中蘭鐵路深厚黃土場地浸水地表變形規(guī)律研究

張嚴，劉德仁，王旭,2，徐碩昌，安政山

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

黃土是第四紀以來在動力作用下堆積形成的陸相沉積物，具有多孔隙、結構疏松、水敏性強等諸多不良工程性質[1-4]。黃土浸水后會發(fā)生濕陷下沉，因而濕陷性黃土地區(qū)的各類建筑物存在很大的安全隱患。我國黃土分布廣泛，特別是在黃土高原地區(qū)，以黃土覆蓋廣、厚度大、地層完整等特征而聞名世界。因此對黃土的工程性質進行深入研究，具有深遠意義。現(xiàn)場原位試坑浸水試驗是研究和評價深厚黃土場地工程性質的有效手段，其成果對黃土地區(qū)的工程建設起到了極大的推動作用。武小鵬等[5-6]在鄭西客專沿線的8個黃土場地開展試坑浸水試驗，對該區(qū)域的黃土進行了濕陷性評價并給出了地基處理的建議。黃雪峰等[7-9]基于多個場地的浸水試驗結果，指出地表沉降存在初期平緩段、浸水陡降段、停水后陡降段等多個階段。MENG等[10]根據浸水試驗結果，分析了黃土濕陷系數(shù)和自重濕陷系數(shù)對其基本物理力學參數(shù)的影響規(guī)律。周有祿等[11]通過浸水試驗與室內試驗的結果對比分析，指出黃土自重濕陷量的實測值和計算值存在的差異主要原因是濕陷性土層分布不連續(xù)?？祵幍萚12]在山西運城開展試坑浸水試驗，探明黃土飽和時土壓力降低是導致黃土“突發(fā)性”濕陷的原因。梁慶國等[13]在擾動場地開展原位浸水試驗，發(fā)現(xiàn)擾動場地的沉降變形呈現(xiàn)出“緩慢增長-突增-趨于穩(wěn)定”的特點。蘇忍等[14]通過研究浸水過程中不同深度土層的濕陷量，提出場地黃土的自重濕陷系數(shù)與深度呈冪函數(shù)關系。喬建偉等[15-16]分別在陜西渭南和西安開展浸水試驗，分析了浸水后地表裂縫的形成機理和發(fā)育特征。以上研究主要著眼于各地區(qū)黃土場地浸水后的濕陷變形、濕陷范圍、濕陷性評價等問題，大多都基于浸水試驗的最終結果展開分析，對浸水過程中地表沉降和裂縫的發(fā)展變化規(guī)律研究甚少。鑒于此，本文在新建中蘭鐵路沿線的靖遠北站附近選取場地，開展大型原位浸水試驗，重點研究深厚自重濕陷性黃土場地的浸水濕陷范圍、地表沉降規(guī)律和裂縫發(fā)育特征，以期為中蘭鐵路以及其他建筑物的設計、建造及運營維護提供可靠的技術支持和安全保障。

1 試驗概況

1.1 試驗場地概況

試驗場地位于甘肅省靖遠縣糜灘鄉(xiāng)北側的黃河高階地上，地形平坦、開闊。根據野外調查和工程地質鉆探資料，試驗場地內地層巖性主要為第四系全新統(tǒng)砂質黃土，第四系上更新統(tǒng)粗圓礫土，各地層工程地質特征詳述見表1。

表1 試驗場地各地層工程地質特征詳述Table 1 Detailed engineering geological characteristics of each layer in the test site

在試驗場地開挖探井取得不擾動土樣進行室內自重濕陷性試驗，試驗結果見表2。根據《濕陷性黃土地區(qū)建筑標準》(GB 50025—2018)[17]，采用式(1)計算濕陷性黃土場地自重濕陷量計算值：

表2 室內自重濕陷性試驗結果Table 2 Results of indoor weight collapsibility test

式中：Δzs為自重濕陷量計算值；δzsi和hi為第i層土的自重濕陷系數(shù)和土層厚度；β0為因地區(qū)土質而異的修正系數(shù)。試驗場地所處隴西地區(qū)，因此β0取規(guī)范推薦的1.5，計算得到試驗場地的自重濕陷量計算值為2.313 m，大于70 mm，可判定該場地為自重濕陷性黃土場地。

