趙金剛，呂遠強，晁 軍，楊 喆，夏 蒙

典型黃土–古土壤系列浸水滲透及濕陷變形規(guī)律

趙金剛，呂遠強，晁 軍，楊 喆，夏 蒙

(中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054)

為查明典型黃土–古土壤系列地層結構的水分運移及濕陷變形規(guī)律，依托西安北至機場城際軌道項目于渭北黃土塬區(qū)所進行的大型試坑浸水試驗，采用現(xiàn)場實時觀測的方法，跟蹤測試了無滲水孔條件下的濕陷性土層浸水滲透及濕陷變形。結果表明：在浸水前期，滲透水流以垂直運動為主，整體形態(tài)似一不斷加大的“秤砣”形，隨著水分運移至埋深較大土層時(約15.0 m)，水平運動開始加大，直至達到水分入滲擴散角界限，最終，浸潤區(qū)及飽和區(qū)均呈現(xiàn)形似倒置“漏斗”的形態(tài)；受水分擴散的影響，沉降過程可劃分為：初始浸水段–劇烈濕陷段–濕陷穩(wěn)定段–停水孔壓消散段–固結沉降段–沉降穩(wěn)定段；古土壤層阻礙了水分的垂直滲透速度，并對其上土層的側向擴散起到一定促進作用，停水后，則起到隔絕水分向下快速擴散的作用。研究結果為認識典型黃土–古土壤系列場地水分運移及濕陷變形規(guī)律提供了參考，也可為該地區(qū)未來工程建設提供指導及借鑒。

黃土–古土壤系列；試坑浸水試驗；水分擴散；濕陷變形；渭北黃土塬區(qū)

濕陷性和滲透性是黃土類土最主要的工程地質特征[1]。自重濕陷性黃土場地的濕陷變形是工程建設中的難點問題，也是工程建設中必須解決的關鍵問題，不僅決定著工程地基處理方案的合理選擇和設計，而且嚴重影響著工程投資與施工進度。解決這些問題的根源在于查清黃土的工程地質特征，關鍵在于查清黃土的濕陷變形和滲透(水分運移)規(guī)律。

國內許多學者在此方面進行了大量的相關研究，在黃土地區(qū)先后開展了不同規(guī)模的大型原位浸水試驗[2-7]，研究浸水條件下的濕陷變形；羅奇斌等[8]對浸水過程中的含水量及土壓力變化進行了測試；劉春龍等[9]對巴基斯坦地區(qū)的濕陷性黃土進行了專門研究；韓琳等[10]通過樁基浸水加載試驗，得出濕陷對樁體變形和受力均有較大影響；葉萬軍等[11]對溫度變化條件下重塑黃土的水分遷移規(guī)律進行研究，為黃土場地濕陷性的研究做出了貢獻。近年來，蘇立海等[12]通過大型浸水試驗，研究浸水場地的水分運移規(guī)律，得出浸潤區(qū)及飽和區(qū)呈“橢圓形”的規(guī)律；黃雪峰等[13]則得出水分運移形態(tài)近似“梨”狀分布；馬閆等[14]、尚銀生等[15]在設注水孔條件下進行浸水試驗，得出水分從上下向中間運移的結論；李佳等[16]、姚志華等[17]、羅曉鋒等[18]、康寧等[19]通過現(xiàn)場浸水試驗，分別得出水分運移形態(tài)呈“豎直向橢圓形”“水平向橢圓形”“開口喇叭形”分布的規(guī)律。

從前人研究認識可以看出，水是誘發(fā)黃土產生濕陷的關鍵外因，因此，研究黃土的滲透性是進行濕陷性研究的前提和基礎。早期科研手段較為落后，多數研究成果主要以測試各試驗點的自重濕陷量為主；目前，現(xiàn)場浸水試驗加大了對場地水分運移規(guī)律的研究力度，但試驗結果多限于浸水后的水分擴散形態(tài)、入滲角及其與最終濕陷范圍的關系等方面；對水分運移過程及其與濕陷變形發(fā)展相關性，以及對水分擴散產生影響的地層結構方面有待進一步研究。

