深厚黃土場地浸水試驗及濕陷性評價

王 鋒，劉德仁，程富強(qiáng)，霍 源，白之璋，徐碩昌

(1.甘肅鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730030；2.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；3.中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京 102600；4.中蘭鐵路客運(yùn)專線有限公司，甘肅 白銀 730900)

黃土是第四紀(jì)地質(zhì)歷史時期經(jīng)風(fēng)力搬運(yùn)形成含有大孔隙的沉積物，廣泛分布于我國中西部地區(qū)[1-2]。受特殊地理位置和生成條件的影響，黃土的天然密度較低且具有架空結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)烈的水敏性[3]，在黃土地區(qū)修建工程會遇到濕陷性問題。隨著黃土地區(qū)工程建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，開展黃土場地濕陷特征研究及濕陷性評價具有重要意義。根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50025—2018）[4]，可通過室內(nèi)試驗測得黃土濕陷系數(shù)，進(jìn)而劃分濕陷等級并對濕陷性進(jìn)行評價。該方法雖簡便快捷，但室內(nèi)試驗得到的濕陷系數(shù)與浸水試驗得到的結(jié)果往往相差較大[5]。為了更加準(zhǔn)確地獲得黃土場地的濕陷特性，可開展現(xiàn)場浸水試驗。Lü等[6]在渭河階地開展浸水試驗，對浸水條件下黃土場地的水分入滲規(guī)律和濕陷變形特性進(jìn)行研究，并提出相應(yīng)的地基處理方法；武小鵬等[7]通過現(xiàn)場浸水試驗，精確測試了黃土地基的水分入滲過程、擴(kuò)散形態(tài)及影響范圍；邵生俊等[8]分析了浸水場地的自重濕陷變形實(shí)測值與計算值之間的關(guān)系，確定了大厚度自重濕陷性黃土自重濕陷系數(shù)的起始門檻值；羅奇斌等[9]在現(xiàn)場浸水入滲試驗過程中，通過監(jiān)測土壓力發(fā)現(xiàn)土壓力一般在濕陷下沉發(fā)生時接近最小值；王小軍等[10]對鄭西高速鐵路豫西段黃土場地浸水后的自重濕陷特性進(jìn)行研究，分析了濕陷土層深度隨浸水時間的演化規(guī)律，判定了浸水水平影響范圍；姚志華等[11]基于黃土場地的浸水試驗，引入深度修正系數(shù)ξ，使自重濕陷量的計算值更加接近實(shí)測值；楊校輝等[12]提出，應(yīng)當(dāng)采用不同的濕陷系數(shù)來判定不同類型深厚度黃土的濕陷性，使其濕陷性評價趨于合理；Li 等[13]針對濕陷性黃土區(qū)的隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題，開展地面試坑浸水試驗及隧道仰拱浸水試驗，研究既有隧道上覆黃土地層的濕陷變形特性、水分運(yùn)移情況及隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)規(guī)律。

綜上所述，浸水條件下黃土場地的濕陷性已取得豐富研究成果，主要表現(xiàn)在場地水分入滲、自重濕陷特征、浸水影響范圍、濕陷性評價等方面。由于黃土濕陷存在地域特征[8]，為探明蘭州新區(qū)典型深厚濕陷性黃土的工程特性及浸水濕陷變形規(guī)律，在中蘭鐵路蘭州新區(qū)南站附近選取代表性試驗場地，開展深厚黃土場地的現(xiàn)場浸水試驗，測試并分析該場地在浸水條件下的水分入滲、沉降變形及裂縫發(fā)展規(guī)律，以期為中蘭鐵路后期設(shè)計、施工及運(yùn)營提供可靠的技術(shù)指導(dǎo)和安全保障。

1 浸水試驗場地工程地質(zhì)條件

新建中衛(wèi)至蘭州鐵路地處甘肅省、寧夏回族自治區(qū)兩省境內(nèi)，是我國“八縱八橫”鐵路網(wǎng)京蘭通道的重要組成部分，該線路全長173.46 km，新建6 座車站。本次浸水試驗場地位于中蘭鐵路蘭州新區(qū)南站附近，屬于《中國濕陷性黃土工程地質(zhì)分區(qū)略圖》中的隴西地區(qū)，其地貌單元為黃土梁峁。0～3.5 m 為砂質(zhì)黃土，呈淺黃色，稍濕，稍密，以砂質(zhì)黃土為主，具濕陷性，場地內(nèi)局部分布，屬第四系全新統(tǒng)（Q4）；1.5～45.0 m 為砂質(zhì)黃土，呈淺黃色，稍濕，稍密，土質(zhì)均勻，可見針孔狀孔隙和蟲孔，上部土層具濕陷性，場地內(nèi)廣泛分布，屬第四系上更新統(tǒng)（Q3）。試驗場地屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，干燥少雨，蒸發(fā)強(qiáng)烈。

