蘭州新區(qū)大厚度濕陷性黃土宏細觀參數(shù)試驗研究

徐碩昌，劉德仁，王旭,2，楊佳樂，張淵博，陳偉南

(1. 蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2. 蘭州交通大學(xué) 道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，甘肅 蘭州 730070)

濕陷性黃土是一種具有中等強度和壓縮性的非飽和土[1-2]。由于其對水的特殊敏感性，一旦遇水浸濕，強度將會大幅降低，并在上覆土層自重壓力或附加壓力下發(fā)生顯著的濕陷變形[3-5]。我國濕陷性黃土分布于西北、東北、華中和華東部分地區(qū)，約占我國領(lǐng)土面積的6.6%，其中西北地區(qū)黃土具有分布廣、厚度大、濕陷性強的顯著特點[6]。隨著我國發(fā)展到了“兩個一百年”的歷史交匯期，“一帶一路”倡議等重大國家戰(zhàn)略的實施給中西部地區(qū)帶來了巨大的機遇和挑戰(zhàn)。鄭西高鐵和寶蘭客專等國家重點鐵路項目的建設(shè)，為提升黃土地區(qū)的交通運輸能力和促進中西部地區(qū)經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展提供了重要的支撐。隨著工程建設(shè)規(guī)模越來越大，黃土地區(qū)工程問題不斷凸顯，黃土地區(qū)工程的防災(zāi)減災(zāi)問題由于其普遍性、迫切性和前沿性等成為巖土工程領(lǐng)域研究的新熱點。武小鵬等[7-10]開展現(xiàn)場浸水試驗，對不同地區(qū)原狀黃土場地浸水后的水分入滲過程、濕陷變形特征、裂縫發(fā)展情況、水分擴散形態(tài)及影響范圍等進行研究分析，并對場地的濕陷性進行評價。黃雪峰等[9]研究強降雨條件下，水分入滲誘發(fā)地裂縫活化機制。翁效林等[11-13]針對黃土地層浸水后對地鐵隧道的影響問題，進行了隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的模型試驗及數(shù)值模擬研究，揭示了黃土地層浸水濕陷變形對地鐵隧道的影響機制，并提出濕陷性地基剩余濕陷量控制標(biāo)準(zhǔn)。WANG 等[14]選取不同含水率的土樣進行多次壓縮試驗，探討了浸水壓縮條件下黃土物理指標(biāo)與結(jié)構(gòu)屈服強度的關(guān)系，提出了一種評價黃土反復(fù)濕陷的方法。葉萬軍等[15-17]對長期降雨作用下黃土邊坡的雨水入滲規(guī)律及邊坡穩(wěn)定性變化情況進行了研究。邵生俊等[18-19]在黃土隧道地表進行現(xiàn)場浸水試驗，通過對浸水過程中地層沉降和隧道結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)的測量和分析，揭示了黃土隧道場地的濕陷變形特征及其對隧道結(jié)構(gòu)的影響。以上針對黃土地區(qū)工程在浸水作用下的災(zāi)變問題研究，為相關(guān)工程的勘察設(shè)計、地基處理及工程建設(shè)提供了很好的參考依據(jù)。本文在已有相關(guān)研究經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，以中蘭鐵路蘭州新區(qū)段大厚度黃土為研究對象，開展室內(nèi)試驗及現(xiàn)場浸水試驗，研究場地黃土的宏觀、微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)隨土層埋深的變化規(guī)律，并將現(xiàn)場試驗測得的自重濕陷系數(shù)與室內(nèi)試驗結(jié)果進行對比分析。通過本次試驗得到的相關(guān)結(jié)論可為蘭州新區(qū)的工程建設(shè)提供一定參考。

1 試驗概況

1.1 物理力學(xué)參數(shù)試驗

試驗用土取自新建中蘭鐵路蘭州新區(qū)南站附近的大厚度黃土場地，采用人工開挖探井的方式進行取樣，土體基本物理指標(biāo)見表1。

表1 土體基本物理指標(biāo)Table 1 Basic physical properties of soil

將取得的原狀黃土試樣密封包裝后運回實驗室，在室內(nèi)進行物理力學(xué)參數(shù)試驗，測試并計算礦物成分、含水率、干密度、孔隙比、自重濕陷系數(shù)、滲透系數(shù)和內(nèi)摩擦角等參數(shù)隨土層埋深的變化情況。

1.2 微觀結(jié)構(gòu)試驗

1.2.1 試驗方法

電鏡掃描試驗采用JSM-5600 LV型掃描電子顯微鏡進行，其分辨率為3.5 nm，測試電壓為20 kV。將原狀黃土試樣自然風(fēng)干后取小塊，噴金后進行電鏡掃描，得到5～30 m 深度處原狀黃土放大500 倍、1 000 倍和2 000 倍的圖像，通過對比選用1 000倍的圖像觀察原狀黃土體微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)。