黃雪峰等[2]指出，現(xiàn)場浸水試驗可以真實地反映土體實際的入滲場狀態(tài)。鑒于此，筆者在西安北至機場軌道跨越渭北黃土塬的自重濕陷性場地進行大型試坑浸水試驗，跟蹤測試整個入滲場地的浸水滲透和濕陷變形過程，旨在為認識典型黃土–古土壤系列地層結構的水分運移及濕陷變形規(guī)律提供一定的試驗基礎，以期為濕陷性黃土地基處理方案的合理選擇和設計提供依據，為該地區(qū)未來工程建設提供指導和借鑒。

1 試 驗

1.1 場地條件

表1 研究區(qū)土層主要物理力學指標

注：表中10.4~11.0數據表示厚度最小值~最大值；各地層主要物理力學指標均為平均值；參考試坑鄰近勘探點測試指標給出。

1.2 浸水試坑設計

現(xiàn)場整平后，開挖直徑為25.0 m、深度0.5 m的圓形浸水試坑；坑底鋪設一層厚度10 cm的碎石，粒徑為1~3 cm。地面沉降觀測淺標點以試坑圓心為中心，在互成120°的、、共3個方向軸布設沉降觀測淺標點43個，其中，試坑內地表設淺標點19個(水平間距1.0~2.0 m)；試坑外設淺標點24個(水平間距1.0~5.0 m)，最遠距試坑外20.0 m。深部沉降觀測標點布置在試坑內、、軸上，分別與、、軸呈夾角30°，每條測線交錯布置8個深標點，埋設深度2.0~24.0 m，共計24個深標點。試坑設計如圖1所示。

1.3 水分計布置

水分傳感器可以實時記錄測點的含水率變化情況，分別在浸水試坑內外不同位置及深度處埋設水分傳感器，實時記錄各傳感器的變化時間及過程，即可得出水分運移及時空變化規(guī)律。在浸水試坑內西東兩側開挖探井TJ1、TJ2(圖1)，深度為25.0 m，在垂向上均按5.0 m間距刻槽安裝水分傳感器共計10個，其中編號SJ1—SJ5安裝在西側TJ1探井中，SJ6—SJ10安裝在東側TJ2探井中。確定水分計工作正常后，利用預先篩好的素土回填探井并分層夯實。浸水試坑外采用預鉆孔方式布置2排水分計，每排3個，編號SJ11—SJ13埋深均為8.0 m，距試坑邊分別為2.0、4.0、6.0 m；SJ14—SJ16埋深均為16.0 m，距試邊3.0、6.0、9.0 m。水分計布置剖面如圖2所示。

1.4 水位觀測孔布置

為進一步監(jiān)測試驗期間水分在浸水試坑外側土層內的運移情況，在試坑外側布置SW1、SW2兩個水位觀測孔，采用鉆機成孔，過濾器采用孔眼PVC管，孔周圍用砂礫石填充，孔深均為25.0 m，第1個水位觀測孔距試坑邊3.0 m，兩孔間距3.0 m(圖1)。

1.5 試驗過程

于2014年11月28日開始往浸水試坑內注水，2015年1月14日停水，歷時48 d，總注水量為14 011 m3。每天使用精密水準儀對各沉降標點進行觀測，并測量水位，水分計數據采用儀器進行自動采集，頻率為1次/h；同時，對試坑周圍裂縫出現(xiàn)的時間、擴展延伸情況，裂縫與試坑邊距離、裂隙寬度和間距、錯臺高差等進行觀測。停水后，在試坑外東側完成zk1—zk5鉆孔5個(圖1)，并按間隔0.5 m采取土樣進行含水率及飽和度測試，以確定浸水影響范圍。

圖1 浸水試坑設計及觀測點布置方案

圖2 水分計布置剖面

2 浸水試驗成果分析

2.1 水分擴散規(guī)律

2.1.1 水分垂直運動(試坑內)

