羅曉鋒，尚海麗，鄭有偉，李偉華，王艷艷，張宏偉

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)與煤炭學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.包頭市第四中學(xué)，內(nèi)蒙古 包頭 014020；3.內(nèi)蒙古科技大學(xué)工程訓(xùn)練中心，內(nèi)蒙古 包頭 0140102；4.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710072)

隨著“十三五”規(guī)劃的實(shí)施，我國(guó)西部地區(qū)迎來了大發(fā)展，基建項(xiàng)目日益增多，近幾年呈現(xiàn)出從低階地向高階地、從平原區(qū)向高原區(qū)甚至溝壑地帶發(fā)展的態(tài)勢(shì).濕陷性黃土在我國(guó)中西部地區(qū)覆蓋最廣、厚度最大，尤其以隴西、隴東和渭北黃土塬區(qū)最為典型.

濕陷性黃土具有孔隙大、壓縮性高、承載力低等特性，受水浸濕后產(chǎn)生急劇且量大的變形，造成建筑物地基失穩(wěn)，道路毀壞.目前，評(píng)價(jià)濕陷性黃土場(chǎng)地的方法主要有室內(nèi)壓縮試驗(yàn)，其易用性和可行性得到業(yè)內(nèi)人士一致認(rèn)可，同時(shí)也指導(dǎo)了大量工程建設(shè)；但其缺陷也日益凸顯，如土樣尺寸、受力狀態(tài)和代表性等對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠性的影響.其次，《濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)》[1](以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)中推薦使用的修正系數(shù)也已無法滿足目前大厚度高階地渭北黃土塬區(qū)“高、大、長(zhǎng)、重”等工程建設(shè)的需求.

因此，針對(duì)濕陷性黃土，采取更加可靠合理的評(píng)價(jià)方法是改進(jìn)目前黃土場(chǎng)地評(píng)價(jià)的有效途徑，《規(guī)范》[1]推薦使用原位浸水試驗(yàn).一些學(xué)者也進(jìn)行了形狀各異、不同地區(qū)原位浸水試驗(yàn)[2-6]，但大多集中在隴西、隴東和關(guān)中等典型黃土地區(qū)，如姚志華等[7]對(duì)蘭州地區(qū)大厚度濕陷性黃土的浸水試驗(yàn)研究，王治軍等[8-10]對(duì)隴東地區(qū)慶陽(yáng)董志塬濕陷性黃土的研究，武小鵬等[11]對(duì)鄭西高鐵沿線濕陷性黃土的研究等.而對(duì)渭北黃土塬區(qū)濕陷性黃土研究較少，尤其對(duì)銀西沿線(銀川—百色高速公路區(qū)段)陜西渭北高原黃土塬區(qū)溝壑地帶的研究少之又少，也未進(jìn)行過大型原位浸水試驗(yàn).本文依據(jù)銀西高速公路及某制藥大廈所在地，在渭北黃土塬區(qū)溝壑地帶選擇有代表性黃土場(chǎng)地，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)大型浸水試驗(yàn)，研究其浸水過程中黃土的濕陷變形規(guī)律.

1 試驗(yàn)概況及方法

1.1 場(chǎng)地概況

試驗(yàn)場(chǎng)地位于陜西省旬邑縣太村鎮(zhèn)東側(cè)，地貌單元為渭北黃土塬區(qū).通過探井揭露，場(chǎng)地具備試驗(yàn)條件，25 m深度范圍內(nèi)地層自上而下主要由新近堆積土、新黃土、古土壤和老黃土組成，地層平穩(wěn)，層理清楚，分布連續(xù).地下水埋藏較深，38 m深度范圍內(nèi)未見地下水，無其它不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)和早期人類活動(dòng)遺跡.試驗(yàn)場(chǎng)地地層巖性如表1，土樣物理力學(xué)指標(biāo)如表2.

表1 場(chǎng)地黃土地層巖性

表2 土樣主要物理力學(xué)指標(biāo)

1.2 浸水試坑設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)為莊稼地，經(jīng)平整后布設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)和探井，通過探井揭露和查閱相關(guān)文獻(xiàn)[1，12]，將試坑設(shè)計(jì)為直徑25 m、深度80 cm的圓坑，坑底鋪設(shè)一層厚度10 cm的砂礫石，粒徑1～3 cm；為浸潤(rùn)充分，在試坑內(nèi)均勻布設(shè)12個(gè)深20 m的滲水孔，孔內(nèi)用砂礫石充填，滲水孔不和各種觀測(cè)標(biāo)點(diǎn)重合.

