西安北至机场城际铁路黄土塬段现场试坑浸水试验研究

2022-07-12王家鼎李开超赵金刚

铁道学报 2022年6期

杨喆，王家鼎，李开超，赵金刚，晁军

(1.中煤西安设计工程有限责任公司, 陕西西安 710054；2.西北大学地质学系，陕西西安 710069；3.西北大学大陆动力学国家重点实验室，陕西西安 710069；4.机械工业勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710043)

随着我国中西部地区轨道交通建设的快速发展，越来越多的地铁和城际铁路要穿越湿陷性黄土，特别是长区间、大厚度湿陷性黄土地段，给工程建设和后期运营带来了极大的安全隐患。因此，准确确定黄土湿陷类型和自重湿陷下限深度等问题具有重要的现实意义。目前，国内外学者对其进行了大量研究。文献[1-2]开展了砾类盐渍土和膨胀土地基的现场浸水试验，文献[3-7]研究了黄土地层浸水湿陷对地铁隧道的影响。文献[8-9]从黄土湿陷变形特性和浸水入渗特征出发，提出了原位砂井浸水试验的方法。文献[10-11]全面分析和研究了压实黄土湿陷性问题，结果显示，压实黄土仍具有十分明显的湿陷能力。文献[12-14]分析了不同湿陷性黄土的渗透特性变化，以及黄土湿陷特性和渗透能力之间的相关性。文献[15-16]从微观角度合理解释了黄土湿陷性机理。文献[17-18]对大厚度自重湿陷性黄土地区地基处理方法和深度进行了研究。文献[19]采用数值计算手段，对湿陷土与非湿陷土不同比例、排列方式和湿陷程度下土体湿陷变形特征进行了对比研究，揭示了黄土中湿陷土分布不连续对湿陷变形产生的抑制作用是导致湿陷量计算值和实测值差异的重要原因之一。文献[20]分析了新疆伊犁地区黄土湿陷特性，构建了离心物理模型，基于此模型深入讨论了黄土湿陷特性，比较了现场勘测数据与模型试验结果，发现两者具有很好的吻合度，说明利用离心物理模型分析和研究黄土湿陷特性有较高地可行性。

以上研究对我国工程建设做出了重要贡献，但鲜见渭北黄土高原大型浸水试验研究。已有大多数试验为节约成本和时间，在试验过程均布置了渗水孔以保证水的快速入渗，但这种快速入渗的情况在实际中很少出现。因此，本文通过陕西省第一条城际铁路——西安北至机场城际铁路黄土塬段地下区间段，选择代表性场地进行探索性试验，在不布设渗水孔的情况下，研究和分析浸水时范围分布、地表层塌陷状况以及试坑周围环境发生的变化，通过实地监测，以期更真实地反应湿陷性黄土的实际湿陷变形过程，揭示湿陷机理，为西安北至机场城际铁路项目地基处理方案的优化设计和未来该地区工程建设提供理论指导和技术支撑。

1 试验场地选址原则及工程地质条件

为使浸水试验场地选择更加合理，按以下原则选址：选择特点鲜明且具有明显地貌地形特征的区域；选择区域湿陷性黄土层不能出现断裂；选择区域黄土湿陷性要非常明显；所选区域水电供应方便；场地环境条件要可行，如交通条件、场地大小等。

依据以上原则，本文所选试验场地位于西安北至机场城际铁路里程CK23+236 m处，地貌单元属渭北黄土塬，表1为所选区域地层信息。在所选区域进行探井测试，结果显示，此区域黄土湿陷最低深度在17.5～20.5 m，湿陷土层自重湿陷系数δzs介于0.016～0.069，湿陷系数δs介于0.018～0.093，自重湿陷量计算值在195～423 mm，湿陷的下限深度介于15.5～20.5 m，湿陷量计算值介于534～948 mm，地基湿陷等级为自重Ⅲ级(严重)～Ⅳ级(很严重)。

表1 试验场地地层岩性特征表

2 现场浸水试验

2.1 试坑设计

根据室内湿陷性研究结果，所选区域内土层在21.0 m内都具有湿陷性，只有土层中水分达到饱和，才能表现出较好的自重湿陷特性，因此，本次试坑浸水直径不得小于 21 m。依据以往经验，为减小边界效应对自重湿陷量的影响，将浸水试坑直径确定为25.0 m。按照设计要求，试坑深度为50 cm，试坑挖开以后要对其做相应的平整处理，完成以后要在试坑底部放置约10 cm厚的碎石，所选碎石的直径约1～3 cm。浸水试坑设计方案如图 1所示。

图1 浸水试验平面布设(单位：m)