以試坑內SJ1、SJ6及SJ10為例，繪制含水率歷時變化情況，如圖3所示，其他相同深度內水分傳感器變化規(guī)律類似，在此不再贅述；圖中拐點表明濕潤鋒達到該傳感器深度的時間，并迅速達到飽和狀態(tài)。

圖3 試坑內含水率隨浸水時間變化曲線

從圖3中可以看出以下規(guī)律。

a. 浸水期間 水分垂直運移至試坑西側SJ1耗時3 d，出現(xiàn)拐點，曲線激增；至東側SJ6耗時4 d，隨后土體含水量并未產生較大變化，整體較為平穩(wěn)。

浸水期間，水分運移至SJ10處耗時19 d，在隨后過程中，土體含水量經歷第1次陡降再回升、第2次陡降再平穩(wěn)的階段，且試坑內10.0 m以下水分傳感器均產生類似現(xiàn)象，究其原因認為：3-1-1新黃土的濕陷變形及3-2-1、4-2-1古土壤層的相對隔水作用，共同導致此類現(xiàn)象的發(fā)生。在浸水前期，3-1-1新黃土層逐漸發(fā)生濕陷，土體密度增加，水分向下擠出，導致下部土體含水量短期內增大，產生第1次峰值；此外，濕陷變形使該土層滲透系數降低，加之3-2-1古土壤層的相對隔水作用，使其下土層水分短期內無法自上部補給，土體含水率下降，產生第1次陡降；隨著注水的持續(xù)進行，上下土層之間水力逐漸連通，下部土體含水率再次回升，產生第2次回升；在浸水后期，水分的水平向擴散開始加大，向下補給減小，使深部土體含水量再次減小，形成第2次陡降。

b. 停水后 因淺部地層水分在大氣影響條件下較易擴散，5.0 m深度處土體含水量均逐漸減小，而25.0 m深度土體含水量未發(fā)生較大變化。

2.1.2 水分側向運動(試坑外)

圖4為試坑外側2.0、3.0 m位置不同深度含水率歷時變化情況，表2為試坑內外各測點水分傳感器拐點日期統(tǒng)計數據。

圖4 試坑外含水率隨浸水時間變化曲線

表2 水分初次到達水分計的耗時

從圖4和表2可以看出：

水分側向擴散至試坑外側2.0 m處耗時10 d，此時，試坑內垂直向入滲深度已至15.0 m；水分擴散至試坑外側3.0 m耗時14 d，相同時間內，試坑內垂向入滲深度已至21.0 m；由此說明，在浸水入滲前期，滲透水流以垂直運動為主，側向擴散較小。

停水后，試坑外側各水分計均未出現(xiàn)較大變化，曲線較為平緩；說明停水開始至觀測結束，試坑內土體水分仍在產生向外的側向擴散。

2.1.3 試驗過程中水分擴散形態(tài)

以表2中各拐點獲取的濕潤鋒到達測點時間綜合確定試驗過程中水分擴散形態(tài)(圖5)。在此基礎上，通過試坑內傳感器埋深、試坑外各測點距坑邊水平距離與耗時之比得出試坑內外各測點的滲透系數，以此繪制豎直向、水平向滲透系數的變化曲線(圖6、圖7)；為便于分析，引入豎徑比概念，即同一時間點試坑內垂直入滲深度與試坑外水平擴散距離之比，表征水分在豎直向及水平向的擴散關系(圖8)。

圖5 試驗過程中水分滲流形態(tài)示意

圖6 豎直向滲透系數隨深度變化曲線

圖7 水平向滲透系數變化曲線

從表2及圖5—圖8可以看出，雖然試坑內外同一土層或同一層位中滲透系數因土性、垂直節(jié)理分布不均勻等原因而存在一定差異，但其總體分布及變化仍呈現(xiàn)一定規(guī)律。

