張嚴(yán)，劉德仁，王旭,2，徐碩昌，安政山

(1. 蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2. 道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070)

黃土是第四紀(jì)以來在動(dòng)力作用下堆積形成的陸相沉積物，具有多孔隙、結(jié)構(gòu)疏松、水敏性強(qiáng)等諸多不良工程性質(zhì)[1-4]。黃土浸水后會(huì)發(fā)生濕陷下沉，因而濕陷性黃土地區(qū)的各類建筑物存在很大的安全隱患。我國黃土分布廣泛，特別是在黃土高原地區(qū)，以黃土覆蓋廣、厚度大、地層完整等特征而聞名世界。因此對(duì)黃土的工程性質(zhì)進(jìn)行深入研究，具有深遠(yuǎn)意義?，F(xiàn)場原位試坑浸水試驗(yàn)是研究和評(píng)價(jià)深厚黃土場地工程性質(zhì)的有效手段，其成果對(duì)黃土地區(qū)的工程建設(shè)起到了極大的推動(dòng)作用。武小鵬等[5-6]在鄭西客專沿線的8個(gè)黃土場地開展試坑浸水試驗(yàn)，對(duì)該區(qū)域的黃土進(jìn)行了濕陷性評(píng)價(jià)并給出了地基處理的建議。黃雪峰等[7-9]基于多個(gè)場地的浸水試驗(yàn)結(jié)果，指出地表沉降存在初期平緩段、浸水陡降段、停水后陡降段等多個(gè)階段。MENG等[10]根據(jù)浸水試驗(yàn)結(jié)果，分析了黃土濕陷系數(shù)和自重濕陷系數(shù)對(duì)其基本物理力學(xué)參數(shù)的影響規(guī)律。周有祿等[11]通過浸水試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比分析，指出黃土自重濕陷量的實(shí)測值和計(jì)算值存在的差異主要原因是濕陷性土層分布不連續(xù)?？祵幍萚12]在山西運(yùn)城開展試坑浸水試驗(yàn)，探明黃土飽和時(shí)土壓力降低是導(dǎo)致黃土“突發(fā)性”濕陷的原因。梁慶國等[13]在擾動(dòng)場地開展原位浸水試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)擾動(dòng)場地的沉降變形呈現(xiàn)出“緩慢增長-突增-趨于穩(wěn)定”的特點(diǎn)。蘇忍等[14]通過研究浸水過程中不同深度土層的濕陷量，提出場地黃土的自重濕陷系數(shù)與深度呈冪函數(shù)關(guān)系。喬建偉等[15-16]分別在陜西渭南和西安開展浸水試驗(yàn)，分析了浸水后地表裂縫的形成機(jī)理和發(fā)育特征。以上研究主要著眼于各地區(qū)黃土場地浸水后的濕陷變形、濕陷范圍、濕陷性評(píng)價(jià)等問題，大多都基于浸水試驗(yàn)的最終結(jié)果展開分析，對(duì)浸水過程中地表沉降和裂縫的發(fā)展變化規(guī)律研究甚少。鑒于此，本文在新建中蘭鐵路沿線的靖遠(yuǎn)北站附近選取場地，開展大型原位浸水試驗(yàn)，重點(diǎn)研究深厚自重濕陷性黃土場地的浸水濕陷范圍、地表沉降規(guī)律和裂縫發(fā)育特征，以期為中蘭鐵路以及其他建筑物的設(shè)計(jì)、建造及運(yùn)營維護(hù)提供可靠的技術(shù)支持和安全保障。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)場地概況

試驗(yàn)場地位于甘肅省靖遠(yuǎn)縣糜灘鄉(xiāng)北側(cè)的黃河高階地上，地形平坦、開闊。根據(jù)野外調(diào)查和工程地質(zhì)鉆探資料，試驗(yàn)場地內(nèi)地層巖性主要為第四系全新統(tǒng)砂質(zhì)黃土，第四系上更新統(tǒng)粗圓礫土，各地層工程地質(zhì)特征詳述見表1。