為了測試場地黃土的基本物理性質(zhì)及自重濕陷系數(shù)，在現(xiàn)場開挖探井并人工掏槽取樣，自地表至30 m 深度范圍內(nèi)，每隔2 m 取得原狀黃土的塊狀試樣，密封包裝后運(yùn)回實(shí)驗室開展相關(guān)測試?，F(xiàn)場原狀黃土基本物理指標(biāo)見表1，不同深度土樣的干密度、含水率、孔隙比、自重濕陷系數(shù)沿深度變化見圖1。

圖1 原狀黃土物理參數(shù)測試結(jié)果Fig.1 Test results of physical parameters of undisturbed loess

表1 土體基本物理指標(biāo)Tab.1 Basic physical index of soil

根據(jù)圖1 可知，場地黃土含水率和干密度隨深度增加逐漸增大，孔隙比、自重濕陷系數(shù)大幅降低，22.0 m 以下的黃土自重濕陷系數(shù)小于0.015，根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)》[4]可知，該場地22.0 m 以下的黃土不再具有濕陷性。

2 現(xiàn)場浸水試驗方案

根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果及《濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)》[4]相關(guān)要求，設(shè)計試驗浸水試坑如圖2 所示。試驗坑直徑24.0 m，深0.5 m，在坑底鋪設(shè)15 cm 厚的砂礫石。

圖2 浸水試坑設(shè)計示意Fig.2 Design drawing of immersion test pit

根據(jù)以往浸水試驗經(jīng)驗[8,11,14]和《濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)》[4]相關(guān)要求，現(xiàn)場浸水試驗設(shè)置深、淺兩種沉降觀測標(biāo)點(diǎn)。其中，淺標(biāo)點(diǎn)用于觀測浸水過程中試坑內(nèi)部、外部場地地表的濕陷下沉及沉降分布；深標(biāo)點(diǎn)用于觀測試坑內(nèi)不同深度土層的濕陷下沉。

淺標(biāo)點(diǎn)采用鋼管制作，設(shè)置底座，地面外露長度為2.0 m，以A0 為中心向坑外呈120°夾角的3 個方向（A、B、C）放射狀布置淺標(biāo)點(diǎn)（圖2）。深標(biāo)點(diǎn)為機(jī)械式，由內(nèi)管和外管組成。內(nèi)管為Φ25 mm 的鍍鋅鋼管，頂端露出地面2.0 m，末端直接置于擬埋設(shè)深度的土層頂面。在內(nèi)管外設(shè)置了Φ75 mm 的PVC 外管，防止周圍土層產(chǎn)生濕陷變形時對內(nèi)管產(chǎn)生影響。深標(biāo)點(diǎn)在距試坑中心12.5 m 半徑的圓環(huán)上均勻布設(shè)（圖2），3.0～21.0 m 深度范圍內(nèi)，除3.0 和4.5 m 深度只布置了1 個深標(biāo)點(diǎn)外，其余每間隔1.5 m 布置2 個深標(biāo)點(diǎn)；21.0～30.0 m 深度區(qū)間內(nèi)，每間隔3.0 m 布置2 個深標(biāo)點(diǎn)。

為測試浸水過程中體積含水率的變化，在浸水試坑周圍開挖探井，布設(shè)5 組TDR 水分傳感器。第1、2、3 組自3.0～30.0 m 深度區(qū)間內(nèi)，共計30 個水分傳感器；第4 組自9.0～30.0 m 深度區(qū)間內(nèi)，共計8 個水分傳感器；第5 組自12.0～30.0 m 深度區(qū)間內(nèi)，共計7 個水分傳感器。

3 試驗結(jié)果分析

本次原位浸水試驗采用水車注水，試驗過程中控制試坑水頭保持在50 cm 左右。浸水試驗自2020 年7 月29 日開始，至2021 年5 月12 日結(jié)束，歷時290 d。試驗過程中每天對水分傳感器、沉降標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測記錄并歸檔。試驗場地全貌如圖3 所示。