①從表2、圖5可知：浸水15 d后，試坑內平均入滲深度已至25.0 m，而試坑外側水平擴散距離僅3.0~4.0 m，水平向滲透系數(平均值0.265 m/d)遠低于垂直向(1.49 m/d)，浸潤線整體形態(tài)似一不斷加大的“秤砣”形，再次說明了試坑浸水前期，滲透水流以垂直運動為主。

圖8 不同深度豎徑比歷時變化曲線

②從圖6可知，在3-1-1黃土層中，滲透系數隨著深度的增加逐漸減小，受3-2-1古土壤層相對隔水作用的影響，該層上下滲透系數均較?。凰诌M入4-1-1老黃土層中后，滲透系數增大，在4-2-1古土壤層隔水作用的影響下，滲透系數再次降低。

⑤圖6及圖8表現(xiàn)出類似的規(guī)律，由此表明，相對隔水的古土壤層阻礙了水分垂直滲透速度，體現(xiàn)出典型黃土–古土壤系列地層的滲透規(guī)律。

2.1.4 試驗結束時水分擴散形態(tài)

a. 豎向影響范圍確定 根據試坑內水分計測試結果，注水15 d時，25.0 m位置的水分計讀數已開始變化，浸水試驗實際注水48 d，期間水文觀測孔(SW1、SW2)在22 d、25 d依次出現(xiàn)穩(wěn)定水位(11.0 m、13.5 m)，表明25.0 m以上的地基土達到充分飽和。

b.水平向影響范圍確定 依據停水后試坑外東側完成的5個鉆孔(編號zk1-zk5，如圖1所示)所采取浸水后土樣的含水率及飽和度測試結果，與TJ2探井所測浸水前的初始含水率進行對比，得出各鉆孔偏離浸水前含水率的深度，結合試坑外水分計讀數，由此確定最終浸潤線的范圍；進而，統(tǒng)計各鉆孔測試所得飽和度大于85%的土樣深度，繪制飽和范圍，最終浸潤區(qū)、飽和區(qū)范圍如圖9所示。

圖9 試驗結束時浸潤區(qū)及飽和區(qū)范圍

從圖9可以看出：

①浸水試驗結束后，浸水影響范圍形狀類似一個倒置的漏斗，浸潤區(qū)與飽和區(qū)的影響范圍隨深度的增加而逐漸增大；最終，3-2-1古土壤層以上(濕陷土層厚度內)浸潤區(qū)與試坑邊緣垂直線約50°，飽和區(qū)與試坑邊緣垂直線約42°，古土壤以下分別為41°及27°。

②通過與試驗過程中水分滲流形態(tài)(圖5)對比可知，水分的擴散并不是一開始就按照固定的入滲角向下入滲，該入滲角隨著入滲時間及深度的不斷增加而逐漸擴大。

③結合圖6及圖8可以得出，古土壤層降低水分的垂直滲透速度，對其上土層的水平向擴散起到一定的促進作用，因此，試驗結束時，浸潤線和飽和區(qū)在古土壤層處略微向外突出。

2.2 水分擴散與濕陷變形關系探討

2.2.1 地表濕陷變形特征

限于篇幅，本次挑選軸位于試坑內的1、5標點和試坑外7、11共4個淺標點為代表(圖10)，分析水分擴散與濕陷變形的關系，其余標點規(guī)律類似，不再贅述?？梢缘贸?，受水分擴散過程的影響，整個浸水試驗沉降過程可分為6個階段。

a. 初始浸水ab段 自注水開始，該階段持續(xù)時間4 d，濕潤鋒入滲深度可達5.0 m，因上部土層未達到濕陷起始含水率，日平均沉降約0.7 mm/d。

b. 劇烈濕陷bc段 隨著濕潤鋒向下擴散，上部土層達到飽和并隨即發(fā)生劇烈濕陷，單日最大濕陷量53.6 mm，發(fā)生于注水開始第7 天，此時濕潤鋒下滲深度達10 m(接近全部濕陷土層厚度)，隨后單日濕陷量逐漸降低，日濕陷量介于3.4~26.8 mm，該階段持續(xù)時間為6 d。

