渭北地区湿陷性黄土场地浸水试验研究*

2021-05-15罗晓锋尚海丽郑有伟李伟华王艳艳张宏伟

内蒙古科技大学学报 2021年1期

罗晓锋，尚海丽，郑有伟，李伟华，王艳艳，张宏伟

(1.内蒙古科技大学矿业与煤炭学院，内蒙古包头 014010；2.包头市第四中学，内蒙古包头 014020；3.内蒙古科技大学工程训练中心，内蒙古包头 0140102；4.中交第一公路勘察设计院有限公司，陕西西安 710072)

随着“十三五”规划的实施，我国西部地区迎来了大发展，基建项目日益增多，近几年呈现出从低阶地向高阶地、从平原区向高原区甚至沟壑地带发展的态势.湿陷性黄土在我国中西部地区覆盖最广、厚度最大，尤其以陇西、陇东和渭北黄土塬区最为典型.

湿陷性黄土具有孔隙大、压缩性高、承载力低等特性，受水浸湿后产生急剧且量大的变形，造成建筑物地基失稳，道路毁坏.目前，评价湿陷性黄土场地的方法主要有室内压缩试验，其易用性和可行性得到业内人士一致认可，同时也指导了大量工程建设；但其缺陷也日益凸显，如土样尺寸、受力状态和代表性等对试验数据可靠性的影响.其次，《湿陷性黄土地区建筑标准》[1](以下简称《规范》)中推荐使用的修正系数也已无法满足目前大厚度高阶地渭北黄土塬区“高、大、长、重”等工程建设的需求.

因此，针对湿陷性黄土，采取更加可靠合理的评价方法是改进目前黄土场地评价的有效途径，《规范》[1]推荐使用原位浸水试验.一些学者也进行了形状各异、不同地区原位浸水试验[2-6]，但大多集中在陇西、陇东和关中等典型黄土地区，如姚志华等[7]对兰州地区大厚度湿陷性黄土的浸水试验研究，王治军等[8-10]对陇东地区庆阳董志塬湿陷性黄土的研究，武小鹏等[11]对郑西高铁沿线湿陷性黄土的研究等.而对渭北黄土塬区湿陷性黄土研究较少，尤其对银西沿线(银川—百色高速公路区段)陕西渭北高原黄土塬区沟壑地带的研究少之又少，也未进行过大型原位浸水试验.本文依据银西高速公路及某制药大厦所在地，在渭北黄土塬区沟壑地带选择有代表性黄土场地，进行了现场大型浸水试验，研究其浸水过程中黄土的湿陷变形规律.

1 试验概况及方法

1.1 场地概况

试验场地位于陕西省旬邑县太村镇东侧，地貌单元为渭北黄土塬区.通过探井揭露，场地具备试验条件，25 m深度范围内地层自上而下主要由新近堆积土、新黄土、古土壤和老黄土组成，地层平稳，层理清楚，分布连续.地下水埋藏较深，38 m深度范围内未见地下水，无其它不良地质结构和早期人类活动遗迹.试验场地地层岩性如表1，土样物理力学指标如表2.

表1 场地黄土地层岩性

表2 土样主要物理力学指标

1.2 浸水试坑设计

现场为庄稼地，经平整后布设基准点和探井，通过探井揭露和查阅相关文献[1，12]，将试坑设计为直径25 m、深度80 cm的圆坑，坑底铺设一层厚度10 cm的砂砾石，粒径1～3 cm；为浸润充分，在试坑内均匀布设12个深20 m的渗水孔，孔内用砂砾石充填，渗水孔不和各种观测标点重合.

1.3 观测标点布设

以试坑圆心为中心，在互成120°的A，B和C3条测线上布设地面沉降观测浅标点63个，每条测线上21个，其中试坑内21个，试坑外42个，最远的布设在试坑外25 m处；同样，在互成60°且与A，B，C轴不重和的E，F，G及其反向延长线E′，F′和G′上布设深部沉降观测标点42个，每条测线上7个，埋置深度3～21 m(如F3表示F测线上埋深3 m的点，其它以此类推)，全部位于坑内，最深的在试坑底部21 m深度处，详细布设情况如图1所示.

图1 浸水试坑总体设计图

1.4 试验过程

本次浸水试验历时56 d，选在降水量较少的春季.其中第1阶段按照当地年平均降水量浸水，历时9 d；第2阶段浸水37 d，直到饱和后停水，停水后继续监测，直到稳定，历时10 d；3阶段共消耗水量15 735 m3.每天固定人员固定仪器按时对各沉降标点进行观测，观测仪器采用瑞士产精密水准仪，按二级变形测量精度要求进行；同时，对试坑周围裂缝出现的时间、宽度、间距及裂缝扩展等情况进行观测记录.

