基于数理分析模型的湿陷性黄土试验研究及处理措施探讨

何乔意

（新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司 新疆乌鲁木齐 830000）

0 引言

湿陷性黄土在中国西北地区尤其是新疆地区分布范围较广，湿陷性黄土的危害性极其明显，湿陷性黄土的湿陷性强弱常常与其微结构特征、土壤含水量、土壤干密度、土壤饱和度等因素有关。本文结合新疆喀库水库工程，对该工程的土样进行天然干密度、天然含水率、土壤饱和度、湿陷系数等试验研究。运用数理统计方法将土壤密度、土壤饱和度、湿陷系数进行研究分析，综合评判研究土的湿陷性，同时提出解决措施，为水利工程的工程质量提供保证。

1 工程概况

喀库水库工程是一座引水注入式水库，该工程由引水渠道、水库工程及输水渠道三部分组成。在河道上新建一处渠首，经新建渠首及引水渠道将水引入喀库水库，经喀库水库调蓄后，由供水灌溉洞及输水渠道至老渠首处，后经已建渠系进入田间进行灌溉。引水工程包括新渠首、引水渠道及配套建筑物；喀库水库工程包括大坝、溢洪道和供水灌溉洞。其中引水渠道全长12.8 km，渠道的基础坐落在低液限粉土层上，由于引水渠道距离长，且粉土层的湿陷情况复杂，设计方案针对引水渠道地基进行了湿陷性试验专项研究。

2 引水渠道湿陷性黄土试验研究分析

分别在全长12.8 km 的引水渠道布置16 个试验探坑，平均每800 m 布置一个。探坑开挖深度7 m，取样深度为6 m，探坑内每隔1 m 取土样1 组，共计取样96 组，对其进行天然干密度，含水率、湿陷系数等相关试验，计算其土壤饱和度。

2.1 土的湿陷等级划分

土的湿陷性，应按室内浸水后压缩试验，在一定压力（一般为200 kPa）下测定的湿陷系数δs进行判定，并应符合下列规定：1）当δs＞0.015 时，定义为湿陷性黄土，当δs＜0.015 时，定义为非湿陷性黄土。2）湿陷性黄土的湿陷程度划分，应符合下列规定：当0.015≤δs≤0.030 时，定义为湿陷性轻微；当0.030＜δs≤0.070 时定义为湿陷性中等；当δs＞0.070 时，定义为湿陷性强烈。

2.2 土的干密度与湿陷系数关系研究

分别将96 组试样的干密度和湿陷系数进行统计可以发现：1）96 组试样中干密度＜1.30 g/cm3的试样为1 组，干密度介于1.30～1.40 g/cm3的试样有10 组，干密度介于1.40～1.50 g/cm3的试样有43 组，干密度介于1.50～1.60 g/cm3的试样有29 组，干密度介于1.60～1.70 g/cm3的试样有11 组，干密度＞1.70 g/cm3的试样有2 组。2）96 组试样中湿陷系数＜0.015 的为19 组，湿陷系数＞0.015 为77 组。3）通过对其干密度与湿陷系数的关系图形可以大致看到，绝大多数具有湿陷系数的试样，其干密度＜1.60 g/cm3。在密度＞1.60 g/cm3的13组试样中，仅有1 组试样的湿陷系数＞0.015，其余式样的湿陷系数均＜0.015。说明该工程的天然干密度达到1.60 g/cm3后，普遍为非湿陷性土，对其工程的影响很小。土的干密度与湿陷系数相关关系图详见图1。

图1 土的干密度与湿陷系数关系图

2.3 土的饱和度与湿陷系数关系研究

分别将96 组试样的湿陷系数与饱和度进行汇总绘图分析，结果发现：1）饱和度＜40%的有17 组，饱和度介于40%～50%的有15 组，饱和度介于50%～60%的有19 组，饱和度介于60%～70%的有8 组，饱和度介于70%～80%的有10 组，饱和度介于80%～90%的有11组，饱和度介于90%～100%的有16 组。2）当饱和度＜40%时，17 组试样中仅仅只有1 组试样湿陷系数＜0.015，其余16 组试样以中等湿陷和强烈湿陷为主，少量具有轻微湿陷。饱和度介于40%～70%的42 组试样中有20 组试样湿陷系数＜0.015，其余试样分别具有不同程度的湿陷，主要以中等湿陷和轻微湿陷为主。在饱和度＞70%的37 组试样中可以看到，37 组试样中仅有1 组湿陷系数＞0.015，其余36 组试样的湿陷系数均＜0.015。3）通过数理统计还可以发现，当土的饱和度＞70%时，大部分的试样是非湿陷性土，说明土的饱和度越低，具有湿陷性的概率越大，且湿陷等级越高。随着饱和度的上升，土具有湿陷性的概率越来越小。土的饱和度与湿陷系数相关关系图详见图2。