1.3 觀測(cè)標(biāo)點(diǎn)布設(shè)

以試坑圓心為中心，在互成120°的A，B和C3條測(cè)線上布設(shè)地面沉降觀測(cè)淺標(biāo)點(diǎn)63個(gè)，每條測(cè)線上21個(gè)，其中試坑內(nèi)21個(gè)，試坑外42個(gè)，最遠(yuǎn)的布設(shè)在試坑外25 m處；同樣，在互成60°且與A，B，C軸不重和的E，F(xiàn)，G及其反向延長(zhǎng)線E′，F(xiàn)′和G′上布設(shè)深部沉降觀測(cè)標(biāo)點(diǎn)42個(gè)，每條測(cè)線上7個(gè)，埋置深度3～21 m(如F3表示F測(cè)線上埋深3 m的點(diǎn)，其它以此類推)，全部位于坑內(nèi)，最深的在試坑底部21 m深度處，詳細(xì)布設(shè)情況如圖1所示.

圖1 浸水試坑總體設(shè)計(jì)圖

1.4 試驗(yàn)過程

本次浸水試驗(yàn)歷時(shí)56 d，選在降水量較少的春季.其中第1階段按照當(dāng)?shù)啬昶骄邓拷瑲v時(shí)9 d；第2階段浸水37 d，直到飽和后停水，停水后繼續(xù)監(jiān)測(cè)，直到穩(wěn)定，歷時(shí)10 d；3階段共消耗水量15 735 m3.每天固定人員固定儀器按時(shí)對(duì)各沉降標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)儀器采用瑞士產(chǎn)精密水準(zhǔn)儀，按二級(jí)變形測(cè)量精度要求進(jìn)行；同時(shí)，對(duì)試坑周圍裂縫出現(xiàn)的時(shí)間、寬度、間距及裂縫擴(kuò)展等情況進(jìn)行觀測(cè)記錄.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 室內(nèi)試驗(yàn)

通過室內(nèi)土工試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，17 m以上土層濕陷量較大，18～22 m范圍內(nèi)土層濕陷量較小.根據(jù)《規(guī)范》[1]，試驗(yàn)場(chǎng)地位于中國(guó)黃土分區(qū)Ⅱ類區(qū)，修正系數(shù)βo取1.20，計(jì)算得到場(chǎng)地的自重濕陷量Δzs為38.40 cm，因此為自重濕陷性黃土場(chǎng)地；同樣，可計(jì)算得到場(chǎng)地的濕陷量Δs為96.42 cm，由此判定，該場(chǎng)地黃土地基濕陷等級(jí)為Ⅳ(很嚴(yán)重)級(jí).

2.2 地表沉降特征分析

地表單日沉降量和累積沉降量變化曲線如圖2所示(本文取B測(cè)線，其余兩條類似).從圖2a可以看出：浸水后，試坑內(nèi)、外所有淺標(biāo)點(diǎn)(本文挑選試坑內(nèi)的B1，B7標(biāo)點(diǎn)和試坑外的B8，B14標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行分析，其余標(biāo)點(diǎn)變化特征類似)均發(fā)生沉降，但沉降量有所不同，距離坑心最近的B1點(diǎn)沉降量最大，距離坑心最遠(yuǎn)的B21沉降量最?。淮送?，試坑內(nèi)B1～B7點(diǎn)、試坑外B8～B21點(diǎn)的沉降差較小，但試坑內(nèi)、外的沉降差較大，尤其從試坑外一定距離的B8點(diǎn)開始，沉降差明顯增大.這說明在試坑浸水過程中存在“邊界效應(yīng)”，且邊界對(duì)沉降影響十分明顯，邊界不一定是試坑邊緣，一般為邊緣外一定距離，本試驗(yàn)為試坑外1 m.

浸水過程出現(xiàn)3個(gè)峰值點(diǎn)，其中第16 d的峰值點(diǎn)最大；整個(gè)浸水過程中，前5 d濕陷速率很小，沉降量也很小，水分浸潤(rùn)土層；從第6 d開始，濕陷速率有所增大，但增大不明顯，部分土層還未達(dá)到濕陷起始含水率，直到第二階段浸水后3 d，濕陷速率快速增大，沉降量也隨之迅速增加，出現(xiàn)劇烈濕陷段，單日最大沉降量達(dá)5.61 cm，之后單日沉降量逐漸減小，第35 d進(jìn)入平穩(wěn)階段；停水后，由于孔壓消散，土體固結(jié)，產(chǎn)生小規(guī)模沉降，但持續(xù)時(shí)間很短，之后迅速回升直至穩(wěn)定.整個(gè)過程濕陷速率呈現(xiàn)出“慢—快—慢—穩(wěn)定”的變化特點(diǎn)，反映了浸水后黃土原有結(jié)構(gòu)逐漸破壞，強(qiáng)度逐漸喪失；停水后黃土開始固結(jié)排水，新結(jié)構(gòu)逐漸形成，強(qiáng)度逐漸增長(zhǎng).