2 试验结果与分析

2.1 室内试验

通过室内土工试验发现，17 m以上土层湿陷量较大，18～22 m范围内土层湿陷量较小.根据《规范》[1]，试验场地位于中国黄土分区Ⅱ类区，修正系数βo取1.20，计算得到场地的自重湿陷量Δzs为38.40 cm，因此为自重湿陷性黄土场地；同样，可计算得到场地的湿陷量Δs为96.42 cm，由此判定，该场地黄土地基湿陷等级为Ⅳ(很严重)级.

2.2 地表沉降特征分析

地表单日沉降量和累积沉降量变化曲线如图2所示(本文取B测线，其余两条类似).从图2a可以看出：浸水后，试坑内、外所有浅标点(本文挑选试坑内的B1，B7标点和试坑外的B8，B14标点进行分析，其余标点变化特征类似)均发生沉降，但沉降量有所不同，距离坑心最近的B1点沉降量最大，距离坑心最远的B21沉降量最小；此外，试坑内B1～B7点、试坑外B8～B21点的沉降差较小，但试坑内、外的沉降差较大，尤其从试坑外一定距离的B8点开始，沉降差明显增大.这说明在试坑浸水过程中存在“边界效应”，且边界对沉降影响十分明显，边界不一定是试坑边缘，一般为边缘外一定距离，本试验为试坑外1 m.

浸水过程出现3个峰值点，其中第16 d的峰值点最大；整个浸水过程中，前5 d湿陷速率很小，沉降量也很小，水分浸润土层；从第6 d开始，湿陷速率有所增大，但增大不明显，部分土层还未达到湿陷起始含水率，直到第二阶段浸水后3 d，湿陷速率快速增大，沉降量也随之迅速增加，出现剧烈湿陷段，单日最大沉降量达5.61 cm，之后单日沉降量逐渐减小，第35 d进入平稳阶段；停水后，由于孔压消散，土体固结，产生小规模沉降，但持续时间很短，之后迅速回升直至稳定.整个过程湿陷速率呈现出“慢—快—慢—稳定”的变化特点，反映了浸水后黄土原有结构逐渐破坏，强度逐渐丧失；停水后黄土开始固结排水，新结构逐渐形成，强度逐渐增长.

地表累积沉降量变化曲线如图2b所示，从图中可以看出，整个沉降过程可分为5个阶段：①初始缓慢沉降段，从浸水开始到第13 d，累积沉降量很小，沉降量最大的B1点沉降7 cm，主要是因为土体未达到湿陷起始含水率；②剧烈沉降段，从第14 d开始，土体达到饱和并快速发生湿陷，持续时间较短；③缓慢沉降段，土体基本饱和，水分入渗困难，沉降变小；④停水固结沉降段，孔隙水逐渐消散，土体排水固结，进而产生沉降，持续时间更短；⑤沉降稳定段，土体沉降趋于稳定.

从图中还可以看出，不同标点的累积沉降量变化趋势相同，试坑内、外标点间的差值基本相当(单日沉降量B7与B8差值较大)，说明从浸水开始到湿陷发生，土体对水分入渗起到脉冲作用，湿陷沉降延迟滞后.此外，主体沉降量发生在单日沉降量峰值后3 d，该沉降量约占总沉降量的60%；峰值后7 d，累积沉降量约占总沉降量的80%.因此，黄土的湿陷是一个短暂快捷的过程，只要达到湿陷含水率，这种“崩塌”立刻发生并迅速完成.

图2 B测线单日和累积沉降量变化曲线

2.3 地下沉降特征分析

对于重大型建筑物、构筑物，常需查清自重湿陷性土层的下限.地下深标点单日沉降量和累积沉降量变化曲线如图3所示，由图可知，其变化趋势和地表一样，呈现相同规律，不再赘述.

区别于地表土层，深部土层只有在浅部土层湿陷完成后或湿陷完成一大半后才能发生湿陷变形，并且是自重湿陷性土层下限深度以上的土层发生湿陷变形，以下的土层即使浸水很久也不会发生自重湿陷沉降.因此，当深部土体的单日沉降量达到峰值后，土层的自重湿陷累积量在逐渐增大，但湿陷速率在逐步减小，直到湿陷变形结束.因此，从浸水到湿陷土层下限产生湿陷变形，有个发展的过程，不同场地湿陷土层下限开始湿陷变形的深度是不同的，这在湿陷性黄土地区尤为关键，因此在具体工程中务必谨慎，严防场地内长期积水.本场地湿陷土层下限深度约为15 m，建议此范围内不要长期积水.

图3 F测线单日和累积沉降量变化曲线

2.4 湿陷影响范围及分析

试坑地表沉降过程曲线如图4所示(本文取B，C轴分析).从图中可以看出，浸水刚开始后，湿陷以坑心为中心大致对称沉降，随着浸水延续，这种对称越发明显，沉降量也越来越大，由初期平缓的“碟型”逐步扩展到中期深凹的“碗型”，继续扩展到整个试坑，最终形成宽深的“U”字型对称分布.

