汪海濤, 司富安, 段世委, 張愛軍
(1.新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局,新疆 烏魯木齊 830000; 2.水利部 水利水電規(guī)劃設(shè)計總院,北京 100120; 3.西北農(nóng)林科技大學(xué),陜西 楊凌 712100)
黃土主要分布于中國黃河中上游干旱、半干旱地區(qū),主要分布于甘肅、陜西、山西的大部分地區(qū),河南、寧夏、青海、河北的部分地區(qū),新疆維吾爾自治區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)和山東、遼寧、黑龍江等省,局部地區(qū)亦有分布。
當(dāng)粉塵落到干旱、半干旱地區(qū)的地表時,難免受到雨水、霜雪和生物活動等作用,同時這些作用是在弱堿性介質(zhì)的氧化環(huán)境中進(jìn)行的,其結(jié)果便是使粉塵堆積發(fā)生碳酸鹽化。次生碳酸鹽與粉塵中的粘粒結(jié)合構(gòu)成許多微團(tuán)聚集體或微集合體。次生碳酸鹽與粉塵顆粒之間產(chǎn)生的點(diǎn)、線和面連接,導(dǎo)致了黃土中孔隙的形成。同時,次生碳酸鹽與少量的鐵、錳質(zhì)氧化物一起包裹在粉塵顆粒表面,使之呈淡黃色。正是這種碳酸鹽化作用使粉塵堆積變成了淡黃色、疏松多孔、質(zhì)地均一并具粒狀或斑狀結(jié)構(gòu)的黃土。
以劉東升為首的中國第四系地質(zhì)學(xué)家通過對中國黃土的研究,認(rèn)為“黃土是風(fēng)力搬運(yùn)堆積未經(jīng)次生擾動的、無層理的黃色粉質(zhì),富含碳酸鹽并具大孔隙的土狀沉積物,而其它成因的與黃土在某些方面具有類似特征的稱為次生黃土”。
黃土的濕陷性是指黃土浸水后發(fā)生沉陷變形的性質(zhì)。通常在天然濕度下,其壓縮性較低,強(qiáng)度較高,但遇水浸濕后,土的強(qiáng)度顯著降低,在附加壓力或自重壓力下,引起的濕陷變形是一種下沉量大、下沉速度快的失穩(wěn)性變形。濕陷變形的結(jié)果使原土體更加密實(shí),孔隙比減小,干密度增大。
黃土的顆粒組成影響其濕陷性的強(qiáng)弱。黃土中粘粒及膠粒含量越高,濕陷性越弱,濕陷敏感性越差;粉粒含量越高,濕陷性越強(qiáng),濕陷敏感性越強(qiáng)。
表1 部分地區(qū)濕陷性黃土的顆粒組成
黃土干密度的變化范圍一般在1.14~1.69 g/cm3之間。在黃土形成過程中,黃土化作用使得黃土有一定程度的壓密固結(jié),干密度超過某一數(shù)值后,黃土就由濕陷性的轉(zhuǎn)變?yōu)榉菨裣菪缘摹τ邳S土狀粉質(zhì)黏土,當(dāng)干密度達(dá)到1.5 g/cm3以上,一般都屬于非濕陷性。
濕陷性黃土的密實(shí)程度也常用孔隙比或孔隙率來表達(dá)。濕陷性黃土孔隙比的變化范圍為0.85~1.24,大多數(shù)在1.0~1.1之間,孔隙比<0.80時,一般無濕陷性。黃土的一大特點(diǎn)是富含大孔隙,孔隙性是引起黃土濕陷的重要原因。初始孔隙比越大,濕陷性越強(qiáng)。研究表明黃土濕陷性不僅與孔隙的總體積有關(guān),而且與孔隙的大小與形態(tài)有關(guān),黃土中存在的大、中孔隙是黃土產(chǎn)生濕陷的主要原因。