地表累積沉降量變化曲線如圖2b所示，從圖中可以看出，整個(gè)沉降過程可分為5個(gè)階段：①初始緩慢沉降段，從浸水開始到第13 d，累積沉降量很小，沉降量最大的B1點(diǎn)沉降7 cm，主要是因?yàn)橥馏w未達(dá)到濕陷起始含水率；②劇烈沉降段，從第14 d開始，土體達(dá)到飽和并快速發(fā)生濕陷，持續(xù)時(shí)間較短；③緩慢沉降段，土體基本飽和，水分入滲困難，沉降變??；④停水固結(jié)沉降段，孔隙水逐漸消散，土體排水固結(jié)，進(jìn)而產(chǎn)生沉降，持續(xù)時(shí)間更短；⑤沉降穩(wěn)定段，土體沉降趨于穩(wěn)定.

從圖中還可以看出，不同標(biāo)點(diǎn)的累積沉降量變化趨勢(shì)相同，試坑內(nèi)、外標(biāo)點(diǎn)間的差值基本相當(dāng)(單日沉降量B7與B8差值較大)，說明從浸水開始到濕陷發(fā)生，土體對(duì)水分入滲起到脈沖作用，濕陷沉降延遲滯后.此外，主體沉降量發(fā)生在單日沉降量峰值后3 d，該沉降量約占總沉降量的60%；峰值后7 d，累積沉降量約占總沉降量的80%.因此，黃土的濕陷是一個(gè)短暫快捷的過程，只要達(dá)到濕陷含水率，這種“崩塌”立刻發(fā)生并迅速完成.

圖2 B測(cè)線單日和累積沉降量變化曲線

2.3 地下沉降特征分析

對(duì)于重大型建筑物、構(gòu)筑物，常需查清自重濕陷性土層的下限.地下深標(biāo)點(diǎn)單日沉降量和累積沉降量變化曲線如圖3所示，由圖可知，其變化趨勢(shì)和地表一樣，呈現(xiàn)相同規(guī)律，不再贅述.

區(qū)別于地表土層，深部土層只有在淺部土層濕陷完成后或濕陷完成一大半后才能發(fā)生濕陷變形，并且是自重濕陷性土層下限深度以上的土層發(fā)生濕陷變形，以下的土層即使浸水很久也不會(huì)發(fā)生自重濕陷沉降.因此，當(dāng)深部土體的單日沉降量達(dá)到峰值后，土層的自重濕陷累積量在逐漸增大，但濕陷速率在逐步減小，直到濕陷變形結(jié)束.因此，從浸水到濕陷土層下限產(chǎn)生濕陷變形，有個(gè)發(fā)展的過程，不同場(chǎng)地濕陷土層下限開始濕陷變形的深度是不同的，這在濕陷性黃土地區(qū)尤為關(guān)鍵，因此在具體工程中務(wù)必謹(jǐn)慎，嚴(yán)防場(chǎng)地內(nèi)長(zhǎng)期積水.本場(chǎng)地濕陷土層下限深度約為15 m，建議此范圍內(nèi)不要長(zhǎng)期積水.

圖3 F測(cè)線單日和累積沉降量變化曲線

2.4 濕陷影響范圍及分析

試坑地表沉降過程曲線如圖4所示(本文取B，C軸分析).從圖中可以看出，浸水剛開始后，濕陷以坑心為中心大致對(duì)稱沉降，隨著浸水延續(xù)，這種對(duì)稱越發(fā)明顯，沉降量也越來越大，由初期平緩的“碟型”逐步擴(kuò)展到中期深凹的“碗型”，繼續(xù)擴(kuò)展到整個(gè)試坑，最終形成寬深的“U”字型對(duì)稱分布.