2.2 浅标点布设

本次现场浸水试验共布设沉降观测浅标点43个，采用φ25 mm的镀锌管。其中，试坑内地表设浅标点19个，标杆长3.0 m，埋深为坑底下0.5 m；试坑外地表设浅标点24个，标杆长2.5 m，埋深为地面下0.5 m，最远距试坑外20.0 m。为准确判断和测算特定区域内湿陷情况，要选择合适的浅标点。从中心向坑边出发，按3个不同方向，每个方向各布置一条测试线，依次标记为A、B、C，各条测试线之间的角度为120°。在坑内，每条测试线中各取6个浅标点，每个浅标点之间相隔2.0 m，每条测试线中第一个点位于距圆心1.5 m处；在坑外，每个测试线中选择5个浅标点，各测试点间距仍为2.0 m，第一个浅标点位于距坑边1.0 m处；除上述测试点以外，还需在距坑边15、20 m处设置两个浅标点。埋设方法为：在布设位置人工开挖平面尺寸400 mm×400 mm、深为0.5 m的坑，清除坑内虚土后，整平坑底，放入沉降板，然后用水平尺量测标杆，确保沉降板摆放竖直，采用原土回填，夯密碾实。

2.3 深标点布设

设置深标点的目的是检测土层在深度方向自重湿陷特性变化情况。本次现场浸水试验场地共计24个深标点，均为机械式深标点，深标点埋好后采用过筛的素土回填并夯实。深标点平面方向过试坑中心布置了6条测线，依次在每条测线中以间距3 m选择3个深标点用于测试，其中第一个深标点位于距圆心2.5 m的位置处；在深度方向试坑内部地表下0～24.0 m范围内，深标点间距为2.0 m，每一深度布设2个深标点。

2.4 渗水孔布设

以往浸水试验为加速地基土尽快浸水饱和，在坑内布设一定数量渗水孔。但是，此过程并不能完全真实反映水分缓慢入渗过程对湿陷性黄土自重湿陷的影响。本文试验探索性地未布设渗水孔，只是对深标点孔下部采用过筛素土回填，上部预留约1.0 m采用砾石回填，以期进一步提升自重湿陷性黄土湿陷变形特性试验方法及工程应用，更接近湿陷性黄土实际湿陷变形过程。

2.5 土壤水分计布设

为测试每层土层中含水量变化，在场地内特定区域进行浸水试验，使用水分计测试各土层浸水后浸水边界，以及各土层在浸水时含水量变化规律。

依次在坑内不同土层同一位置放置2组水分计(TDR-3型，精度为±1r/min)，按照试坑处土层分布特点，各水分计埋设深度依次为5.0(新黄土)、10.0(新黄土)、15.0(老黄土)、20.0(老黄土)、25.0 m(老黄土)。坑外区域埋设2排水分计，埋设区域位于浅标点附近，处在深度不同位置，其中，第一排水分计埋设深度为8.0 m(埋设水分计3个，平面埋设间距为2.0 m)，另一排水分计埋置深度为16.0 m(埋设水分计3个，平面埋设间距为3.0 m)，埋设位置如图1所示。坑外土壤水分计埋设采用预钻孔埋设方式，坑内土壤水分计埋设采用机械洛阳铲挖掘探井模式。在保证所有水分计能够稳定测试的情况下，进行回填作业(回填材料为之前选择的素土)，为保证浸水时孔内渗透速度不宜过大，回填时要进行严格的夯实处理。

2.6 水位观测孔布设

本次试验布设了1组2个水位观测孔。通过钻机打造水位观测孔，选择带有孔眼的PVC管用于过滤，这些分布在PVC管中的孔眼以梅花形状分布，各孔眼在竖直方向距离在50 mm以内，同时PVC管每周孔眼数为8～10个，穿孔直径为20 mm。观测孔形成以后，PVC管外用纱网包裹，再在其周围填充砂砾石，每个孔的深度设计为25.0 m，两个水位监测孔距离为3.0 m，图1为最终建造的水位观测孔。

3 现场试验数据与分析

3.1 水分计数据分析

按照浸水过程中水分计测量数据，将其做标准化处理后，绘制图2所示不同土层水分含量变化监测曲线。

图2 现场浸水试验试坑内水分计监测曲线

由图2可以看出，浸水第4、7、10、12、15天，与之

相匹配的水分计分布深度依次为5.0、10.0、15.0、20.0、25.0 m，注水量随浸水时间的增加而不断增加，水分计示数也随之发生变化。浸水刚开始时，水分计示数变化速率较快，随着浸水过程逐渐进行，水分计示数变化速率逐渐下降，最终示数趋于稳定，浸水过程停止以后，水分计读数逐渐降低。总体来说，同一深度水分计读数变化对应较好，但由于土的非均质性及部分深标点并未完全夯实，导致部分同深度水分计变化具有滞后性。

