兰州新区大厚度湿陷性黄土宏细观参数试验研究

徐硕昌，刘德仁，王旭,2，杨佳乐，张渊博，陈伟南

(1. 兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070；2. 兰州交通大学 道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室，甘肃 兰州 730070)

湿陷性黄土是一种具有中等强度和压缩性的非饱和土[1-2]。由于其对水的特殊敏感性，一旦遇水浸湿，强度将会大幅降低，并在上覆土层自重压力或附加压力下发生显著的湿陷变形[3-5]。我国湿陷性黄土分布于西北、东北、华中和华东部分地区，约占我国领土面积的6.6%，其中西北地区黄土具有分布广、厚度大、湿陷性强的显著特点[6]。随着我国发展到了“两个一百年”的历史交汇期，“一带一路”倡议等重大国家战略的实施给中西部地区带来了巨大的机遇和挑战。郑西高铁和宝兰客专等国家重点铁路项目的建设，为提升黄土地区的交通运输能力和促进中西部地区经济社会的可持续发展提供了重要的支撑。随着工程建设规模越来越大，黄土地区工程问题不断凸显，黄土地区工程的防灾减灾问题由于其普遍性、迫切性和前沿性等成为岩土工程领域研究的新热点。武小鹏等[7-10]开展现场浸水试验，对不同地区原状黄土场地浸水后的水分入渗过程、湿陷变形特征、裂缝发展情况、水分扩散形态及影响范围等进行研究分析，并对场地的湿陷性进行评价。黄雪峰等[9]研究强降雨条件下，水分入渗诱发地裂缝活化机制。翁效林等[11-13]针对黄土地层浸水后对地铁隧道的影响问题，进行了隧道结构力学响应的模型试验及数值模拟研究，揭示了黄土地层浸水湿陷变形对地铁隧道的影响机制，并提出湿陷性地基剩余湿陷量控制标准。WANG 等[14]选取不同含水率的土样进行多次压缩试验，探讨了浸水压缩条件下黄土物理指标与结构屈服强度的关系，提出了一种评价黄土反复湿陷的方法。叶万军等[15-17]对长期降雨作用下黄土边坡的雨水入渗规律及边坡稳定性变化情况进行了研究。邵生俊等[18-19]在黄土隧道地表进行现场浸水试验，通过对浸水过程中地层沉降和隧道结构的力学响应的测量和分析，揭示了黄土隧道场地的湿陷变形特征及其对隧道结构的影响。以上针对黄土地区工程在浸水作用下的灾变问题研究，为相关工程的勘察设计、地基处理及工程建设提供了很好的参考依据。本文在已有相关研究经验的基础上，以中兰铁路兰州新区段大厚度黄土为研究对象，开展室内试验及现场浸水试验，研究场地黄土的宏观、微观结构参数随土层埋深的变化规律，并将现场试验测得的自重湿陷系数与室内试验结果进行对比分析。通过本次试验得到的相关结论可为兰州新区的工程建设提供一定参考。

1 试验概况

1.1 物理力学参数试验

试验用土取自新建中兰铁路兰州新区南站附近的大厚度黄土场地，采用人工开挖探井的方式进行取样，土体基本物理指标见表1。

表1 土体基本物理指标Table 1 Basic physical properties of soil

将取得的原状黄土试样密封包装后运回实验室，在室内进行物理力学参数试验，测试并计算矿物成分、含水率、干密度、孔隙比、自重湿陷系数、渗透系数和内摩擦角等参数随土层埋深的变化情况。

1.2 微观结构试验

1.2.1 试验方法

电镜扫描试验采用JSM-5600 LV型扫描电子显微镜进行，其分辨率为3.5 nm，测试电压为20 kV。将原状黄土试样自然风干后取小块，喷金后进行电镜扫描，得到5～30 m 深度处原状黄土放大500 倍、1 000 倍和2 000 倍的图像，通过对比选用1 000倍的图像观察原状黄土体微观结构形态。