黃土的天然含水量在3.3%~25%之間變化,其大小與場地的地下水位深度和年平均降雨量有關(guān)。在多數(shù)情況下,含水量通常只有6%~10%;土的天然含水量>25%時,一般無濕陷性。對于濕陷性黃土而言,含水率越小,黃土的濕陷性越強(qiáng),反之濕陷性越弱。當(dāng)含水量接近塑限含水量時,濕陷性基本消失。
濕陷性黃土的飽和度在15%~77%之間變化,多數(shù)為40%~50%,亦即處于稍濕狀態(tài)。稍濕狀態(tài)的黃土,其濕陷性一般較很濕的為強(qiáng)。隨著飽和度的增加,濕陷性減弱。當(dāng)飽和度接近于80%時,濕陷性已基本消失。
稠度指標(biāo)包括液限、塑限、塑性指數(shù)和液性指數(shù),它們反映了水對土的性狀的影響。
濕陷性黃土的液限和塑限分別在20%~35%和14%~21%之間變化,塑性指數(shù)大多數(shù)在9~12左右;液限是決定黃土力學(xué)性質(zhì)的一個重要指標(biāo),當(dāng)液限在30%以上時,黃土的濕陷性較弱,且多為非自重濕陷性的。而液限<30%時,濕陷性一般較強(qiáng)烈。
黃土中含有可溶鹽類(如硫酸鹽、碳酸鹽、巖鹽等),鹽類物質(zhì)多附著于土粒表面,與粘土顆粒及水分共同形成混合膠狀結(jié)構(gòu),所以黃土在干燥狀態(tài)下具有較高的強(qiáng)度和凝聚力。但浸水后由于顆粒表面的薄膜水增厚,水溶鹽類被溶解或軟化,強(qiáng)度降低,土體結(jié)構(gòu)遭到破壞,產(chǎn)生濕陷。
沉積時代不同,其濕陷性也有差別。沉積時代越早,其濕陷性越弱,如早更新世的午城黃土和中更新世的離石黃土一般無濕陷性,而上更新世的馬蘭黃土以及全新世的風(fēng)積黃土則具有較強(qiáng)的濕陷性。究其原因,仍可歸結(jié)為土層本身的顆粒組成、孔隙率以及可溶鹽的含量和形態(tài)等內(nèi)在因素。
黃土的成因不同,其濕陷性也有差別。如風(fēng)積黃土濕陷性較強(qiáng),而沖積或洪積等成因的次生黃土的濕陷性則相對較弱或沒有濕陷性。
黃土濕陷的外因包括水和荷載,其作用是顯而易見的。附加荷載越大,黃土濕陷性越強(qiáng)。
綜上所述,黃土的濕陷性實(shí)際上是黃土孔隙結(jié)構(gòu)的遇水破壞以及起膠結(jié)作用的可溶鹽遇水溶解過程的綜合反映,即黃土的干密度由小到大的變化過程。而黃土顆粒間的空架結(jié)構(gòu)(大孔隙)為濕陷變形提供了空間。
(1)通過地質(zhì)測繪合理劃分黃土的沉積時代和成因。由于時代不同,成因不同,其工程地質(zhì)特性與濕陷特性有較大差異,一般來講,新黃土濕陷性比老黃土強(qiáng),風(fēng)積黃土較次生黃土強(qiáng),次生黃土濕陷性一般較弱或沒有濕陷性,在試驗資料分析整理時應(yīng)分類統(tǒng)計。
(2)在勘察時一定要分層取樣試驗。大多數(shù)地區(qū)的黃土濕陷性都是隨著深度變化的,查清不同深度黃土濕陷性變化情況,才能確定黃土的最大濕陷厚度,計算出黃土的最大濕陷量。
(3)在取樣試驗時,還要區(qū)分判別其屬于自重濕陷性黃土和非自重濕陷性黃土,這兩者在濕陷特性上有著一定區(qū)別,對于渠道工程勘察很重要。
(4)對于自重濕陷性黃土來說,在土體自重荷載下,黃土含水量增高飽和即可發(fā)生濕陷變形,其濕陷性取決于兩個方面:一是土體自重;二是土體含水量增高飽和。
(5)對于非自重濕陷性黃土來說還要測試其濕陷起始壓力,確定其產(chǎn)生濕陷的附加荷載條件。
(6)濕陷性黃土經(jīng)過碾壓擊實(shí)后,其濕陷性可以消除,濕陷性黃土可以用作填筑土料。
