化

圖5 A-C系列淺標點沉降量隨時間變化

(2)深標點:深標點用于監(jiān)測不同深度土層的自重變形量，確定自重濕陷土層厚度。根據(jù)D、E、F三個系列的沉降觀測數(shù)據(jù)(如圖6～圖8所示)，本場地黃土自重濕陷主要發(fā)生2.5～15 m的深度范圍內(nèi)，其中2.5～8 m為Q3地層，8～15 m為Q2地層，最大沉降量為46 mm。

圖6 D系列深標點沉降量隨時間變化

圖8 F系列深標點沉降量隨時間變化

5 試驗成果

(1)本次試驗采用的浸水試坑直徑達32 m，是近年來關(guān)中地區(qū)實施的最大規(guī)模的黃土現(xiàn)場試坑浸水試驗。

(2)試驗場自重濕陷量實測值46 mm，與室內(nèi)計算值(平均值196.7 mm)的比值β0值為0.23。該結(jié)果與相同地貌單元的某電廠試驗結(jié)果基本吻合。

(3)實測地基土濕陷下限為15 m。除Q3黃土外，Q2上部的黃土仍具有一定的濕陷性。

(4)地表水自然入滲深度超過了50 m，浸潤角約為40°，浸潤直徑約55 m，約為浸水試坑直徑的1.7倍。

(5)部分沉降標點累計沉降量出現(xiàn)了不降反升的現(xiàn)象，其原因有待今后進一步研究[12]。

6 自重濕陷量實測值與計算值差異原因分析

本次試驗中，現(xiàn)場試坑浸水試驗得到的自重濕陷量實測值與室內(nèi)壓縮試驗得到的計算值之間的差異是客觀存在的，差異大小主要與地域有關(guān)。文獻[3]及[13]對此作了深入分析。本文認為，主要原因在于室內(nèi)試驗和現(xiàn)場原位試驗的模型有著本質(zhì)上的區(qū)別。

(1)室內(nèi)試驗

室內(nèi)壓縮試驗的對象是飽和土，環(huán)刀試樣體積小，室內(nèi)浸泡很容易達到飽和，在施加飽和自重壓力時容易發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞。

此外，室內(nèi)試驗理論是建立在新黃土之上的，忽略了黃土的不均勻性，同時也忽略了古土壤層和鈣質(zhì)結(jié)核對于濕陷性黃土的支撐作用。

(2)現(xiàn)場原位試驗

現(xiàn)場浸水試驗的對象是非飽和土。浸水試驗中，地表水首先會尋找黃土中的優(yōu)勢通道下滲，土體不易達到飽和，即使達到飽和，由于沒有應(yīng)力釋放的過程，土體結(jié)構(gòu)(尤其是Q2黃土的土體結(jié)構(gòu))很難受到破壞。

本試驗場在停水后第3天，在試坑外側(cè)2 m的位置嘗試開挖探井，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，黃土在滲水的狀態(tài)下依然保持著良好的直立狀態(tài)，工人甚至可以下到井中正常取樣，只是取出的土塊由于浸水以及應(yīng)力釋放的原因，在搬運過程中很容易破碎，需要非常小心的制樣。

在停水后的第83天，在浸水試坑內(nèi)再次開挖探井取樣，進行室內(nèi)壓縮試驗，結(jié)果表明現(xiàn)場浸水試驗后的土樣仍具有較大的自重濕陷性。

綜上所述，原狀黃土在浸水飽和條件下發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，需要很長一段時間；在黃土結(jié)構(gòu)未完全破壞之前，發(fā)生過濕陷的土體在特定條件下還有可能再次濕陷。