表1 試驗(yàn)場地各地層工程地質(zhì)特征詳述Table 1 Detailed engineering geological characteristics of each layer in the test site

在試驗(yàn)場地開挖探井取得不擾動(dòng)土樣進(jìn)行室內(nèi)自重濕陷性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50025—2018)[17]，采用式(1)計(jì)算濕陷性黃土場地自重濕陷量計(jì)算值：

表2 室內(nèi)自重濕陷性試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of indoor weight collapsibility test

式中：Δzs為自重濕陷量計(jì)算值；δzsi和hi為第i層土的自重濕陷系數(shù)和土層厚度；β0為因地區(qū)土質(zhì)而異的修正系數(shù)。試驗(yàn)場地所處隴西地區(qū)，因此β0取規(guī)范推薦的1.5，計(jì)算得到試驗(yàn)場地的自重濕陷量計(jì)算值為2.313 m，大于70 mm，可判定該場地為自重濕陷性黃土場地。

1.2 浸水試坑設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)場地的地質(zhì)條件和場地限制，浸水試坑設(shè)計(jì)采用直徑為24.0 m 的圓形試坑，試坑深度0.5 m。在試坑底部均勻的鋪設(shè)一層10 cm 厚的碎石。本次試驗(yàn)浸水試坑內(nèi)部未設(shè)置滲水孔。

以試坑中心(A0)為圓心，在相互成120°夾角的A，B，C 3 條地表監(jiān)測線上布設(shè)沉降標(biāo)共41 個(gè)。以A 線為例，A1～A6 布設(shè)間距為2 m，其中A1～A5 置于浸水試坑內(nèi)部，A6 設(shè)置在試坑邊緣處；A6～A10 布設(shè)間距為3 m，A10～A14 布設(shè)間距為4 m，最遠(yuǎn)的沉降標(biāo)A14 距試坑中心的距離為40 m，距試坑邊緣的距離為28 m。觀測點(diǎn)布置在浸水最大影響范圍以外。浸水試坑及沉降標(biāo)布置的設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

1.3 浸水試驗(yàn)過程

浸水試驗(yàn)于2021 年3 月21 日開始，于2021 年9 月2 日結(jié)束，共歷時(shí)166 d。其中前4 d 用于調(diào)試儀器設(shè)備、觀測場地初值，浸水142 d，停水后繼續(xù)觀測20 d。試驗(yàn)期間，采用Leica TS15全站儀對(duì)試驗(yàn)場地地表沉降進(jìn)行定期觀測。浸水方式為運(yùn)水車向試坑注水，本次試驗(yàn)共注水12 908 m3，平均每天注水90.9 m3。

1.4 地表裂縫觀測

試驗(yàn)過程中，定期觀測和記錄試驗(yàn)場地地表裂縫的形成情況，并繪制地表裂縫分布示意圖。由于地表裂縫在不同位置的寬度和錯(cuò)臺(tái)高度不同，因此當(dāng)新裂縫出現(xiàn)時(shí)，選取該裂縫上發(fā)育趨勢較好的位置作為固定測量點(diǎn)，并使用噴漆標(biāo)記(圖3(a)所示)，按時(shí)監(jiān)測固定測量點(diǎn)處裂縫的寬度和錯(cuò)臺(tái)高度，以分析地表裂縫的發(fā)展變化規(guī)律。