1.2 浸水試坑設計

根據試驗場地的地質條件和場地限制，浸水試坑設計采用直徑為24.0 m 的圓形試坑，試坑深度0.5 m。在試坑底部均勻的鋪設一層10 cm 厚的碎石。本次試驗浸水試坑內部未設置滲水孔。

以試坑中心(A0)為圓心，在相互成120°夾角的A，B，C 3 條地表監(jiān)測線上布設沉降標共41 個。以A 線為例，A1～A6 布設間距為2 m，其中A1～A5 置于浸水試坑內部，A6 設置在試坑邊緣處；A6～A10 布設間距為3 m，A10～A14 布設間距為4 m，最遠的沉降標A14 距試坑中心的距離為40 m，距試坑邊緣的距離為28 m。觀測點布置在浸水最大影響范圍以外。浸水試坑及沉降標布置的設計方案如圖1所示。

1.3 浸水試驗過程

浸水試驗于2021 年3 月21 日開始，于2021 年9 月2 日結束，共歷時166 d。其中前4 d 用于調試儀器設備、觀測場地初值，浸水142 d，停水后繼續(xù)觀測20 d。試驗期間，采用Leica TS15全站儀對試驗場地地表沉降進行定期觀測。浸水方式為運水車向試坑注水，本次試驗共注水12 908 m3，平均每天注水90.9 m3。

1.4 地表裂縫觀測

試驗過程中，定期觀測和記錄試驗場地地表裂縫的形成情況，并繪制地表裂縫分布示意圖。由于地表裂縫在不同位置的寬度和錯臺高度不同，因此當新裂縫出現(xiàn)時，選取該裂縫上發(fā)育趨勢較好的位置作為固定測量點，并使用噴漆標記(圖3(a)所示)，按時監(jiān)測固定測量點處裂縫的寬度和錯臺高度，以分析地表裂縫的發(fā)展變化規(guī)律。

2 試驗驗結果及分析

2.1 試驗場地表沉降變形規(guī)律

根據浸水試驗結果，A，B，C 3個方向的地表沉降規(guī)律類似，因此以A軸為例進行分析。A軸上不同位置沉降標的沉降變化曲線如圖4所示。根據沉降標發(fā)生沉降的先后順序可知，深厚濕陷性黃土場地發(fā)生沉降的一般規(guī)律是先坑內、再坑外。浸水試坑內土體受水直接影響產生濕陷變形，因此浸水后短時間內(2～5 d)便有地表沉降產生。坑外地表則隨著水分的入滲和擴散，沿試坑半徑方向由內至外逐漸沉降。浸水5～8 d，浸水試坑邊緣地表開始沉降；158 d 時，距浸水試坑邊緣24 m 范圍內的黃土場地均有沉降產生；試驗結束時，距浸水試坑邊緣28 m 處的沉降標仍未沉降，說明該黃土場地浸水后最大水平影響范圍為距浸水試坑邊緣28 m左右。

試驗結束時，A，B，C 3個方向的最終地表沉降情況如圖5 所示?？芍?，距試坑中心2 m 半徑范圍內的地表沉降最大，平均沉降量達到2.77 m。而通過室內濕陷性試驗得到該黃土場地的自重濕陷量計算值為2.31 m，是實測值的83.4%，其原因是規(guī)范推薦的因地區(qū)土質而異的修正系數(shù)β0偏小。經計算，該黃土場地的修正系數(shù)β0應至少為1.8，同時也說明該黃土場地的濕陷程度十分強烈。

由圖5可知，地表沉降量隨距離的增加而顯著減小。浸水試坑邊緣處的平均地表沉降為2.0 m，是試坑中心地表沉降量的74.1%。距浸水試坑邊緣16 m 處的平均地表沉降為0.11 m，僅為浸水試坑邊緣處地表沉降量的5.5%。距浸水試坑邊緣16～28 m范圍內的地表沉降量都在10 cm以下。根據地表沉降結果可將該試驗場地分為4 個區(qū)域，如圖6所示：