目前普遍使用《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》進(jìn)行勘察評價,濕陷性黃土的濕陷程度根據(jù)濕陷系數(shù)δs值的可分為:
(1)當(dāng)0.015≤δs≤0.03時,濕陷性輕微。
(2)當(dāng)0.03<δs≤0.07時,濕陷性中等。
(3)當(dāng)δs>0.07時,濕陷性強(qiáng)烈。
測試濕陷系數(shù)δs的試驗壓力規(guī)定:基底下10 m內(nèi)的土層用200 kPa,10 m以下至非濕陷性土層頂面,應(yīng)用其上覆土的飽和自重壓力(當(dāng)>300 kPa壓力時,仍使用300 kPa)。圖1是新疆某引水工程黃土濕陷系數(shù)、濕陷壓力與深度關(guān)系曲線圖。
由上圖可以看出,壓力越大濕陷性越強(qiáng),濕陷深度越大。相反,壓力越小濕陷性越弱,濕陷深度越小。由于渠道工程由挖方渠道、填方渠道、半挖半填渠道及渠系建筑物組成,其附加荷載變化很大,既有加載也有減載。所以,渠道工程勘察應(yīng)分析渠道建設(shè)中各種典型斷面的附加荷載情況和黃土濕陷特性變化情況,不同斷面選取不同的濕陷壓力,并根據(jù)所對應(yīng)濕陷系數(shù)、濕陷厚度、濕陷量進(jìn)行濕陷性分析評價。
圖1 黃土濕陷系數(shù)與深度關(guān)系曲線圖
①濕陷使得渠基下沉,渠坡產(chǎn)生裂縫,渠道防滲系統(tǒng)遭到破壞;②渠堤局部濕陷沉降過大,超過渠堤設(shè)計超高,渠道漫堤而決口;③渠基兩側(cè)邊坡由于黃土濕陷而坐滑坍陷,造成渠坡破壞,有的堵塞渠槽而使渠水漫堤決口。
黃土抗沖蝕能力差,很多黃土地區(qū)可以見到由于降雨而形成陷穴和黃土巖溶。作為黃土地區(qū)一種獨(dú)特而重要的土壤侵蝕方式,土壤洞穴侵蝕早就引起人們的關(guān)注,經(jīng)過國內(nèi)外眾多學(xué)者將近一個世紀(jì)的不懈努力,初步形成了機(jī)械侵蝕說、溶蝕說、多因素綜合成因說等三種學(xué)說。土壤洞穴侵蝕模式可以概化為:沖蝕—貫通型、潛蝕—沖蝕—貫通型、濕陷—潛蝕—貫通型、沖蝕—潛蝕—濕陷—潛蝕—貫通型以及復(fù)合型五種模式。這在渠道破壞形式上主要表現(xiàn)為:①渠水沿大的濕陷裂縫產(chǎn)生集中滲流,機(jī)械侵蝕和沖淘作用使渠堤潰決;②渠道運(yùn)行過程中,由于土壤洞穴侵蝕而形成聯(lián)通渠外的滲漏通道或滲漏管道,造成渠道的滲漏,在半挖半填渠道或斜坡地段易進(jìn)一步發(fā)展為渠道決口。
黃土地區(qū)常常發(fā)育有較多的黃土洞穴,黃土洞穴按其誘發(fā)因素可分為地質(zhì)作用洞穴、動植物誘發(fā)洞穴以及人工洞穴。所謂地質(zhì)作用洞穴,是指水流沿地層節(jié)理、層理或界面(如構(gòu)造節(jié)理、垂直節(jié)理、濕陷節(jié)理、沉積層理、巖性差異界面等)侵蝕而產(chǎn)生的黃土洞穴,以及水流在有利的地形條件下沖蝕而產(chǎn)生的黃土洞穴;動植物誘發(fā)洞穴指水流沿動物巢穴(如鼠穴、蛇穴等)及植物根系侵蝕而產(chǎn)生的黃土洞穴;人工洞穴則是由于人類工程活動直接形成或間接誘發(fā)的黃土洞穴。渠水沿著渠槽和渠堤下的黃土洞穴、古墳?zāi)埂⒐鸥G洞或黃土構(gòu)造裂隙、滑坡裂隙等隱患的集中滲流造成渠堤侵蝕潰決。