圖3 浸水試驗全貌Fig.3 Full view of immersion test

3.1 原狀黃土場地水分入滲規(guī)律

探井中預(yù)埋的TDR 水分計對浸水前及浸水過程中的地基水分變化進(jìn)行監(jiān)測。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，繪制探井2（位于試坑邊緣，距中心12.0 m）中的體積含水率隨浸水時間變化曲線如圖4 所示。

圖4 探井2 體積含水率隨浸水時間變化曲線Fig.4 Curve of the volumetric water content changing with the soaking time at second well

據(jù)圖4 可知，浸水條件下不同深度黃土層體積含水率的變化規(guī)律存在一定差異。對于上部黃土（3.0 和9.0 m），體積含水率的變化經(jīng)歷以下過程：（1）濕潤鋒面未到達(dá)該深度測點(diǎn)時，體積含水率保持為土體的初始含水率；（2）隨著水分持續(xù)入滲，濕潤鋒面到達(dá)水分計所在位置，體積含水率開始緩慢增加，隨后迅速增大至飽和。同時，因深度增加時補(bǔ)水距離延長，濕潤鋒面達(dá)到測點(diǎn)的時間越來越滯后，使得體積含水率變化曲線上翹時間隨深度增加依次增大；（3）當(dāng)土體含水率增加至飽和后，過多的水分使得黃土骨架結(jié)構(gòu)之間的連接強(qiáng)度減弱，從而發(fā)生相互錯動、位移，土顆粒間滑移并充填孔隙[14]，使土體結(jié)構(gòu)變得緊密，孔隙顯著減小，土體體積含水率進(jìn)入減小階段；（4）隨著水流的持續(xù)入滲，土體結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，受孔隙氣壓持續(xù)增大的影響[14-15]，水分的運(yùn)移逐漸變緩，直至穩(wěn)定時，體積含水率不再變化。

對于下部黃土（15.0 和21.0 m），體積含水率變化的前2 個階段與上部土體保持一致。由于下部黃土較為密實(shí)，孔隙比和濕陷系數(shù)較小，所以在第3、4 階段，土體結(jié)構(gòu)的改變受到一定限制，體積含水率在該階段略有下降后便保持穩(wěn)定。這說明隨著濕陷變形的發(fā)展，土體體積有一定壓縮，土體中的飽和含水率也逐漸減小，隨著地基土的濕陷完成，最終地基土的飽和含水率也達(dá)到穩(wěn)定值。在0～21.0 m 的土層范圍內(nèi)，地基土的飽和體積含水率為24.1%～37.7%。

3.2 場地沉降變形分析

3.2.1地表沉降分析 受浸水影響，試驗場地發(fā)生濕陷下沉，地表的沉降量最大為144.70 cm。在浸水試驗過程中，采用全站儀測量地表沉降監(jiān)測點(diǎn)（A、B、C 三軸）的濕陷下沉量。因A、B、C 三個軸向不同測點(diǎn)的沉降數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的規(guī)律相似，故以C1 和C6 點(diǎn)為例對地表沉降進(jìn)行分析。繪制2 個測點(diǎn)的累計濕陷沉降曲線和沉降速率分別如圖5、6 所示。

圖5 地表累計濕陷沉降曲線Fig.5 Curves of accumulated surface subsidence with time

圖6 地表沉降速率曲線Fig.6 Surface subsidence rate curves with time

根據(jù)圖5、6 可知，不同測點(diǎn)的地表沉降趨勢基本一致，曲線大致可分為4 個階段：（1）在試驗初期的1～2 d 內(nèi)，地表沉降發(fā)展相對較緩，沉降速率較小，為0.5～1.0 cm/d；（2）隨著水分逐漸下滲，地表沉降開始迅速發(fā)展，沉降速率迅速增大，C1、C6 測點(diǎn)的沉降速率均在第8 d 達(dá)到最大值，分別為5.88 和3.87 cm/d；（3）沉降速率達(dá)到最大值后開始逐漸減小，且約在50 d 時沉降速率下降至1 cm/d 以下；（4）在140 d 時，2 個測點(diǎn)的沉降速率均降至0.1 cm/d 以下，地表的濕陷沉降進(jìn)入緩慢、穩(wěn)定發(fā)展階段。分析其原因為：試驗早期，土體結(jié)構(gòu)相對松散，土體孔隙通道連通性較好，水分入滲較快；隨著水分逐漸下滲，土體結(jié)構(gòu)遇水失去穩(wěn)定，土顆粒間相互滑移、充填孔隙使彼此之間更加緊密，導(dǎo)致土體發(fā)生濕陷變形，土體孔隙及滲水通道縮小[16]，減緩水分下滲，濕陷沉降發(fā)展變緩，表現(xiàn)為累計濕陷沉降曲線逐漸平緩，濕陷速率減小。