1) 浸水濕陷區(qū)(坑內浸水范圍)：該區(qū)域黃土直接與水接觸，坑內黃土快速濕陷并在短時間內產生地表沉降。在該區(qū)域內水分以垂直入滲為主，地基黃土從上至下全部浸水飽和、產生濕陷，因此在該區(qū)域形成的地表沉降很大，平均地表沉降量達到了2.48 m。

2) 顯著濕陷區(qū)(距浸水試坑邊緣0～16 m 范圍內)：該區(qū)域黃土位于浸水試坑以外，水分的傳遞方式為垂直入滲和水平入滲同時進行，是浸水范圍以外的主要濕陷區(qū)域，該區(qū)域內地表沉降較大，平均濕陷量為0.88 m，且不同位置的地表沉降情況與其距浸水試坑邊緣的遠近關系密切，沿半徑方向由近及遠，地表沉降量減少了1.89 m，減少幅度達94.5%。

3) 輕微濕陷區(qū)域(距浸水試坑邊緣16～28 m 范圍內)：該區(qū)域距離試坑較遠，入滲的水分較少，對地表沉降的影響不大，因此這一區(qū)域的地表沉降較小，且區(qū)域內的沉降量相差不大，平均沉降量為0.06 m。

4) 非濕陷區(qū)域(距浸水試坑邊緣28 m 及以外范圍)：試坑浸水對該區(qū)域黃土無影響，在試驗過程中尚無地表沉降產生。

2.2 單一沉降標沉降變形規(guī)律

試驗場地各沉降標的沉降規(guī)律類似，以A1 為例對沉降標的變化規(guī)律進行闡述，其沉降速率隨時間的變化情況如圖7所示、累計沉降量隨時間的變化情況如圖8所示。

根據圖7中沉降速率變化可將沉降標的沉降過程劃分為3 個階段。1) 加速沉降段(0～7 d)：水分在試坑內自上而下入滲，浸水后2 d 內，對地基深層土體未造成影響，故基本無地表沉降產生。第3 d 開始地表產生沉降，且其沉降速率迅速增長，在第7 d 達到峰值，為5.99 cm/d。該階段產生了0.24 m 的地表沉降，為最終沉降量的8.64%；2) 減速沉降段(8～123 d)：地表沉降速率在達到峰值后開始逐漸下降，第36 d 地表沉降速率下降至3 cm/d，為峰值的一半；第94 d地表沉降速率開始小于1 cm/d。該段歷時115 d，占浸水時間的81%，是水分入滲和場地黃土發(fā)生濕陷的主要階段，在該階段產生了2.42 m 的地表沉降，占最終沉降量的87.14%。3) 勻速沉降段(124～166 d)：從第124 d 開始，地表沉降速率穩(wěn)定在1～3 mm/d，該階段共產生了0.11 m 的地表沉降，為最終沉降量的3.96%。

由圖8可知，地表的沉降過程從始至終都是連續(xù)的，與其他文獻[7-9]中浸水初期和停水后發(fā)生地表陡降的現(xiàn)象不符。其原因是本次試驗沒有布設滲水孔，水分在試驗場地自上而下均勻入滲，沒有深層黃土突然劇烈濕陷而使地表出現(xiàn)陡降的現(xiàn)象。且經過近5 個月的浸水，場地黃土充分濕陷，在停水后的固結過程中基本無濕陷變形發(fā)生，停水后共產生地表沉降4.1 cm，僅為最終沉降量的1.46%。

2.3 地表裂縫發(fā)展規(guī)律

2.3.1 單一裂縫發(fā)展規(guī)律

隨著浸水試驗的進行，由于水分入滲程度的不同，場地黃土會產生水平向的濕陷差異，使試驗場地形成地表裂縫。在地表裂縫上選取固定測量點進行觀測，記錄裂縫的動態(tài)發(fā)展變化情況。圖9為部分代表性固定測量點的裂縫寬度和錯臺高度隨裂縫發(fā)育時間的變化情況。

