井彥林，閆 祥，王 超,2，田 威，張銀洲

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710061；2.中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)水電第一總隊(duì)，廣西 南寧 530028；3.中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

1 概述

黃土在我國(guó)分布較廣，很多地區(qū)的黃土具有自重濕陷性且厚度較大[1-2]。黃土的自重濕陷性對(duì)鐵路、公路的路基處理以及黃土邊坡治理措施的選用等起著非常重要的作用[3]。因此，測(cè)算黃土的自重濕陷量，正確評(píng)價(jià)黃土的濕陷性，顯得尤為重要。目前，黃土的自重濕陷量可以通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)計(jì)算以及野外現(xiàn)場(chǎng)試坑浸水試驗(yàn)2種途徑取得。野外試坑浸水試驗(yàn)可以真實(shí)地反映土體實(shí)際的入滲場(chǎng)狀態(tài)，所得到的自重濕陷量以及各種規(guī)律均可反映實(shí)際狀況。這是室內(nèi)試驗(yàn)所不能替代的，但其一般投資費(fèi)用較大，試驗(yàn)周期長(zhǎng)，不能廣泛應(yīng)用于各項(xiàng)實(shí)際工程，因而目前實(shí)際工程常按照GB 50025—2004《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)律》[4]中規(guī)定的方法(即規(guī)范法)進(jìn)行計(jì)算。黃雪峰等[5]對(duì)我國(guó)現(xiàn)有的有代表性的試坑浸水試驗(yàn)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并對(duì)比野外現(xiàn)場(chǎng)試坑浸水試驗(yàn)實(shí)測(cè)以及采用規(guī)范法計(jì)算所得的自重濕陷量，二者之間存在著較大的差異。目前，除我國(guó)采用規(guī)范法(采用自重濕陷系數(shù)來(lái)計(jì)算黃土的自重濕陷量)外，俄羅斯、羅馬尼亞等國(guó)也采用類(lèi)似的方法。該方法是通過(guò)使用黃土的濕陷系數(shù)以及自重濕陷系數(shù)評(píng)價(jià)黃土的濕陷性，而這2個(gè)系數(shù)是通過(guò)有側(cè)限固結(jié)試驗(yàn)測(cè)定的。測(cè)試時(shí)，土試樣放置于不銹鋼環(huán)刀內(nèi)，試驗(yàn)的應(yīng)力狀態(tài)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)狀態(tài)有較大差異。這是導(dǎo)致黃土自重濕陷量的野外現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)測(cè)值與室內(nèi)計(jì)算值差距較大的一個(gè)重要原因。

目前，對(duì)于工程中采用規(guī)范法所得到的計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值之間差距較大問(wèn)題主要從本構(gòu)模型和模量計(jì)算方面進(jìn)行了研究。關(guān)于土體本構(gòu)模型的理論研究，目前已經(jīng)有通過(guò)三軸試驗(yàn)建立的鄧肯-張模型(即雙曲線模型)、彈塑性損傷模型以及修正的劍橋模型等多個(gè)本構(gòu)模型。焦五一[6]提出了采用弦線模量法進(jìn)行黃土自重濕陷量的計(jì)算方法，采用弦線模量法所得到的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值較接近，但由于種種原因，該項(xiàng)研究一直未能深入進(jìn)行，未見(jiàn)到較為成熟的關(guān)于弦線模量測(cè)定方法的相關(guān)報(bào)道。楊光華[7-8]提出用黃土的切線模量進(jìn)行計(jì)算；朱博鴻[9]提出用流變特性計(jì)算黃土的濕陷量?？偟膩?lái)說(shuō)，目前對(duì)于黃土濕陷量計(jì)算方法的研究有很多，但學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為，試圖建立土的本構(gòu)模型來(lái)計(jì)算濕陷量是不現(xiàn)實(shí)的。變形模量是表征土體變形性能的重要指標(biāo)，用于地基變形計(jì)算已取得較好的效果，用變形模量計(jì)算地基變形已被列入JGJ 72—2004《高層建筑巖土工程勘察規(guī)程》[10]。黃土的自重濕陷量是黃土地基變形的一種特殊形式，但其變形機(jī)理、計(jì)算方法與普通的建筑物地基變形又有不同之處。目前尚未見(jiàn)到用變形模量計(jì)算黃土濕陷量方面的文獻(xiàn)，因此，本文對(duì)依據(jù)變形模量計(jì)算黃土自重濕陷量的問(wèn)題進(jìn)行探討，以便為計(jì)算黃土的自重濕陷量提供一條新的途徑。