1.2.2 微觀特征定量參數(shù)

根據(jù)不同深度原狀黃土試樣的SEM 圖像，按式(1)～(4)分別計算其面孔隙率、平均形狀系數(shù)、分形維數(shù)和定向概率等微觀結(jié)構(gòu)定量參數(shù)，進行微觀結(jié)構(gòu)分析。

式中：D為孔隙平均孔徑，μm；Ai為單個孔隙面積，μm2；m為孔隙總數(shù)。

式中：n為面孔隙率，%；Av為孔隙總面積，μm2；A為圖像面積，μm2。

式中：F為平均形狀系數(shù)；Pai為與孔隙面積相同的等效圓的周長，μm；Pi為孔隙周長，μm。

式中：D為分形維數(shù)；Pd為多邊形等效周長，μm；Ad為與之對應(yīng)的多邊形面積；C為常數(shù)。

1.3 現(xiàn)場浸水試驗

在新建中蘭鐵路蘭州新區(qū)南站附近開展現(xiàn)場浸水試驗，得到場地浸水后的自重濕陷系數(shù)，與室內(nèi)試驗結(jié)果進行對比分析。依據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果可知，該場地土層濕陷性的下限深度為22 m 左右，根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》(GB 50025—2018)[20]要求，設(shè)計浸水試坑為直徑24 m，深0.5 m，坑底鋪設(shè)15 cm 厚的砂礫石。試驗共布設(shè)沉降監(jiān)測點81 個，其中淺標(biāo)點51 個，在3 個互相呈120°角的方向上呈放射狀布置；坑底以下布置深標(biāo)點30 個，最深的深標(biāo)點埋深為30 m。另外，試驗設(shè)置基準(zhǔn)點和固定觀測點各1個。

現(xiàn)場浸水試驗采用水車注水，試驗過程中控制水頭高度保持在50 cm 左右，試驗場地全貌如圖1 所示。試驗從開始注水至停止一共歷時290 d，其中觀測初值3 d，注水期122 d，停水后觀察期為165 d，總共注水5 449 m3。試驗過程中每天對沉降標(biāo)進行監(jiān)測記錄。

圖1 浸水試驗場地全貌Fig.1 A complete view of the waterlogged test site

2 試驗結(jié)果分析

2.1 物理力學(xué)參數(shù)試驗

根據(jù)室內(nèi)物理力學(xué)參數(shù)試驗，測試得到原狀黃土的相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)如圖2～4 和表2～3所示。

表2 原狀黃土物理參數(shù)試驗結(jié)果Table 2 Experimental results of physical parameters of undisturbed loess

圖2 土樣粒徑分布曲線Fig.2 Particle size distribution curves of soil sample

根據(jù)圖2 可知，5 m 深度處砂粒含量占比為8.4%，15 m 處降為7.9%，25 m 處為6.9%，分別降低7.3%和21.8%；15 m 和25 m 深度處粉粒含量大致相等，分別為79.3%和79.8%，5 m 處減少為76.4%；黏粒含量在15 m 和25 m 深度處分別為12.8%和13.2%。

從圖3可知，不同深度處原狀黃土各種礦物成分的含量略有差異，但石英含量均為最高，為53.90%～59.52%；長石和方解石含量次之，為10.77%～15.44%；伊利石在深度為5 m 時為8.75%，深度為20 m 時增加至17.77%，深度為30 m時又降至10.25%；白云石和綠泥石含量較少，分別為2.97%～4.05%和1.15%～1.98%。

圖3 不同礦物成分含量隨深度變化情況Fig.3 Variation of mineral composition with depth

根據(jù)表2可知，不同埋深黃土的含水率和干密度隨深度增加而增大，但總體變化范圍較小。深度為2 m時，含水率為6.5%，干密度為1.30 g/cm3，深度為30 m 時，含水率為8.4%，干密度為1.54 g/cm3，相比2 m 深度時分別增加了18.46%和29.23%，表明隨著埋深增加，上覆土壓力增大，土體越來越密實。深度從2 m 增加至30 m 時，孔隙比從1.08 減小至0.71，自重濕陷系數(shù)從0.142 降至0.006，且22 m 以下的黃土自重濕陷系數(shù)小于0.015，根據(jù)《規(guī)范》[20]可知，室內(nèi)實驗測得該場地自重濕陷深度為22 m。

圖4為滲透系數(shù)隨深度變化曲線，可知滲透系數(shù)隨深度增加而逐漸減小。5 m 深度處的滲透系數(shù)為3.45×105mm/s，在15 m深度處為3.05×105mm/s，隨著深度繼續(xù)減小， 30 m 深度處減小至1.98×105mm/s。隨著土體埋深增加，土體的干密度逐漸增大，導(dǎo)致滲透系數(shù)減小。