3.2 浸水范围及饱和范围

按照浸水过程发生前和发生后试坑外土层含水量变化情况和水分计监测结果，判断浸水在各土层中的影响范围。根据试坑外各水分计监测结果，浸水前后试坑外含水率变化如图3所示。

图3 距坑边不同距离处浸水前后含水率对比

从含水量试验结果来看，在ZK1孔以下3.0 m处土层含水量在浸水前后有明显变化，表明ZK1在3.0 m以下受到水的浸湿作用，为浸润区。同理，ZK2、ZK3、ZK4、ZK5钻孔上部土样含水量与浸水前基本相同，含水量在浸水过程前后基本没有变化，因此这些区域没有受到浸湿作用，为非浸润区。图4为根据监测结果绘制的不同时间段浸润线分布情况。

图4 现场浸水试验浸润线

土层含水率变化较大时，间隔1.0 m取相应土样进行室内试验，现场用环刀取样，测定其含水率和天然密度，计算其饱和度，综合室内试验和现场监测数据判定饱和范围。当土壤饱和度Sr>85%时，判定土壤达到饱和。因此，本次取饱和度Sr>85%为饱和界限，绘制饱和范围，如图5所示。

图5 现场浸水试验浸润区、饱和区范围(单位：m)

从图5可以看出，浸水过程造成影响的区域与倒扣的漏斗非常相似，在古土壤处略微向外突出，这是由于该层古土壤致密，黏粒含量相对较高，古土壤层起到隔水层的作用。从分布曲线可以看出，随着深度的增加，浸湿区与饱和区影响范围逐渐增大。浸润线总趋势与试坑边缘垂直线约成44°，古土壤以上浸润线与试坑边缘垂直线约成50°，古土壤以下浸润线与试坑边缘垂直线约成40°。饱和范围小于浸润范围，古土壤以上饱和范围线与试坑边缘垂直线约成42°，古土壤以下饱和范围线与试坑边缘垂直线约成27°，深度为25.0 m处浸润线的影响范围距坑边约25.0 m。

3.3 修正系数β0′的确定

考虑地层沉积时代效应(主要分Q3黄土和Q2黄土)的影响，计算实测自重湿陷量和自重湿陷量计算值(不乘β0)的比值β0′为

(1)

式中：Δzs为自重湿陷量计算值，mm；δzsi为第i层土的自重湿陷系数；hi为第i层土的厚度， mm。

为确定试验场地自重湿陷量计算公式中的修正系数β0′，在试验场地附近选取JCBT-SJ-001、JCXT-KJ-003、JCXT-KJ-005和JCXT-KJ-006 等4个探井，每米取4个原状样，并对同一深度土样进行常规及湿陷性试验。自重湿陷量计算深度至Q3eol黄土底界，修正系数β0′采用现场浸水试验场地Q3eol黄土底界上部土层各标点自重湿陷量实测值的平均值与各探井自重湿陷量计算值的比值，计算结果见表2。

表2 不同探井Q3黄土自重湿陷量修正系数β0′

从计算结果来看，按试验场地实测自重湿陷量最大值计算的修正系数β0′介于1.150～1.394，平均值为1.229；按试验场地实测自重湿陷量平均值计算的修正系数β0′介于0.970～1.175，平均值为1.036。由于本次试验场地Q2eol黄土实测自重湿陷量很小，趋近于零，本次对Q2eol黄土的修正系数β0′不做修正。

综上所述，该试验场地建议Q3eol黄土修正系数β0′取1.036，本区段不考虑Q2eol黄土的自重湿陷性。

3.4 地表沉降变形分析

按照现场测量结果绘制浅标点单天变形量随时间变化的曲线图，如图6所示。

图6 现场浸水试验各列浅标随时间单日变形量曲线

分析图6可知，现场浸水试验浸水初期各标点出现一定程度的沉降，此变化过程较为缓慢。浸水进行5～10 d时，各标点沉降速率逐渐增加；浸水过程进行到11 d后，浅标点沉降速度下降，浸水过程停止以后，前5 d内沉降速率范围有较大幅度增加，随着时间的增加，沉降速度维持在某一固定值附近不再发生变化，整体沉降速率变化表现为：“小→大→小→大→小→稳定”的趋势。