2 試驗(yàn)場(chǎng)地條件及試樣基本參數(shù)

2.1 取土場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

本試驗(yàn)所用黃土試樣取自西安北郊。場(chǎng)地地貌屬于黃土塬，地面標(biāo)高465 m,分布有厚層風(fēng)積黃土。上部為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積新黃土和殘積古土壤，厚度約13 m。下部為第四系中更新統(tǒng)風(fēng)積老黃土和殘積古土壤，厚度大于30 m。地下水位埋深約28.0 m。該地區(qū)的黃土分層剖面圖如圖1所示。

圖1 黃土分層剖面

2.2 黃土試樣的物理力學(xué)參數(shù)

本次研究室內(nèi)試驗(yàn)采用的試樣取自探井。為了便于將本研究的計(jì)算結(jié)果與野外實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，取樣探井位置選定在一個(gè)實(shí)測(cè)黃土自重濕陷量的野外試坑浸水試驗(yàn)場(chǎng)地附近。該野外試坑浸水試驗(yàn)的試坑直徑為20 m，注水歷時(shí)共48 d，總注水量為 14 011 m3，測(cè)得的自重濕陷發(fā)生的最大深度(即自重濕陷底界深度)為10.5 m，最終自重濕陷量為380.5 mm[11]。

采取試樣的探井最大深度為20 m，取樣間隔1.0 m。各土樣編號(hào)為T(mén)1-1,T1-2,…,T1-20。依據(jù)GB 50025—2004及GB/T 50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[12]在室內(nèi)對(duì)試樣進(jìn)行了濕陷系數(shù)、自重濕陷系數(shù)、密度等物理力學(xué)指標(biāo)測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。試驗(yàn)結(jié)果顯示，黃土的自重濕陷底界深度介于18.0 m～19.0 m。根據(jù)GB 50025—2004,以自重濕陷系數(shù)<0.015 為標(biāo)準(zhǔn)，底界深度約為18.5 m。18.5 m以下黃土的濕陷系數(shù)以及自重濕陷系數(shù)均<0.015?；?0.0 m以下至非濕陷性土層頂面，采用飽和自重壓力，即此時(shí)測(cè)定濕陷系數(shù)以及自重濕陷系數(shù)的壓力均相等?；滓陨?0.0 m范圍內(nèi)濕陷系數(shù)的壓力采用200 kPa。本次室內(nèi)試驗(yàn)基礎(chǔ)埋深按1.5 m考慮，故表1中深度11.5 m以下的濕陷系數(shù)與自重濕陷系數(shù)值相等。

表1 試樣主要巖土參數(shù)

3 黃土自重濕陷量計(jì)算

3.1 用變形模量計(jì)算黃土的自重濕陷量

采用變形模量進(jìn)行黃土自重濕陷量的計(jì)算思路是：黃土浸水后重度增大，自重壓力增加，在土中產(chǎn)生附加應(yīng)力，附加應(yīng)力為浸水前后的自重應(yīng)力之差，根據(jù)傳統(tǒng)力學(xué)理論，依據(jù)附加應(yīng)力及相應(yīng)土層的變形模量即可計(jì)算變形量。變形模量應(yīng)采用靜力載荷試驗(yàn)測(cè)定，但當(dāng)土層埋深較大時(shí)，進(jìn)行浸水靜力載荷試驗(yàn)較困難。為此，變形模量采用計(jì)算法，根據(jù)室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)，先計(jì)算壓縮模量，然后依據(jù)壓縮模量通過(guò)理論公式計(jì)算出黃土的變形模量。