圖4 滲透系數(shù)隨深度變化曲線Fig.4 Curve of permeability coefficient with depth

根據(jù)原狀黃土的三軸剪切試驗，測得不同深度黃土的內(nèi)摩擦角和黏聚力如表3所示?？芍煌疃赛S土的內(nèi)摩擦角在15.04°～17.35°變化，黏聚力范圍為32.77～38.65 kPa。

表3 土體黏聚力和內(nèi)摩擦角隨深度變化情況Table 3 Variation of cohesion and internal friction angle with depth

2.2 原狀黃土微觀結(jié)構(gòu)試驗結(jié)果

根據(jù)電鏡掃描試驗，得到不同深度原狀黃土的SEM 圖像，利用ⅠmageJ 軟件對圖像進行處理，并獲取微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析不同深度微觀結(jié)構(gòu)排列方式及孔隙變化規(guī)律。電鏡掃描圖像如圖5(a)～5(f)所示。

圖5 不同深度處電鏡掃描圖像Fig.5 Electron microscope scanning images at different depths

根據(jù)圖5 可知，5，10 和15 m 深度的土顆粒以粒狀顆粒為主，骨架輪廓較為清晰，顆粒間的連接方式多為點-點接觸和點-邊接觸，明顯可見很多較大孔隙。深度增加至20～30 m 時，粒狀顆粒減少，由細顆粒集聚或膠粒狀物質(zhì)膠結(jié)而成的集粒、凝塊占比增加，土顆粒棱角變得模糊，較大土顆粒互不接觸，呈分散分布。表明土體結(jié)構(gòu)隨著深度增加而變得密實，顆粒間緊密接觸，顆粒間連接方式由點接觸或棱邊接觸過渡到面面接觸，擠密鑲嵌結(jié)構(gòu)越來越明顯。同時，淺層土體中大孔隙比較發(fā)育，隨著深度增加，較大孔隙逐漸減少，孔隙多為粒間孔隙和集粒、凝塊內(nèi)的粒內(nèi)孔隙。

根據(jù)電鏡掃描圖像提取并計算土體孔隙的微結(jié)構(gòu)參數(shù)如表4 和圖6 所示。其中，平均孔徑表示與孔隙面積相等的等效圓的直徑，用來描述孔隙的大小。面孔隙率為孔隙面積與圖像面積的比值，一定程度上能夠反映土體孔隙比大小。平均形狀系數(shù)是描述孔隙形態(tài)的定量參數(shù)。分形維數(shù)反映孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度[21]，值越大表示孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。

表4 原狀黃土孔徑分布隨深度變化情況Table 4 Variation of pore size distribution with depth in undisturbed loess

表4 所示為不同深度原狀黃土孔徑分布情況。隨著深度增加，土體越來越密實，大、中、小孔隙占比減小，微孔隙顯著增多。5 m 深度處大孔隙、中孔隙和小孔隙占比分別為8.19%，11.48%和42.63%，15 m 深度分別減少至3.75%，7.50%和37.50%，到30 m 深度處，中、小孔隙占比為19.64%和3.57%，無大孔隙出現(xiàn)。

根據(jù)圖6可知，面孔隙率和分形維數(shù)隨深度增加呈減小趨勢。原因是，在自重壓力作用下，深層土體受到強烈的擠壓作用，越深處土體越密實，大孔結(jié)構(gòu)減少，孔隙結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，均一性增強，表現(xiàn)為分形維數(shù)減小和面孔隙率減小，這與宏觀孔隙比和濕陷系數(shù)隨深度增加而減小是對應(yīng)的。為了減小誤差，對孔隙形狀系數(shù)取平均值，得到平均形狀系數(shù)隨深度變化情況如圖6 所示?？芍? m 深度處孔隙的平均形狀系數(shù)為0.34，20 m 處為0.36，30 m 深度處增大至0.37，說明埋深增加時，土體孔隙趨于圓滑，空間排列越發(fā)緊密，表現(xiàn)為孔隙逐漸減小，干密度增加，原狀黃土的濕陷性減弱。

圖6 原狀黃土孔隙微觀參數(shù)隨深度變化曲線Fig.6 Curve of pore microscopic parameters changing with depth in undisturbed loess

2.3 室內(nèi)與現(xiàn)場自重濕陷系數(shù)對比分析

2.3.1 場地沉降量

現(xiàn)場浸水試驗歷時290 d，根據(jù)實測的沉降數(shù)據(jù)，繪制不同深度自重濕陷量隨時間變化曲線如圖7所示。

圖7 不同深度自重濕陷量隨時間變化曲線Fig.7 Curves of self-weight collapse with time at different depths