自上个世纪六十年代起，世界经济飞速发展，产业融合初见规模，全球经济一体化进程加速，国际之间的贸易往来越来越频繁。在此背景下，会展旅游业的市场在进一步扩张。会展旅游业与观光旅游业相比，具有规模大、档次高、持续时间长的特点，而且发展的同时还可以带动一大批相关产业的发展。很多国家已经将会展旅游业列入了国家支柱产业之一，由此可见会展旅游业对于一个国家和地区的重要性。虽然我国的会展旅游业起步较晚，但是乘着经济飞速发展的东风，我国会展旅游业也在迅速增长，已经成为我国第三产业中的一个重要部分，是地区经济发展重要的增长点。

按照浸水过程实测数据，绘制各列浅标点组合测线沉降剖面累计变形量随时间变化曲线，如图7所示。

图7 现场浸水试验各列浅标点组合测线沉降剖面累计变形量随时间变化曲线

分析沉降观测数据，可得出以下结论：

(1)除B列标点外，其他沉降位置以点Z0为中心呈对称分布，在远离中心点的区域，湿陷引起的自重沉降量逐渐减弱，整个沉降区域呈不规则的U形分布。

(2)试坑内所有浅标点B5的沉降在试验过程中始终最大，其最终沉降深度为380.5 mm。

(3)A14、B14及C14标点未发生沉降变形，在B12～B13和C12～C13出现裂缝，综合分析认为，该试验地表距坑边约18.0 m范围内浅标点均出现不同程度沉降。

(4)停水后所有浅标点，固结沉降最大值达102.5 mm。

3.5 深部地层变形分析

现场浸水试验共埋设深部沉降观测标点24个，布置深度分别为2.0、4.0、6.0、8.0、10.0、12.0、14.0、16.0、18.0、20.0、22.0、24.0 m，同一深度布设2个沉降观测标点，以观测试坑下各土层分层沉降量。

图8 现场浸水试验各深标点沉降量随时间变化曲线

根据图8分析可知，深标点最终沉降随深度增加呈逐渐减小的趋势，现场浸水试验场地地基土的分层沉降自上而下逐渐减小。试验结果显示，黄土自重湿陷区域主要集中在10.0 m以上的Q3黄土层中，沉降量约37.5 cm，10.0 m以下的古土壤及下部Q2黄土累计沉降量最大值不超过1 cm，自重湿陷量很小。

3.6 裂缝发展特征分析

现场浸水试验开始浸水，试坑边缘陆续出现了小坍塌，并伴有小裂缝出现。试验浸水第5天，试坑南边最先出现了第一道裂缝，随着湿陷量逐渐增大，试坑周围先后形成了6道大的环形裂缝，如图9所示。

图9 现场浸水试验裂缝平面分布

裂缝的出现与发展反映了试坑周围地层的湿陷变形情况。结合现场情况，分析试坑外浅标点沉降数据和裂缝发展情况，可得出以下结论：

(1)试坑浸水后地面裂缝形状受浸水边界形状控制，呈环形，与实际吻合。

(2)错台表现为内(靠近试坑侧)低外高。

(3)试坑浸水后随着水在径向的渗透，由近及远，试坑外地层依次发生湿陷，地面裂缝也随之出现，见表3。

表3 裂缝出现时间与开始湿陷时间的对比

(4)浸水后第5～40天是裂缝集中发展的主要时期，在这段时间里，试坑外浅标点沉降数据显示，自重湿陷也主要发生在这段时间内。

(5)在距离试坑边缘11.0～16.0 m区域内出现裂缝以外没观察到其他裂缝产生，但距试坑周围边界18.0 m处却发生了沉降，说明试坑外沉降范围大于裂缝产生的范围。

3.7 试验分析

由于本次试验未布设渗水孔，导致地表湿陷影响范围、浸水影响范围及饱和范围均较其他线路试验所得结果偏大。这主要是因为其他线路试验布设了渗水孔，加速了水的入渗及地基土的饱和，以及入渗水与地下水的联通。布设渗水孔可以加快试验速度，但不能真实反映入渗过程和浸水范围，对安全不利，建议浸水试验不布设渗水孔，以适当增大浸水影响范围及饱和范围。

地区修正系数β0对自重湿陷量的确定起着至关重要的作用，其影响因素较多，与黄土的沉积历史、微观结构、胶结成分、粒径大小、应力条件和试验条件等有关。本试验场地自重湿陷系数现场实测值比室内计算值偏大，这主要是由黄土在实际情况中与室内湿陷试验侧限的影响程度不同造成的。本地区黄土以细颗粒黄土为主，黄土黏聚力较大，浸水过程变形较慢，侧向挤出变形较小，侧限对其影响也较小，因此实测β0也较大。