此外，B，C兩軸的7號(hào)、17號(hào)標(biāo)點(diǎn)變化趨勢(shì)最大，將整個(gè)沉降過程劃分為三個(gè)區(qū)段：7號(hào)以內(nèi)標(biāo)點(diǎn)沉降量最大，8～17標(biāo)點(diǎn)沉降量較小，17號(hào)以外標(biāo)點(diǎn)幾乎沒有沉降.7，8號(hào)標(biāo)點(diǎn)分別位于試坑內(nèi)、外邊緣，分別屬于地表浸水和邊界浸水，因此沉降趨勢(shì)變化最明顯；8～17號(hào)標(biāo)點(diǎn)位于試坑外部，沉降量減小，趨勢(shì)變緩；17號(hào)以外標(biāo)點(diǎn)幾乎沒有沉降，表明此處是浸水橫向影響范圍.該影響范圍可通過標(biāo)點(diǎn)間距計(jì)算得到，該場(chǎng)地浸水后濕陷變形水平向影響范圍為距坑邊13.5 m，小于垂向影響范圍17.4 m(圖5).

2.5 水分?jǐn)U散規(guī)律及分析

對(duì)于水分?jǐn)U散規(guī)律，不同學(xué)者持不同觀點(diǎn)：姚志華等[7]認(rèn)為水分呈“梨型”分布，蘇立海等[13]認(rèn)為水分呈“橢圓型”運(yùn)移，趙金剛等[14]則認(rèn)為浸潤(rùn)區(qū)和飽和區(qū)均呈倒“漏斗”型.

圖4 試坑地表沉降過程曲線(B～C軸)

本文綜合前人觀點(diǎn)認(rèn)為：浸水初期，土體未達(dá)到飽和，水分以垂直入滲為主；浸水一段時(shí)間后，上部土體發(fā)生濕陷壓密，使得空隙中氣體壓力增大，導(dǎo)致水分入滲困難，其側(cè)向土體未受到上部飽和土體的濕陷壓密作用，空隙相對(duì)較大較多，入滲較為容易，所以水分由垂直向入滲為主轉(zhuǎn)為水平向滲流為主；此外，在9.5 m之下存在一厚2.5 m的古土壤，它對(duì)垂直向入滲的水分也起到阻礙作用，迫使水分向水平向滲透.其水分?jǐn)U散形態(tài)為一不規(guī)則階梯狀，呈開口逐漸增大的“喇叭型”.

根據(jù)試坑?xùn)|、西方向?qū)ΨQ布設(shè)的兩條測(cè)線，測(cè)定不同浸水階段垂直向、水平向土樣含水率，繪制得到浸濕影響范圍及其變化示意圖5.從圖中可以看出，水分?jǐn)U散的邊界線常呈折線向下、向外延伸，飽和區(qū)與浸濕非飽和區(qū)的影響范圍隨深度的增大而逐漸增大，浸濕區(qū)由飽和區(qū)和浸濕非飽和區(qū)組成，浸濕線之上為非浸濕區(qū)，其土體未受到浸水影響.根據(jù)含水率和飽和度測(cè)試結(jié)果，距離試坑邊緣2 m、深3.5 m的點(diǎn)處于飽和線上，求得飽和線與垂線的夾角為30°，同樣位置深2.2 m的點(diǎn)處于浸濕線上，求得浸濕線與垂線的擴(kuò)散角為42°；依次可求得不同位置、不同深度的飽和線夾角和浸濕擴(kuò)散角，按其所占面積權(quán)重，最后求得飽和線與垂線的夾角為30°～45°，均值為41°，浸濕擴(kuò)散角為42°～49°，均值為47°.

2.6 裂縫發(fā)展規(guī)律及分析

隨著試坑浸水和自重濕陷量的產(chǎn)生，試坑周圍出現(xiàn)了多條連續(xù)裂縫，以同心圓狀隨浸水時(shí)間延長(zhǎng)而擴(kuò)大，最外側(cè)出現(xiàn)不連續(xù)裂縫，如圖6所示.越靠近試坑邊緣，裂縫越密集，縫寬、斷差及深度也越大，試坑周圍出現(xiàn)較大階梯狀地形.裂縫出現(xiàn)的順序也有一定規(guī)律，離試坑邊緣最近的L1裂縫出現(xiàn)最早，且L1裂縫是由局部裂縫逐漸發(fā)展連接而來，之后依次是較遠(yuǎn)的L2、L3裂縫，L3裂縫比前兩個(gè)裂縫稀疏且不連續(xù).裂縫寬2～3 cm，深40～60 cm，成V字型向下尖滅，有少量小規(guī)模錯(cuò)臺(tái).