1)計(jì)算分層

先將土層分成若干個(gè)小層，然后進(jìn)行各個(gè)土層應(yīng)力增量的計(jì)算(類(lèi)似于分層總和法)。試驗(yàn)所用土樣取樣間距為1.0 m，因此，在同一地層內(nèi)，分層厚度為1.0 m，若遇地層分界(參見(jiàn)圖1，地層劃分為5層)，則小層的分層界限取地層分界深度。按此原則將計(jì)算土層劃分如下：第1層為0～1.5 m；第2層為1.5～2.5 m;第3層為2.5～3.5 m，……;第13層為12.5～13.4 m;第14層為13.4～14.5 m，……，直至濕陷底界18.5 m。

2)計(jì)算深度的確定

按照室內(nèi)試驗(yàn)，濕陷土層下界深度為18.5 m；根據(jù)野外試坑浸水試驗(yàn)，濕陷土層的下界深度為10.5 m。計(jì)算應(yīng)以野外試坑浸水試驗(yàn)為準(zhǔn)，但為了比較兩種情形計(jì)算結(jié)果的差異，將計(jì)算深度取為18.5 m以及10.5 m分別進(jìn)行黃土自重濕陷量的計(jì)算。

3)各土層豎向自重應(yīng)力與應(yīng)力增量的計(jì)算

根據(jù)黃土的密度、飽和密度等物理參數(shù)分別計(jì)算各個(gè)土層的自重應(yīng)力、飽和自重應(yīng)力以及平均應(yīng)力增量。平均應(yīng)力增量值參見(jiàn)表1。

4)變形模量的確定

圖2 T1-5土樣壓縮曲線

按照GB 50025—2004中的規(guī)定進(jìn)行黃土室內(nèi)試驗(yàn)，測(cè)得黃土的濕陷系數(shù)、自重濕陷系數(shù)等物理參數(shù)。按照雙線法的要求進(jìn)行浸水試樣的固結(jié)試驗(yàn)，試驗(yàn)后繪制e-P(孔隙比-壓力)曲線，根據(jù)實(shí)際應(yīng)力在壓縮曲線上求出相應(yīng)的壓縮系數(shù)，然后計(jì)算出壓縮模量。以T1-5土樣為例，通過(guò)黃土濕陷試驗(yàn)可測(cè)定其在各級(jí)壓力下對(duì)應(yīng)的孔隙比，由此得到壓縮曲線見(jiàn)圖2?？芍?，曲線近似為一條直線，表明土層具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

按照上述方法分別進(jìn)行其他各個(gè)土層壓縮模量的計(jì)算，原理相同。根據(jù)變形模量與壓縮模量之間的關(guān)系確定各個(gè)土層的變形模量，進(jìn)而進(jìn)行黃土自重濕陷量的計(jì)算。各個(gè)土層的壓縮模量以及變形模量參見(jiàn)表1。

根據(jù)以下關(guān)系式進(jìn)行變形模量的計(jì)算

(1)

式中：E0為土的變形模量；μ為土的泊松比；Es為土的壓縮模量。

根據(jù)GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》[13]規(guī)定，一般土的泊松比μ取值原則為：碎石取0.27，砂土取0.30，粉土取0.35，粉質(zhì)黏土取0.38，黏土取0.42。本場(chǎng)地黃土按塑性指數(shù)劃分為粉質(zhì)黏土，故μ取值0.38。

5)自重濕陷量的計(jì)算

根據(jù)下式分別計(jì)算各個(gè)土層的濕陷量

(2)

最終自重濕陷變形量累計(jì)值s為

(3)

式中,n為土層層數(shù)。

計(jì)算深度按18.5 m考慮(參見(jiàn)表1),算得自重濕陷量為678.2 mm。自重濕陷底界深度(即計(jì)算深度)取野外試坑浸水試驗(yàn)實(shí)測(cè)深度(即10.5 m)時(shí)，計(jì)算得到的自重濕陷量為333.6 mm。

3.2 規(guī)范法計(jì)算自重濕陷量

根據(jù)GB 50025—2004規(guī)定，計(jì)算黃土的自重濕陷量時(shí)，因土質(zhì)地區(qū)而異的修正系數(shù)β0取0.9，自重濕陷底界深度按18.5 m考慮，算得黃土的自重濕陷量為 275.8 mm。自重濕陷底界深度取試坑浸水試驗(yàn)的實(shí)測(cè)值10.5 m時(shí)，計(jì)算所得黃土的自重濕陷量為174.6 mm。