3.2.2深層沉降 根據(jù)前期室內(nèi)試驗及《濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)》可知[4]，該場地自重濕陷土層的下限深度為22.0 m，本次試驗監(jiān)測范圍為0～30.0 m。根據(jù)觀測結(jié)果繪制不同埋深的深標(biāo)沉降量見圖7。

圖7 浸水試坑深標(biāo)沉降曲線Fig.7 Deep punctuation settlement curve of flooded test pit

根據(jù)圖7 可知，不同深度黃土層的自重濕陷過程均呈劇烈-緩慢-穩(wěn)定的變化特征。試驗初期，土層保持穩(wěn)定，水分入滲后土體產(chǎn)生劇烈的濕陷變形，沉降發(fā)展迅速；隨著土體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，土體的自重濕陷過程變得緩慢，直至穩(wěn)定。通過試驗結(jié)果可知，土層沉降量隨埋深增加逐漸減小，埋深3 m 的深標(biāo)沉降量最大，為108.50 cm，0～16.5 m 深度的濕陷沉降量為120.99 cm，占總濕陷沉降量的83.61%，而埋深在24.0 m 以下的深標(biāo)幾乎未發(fā)生沉降。因此，可將24.0 m 作為該場地的自重濕陷下限深度和地基處理深度。

3.2.3裂縫發(fā)展規(guī)律 在試驗過程中，隨著場地濕陷下沉的發(fā)展，由于距離試坑的距離不同，土體內(nèi)部會出現(xiàn)拉應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生裂縫。浸水過程中，試坑周圍裂縫發(fā)展見圖8。

圖8 裂縫發(fā)展過程Fig.8 Development of fracture

根據(jù)圖8 可知，試坑周圍的裂縫發(fā)展經(jīng)歷了較漫長的過程。在浸水初期，場地濕陷沉降發(fā)展緩慢，試坑周圍未見裂縫；持續(xù)浸水時，試坑周圍土體因濕陷變形的發(fā)展產(chǎn)生不均勻沉降，開始產(chǎn)生裂縫，浸水第7 d 時，距離試坑邊緣52 cm 處產(chǎn)生第1 條較為明顯的裂縫（長1.5 m，寬1.5 cm）；隨著場地濕陷下沉的發(fā)展，試坑周圍出現(xiàn)大量裂縫，最遠(yuǎn)的裂縫距離試坑中心24.0 m。從分布形態(tài)看，裂縫圍繞浸水試坑由內(nèi)向外逐漸擴(kuò)散，距離試坑近的區(qū)域裂縫分布較密，間距較小，較遠(yuǎn)區(qū)域的裂縫分布較稀疏，數(shù)量減少，裂縫之間的距離增大，錯臺高度和裂縫寬度逐漸減小。

圖9 為浸水試驗過程中典型裂縫的發(fā)展情況。浸水坑周圍首先出現(xiàn)局部、不連續(xù)的細(xì)小裂紋；浸水持續(xù)進(jìn)行時，裂紋逐漸延長、變寬、擴(kuò)大、貫通，進(jìn)而發(fā)展為較寬的裂縫并產(chǎn)生錯臺，最終形成環(huán)形裂縫和階梯狀的地形。裂縫最寬可達(dá)34 cm，錯臺高度最高可達(dá)50 cm。

圖9 典型裂縫發(fā)展過程Fig.9 Development process of typical fracture

4 場地濕陷性評價

根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)》[6]可知，濕陷性黃土場地的計算如下：

式中：?ZS為自重濕陷量；β0為地區(qū)土質(zhì)修正系數(shù)；δZSi為第i層土的自重濕陷系數(shù)；hi為第i層土的厚度（mm）。本文計算中，δZSi為圖1 中的室內(nèi)自重濕陷性試驗結(jié)果，土層厚度hi為2.0 m，蘭州新區(qū)屬于隴西地區(qū)，故β0取1.50。