1.2.2 微观特征定量参数

根据不同深度原状黄土试样的SEM 图像，按式(1)～(4)分别计算其面孔隙率、平均形状系数、分形维数和定向概率等微观结构定量参数，进行微观结构分析。

式中：D为孔隙平均孔径，μm；Ai为单个孔隙面积，μm2；m为孔隙总数。

式中：n为面孔隙率，%；Av为孔隙总面积，μm2；A为图像面积，μm2。

式中：F为平均形状系数；Pai为与孔隙面积相同的等效圆的周长，μm；Pi为孔隙周长，μm。

式中：D为分形维数；Pd为多边形等效周长，μm；Ad为与之对应的多边形面积；C为常数。

1.3 现场浸水试验

在新建中兰铁路兰州新区南站附近开展现场浸水试验，得到场地浸水后的自重湿陷系数，与室内试验结果进行对比分析。依据室内试验结果可知，该场地土层湿陷性的下限深度为22 m 左右，根据《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB 50025—2018)[20]要求，设计浸水试坑为直径24 m，深0.5 m，坑底铺设15 cm 厚的砂砾石。试验共布设沉降监测点81 个，其中浅标点51 个，在3 个互相呈120°角的方向上呈放射状布置；坑底以下布置深标点30 个，最深的深标点埋深为30 m。另外，试验设置基准点和固定观测点各1个。

现场浸水试验采用水车注水，试验过程中控制水头高度保持在50 cm 左右，试验场地全貌如图1 所示。试验从开始注水至停止一共历时290 d，其中观测初值3 d，注水期122 d，停水后观察期为165 d，总共注水5 449 m3。试验过程中每天对沉降标进行监测记录。

图1 浸水试验场地全貌Fig.1 A complete view of the waterlogged test site

2 试验结果分析

2.1 物理力学参数试验

根据室内物理力学参数试验，测试得到原状黄土的相关物理力学参数如图2～4 和表2～3所示。

表2 原状黄土物理参数试验结果Table 2 Experimental results of physical parameters of undisturbed loess

图2 土样粒径分布曲线Fig.2 Particle size distribution curves of soil sample

根据图2 可知，5 m 深度处砂粒含量占比为8.4%，15 m 处降为7.9%，25 m 处为6.9%，分别降低7.3%和21.8%；15 m 和25 m 深度处粉粒含量大致相等，分别为79.3%和79.8%，5 m 处减少为76.4%；黏粒含量在15 m 和25 m 深度处分别为12.8%和13.2%。

从图3可知，不同深度处原状黄土各种矿物成分的含量略有差异，但石英含量均为最高，为53.90%～59.52%；长石和方解石含量次之，为10.77%～15.44%；伊利石在深度为5 m 时为8.75%，深度为20 m 时增加至17.77%，深度为30 m时又降至10.25%；白云石和绿泥石含量较少，分别为2.97%～4.05%和1.15%～1.98%。

图3 不同矿物成分含量随深度变化情况Fig.3 Variation of mineral composition with depth

根据表2可知，不同埋深黄土的含水率和干密度随深度增加而增大，但总体变化范围较小。深度为2 m时，含水率为6.5%，干密度为1.30 g/cm3，深度为30 m 时，含水率为8.4%，干密度为1.54 g/cm3，相比2 m 深度时分别增加了18.46%和29.23%，表明随着埋深增加，上覆土压力增大，土体越来越密实。深度从2 m 增加至30 m 时，孔隙比从1.08 减小至0.71，自重湿陷系数从0.142 降至0.006，且22 m 以下的黄土自重湿陷系数小于0.015，根据《规范》[20]可知，室内实验测得该场地自重湿陷深度为22 m。

图4为渗透系数随深度变化曲线，可知渗透系数随深度增加而逐渐减小。5 m 深度处的渗透系数为3.45×105mm/s，在15 m深度处为3.05×105mm/s，随着深度继续减小， 30 m 深度处减小至1.98×105mm/s。随着土体埋深增加，土体的干密度逐渐增大，导致渗透系数减小。