图2 土的饱和度与湿陷系数关系图

2.4 土的含水率与湿陷系数关系研究

分别将96 组试样的湿陷系数与饱和度进行汇总绘图分析，结果发现：1）含水率＜10%的有11 组，含水率介于10%～20%的有48 组，含水率介于20%～25%的有21 组，含水率大于25%的有16 组。2）当含水率＜10%时，11 组试样中仅只有1 组试样湿陷系数＜0.015，其余10 组试样以中等湿陷和强烈湿陷为主，少量具有轻微湿陷；含水率介于10%～20%的48 组试样中有20 组试样湿陷系数＜0.015，其余试样分别具有不同程度的湿陷，但主要以中等湿陷和轻微湿陷为主。含水率介于20%～25%的21 组试样中可以看到，21 组试样中仅有6 组湿陷系数＞0.015，其余15 组试样的湿陷系数均＜0.015，湿陷以轻微湿陷为主。3）含水率＞25%的16 组试样湿陷系数均＜0.015。4）通过数理统计还可以发现，当土壤的含水率＞23%时，大部分的试样是非湿陷性的，说明土的含水率越低，具有湿陷性的概率越大且湿陷等级较高。随着含水率的上升，具有湿陷性的概率越来越小。这个结果与土的饱和度的结果十分相近。土壤含水率与土壤湿陷系数相关关系图详见图3。

图3 土的含水率与湿陷系数相关图

该工程引水渠道位于低液限粉土层上，通过试验测定低液限粉土的湿陷性系数δs=0.063，湿陷等级为中等—强烈湿陷级。为消除粉土湿陷性，可以选择增加土壤的干密度、含水率或饱和度。根据《湿陷性黄土地区建筑标准》（GB50025-2018）[1]和《水工建筑物地基处理设计规范》（SL/T792-2020）[2]及参照相关已建工程案例，输水渠道地基粉土推荐采用强夯处理。引水渠道地基经处理后的合格标准为：夯实后干密度＞1.60g/cm3；在有效加固深度内，土的湿陷系数δs均应＜0.015。建议对该引水渠道进行强夯处理，如果强夯不能够消除该工程土的湿陷性，则采用其他施工方案。

3 湿陷性地基处理常见方法及优缺点探讨

新疆由于湿陷性黄土种类繁多，每种土的工程特性又有着巨大的差异。结合工程实践及本工程黄土特性对湿陷处理方案进行探讨。

1）增加含水率+强夯方案：由于湿陷性黄土的饱和度普遍较低，饱和度低的根本原因是土的天然含水率较低，当土的含水率过低时，采用较大的夯击能也不能消除黄土的湿陷。本方案主要是通过注水，提高引水渠地基土含水率，使其尽量接近最优含水率。但是夯击能的控制要根据影响深度来分别确定。优点是操作简单，造价适中，可以借鉴的工程案例较多[3-4]。缺点是施工周期较长，尤其是对粉土进行含水率制备的过程较为复杂。含水率过高或者过低都会影响最终的强夯效果。

2）地基砂砾石换填方案：本方案对引水渠以下黄土进行砂砾料换填，常用换填指标：（1）级配连续，Cu≥5，且Cc=1～3；（2）最大粒径≤80mm；（3）粒径小于0.075mm的颗粒含量≤10%；（4）相对密度到达设计要求即可，分层夯实，分层厚度根据现场试验确定。优点是换填方法较为常规，施工条件简单。缺点是换填砂砾石透水率较大，后期易形成渗漏通道，不利于工程安全，且须增加临时占地及水土保持措施，施工手续较繁琐。

3）地基水泥土换填方案：在现状已强夯的引水渠地基上，对表层采用水泥土换填。参考类似工程经验，水泥土中水泥与土的配合比为1∶9，压实指标为压实系数≥0.93 或≥0.95。具体配比等参数需在工地现场选取代表性的土样进行击实试验后确定。优点是施工材料可就地取材，水泥可统一购买，施工场地和设备均具备条件，且施工条件简单，施工周期短，造价较低。缺点是施工中水泥与原土的配比需严格控制，施工过程中质量把控难度较大。

4 结语

本次试验研究的结果可知，当土的干密度≥1.60g/cm3、饱和度≥70%、含水率≥23%时，三个条件同时具备，土的湿陷可以基本消除。这个结论与国内外其他大型工程的研究成果十分相近。说明土的干密度小，土壤含水率低，土壤饱和度低是造成土壤具有湿陷性的主要原因。工程设计、施工中应根据土的不同物理特性，采取经济、快捷、有效的处理方案，达到消除湿陷的目的。