根據(jù)圖7統(tǒng)計不同深度土層最終的累計沉降量如表5所示。可知，隨著土層埋深增加，沉降量逐漸減小。埋深3 m 的深標(biāo)沉降量最大，達到108.5 cm，埋深6 m 深標(biāo)的沉降為67.8 cm，埋深19.5 m 的深標(biāo)沉降了15.81 cm，埋深24 m 的深標(biāo)累計沉降5.16 cm，根據(jù)圖8 可得該深度土體自重濕陷系數(shù)為0.008，小于0.015，表明現(xiàn)場浸水試驗測得該場地的自重濕陷下限深度為24 m，而室內(nèi)試驗測得自重濕陷下限深度為22 m，分析其原因是，現(xiàn)場試驗過程中，由于土層存在局部的不均勻性，造成了室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗得到的自重濕陷下限深度略有差異。另外，從礦物成分來看，0～20 m 伊利石平均含量12.89%，大于25～30 m的9.32%，故0～20 m 的土層濕陷性相對強烈，沉降量較大。

表5 不同深度土層累計沉降量統(tǒng)計Table 5 Statistics of accumulated settlement of soil layers at different depths

圖8 原狀黃土場地自重濕陷量系數(shù)計算結(jié)果Fig.8 Calculation results of self-weight collapsibility coefficient of undisturbed loess site

2.3.2 室內(nèi)與現(xiàn)場自重濕陷系數(shù)對比分析

根據(jù)表5可得各黃土層的實測自重濕陷量，除以土層厚度，即為現(xiàn)場浸水試驗測得的自重濕陷系數(shù)。如圖8中所示，將室內(nèi)和現(xiàn)場測得自重濕陷系數(shù)進行對比分析。

根據(jù)圖8可知，現(xiàn)場浸水試驗和室內(nèi)試驗測得的自重濕陷系數(shù)存在一定的差異，但二者隨深度的變化趨勢基本相同，均隨深度增大而顯著減小。深度為8，10 和12 m 時，現(xiàn)場測得自重濕陷系數(shù)0.022，0.029 和0.012，室 內(nèi) 為0.099，0.097 和0.094，二者在數(shù)值上差異較大；0～6 m 范圍內(nèi)，原位試驗測得自重濕陷系數(shù)0.123～0.136，室內(nèi)為0.108～0.142，隨著深度繼續(xù)增加，18 m 深度處，分別為0.037 和0.038，24 m 深度處分別為0.008 和0.007，2 種方法測得的自重濕陷系數(shù)差別相對較小。其原因為，室內(nèi)自重濕陷試驗時，土樣飽和較為充分，而現(xiàn)場試驗過程中，受水分擴散距離的影響，土層飽和程度有一定差異；同時，受約束摩擦效應(yīng)和地層差異的影響，室內(nèi)土樣和現(xiàn)場土層受力情況差別較大，也是引起2種方法測得濕陷系數(shù)存在差異的原因。因此，根據(jù)室內(nèi)自重濕陷試驗得到的自重濕陷系數(shù)并不能準(zhǔn)確代表現(xiàn)場土層濕陷變形的實際情況。

3 結(jié)論

1) 原狀黃土的物理力學(xué)參數(shù)隨深度增加呈現(xiàn)出規(guī)律性變化。不同深度處原狀黃土各種礦物成分的含量略有差異，石英含量均為最高，為53.90%～59.52%；含水率和干密度隨深度增加增長，但總體變化范圍較??；深度從2 m增加至30 m時，孔隙比從1.08 減小至0.71，自重濕陷系數(shù)從0.142 降至0.006，且22 m 以下的黃土自重濕陷系數(shù)小于0.015，故室內(nèi)試驗得到該黃土場地的自重濕陷下限深度為22 m 左右，與原位浸水試驗得到的結(jié)果基本一致。

2) 宏觀物理參數(shù)試驗和土體微觀結(jié)構(gòu)能夠較好地對應(yīng)。根據(jù)電鏡掃描試驗，上部黃土的顆粒以粒狀顆粒為主，顆粒間的連接方式多為點-點接觸和點-邊接觸，大孔隙比較發(fā)育；隨著深度增加，黃土中集粒和凝塊占比增加，擠密鑲嵌結(jié)構(gòu)越來越明顯，大孔結(jié)構(gòu)減少，孔隙結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。表現(xiàn)為干密度增加，濕陷性減弱，微孔隙大幅增加，大、中、小孔隙相對減少，面孔隙率和分形維數(shù)減小，平均形狀系數(shù)增大。

3) 受土體飽和程度、約束摩擦效應(yīng)和地層差異等的影響，現(xiàn)場浸水試驗和室內(nèi)試驗測得的自重濕陷系數(shù)存在一定的差異，但二者隨深度的變化趨勢基本相同，均隨深度增大而顯著減小。深度為8～12 m 時，二者在數(shù)值上差異較大；其他深度時，2 種方法測得的自重濕陷系數(shù)差別相對較小。