此外，B，C两轴的7号、17号标点变化趋势最大，将整个沉降过程划分为三个区段：7号以内标点沉降量最大，8～17标点沉降量较小，17号以外标点几乎没有沉降.7，8号标点分别位于试坑内、外边缘，分别属于地表浸水和边界浸水，因此沉降趋势变化最明显；8～17号标点位于试坑外部，沉降量减小，趋势变缓；17号以外标点几乎没有沉降，表明此处是浸水横向影响范围.该影响范围可通过标点间距计算得到，该场地浸水后湿陷变形水平向影响范围为距坑边13.5 m，小于垂向影响范围17.4 m(图5).

2.5 水分扩散规律及分析

对于水分扩散规律，不同学者持不同观点：姚志华等[7]认为水分呈“梨型”分布，苏立海等[13]认为水分呈“椭圆型”运移，赵金刚等[14]则认为浸润区和饱和区均呈倒“漏斗”型.

图4 试坑地表沉降过程曲线(B～C轴)

本文综合前人观点认为：浸水初期，土体未达到饱和，水分以垂直入渗为主；浸水一段时间后，上部土体发生湿陷压密，使得空隙中气体压力增大，导致水分入渗困难，其侧向土体未受到上部饱和土体的湿陷压密作用，空隙相对较大较多，入渗较为容易，所以水分由垂直向入渗为主转为水平向渗流为主；此外，在9.5 m之下存在一厚2.5 m的古土壤，它对垂直向入渗的水分也起到阻碍作用，迫使水分向水平向渗透.其水分扩散形态为一不规则阶梯状，呈开口逐渐增大的“喇叭型”.

根据试坑东、西方向对称布设的两条测线，测定不同浸水阶段垂直向、水平向土样含水率，绘制得到浸湿影响范围及其变化示意图5.从图中可以看出，水分扩散的边界线常呈折线向下、向外延伸，饱和区与浸湿非饱和区的影响范围随深度的增大而逐渐增大，浸湿区由饱和区和浸湿非饱和区组成，浸湿线之上为非浸湿区，其土体未受到浸水影响.根据含水率和饱和度测试结果，距离试坑边缘2 m、深3.5 m的点处于饱和线上，求得饱和线与垂线的夹角为30°，同样位置深2.2 m的点处于浸湿线上，求得浸湿线与垂线的扩散角为42°；依次可求得不同位置、不同深度的饱和线夹角和浸湿扩散角，按其所占面积权重，最后求得饱和线与垂线的夹角为30°～45°，均值为41°，浸湿扩散角为42°～49°，均值为47°.

2.6 裂缝发展规律及分析

随着试坑浸水和自重湿陷量的产生，试坑周围出现了多条连续裂缝，以同心圆状随浸水时间延长而扩大，最外侧出现不连续裂缝，如图6所示.越靠近试坑边缘，裂缝越密集，缝宽、断差及深度也越大，试坑周围出现较大阶梯状地形.裂缝出现的顺序也有一定规律，离试坑边缘最近的L1裂缝出现最早，且L1裂缝是由局部裂缝逐渐发展连接而来，之后依次是较远的L2、L3裂缝，L3裂缝比前两个裂缝稀疏且不连续.裂缝宽2～3 cm，深40～60 cm，成V字型向下尖灭，有少量小规模错台.

图5 浸湿范围及变化示意图

裂缝的形成有一定规律：开始地面出现较细裂纹，随着浸水时间延长，试坑周围出现环形洼地，到浸水第二阶段结束时，阶梯状地形出现.裂缝的发展过程大致为：首先，试坑内越靠近中心位置的土体湿陷变形越大，当靠近试坑中心一侧的土体湿陷后，外侧土体失去侧向支撑产生拉力，侧向拉力产生了纵向裂缝，其宽度大于深度，裂缝两侧土体基本等高；接着，水分运移到纵向裂缝内侧的土体下方，其土体产生湿陷，于是剪切力出现并占主导，所以裂缝纵向发展较快；水分继续运移，直到纵向裂缝外侧土体的下方，土体湿陷导致新裂缝产生，也就是说，较远新裂缝是由较近老裂缝剧烈活动引起的，纵向裂缝受外侧土体挤压，裂缝变窄；浸水后期，早先形成的裂缝受后期裂缝发展挤压，其宽度减小直至闭合，两侧土体稳定.从裂缝发展的过程可以看出，水分扩散是控制裂缝产生和发展的主要因素.

2.7 黄土湿陷敏感性评价

敏感性是评价黄土湿陷性能的主要参数，具有重要意义，主要有以下2种方法：

(1)室内试验结果评价：用灵敏度K′进行判别，其表达式如下：

(1)

式中：Pz为上覆土体的饱和自重压力，N；Psh为土体的湿陷起始压力，N.结合室内试验，计算得到各土层的K′值见表3所示.除2，3，15，16和17 m深度的土层湿陷敏感性弱外，其余土层湿陷敏感性均较强或很强，其中2 m和3 m深度处土层无自重湿陷，15，16和17 m深度处土层的自重湿陷系数较小，即这三处土层自重湿陷量在总自重湿陷量中占得比例较小，因此该场地的自重湿陷敏感性为较强.