2 試驗(yàn)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)場地表沉降變形規(guī)律

根據(jù)浸水試驗(yàn)結(jié)果，A，B，C 3個(gè)方向的地表沉降規(guī)律類似，因此以A軸為例進(jìn)行分析。A軸上不同位置沉降標(biāo)的沉降變化曲線如圖4所示。根據(jù)沉降標(biāo)發(fā)生沉降的先后順序可知，深厚濕陷性黃土場地發(fā)生沉降的一般規(guī)律是先坑內(nèi)、再坑外。浸水試坑內(nèi)土體受水直接影響產(chǎn)生濕陷變形，因此浸水后短時(shí)間內(nèi)(2～5 d)便有地表沉降產(chǎn)生。坑外地表則隨著水分的入滲和擴(kuò)散，沿試坑半徑方向由內(nèi)至外逐漸沉降。浸水5～8 d，浸水試坑邊緣地表開始沉降；158 d 時(shí)，距浸水試坑邊緣24 m 范圍內(nèi)的黃土場地均有沉降產(chǎn)生；試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，距浸水試坑邊緣28 m 處的沉降標(biāo)仍未沉降，說明該黃土場地浸水后最大水平影響范圍為距浸水試坑邊緣28 m左右。

試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，A，B，C 3個(gè)方向的最終地表沉降情況如圖5 所示?？芍?，距試坑中心2 m 半徑范圍內(nèi)的地表沉降最大，平均沉降量達(dá)到2.77 m。而通過室內(nèi)濕陷性試驗(yàn)得到該黃土場地的自重濕陷量計(jì)算值為2.31 m，是實(shí)測值的83.4%，其原因是規(guī)范推薦的因地區(qū)土質(zhì)而異的修正系數(shù)β0偏小。經(jīng)計(jì)算，該黃土場地的修正系數(shù)β0應(yīng)至少為1.8，同時(shí)也說明該黃土場地的濕陷程度十分強(qiáng)烈。

由圖5可知，地表沉降量隨距離的增加而顯著減小。浸水試坑邊緣處的平均地表沉降為2.0 m，是試坑中心地表沉降量的74.1%。距浸水試坑邊緣16 m 處的平均地表沉降為0.11 m，僅為浸水試坑邊緣處地表沉降量的5.5%。距浸水試坑邊緣16～28 m范圍內(nèi)的地表沉降量都在10 cm以下。根據(jù)地表沉降結(jié)果可將該試驗(yàn)場地分為4 個(gè)區(qū)域，如圖6所示：

1) 浸水濕陷區(qū)(坑內(nèi)浸水范圍)：該區(qū)域黃土直接與水接觸，坑內(nèi)黃土快速濕陷并在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生地表沉降。在該區(qū)域內(nèi)水分以垂直入滲為主，地基黃土從上至下全部浸水飽和、產(chǎn)生濕陷，因此在該區(qū)域形成的地表沉降很大，平均地表沉降量達(dá)到了2.48 m。

2) 顯著濕陷區(qū)(距浸水試坑邊緣0～16 m 范圍內(nèi))：該區(qū)域黃土位于浸水試坑以外，水分的傳遞方式為垂直入滲和水平入滲同時(shí)進(jìn)行，是浸水范圍以外的主要濕陷區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)地表沉降較大，平均濕陷量為0.88 m，且不同位置的地表沉降情況與其距浸水試坑邊緣的遠(yuǎn)近關(guān)系密切，沿半徑方向由近及遠(yuǎn)，地表沉降量減少了1.89 m，減少幅度達(dá)94.5%。

3) 輕微濕陷區(qū)域(距浸水試坑邊緣16～28 m 范圍內(nèi))：該區(qū)域距離試坑較遠(yuǎn)，入滲的水分較少，對(duì)地表沉降的影響不大，因此這一區(qū)域的地表沉降較小，且區(qū)域內(nèi)的沉降量相差不大，平均沉降量為0.06 m。

4) 非濕陷區(qū)域(距浸水試坑邊緣28 m 及以外范圍)：試坑浸水對(duì)該區(qū)域黃土無影響，在試驗(yàn)過程中尚無地表沉降產(chǎn)生。

2.2 單一沉降標(biāo)沉降變形規(guī)律

試驗(yàn)場地各沉降標(biāo)的沉降規(guī)律類似，以A1 為例對(duì)沉降標(biāo)的變化規(guī)律進(jìn)行闡述，其沉降速率隨時(shí)間的變化情況如圖7所示、累計(jì)沉降量隨時(shí)間的變化情況如圖8所示。