由圖9可知，在地表裂縫出現(xiàn)后，大部分裂縫會在短時間內快速發(fā)育，裂縫寬度和錯臺高度一般在10 d 內達到峰值。此后，隨著浸水時間的增長，裂縫的寬度和錯臺高度逐漸縮小，其變化幅度也趨于平穩(wěn)。其原因是，隨著水分的擴散，場地深層黃土濕陷，導致土體內部產生拉應力和剪應力，地表裂縫形成并快速發(fā)展。水分繼續(xù)向外擴散，裂縫外側土體逐漸濕陷產生新的裂縫并對內側土體形成擠壓，導致內側已產生裂縫的寬度和錯臺高度不斷縮小。因此地表裂縫的發(fā)展規(guī)律是：先迅速發(fā)育，后呈現(xiàn)逐漸閉合的趨勢。

2.3.2 場地裂縫發(fā)展規(guī)律

浸水第4 d，試坑邊緣出現(xiàn)首條裂縫，隨著浸水時間增加，地表裂縫不斷發(fā)育，不同時間的地表裂縫示意圖如圖10所示，圖中“L”為試驗場地最外側裂縫到浸水試坑邊緣的距離。

根據圖10(a)～10(f)中地表裂縫的發(fā)展變化情況可知，隨著浸水時間的增長，地表裂縫由近及遠，呈環(huán)狀逐漸向外擴散，最終試驗場地呈圖11所示的環(huán)向階梯狀地形。浸水第8 d，浸水試坑邊緣形成了首條環(huán)形裂縫；從第8 d 到第68 d，地表裂縫發(fā)育迅速，60 d內從浸水試坑邊緣向外擴展了16 m，且試驗場地的大部分地表裂縫在這一階段形成；從68 d 到163 d，地表裂縫擴展緩慢，在95 d 內地表裂縫僅向外擴展了10 m，試驗結束時最遠的地表裂縫距浸水試坑邊緣26 m。表明地表裂縫的主要形成時間為浸水后70 d內。

另外，隨著到浸水試坑邊緣距離的增大，地表裂縫的分布也逐漸由密轉疏。靠近浸水試坑邊緣的地表裂縫分布集中，裂縫間距大多為0.1～0.3 m，裂縫寬度為4～10 cm，錯臺高度為7～25 cm。較遠處的地表裂縫則分布稀疏，間距大多在0.5 m以上，且多為微裂縫。

綜上可知，裂縫分布規(guī)律與前述地表變形分區(qū)一致，如圖12 所示：1) 浸水濕陷區(qū)：該區(qū)域土體間濕陷差異不大，無地表裂縫形成。2) 顯著濕陷區(qū)：該區(qū)域裂縫形成速度快、間距小，且裂縫寬度大、錯臺高。3) 輕微濕陷區(qū)：該區(qū)域裂縫形成速度慢，間距較大、且裂縫細小，無錯臺形成。④ 非濕陷區(qū)：該區(qū)域無地表裂縫形成。

3 結論

1) 在中蘭鐵路靖遠北站附近的深厚黃土場地浸水濕陷過程中，黃土場地最大水平影響范圍為距浸水試坑邊緣28 m 左右。根據地表最終變形結果可將試驗場地分為浸水濕陷區(qū)、顯著濕陷區(qū)、輕微濕陷區(qū)和非濕陷區(qū)。其中浸水濕陷區(qū)(試坑浸水范圍)和顯著濕陷區(qū)(距浸水試坑邊緣0～16 m)地表沉降較大；輕微濕陷區(qū)(距浸水試坑邊緣16～28 m)地表沉降較小。

2) 浸水時沉降標的沉降過程連續(xù)，根據其沉降速率變化，可將地表濕陷過程劃分為加速沉降段、減速沉降段和勻速沉降段。

3) 場地周圍環(huán)狀裂縫由浸水試坑邊緣向外迅速發(fā)展，大部分地表裂縫在浸水后70 d 內形成。地表裂縫主要分布在顯著濕陷區(qū)(距浸水試坑邊緣0～16 m)，分布規(guī)律為近密遠疏，該區(qū)域裂縫寬度大、錯臺高、間距小。而且裂縫在發(fā)展過程中出現(xiàn)先快速發(fā)育后又逐漸閉合的現(xiàn)象。