c. 濕陷穩(wěn)定cd段 經劇烈濕陷變形后，大部濕陷性土層已完成自重濕陷，此階段沉降包括2部分：隨著飽和區(qū)向下擴散，剩余濕陷性土層產生的自重濕陷量；因上部飽和土體自重壓力作用而產生的少量固結；該階段持續(xù)時間38 d，日平均沉降約5.0 mm/d。

d. 停水孔壓消散de段 該階段平均沉降變化很小，持續(xù)時間約2 d，受下部多層古土壤隔水作用的影響，水分無法快速自下部擴散，其主要擴散途徑為自然蒸發(fā)及側向擴散。

圖10 地表累計沉降過程曲線

e. 固結沉降ef段 隨著表層土體孔壓的逐漸消散，土體逐層產生固結沉降，該階段持續(xù)時間7 d，單日最大沉降量18.0 mm。

f. 沉降穩(wěn)定fg段 日均沉降約2 mm/d，沉降變形區(qū)域穩(wěn)定。

2.2.2 水分擴散與濕陷影響范圍的關系

以—軸沉降過程曲線為例(圖11)，結合前述分析結果，探討水分擴散與濕陷影響范圍的關系。

①地面沉降在試坑中心附近最為劇烈，在浸水起始階段，濕陷在軸率先開始沉降，隨著時間推移，逐步擴展至整個試坑，最終呈較為規(guī)則的“U”字形對稱分布。經過分析，因試坑內不同部位土性、垂直節(jié)理分布不均勻，土層達到飽和的時間不一致，進而導致起始段沉降不均勻，后期在濕陷性土層均完成自重濕陷后，沉降逐步過渡至對稱分布。

②在12月2日(浸水第5 天)，軸南側距試坑邊1.0~3.0 m開始出現(xiàn)第一道裂縫，從前文分析可知，此時濕潤鋒側向擴散較小(不到1.0 m)，因此，該處裂縫的出現(xiàn)主要因試坑內濕陷沉降而產生的側向拉伸所致。

③隨著水分水平向滲透運動的不斷進行，試坑外側土體逐步產生自重濕陷，受入滲擴散角影響，該部分濕陷僅發(fā)生于下部地層，其影響范圍及裂縫出現(xiàn)的位置不斷外擴。

④試驗終止前，入滲擴散角基本達到試驗階段最大值，此時，下部飽和區(qū)土層濕陷基本結束，濕陷變形趨于穩(wěn)定，且試坑外側不再出現(xiàn)新的裂隙。

圖11 A—C軸地表沉降歷時曲線

3 水分擴散、濕陷變形及地層結構關系探討

試驗區(qū)位于渭北黃土塬區(qū)典型的黃土–古土壤系列地層上，特殊的地層結構致使該地區(qū)滲透及濕陷規(guī)律與其他黃土地區(qū)存在一些差異。

①水分的垂向擴散(尤指飽和區(qū)的擴散)直接影響著濕陷變形的發(fā)展，濕潤鋒擴展較淺時，沉降也較小，最大單日濕陷量產生于濕潤鋒垂直滲透至10 m深度(接近全部濕陷土層厚度)的時間；主要濕陷土層均達到飽和狀態(tài)后，濕陷變形進入穩(wěn)定階段。

②水分的側向擴散對濕陷平面影響范圍起到關鍵作用，浸水前期，濕潤鋒側向擴散較小，此時坑外變形為坑內濕陷而產生的側向拉伸，隨著側向擴散的不斷進行，入滲擴散角不斷擴大，坑外下部飽和區(qū)土層不斷濕陷，直至擴散角達到本次試驗最大值，其平面影響范圍趨于穩(wěn)定。