图4 渗透系数随深度变化曲线Fig.4 Curve of permeability coefficient with depth

根据原状黄土的三轴剪切试验，测得不同深度黄土的内摩擦角和黏聚力如表3所示。可知不同深度黄土的内摩擦角在15.04°～17.35°变化，黏聚力范围为32.77～38.65 kPa。

表3 土体黏聚力和内摩擦角随深度变化情况Table 3 Variation of cohesion and internal friction angle with depth

2.2 原状黄土微观结构试验结果

根据电镜扫描试验，得到不同深度原状黄土的SEM 图像，利用ⅠmageJ 软件对图像进行处理，并获取微观结构参数，分析不同深度微观结构排列方式及孔隙变化规律。电镜扫描图像如图5(a)～5(f)所示。

图5 不同深度处电镜扫描图像Fig.5 Electron microscope scanning images at different depths

根据图5 可知，5，10 和15 m 深度的土颗粒以粒状颗粒为主，骨架轮廓较为清晰，颗粒间的连接方式多为点-点接触和点-边接触，明显可见很多较大孔隙。深度增加至20～30 m 时，粒状颗粒减少，由细颗粒集聚或胶粒状物质胶结而成的集粒、凝块占比增加，土颗粒棱角变得模糊，较大土颗粒互不接触，呈分散分布。表明土体结构随着深度增加而变得密实，颗粒间紧密接触，颗粒间连接方式由点接触或棱边接触过渡到面面接触，挤密镶嵌结构越来越明显。同时，浅层土体中大孔隙比较发育，随着深度增加，较大孔隙逐渐减少，孔隙多为粒间孔隙和集粒、凝块内的粒内孔隙。

根据电镜扫描图像提取并计算土体孔隙的微结构参数如表4 和图6 所示。其中，平均孔径表示与孔隙面积相等的等效圆的直径，用来描述孔隙的大小。面孔隙率为孔隙面积与图像面积的比值，一定程度上能够反映土体孔隙比大小。平均形状系数是描述孔隙形态的定量参数。分形维数反映孔隙结构复杂程度[21]，值越大表示孔隙结构越复杂。

表4 原状黄土孔径分布随深度变化情况Table 4 Variation of pore size distribution with depth in undisturbed loess

表4 所示为不同深度原状黄土孔径分布情况。随着深度增加，土体越来越密实，大、中、小孔隙占比减小，微孔隙显著增多。5 m 深度处大孔隙、中孔隙和小孔隙占比分别为8.19%，11.48%和42.63%，15 m 深度分别减少至3.75%，7.50%和37.50%，到30 m 深度处，中、小孔隙占比为19.64%和3.57%，无大孔隙出现。

根据图6可知，面孔隙率和分形维数随深度增加呈减小趋势。原因是，在自重压力作用下，深层土体受到强烈的挤压作用，越深处土体越密实，大孔结构减少，孔隙结构趋于稳定，均一性增强，表现为分形维数减小和面孔隙率减小，这与宏观孔隙比和湿陷系数随深度增加而减小是对应的。为了减小误差，对孔隙形状系数取平均值，得到平均形状系数随深度变化情况如图6 所示。可知，5 m 深度处孔隙的平均形状系数为0.34，20 m 处为0.36，30 m 深度处增大至0.37，说明埋深增加时，土体孔隙趋于圆滑，空间排列越发紧密，表现为孔隙逐渐减小，干密度增加，原状黄土的湿陷性减弱。

图6 原状黄土孔隙微观参数随深度变化曲线Fig.6 Curve of pore microscopic parameters changing with depth in undisturbed loess

2.3 室内与现场自重湿陷系数对比分析

2.3.1 场地沉降量

现场浸水试验历时290 d，根据实测的沉降数据，绘制不同深度自重湿陷量随时间变化曲线如图7所示。

图7 不同深度自重湿陷量随时间变化曲线Fig.7 Curves of self-weight collapse with time at different depths