為更好地評價該地區(qū)黃土的濕陷性以指導(dǎo)工程實(shí)際，本文對規(guī)范中給出的修正系數(shù)展開探討。用式（1）計算不同深度土層的自重濕陷量，并將浸水試驗實(shí)測自重濕陷量、規(guī)范法計算值和修正值分別沿土層深度方向繪制曲線如圖10 所示。

圖10 自重濕陷量隨深度變化曲線Fig.10 Curves of gravity collapsibility with depth

根據(jù)圖10 可知，土層深度不同，規(guī)范法計算的自重濕陷量與實(shí)測自重濕陷量存在一定差異，特別是土層較淺時。依據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)》[4]中的計算方法，該場地地表沉降的修正值為267.1 cm，遠(yuǎn)大于現(xiàn)場浸水試驗實(shí)測的自重濕陷量144.7 cm。當(dāng)深度為0～10.0 m 時，實(shí)測自重濕陷量為計算值的77%～94%，當(dāng)深度達(dá)到12.0～24.0 m 時，實(shí)測自重濕陷量為計算值的1.24～1.72 倍。原因是現(xiàn)場浸水試驗時，由于水分?jǐn)U散程度不同，試驗完成時不同深度土層的飽和程度不同，并不能全都達(dá)到完全飽和濕陷。而室內(nèi)自重濕陷性試驗時，不同深度的試驗土樣直接與水接觸，土樣可達(dá)到完全飽和。根據(jù)蘭州新區(qū)現(xiàn)場實(shí)測自重濕陷量，對《濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)》[4]中的修正系數(shù)β0進(jìn)行修正，當(dāng)深度為0～10.0 m 時，β0取1.0；當(dāng)深度為10.0～24.0 m 時，β0取1.5。

在浸水入滲作用下，根據(jù)不同深度土層的實(shí)測自重濕陷系數(shù)，將該場地黃土按深度劃分為4 層：地面以下0～16.0 m 土層的自重濕陷系數(shù)為0.07～0.12，為強(qiáng)烈濕陷區(qū)；16.0～18.0 m 土層的自重濕陷系數(shù)為0.037，為中等濕陷區(qū)；18.0～24.0 m 土層的自重濕陷系數(shù)為0.023～0.026，為輕微濕陷區(qū)；24.0 m 以下的土層基本無濕陷變形，為未濕陷區(qū)。

5 結(jié)語

在蘭州新區(qū)深厚黃土場地開展浸水濕陷試驗，根據(jù)浸水過程中的體積含水率、地表變形和深層沉降，分析該深厚黃土場地的自重濕陷特性，得到以下結(jié)論：

（1）隨深度增加，黃土含水率和干密度逐漸增大，孔隙比、自重濕陷系數(shù)大幅降低。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測自重濕陷量，對蘭州新區(qū)濕陷性黃土的地區(qū)修正系數(shù)β0進(jìn)行修正，當(dāng)深度為0～10.0 m 時，建議β0取1.0；當(dāng)深度為10.0～24.0 m 時，建議β0取1.5。

（2）不同測點(diǎn)處的地表沉降隨時間大致經(jīng)歷緩慢-快速-減緩-穩(wěn)定過程。試驗初期地表沉降發(fā)展較緩，隨水分逐漸下滲地表沉降開始迅速發(fā)展，沉降速率可達(dá)5.88 cm/d，浸水50 d 時完成總沉降量的60%。在140 d 時，沉降速率降至0.1 cm/d 以下，地表濕陷沉降進(jìn)入緩慢-穩(wěn)定發(fā)展階段。

（3）浸水條件下蘭州新區(qū)深厚黃土地基的濕陷變形主要發(fā)生在0～16.5 m 內(nèi)，為強(qiáng)濕陷土層，占總濕陷量的80%以上。隨著土層埋深增加，沉降量逐漸減小，結(jié)合室內(nèi)和現(xiàn)場試驗結(jié)果，該場地的自重濕陷下限深度和地基處理深度可取為24.0 m。

（4）浸水試驗結(jié)束后，試坑周圍出現(xiàn)大量環(huán)向裂縫，距離試坑越近，裂縫分布越密，間距越小，最遠(yuǎn)的裂縫距離試坑中心24.0 m，裂縫最寬可達(dá)34 cm，錯臺高度可達(dá)50 cm。