圖5 浸濕范圍及變化示意圖

裂縫的形成有一定規(guī)律：開始地面出現(xiàn)較細(xì)裂紋，隨著浸水時(shí)間延長(zhǎng)，試坑周圍出現(xiàn)環(huán)形洼地，到浸水第二階段結(jié)束時(shí)，階梯狀地形出現(xiàn).裂縫的發(fā)展過程大致為：首先，試坑內(nèi)越靠近中心位置的土體濕陷變形越大，當(dāng)靠近試坑中心一側(cè)的土體濕陷后，外側(cè)土體失去側(cè)向支撐產(chǎn)生拉力，側(cè)向拉力產(chǎn)生了縱向裂縫，其寬度大于深度，裂縫兩側(cè)土體基本等高；接著，水分運(yùn)移到縱向裂縫內(nèi)側(cè)的土體下方，其土體產(chǎn)生濕陷，于是剪切力出現(xiàn)并占主導(dǎo)，所以裂縫縱向發(fā)展較快；水分繼續(xù)運(yùn)移，直到縱向裂縫外側(cè)土體的下方，土體濕陷導(dǎo)致新裂縫產(chǎn)生，也就是說，較遠(yuǎn)新裂縫是由較近老裂縫劇烈活動(dòng)引起的，縱向裂縫受外側(cè)土體擠壓，裂縫變窄；浸水后期，早先形成的裂縫受后期裂縫發(fā)展擠壓，其寬度減小直至閉合，兩側(cè)土體穩(wěn)定.從裂縫發(fā)展的過程可以看出，水分?jǐn)U散是控制裂縫產(chǎn)生和發(fā)展的主要因素.

2.7 黃土濕陷敏感性評(píng)價(jià)

敏感性是評(píng)價(jià)黃土濕陷性能的主要參數(shù)，具有重要意義，主要有以下2種方法：

(1)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)：用靈敏度K′進(jìn)行判別，其表達(dá)式如下：

(1)

式中：Pz為上覆土體的飽和自重壓力，N；Psh為土體的濕陷起始?jí)毫?，N.結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)，計(jì)算得到各土層的K′值見表3所示.除2，3，15，16和17 m深度的土層濕陷敏感性弱外，其余土層濕陷敏感性均較強(qiáng)或很強(qiáng)，其中2 m和3 m深度處土層無自重濕陷，15，16和17 m深度處土層的自重濕陷系數(shù)較小，即這三處土層自重濕陷量在總自重濕陷量中占得比例較小，因此該場(chǎng)地的自重濕陷敏感性為較強(qiáng).

圖6 試坑周圍裂縫展布圖

(2)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果比值：常采用自重濕陷量實(shí)測(cè)值與室內(nèi)試驗(yàn)計(jì)算值之比K0進(jìn)行評(píng)價(jià)，其表達(dá)式如下：

(2)

3 結(jié)論

(1)室內(nèi)試驗(yàn)計(jì)算得到該場(chǎng)地自重濕陷量為38.40 cm，總濕陷量為96.42 cm.據(jù)此判定該場(chǎng)地為自重濕陷性黃土場(chǎng)地，濕陷等級(jí)Ⅳ(很嚴(yán)重)級(jí).

(2)深淺標(biāo)點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，試坑中心濕陷變形最大、發(fā)展速度最快、發(fā)生時(shí)間最早；地表和地下濕陷速率均出現(xiàn)3個(gè)峰值點(diǎn)，呈現(xiàn)出“慢—快—慢—穩(wěn)定”的特點(diǎn)，累積沉降量由5段組成.

(3)該場(chǎng)地水分在垂向上入滲比水平向入滲更為容易，垂向影響范圍17.4 m，而水平向僅為13.5 m，地表濕陷沉降過程曲線為一寬深“U”字型.

表3 K′值判別土層自重濕陷敏感性

表4 K0值判別土層自重濕陷敏感性

(4)該場(chǎng)地水分?jǐn)U散形態(tài)呈一開口逐漸增大的“喇叭型”，飽和線與垂線夾角30°～45°，均值41°，浸潤(rùn)線與垂線夾角42°～49°，均值47°.

(5)試坑周邊產(chǎn)生連續(xù)環(huán)形裂縫，寬度較小，深度較淺，呈“V”字型向下延伸，最后減少直至閉合.

(6)通過兩種評(píng)價(jià)方法，判定該場(chǎng)地黃土濕陷敏感性較強(qiáng)，和《規(guī)范》中該地區(qū)黃土濕陷性較敏感一致，說明數(shù)據(jù)真實(shí)可靠.