從影響黃土濕陷性的各種因素出發(fā),目前通過以下三個途徑對濕陷性黃土地基進(jìn)行處理:一是通過地基處理,破壞黃土的原有結(jié)構(gòu),達(dá)到消除地基黃土的全部或部分濕陷性,此類處理方法包括預(yù)浸水法、強(qiáng)夯法、墊層法、擠密樁法等;二是通過采取防滲措施,避免地基黃土浸水產(chǎn)生濕陷,通常采用的防滲措施包括混凝土襯砌、土工膜防滲、地面防水、排水溝等;三是通過結(jié)構(gòu)措施減小黃土地基不均勻沉降,或使結(jié)構(gòu)適應(yīng)地基的變形。在處理方案的選擇上應(yīng)從以下幾個方面分析:
要注意區(qū)別黃土是自重濕陷性還是非自重濕陷性,自重濕陷性黃土在地基處理上可以采用預(yù)浸水法處理,而非自重濕陷性黃土不能采用預(yù)浸水法處理。
預(yù)浸水法處理,就是對于自重濕陷性黃土地基,在建筑物修筑前,先將地基充分浸水,使其在自重作用下發(fā)生濕陷,改善土層結(jié)構(gòu)和基本特性,以達(dá)到消除其自重濕陷性的目的。一般來講,該方法優(yōu)點(diǎn)是處理范圍廣,同時可以消除地下裂隙、洞穴等不良隱患,不需要大型施工機(jī)具,施工方法簡單,費(fèi)用較低。缺點(diǎn)是耗時太長,往往影響工期。此外,該方法需要大量用水,對于水源缺乏的干旱地區(qū),該方法不適用。
根據(jù)這些年對預(yù)浸水法處理方法的跟蹤研究發(fā)現(xiàn),預(yù)浸水法還有以下幾個特點(diǎn):①浸水面積過小時不能產(chǎn)生充分濕陷,當(dāng)浸水場地尺寸大于濕陷性黃土層厚度時,濕陷才能充分發(fā)生。浸水面積應(yīng)根據(jù)建筑物的平面尺寸和濕陷性黃土層的厚度確定,浸水坑最小邊長應(yīng)為濕陷性土層厚度的1.0~1.5倍。②預(yù)浸水法需要較長的時間,一般厚度10 m的土層浸水就需要90-150 d。浸水坑表層2 m在停水40-60 d可達(dá)到固結(jié)干燥,2 m以下固結(jié)干燥時間達(dá)6-8個月,這要求被處理的土層及下伏地層要具有良好的排水條件,否則處理時間還會更長。③預(yù)浸水法能夠消除大部分土層的自重濕陷性,使地基性能變好,但淺部2~4 m的土層濕陷性不能完全消除,具有再次浸水發(fā)生濕陷變形的特征,因此需要在首次浸水停止后2-3個月,再次進(jìn)行浸水。④僅適用地基沒有附加荷載的工況,處理后的地基強(qiáng)度低,壓縮性大,如果基礎(chǔ)上部工程具有附加荷載,則預(yù)浸水處理后的黃土在附加荷載作用下,仍具有濕陷性。
有些工程為提高浸水處理速度和效果,采用加速浸水的辦法,在浸水試坑中布置注水孔,孔距3~5 m,孔深8~15 m,孔內(nèi)填充砂礫石。這一方法有成功的,也有失敗的。新疆某引水電站工程,渠道沿線為濕陷性黃土,液限28.9%,塑限16.4%,塑性指數(shù)12.5,粘粒含量25.6%,天然含水量5.3%~16.6%,干密度1.21~1.37 g/cm3;屬于自重濕陷性黃土,采用200 kPa試驗壓力,距地表0~20 m以內(nèi)濕陷性系數(shù)為0.095~0.15,屬強(qiáng)濕陷;距地表20~30 m,濕陷性系數(shù)為0.031 5~0.057 6,屬中等濕陷;30 m以下為非濕陷性黃土。在地質(zhì)測繪中,可以發(fā)現(xiàn)多處地表低洼地帶,由于降雨積水而形成的碟形濕陷陷穴,可見該土層抗沖蝕能力極弱,在加速浸水后,由于孔內(nèi)有十幾米的水頭,僅3 d下部土層很快被沖蝕破壞,形成試坑塌陷,見照片1。