根据图7统计不同深度土层最终的累计沉降量如表5所示。可知，随着土层埋深增加，沉降量逐渐减小。埋深3 m 的深标沉降量最大，达到108.5 cm，埋深6 m 深标的沉降为67.8 cm，埋深19.5 m 的深标沉降了15.81 cm，埋深24 m 的深标累计沉降5.16 cm，根据图8 可得该深度土体自重湿陷系数为0.008，小于0.015，表明现场浸水试验测得该场地的自重湿陷下限深度为24 m，而室内试验测得自重湿陷下限深度为22 m，分析其原因是，现场试验过程中，由于土层存在局部的不均匀性，造成了室内试验和现场试验得到的自重湿陷下限深度略有差异。另外，从矿物成分来看，0～20 m 伊利石平均含量12.89%，大于25～30 m的9.32%，故0～20 m 的土层湿陷性相对强烈，沉降量较大。

表5 不同深度土层累计沉降量统计Table 5 Statistics of accumulated settlement of soil layers at different depths

图8 原状黄土场地自重湿陷量系数计算结果Fig.8 Calculation results of self-weight collapsibility coefficient of undisturbed loess site

2.3.2 室内与现场自重湿陷系数对比分析

根据表5可得各黄土层的实测自重湿陷量，除以土层厚度，即为现场浸水试验测得的自重湿陷系数。如图8中所示，将室内和现场测得自重湿陷系数进行对比分析。

根据图8可知，现场浸水试验和室内试验测得的自重湿陷系数存在一定的差异，但二者随深度的变化趋势基本相同，均随深度增大而显著减小。深度为8，10 和12 m 时，现场测得自重湿陷系数0.022，0.029 和0.012，室 内 为0.099，0.097 和0.094，二者在数值上差异较大；0～6 m 范围内，原位试验测得自重湿陷系数0.123～0.136，室内为0.108～0.142，随着深度继续增加，18 m 深度处，分别为0.037 和0.038，24 m 深度处分别为0.008 和0.007，2 种方法测得的自重湿陷系数差别相对较小。其原因为，室内自重湿陷试验时，土样饱和较为充分，而现场试验过程中，受水分扩散距离的影响，土层饱和程度有一定差异；同时，受约束摩擦效应和地层差异的影响，室内土样和现场土层受力情况差别较大，也是引起2种方法测得湿陷系数存在差异的原因。因此，根据室内自重湿陷试验得到的自重湿陷系数并不能准确代表现场土层湿陷变形的实际情况。

3 结论

1) 原状黄土的物理力学参数随深度增加呈现出规律性变化。不同深度处原状黄土各种矿物成分的含量略有差异，石英含量均为最高，为53.90%～59.52%；含水率和干密度随深度增加增长，但总体变化范围较小；深度从2 m增加至30 m时，孔隙比从1.08 减小至0.71，自重湿陷系数从0.142 降至0.006，且22 m 以下的黄土自重湿陷系数小于0.015，故室内试验得到该黄土场地的自重湿陷下限深度为22 m 左右，与原位浸水试验得到的结果基本一致。

2) 宏观物理参数试验和土体微观结构能够较好地对应。根据电镜扫描试验，上部黄土的颗粒以粒状颗粒为主，颗粒间的连接方式多为点-点接触和点-边接触，大孔隙比较发育；随着深度增加，黄土中集粒和凝块占比增加，挤密镶嵌结构越来越明显，大孔结构减少，孔隙结构趋于稳定。表现为干密度增加，湿陷性减弱，微孔隙大幅增加，大、中、小孔隙相对减少，面孔隙率和分形维数减小，平均形状系数增大。

3) 受土体饱和程度、约束摩擦效应和地层差异等的影响，现场浸水试验和室内试验测得的自重湿陷系数存在一定的差异，但二者随深度的变化趋势基本相同，均随深度增大而显著减小。深度为8～12 m 时，二者在数值上差异较大；其他深度时，2 种方法测得的自重湿陷系数差别相对较小。