根據(jù)圖7中沉降速率變化可將沉降標(biāo)的沉降過程劃分為3 個(gè)階段。1) 加速沉降段(0～7 d)：水分在試坑內(nèi)自上而下入滲，浸水后2 d 內(nèi)，對(duì)地基深層土體未造成影響，故基本無地表沉降產(chǎn)生。第3 d 開始地表產(chǎn)生沉降，且其沉降速率迅速增長，在第7 d 達(dá)到峰值，為5.99 cm/d。該階段產(chǎn)生了0.24 m 的地表沉降，為最終沉降量的8.64%；2) 減速沉降段(8～123 d)：地表沉降速率在達(dá)到峰值后開始逐漸下降，第36 d 地表沉降速率下降至3 cm/d，為峰值的一半；第94 d地表沉降速率開始小于1 cm/d。該段歷時(shí)115 d，占浸水時(shí)間的81%，是水分入滲和場地黃土發(fā)生濕陷的主要階段，在該階段產(chǎn)生了2.42 m 的地表沉降，占最終沉降量的87.14%。3) 勻速沉降段(124～166 d)：從第124 d 開始，地表沉降速率穩(wěn)定在1～3 mm/d，該階段共產(chǎn)生了0.11 m 的地表沉降，為最終沉降量的3.96%。

由圖8可知，地表的沉降過程從始至終都是連續(xù)的，與其他文獻(xiàn)[7-9]中浸水初期和停水后發(fā)生地表陡降的現(xiàn)象不符。其原因是本次試驗(yàn)沒有布設(shè)滲水孔，水分在試驗(yàn)場地自上而下均勻入滲，沒有深層黃土突然劇烈濕陷而使地表出現(xiàn)陡降的現(xiàn)象。且經(jīng)過近5 個(gè)月的浸水，場地黃土充分濕陷，在停水后的固結(jié)過程中基本無濕陷變形發(fā)生，停水后共產(chǎn)生地表沉降4.1 cm，僅為最終沉降量的1.46%。

2.3 地表裂縫發(fā)展規(guī)律

2.3.1 單一裂縫發(fā)展規(guī)律

隨著浸水試驗(yàn)的進(jìn)行，由于水分入滲程度的不同，場地黃土?xí)a(chǎn)生水平向的濕陷差異，使試驗(yàn)場地形成地表裂縫。在地表裂縫上選取固定測量點(diǎn)進(jìn)行觀測，記錄裂縫的動(dòng)態(tài)發(fā)展變化情況。圖9為部分代表性固定測量點(diǎn)的裂縫寬度和錯(cuò)臺(tái)高度隨裂縫發(fā)育時(shí)間的變化情況。

由圖9可知，在地表裂縫出現(xiàn)后，大部分裂縫會(huì)在短時(shí)間內(nèi)快速發(fā)育，裂縫寬度和錯(cuò)臺(tái)高度一般在10 d 內(nèi)達(dá)到峰值。此后，隨著浸水時(shí)間的增長，裂縫的寬度和錯(cuò)臺(tái)高度逐漸縮小，其變化幅度也趨于平穩(wěn)。其原因是，隨著水分的擴(kuò)散，場地深層黃土濕陷，導(dǎo)致土體內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力和剪應(yīng)力，地表裂縫形成并快速發(fā)展。水分繼續(xù)向外擴(kuò)散，裂縫外側(cè)土體逐漸濕陷產(chǎn)生新的裂縫并對(duì)內(nèi)側(cè)土體形成擠壓，導(dǎo)致內(nèi)側(cè)已產(chǎn)生裂縫的寬度和錯(cuò)臺(tái)高度不斷縮小。因此地表裂縫的發(fā)展規(guī)律是：先迅速發(fā)育，后呈現(xiàn)逐漸閉合的趨勢。