照片1 新疆某引水電站加速預(yù)浸水試驗試坑塌陷情況
要根據(jù)荷載情況合理選擇處理方法。從高填方到深挖方,對黃土地基來講,荷載變化很大。深挖方渠段減載較多,但浸水后,仍可以由于浸水壓密作用使得黃土出現(xiàn)一定量的沉降,其抗沖蝕能力較弱,仍然具備產(chǎn)生潛蝕破壞的可能性,需要做防滲處理;半挖半填渠道由于有一定量的附加荷載,根據(jù)濕陷起始壓力判斷很多黃土渠基存在濕陷性問題,需要做濕陷性防治處理;填方渠道渠基具有較大的附加荷載,濕陷性較強(qiáng),不管渠堤采用什么材料填筑,渠基仍然可能由于渠基滲漏或外水作用而浸濕產(chǎn)生濕陷,處理深度要根據(jù)附加荷載大小分段確定。如若處理不徹底,由于濕陷導(dǎo)致不均勻沉降而產(chǎn)生渠堤裂縫,可造成渠道防滲系統(tǒng)的破壞,加大渠道滲漏,渠水順渠堤裂縫沖蝕、潛蝕產(chǎn)生潰堤決口。
濕陷性黃土地基處理方法的選擇要考慮濕陷性黃土的厚度。預(yù)浸水法、強(qiáng)夯法、墊層法、擠密樁法其適用條件各不相同,預(yù)浸水法的優(yōu)劣前面已經(jīng)講了。強(qiáng)夯法的處理有效深度一般為6~8 m,強(qiáng)夯法亦稱動力固結(jié)法,通過重錘的自由下落,對土體進(jìn)行強(qiáng)力夯實(shí),以提高其強(qiáng)度,降低壓縮性。該方法設(shè)備簡單,適用廣泛,特別是對非飽和土加固效果顯著;加固地基速度快,效果好,投資省,是當(dāng)前經(jīng)濟(jì)簡便的地基加固方法之一。
影響強(qiáng)夯處理深度與效果的主要有兩個方面:①強(qiáng)夯的單位夯擊能,應(yīng)根據(jù)施工設(shè)備、黃土地層的時代、厚度以及要求的處理有效深度確定。②黃土地基土的含水率太低,夯擊時表層土容易松動,夯擊能量消耗在表層土上,深部土層不易夯實(shí),消除濕陷性黃土層的有效深度小;含水率過高,夯擊時容易出現(xiàn)“橡皮土”。
由于強(qiáng)夯法夯擊能量大,施工震動大,且噪聲大,一般對于在村莊附近或高邊坡渠道、傍山渠道的地基處理時,不宜采用強(qiáng)夯法。
擠密法是采用擠土成孔或非擠土成孔方式在地基中成孔,并分層填料,夯實(shí)或夯擴(kuò)成樁。擠密作用可發(fā)生在成孔、成樁過程中,從而使得樁間土性能得到改良。其次,樁體由于材料置換與擠密作用,強(qiáng)度也得到提高。
《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》中規(guī)定,擠密法處理深度<12 m時宜采用擠密成孔法,>12 m時可采用預(yù)鉆孔擠密法??變?nèi)填料一般采用素土或灰土,必要時可采用強(qiáng)度高的水泥土等。擠密地基,在基底下一般還要設(shè)置50 cm厚的灰土或素土墊層。
當(dāng)濕陷性黃土厚度大,上述地基處理措施不能滿足建筑物要求時,可以采用樁基礎(chǔ)。樁型的選擇應(yīng)根據(jù)工程要求、場地濕陷類型、濕陷性黃土層厚度、樁端持力層的土質(zhì)、施工條件和場地周圍的環(huán)境等因素確定。自重濕陷性黃土場地樁基設(shè)計中,應(yīng)考慮樁側(cè)的負(fù)摩阻力。
擠密法和樁基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)是處理厚度大,處理效果好,缺點(diǎn)是造價高。