③浸水階段，起相對隔水作用的古土壤層阻礙了水分垂直滲透速度，并對其上土層的水平向擴散起到一定促進作用；停水階段，下部多層古土壤層隔絕了水分向下擴散的通道，導致其上土層水分擴散主要依靠自然蒸發(fā)及側向滲透。

④濕陷變形對水分的擴散存在一定影響，在注水過程中，上部土層不同階段的濕陷變形導致土體壓密，密度的增大使土體含水量減??；此外，上部土體水分的擠出可引起下部土體含水量增大。

4 結論

a. 水分擴散的入滲角隨著入滲時間及深度的不斷增加而逐漸擴大；在浸水前期，滲透水流以垂直運動為主，整體形態(tài)似一不斷加大的“秤砣”形；水平運動在豎直滲透至15.0 m時開始加大，直至達到水分入滲擴散角最大值，最終，浸潤區(qū)及飽和區(qū)均呈現(xiàn)形似倒置“漏斗”形態(tài)。

b. 受水分擴散的影響，整個浸水試驗沉降過程可分為6個階段：初始浸水段、劇烈濕陷段、濕陷穩(wěn)定段、停水孔壓消散段、固結沉降段和沉降穩(wěn)定段。

c. 古土壤層的相對隔水作用，在浸水階段阻礙水分在垂直方向的滲透，并在一定程度上增強其上土層的水平向擴散；在停水階段則限制水分的向下擴散；由于古土壤層在浸水及停水階段對水分運移的阻礙、限制作用，構成了典型黃土–古土壤系列地層結構特有的水分運移特征。

d. 黃土濕陷變形的產生、發(fā)展及最終形態(tài)，與水分的擴散及發(fā)展息息相關，自重濕陷性土層內飽和區(qū)的垂向擴散直接影響著濕陷變形的發(fā)展，其側向擴散對濕陷平面影響范圍起到關鍵作用。

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The law of soaking infiltration and collapse deformation in typical loess-paleosol series

ZHAO Jingang, LYU Yuanqiang, CHAO Jun, YANG Zhe, XIA Meng

(China Coal Xi’an Design Engineering Co. Ltd., China National Coal Group Corp., Xi’an 710054, China)

In order to investigate the law of moisture migration and collapse deformation of the typical loess-paleosol series, on the basis of water immersion test of the large test pits of Xi’an North-airport intercity rail transit in the loess tableland of Weibei, the real-time in-site observation was adopted, the soaking infiltration and collapse deformation of collapsible soil layer under conditions of non water seepage hole were traced and tested. The results show that: The movement of water immersion is dominated by vertical movement in the early stage. The whole form is like a continuous increase of “weight” shape. As the water moves to the deeper layer (about 15.0 m), the horizontal movement begins to increase until it reaches the boundary of water diffusion angle; The infiltrating and saturation area appear like inverted “funnel” form; secondly, under the influence of water diffusion, settlement can be divided into the following stages: the initial soaking stage-the drastic collapsible stage-the collapsible stable stage-the dewatering pressure dissipation stage-the consolidation settlement stage-the settlement stable stage; The paleosol layer hinders the vertical penetration rate of water and promotes the lateral diffusion of the upper layer . The research results provide a solid foundation for understanding the water migration and the law of collapsible deformation of the typical loess-paleosol series, also guidance and reference for the future project construction in this area.

loess-paleosol series; soaking test; water infiltration; collapsible deformation; loess tableland of Weibei

TU444

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.022

1001-1986(2020)03-0152-08

2019-12-05；

2020-04-26

趙金剛，1985年生，男，河南新密人，博士，工程師，從事地質工程研究工作. E-mail：276071760@qq.com

趙金剛，呂遠強，晁軍，等. 典型黃土–古土壤系列浸水滲透及濕陷變形規(guī)律[J]. 煤田地質與勘探，2020，48(3)：152–159.

ZHAO Jingang，LYU Yuanqiang，CHAO Jun，et al. The law of soaking infiltration and collapsible deformation in typical loess-paleosol series[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(3)：152–159.

(責任編輯 周建軍)