2.3.2 場地裂縫發(fā)展規(guī)律

浸水第4 d，試坑邊緣出現(xiàn)首條裂縫，隨著浸水時(shí)間增加，地表裂縫不斷發(fā)育，不同時(shí)間的地表裂縫示意圖如圖10所示，圖中“L”為試驗(yàn)場地最外側(cè)裂縫到浸水試坑邊緣的距離。

根據(jù)圖10(a)～10(f)中地表裂縫的發(fā)展變化情況可知，隨著浸水時(shí)間的增長，地表裂縫由近及遠(yuǎn)，呈環(huán)狀逐漸向外擴(kuò)散，最終試驗(yàn)場地呈圖11所示的環(huán)向階梯狀地形。浸水第8 d，浸水試坑邊緣形成了首條環(huán)形裂縫；從第8 d 到第68 d，地表裂縫發(fā)育迅速，60 d內(nèi)從浸水試坑邊緣向外擴(kuò)展了16 m，且試驗(yàn)場地的大部分地表裂縫在這一階段形成；從68 d 到163 d，地表裂縫擴(kuò)展緩慢，在95 d 內(nèi)地表裂縫僅向外擴(kuò)展了10 m，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)最遠(yuǎn)的地表裂縫距浸水試坑邊緣26 m。表明地表裂縫的主要形成時(shí)間為浸水后70 d內(nèi)。

另外，隨著到浸水試坑邊緣距離的增大，地表裂縫的分布也逐漸由密轉(zhuǎn)疏?？拷嚳舆吘壍牡乇砹芽p分布集中，裂縫間距大多為0.1～0.3 m，裂縫寬度為4～10 cm，錯(cuò)臺(tái)高度為7～25 cm。較遠(yuǎn)處的地表裂縫則分布稀疏，間距大多在0.5 m以上，且多為微裂縫。

綜上可知，裂縫分布規(guī)律與前述地表變形分區(qū)一致，如圖12 所示：1) 浸水濕陷區(qū)：該區(qū)域土體間濕陷差異不大，無地表裂縫形成。2) 顯著濕陷區(qū)：該區(qū)域裂縫形成速度快、間距小，且裂縫寬度大、錯(cuò)臺(tái)高。3) 輕微濕陷區(qū)：該區(qū)域裂縫形成速度慢，間距較大、且裂縫細(xì)小，無錯(cuò)臺(tái)形成。④ 非濕陷區(qū)：該區(qū)域無地表裂縫形成。

3 結(jié)論

1) 在中蘭鐵路靖遠(yuǎn)北站附近的深厚黃土場地浸水濕陷過程中，黃土場地最大水平影響范圍為距浸水試坑邊緣28 m 左右。根據(jù)地表最終變形結(jié)果可將試驗(yàn)場地分為浸水濕陷區(qū)、顯著濕陷區(qū)、輕微濕陷區(qū)和非濕陷區(qū)。其中浸水濕陷區(qū)(試坑浸水范圍)和顯著濕陷區(qū)(距浸水試坑邊緣0～16 m)地表沉降較大；輕微濕陷區(qū)(距浸水試坑邊緣16～28 m)地表沉降較小。

2) 浸水時(shí)沉降標(biāo)的沉降過程連續(xù)，根據(jù)其沉降速率變化，可將地表濕陷過程劃分為加速沉降段、減速沉降段和勻速沉降段。

3) 場地周圍環(huán)狀裂縫由浸水試坑邊緣向外迅速發(fā)展，大部分地表裂縫在浸水后70 d 內(nèi)形成。地表裂縫主要分布在顯著濕陷區(qū)(距浸水試坑邊緣0～16 m)，分布規(guī)律為近密遠(yuǎn)疏，該區(qū)域裂縫寬度大、錯(cuò)臺(tái)高、間距小。而且裂縫在發(fā)展過程中出現(xiàn)先快速發(fā)育后又逐漸閉合的現(xiàn)象。