墊層法是將建筑物基底以下濕陷性土層全部或部分挖除,然后以水泥土、灰土或素土分層回填夯實(shí)。在濕陷性黃土地區(qū)使用較廣泛,具有因地制宜、就地取材和施工簡便等特點(diǎn),通過處理基底下部分濕陷性黃土層,可以減小地基的濕陷量。
該方法原本是一種淺層處理濕陷性黃土地基的傳統(tǒng)方法,處理深度一般為1~3 m,處理厚度超過3 m時,挖、填土方量大,工期長、投資大。但是通過進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),墊層法對于挖方渠道來講,既適用淺層處理,將濕陷性黃土全部翻夯處理,也適用深厚濕陷性黃土地區(qū),因為通過墊層處理后,墊層的防滲效果得以發(fā)揮,使得墊層下部原狀黃土處于不飽和狀態(tài)。
以新疆某引水電站黃土渠道模型計算為例,原狀黃土滲透系數(shù)k=1×10-4cm/s,下部冰積礫石層k=1×10-2cm/s ,墊層厚2 m,墊層滲透系數(shù)分別為k=3.6×10-5cm/s和k=1×10-6cm/s,不考慮渠道板膜防滲的作用。計算結(jié)果見圖2-圖4。
圖2 渠道不防滲運(yùn)行渠基滲流結(jié)果
圖3 渠道采用墊層防滲k=3.6×10-5 cm/s時滲流結(jié)果
圖4 渠道采用墊層防滲k=1×10-6 cm/s時滲流結(jié)果
當(dāng)原狀黃土滲透系數(shù)k=1×10-4cm/s,渠道不防滲運(yùn)行,渠基黃土增濕飽和,具備發(fā)生濕陷性的條件(見圖2);采用墊層防滲處理,墊層厚2 m,k=3.6×10-5cm/s時,渠基黃土增濕并接近飽和,仍然具備發(fā)生濕陷性的條件(見圖3);當(dāng)墊層滲透系數(shù)k=1×10-6cm/s時,由于墊層滲透系數(shù)較小,墊層滲透系數(shù)與原狀黃土滲透系數(shù)相差100倍,此時,渠基黃土含水量不會達(dá)到黃土濕陷起始含水量,渠基不會產(chǎn)生濕陷,也不會產(chǎn)生潛蝕破壞(見圖4)。目前,中國各地的黃土翻夯滲透系數(shù)一般均可以達(dá)到k=1×10-6cm/s左右,灰土墊層和水泥土墊層的滲透系數(shù)可以達(dá)到k=1×10-7cm/s,所以說這一研究成果對于黃土濕陷性處理研究具有普遍意義。
(1)決定黃土濕陷性的內(nèi)在因素主要包括黃土的顆粒組成、孔隙比、天然含水率、可溶鹽含量等,影響黃土濕陷性的外在因素則是水和附加荷載。所以在分析評價時要充分考慮工程建成運(yùn)行后黃土地基增濕情況和附加荷載情況。
(2)濕陷性黃土渠道工程出現(xiàn)的破壞形式有多種,黃土特性也包括濕陷性、潛蝕特性、直立特性等等,在研究處理方案時不能僅僅考慮濕陷性這一個方面。
(3)在處理方案研究時,應(yīng)從經(jīng)濟(jì)、合理、可行三個方面充分論證,填方渠道黃土地基處理方案與挖方渠道黃土地基處理方案完全不同,墊層法處理挖方渠道黃土渠基具有很好的效果。
參考文獻(xiàn):
[1]王新華,焦正華.黃土地區(qū)引調(diào)水線路工程地質(zhì)勘察調(diào)研報告[R].咸陽:陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院,2010.
[2]李喜安,彭建兵,鄭書彥,田安家.濕陷性黃土地區(qū)土壤洞穴侵蝕模式研究[J].水土保持研究,2005,12(6):25-27.