3.3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

自重濕陷量的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 自重濕陷量的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值計(jì)算結(jié)果

由表2可以看出，計(jì)算深度若采用18.5 m(即按自重濕陷系數(shù)所確定的自重濕陷土層下限深度)，通過(guò)變形模量法以及規(guī)范法所得到的自重濕陷量的計(jì)算值與試坑浸水試驗(yàn)的實(shí)測(cè)值均有較大的差異，實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的比值分別為0.52，1.38，而野外實(shí)測(cè)的自重濕陷底界深度為10.5 m。若計(jì)算深度取10.5 m，通過(guò)變形模量法所得到的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值較接近，實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的比值為1.14，計(jì)算值相對(duì)誤差為12.3%，而通過(guò)規(guī)范法所得的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值差距較大，在進(jìn)行了眾多的系數(shù)調(diào)整之后，實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的比值為2.23，計(jì)算值相對(duì)誤差達(dá)54.1%。這一結(jié)果表明，變形模量法明顯優(yōu)于規(guī)范法。其主要原因是變形模量所反映的應(yīng)力狀態(tài)等地質(zhì)環(huán)境與野外土的實(shí)際狀況更接近。另一個(gè)原因是，在采用規(guī)范法進(jìn)行計(jì)算時(shí)，濕陷變形量為浸水后的總變形量減去壓縮變形量，而野外浸水試驗(yàn)時(shí)，由于土體飽和，重度增加，產(chǎn)生了附加應(yīng)力使土體發(fā)生變形，所以測(cè)得的總濕陷量包括壓縮變形量在內(nèi)。這個(gè)壓縮變形量相比于濕陷量其值很小，這不是導(dǎo)致采用規(guī)范法計(jì)算誤差較大的主要原因。自重濕陷量的計(jì)算是一個(gè)較為復(fù)雜的問(wèn)題，但理論分析及計(jì)算結(jié)果表明，用變形模量進(jìn)行黃土自重濕陷量的計(jì)算方法有進(jìn)一步深入研究的價(jià)值和必要。

依據(jù)變形模量進(jìn)行黃土自重濕陷量的計(jì)算過(guò)程比較簡(jiǎn)單，在地基計(jì)算中具有較為廣泛的應(yīng)用，JGJ 72—2004將其列為地基變形計(jì)算的方法之一，但欲成功地將其應(yīng)用于黃土的自重濕陷量計(jì)算還有問(wèn)題需要解決。由表2看出，不論采用變形模量法還是規(guī)范法計(jì)算黃土自重濕陷量，自重濕陷底界深度均是關(guān)鍵參數(shù)。目前自重濕陷底界深度可通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)及試坑浸水試驗(yàn)得到，室內(nèi)試驗(yàn)方法簡(jiǎn)單，但與試坑浸水試驗(yàn)結(jié)果相比差異較大，如文獻(xiàn)[5]所述，這不僅影響黃土濕陷類(lèi)型的判斷及自重濕陷量的大小，更重要的是直接影響樁基中性點(diǎn)位置以及地基處理深度的確定，直接關(guān)系著工程造價(jià)與工期。目前，這一問(wèn)題是大厚度自重濕陷性黃土研究方面的焦點(diǎn)之一，通過(guò)研究土的結(jié)構(gòu)性可以解決該問(wèn)題。

4 結(jié)論

1)提出依據(jù)變形模量計(jì)算黃土自重濕陷量的方法，為黃土自重濕陷量的計(jì)算提供了一條新的途徑。

2)進(jìn)行了黃土的濕陷性試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果依據(jù)變形模量計(jì)算得到黃土的自重濕陷量為333.6 mm；野外試坑浸水試驗(yàn)的實(shí)測(cè)值為380.5 mm，對(duì)比結(jié)果顯示，兩者數(shù)值接近，計(jì)算誤差較小，表明本文所提出的計(jì)算方法有進(jìn)一步深入研究的價(jià)值和必要。