鄭西高速鐵路豫西段黃土現(xiàn)場(chǎng)浸水 自重濕陷特征研究

武小鵬 ，熊治文，王小軍，屈耀輝

（1.蘭州大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，蘭州 730000；2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，蘭州 730000；3.浙江大學(xué) 寧波理工學(xué)院，寧波 315100）

1 引 言

新建鄭西高速鐵路全長(zhǎng)484.518 km，沿線濕陷性黃土分布廣泛，約占全線總長(zhǎng)的65%[1]。客運(yùn)專(zhuān)線建設(shè)對(duì)濕陷性黃土區(qū)鐵路工程技術(shù)提出了更高的要求，如何針對(duì)濕陷性黃土的特殊工程性質(zhì)采取可靠的工程措施，以確保基礎(chǔ)工程的安全穩(wěn)定，是濕陷性黃土地區(qū)客運(yùn)專(zhuān)線建設(shè)必須解決的技術(shù)難題[2]。我國(guó)以往對(duì)黃土的研究重點(diǎn)多集中在關(guān)中以西，如隴西黃土等性質(zhì)典型的地域。對(duì)鄭西高速鐵路沿 線，尤其是陜西華縣以東的臺(tái)塬和大型河流高階地的黃土研究資料比較欠缺，這一區(qū)域很少進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試坑浸水試驗(yàn)，因此，對(duì)黃土浸水后的變形性質(zhì)等參數(shù)缺乏現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究資料。當(dāng)?shù)亟ㄖ扒皫啄晷藿ǖ母咚俟返裙こ讨袑?duì)黃土的一些關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)大都根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取用[1]。為此在鄭西高速鐵路建設(shè)前，中鐵西北科學(xué)研究院等單位在鄭西高速鐵路沿線典型黃土場(chǎng)地共進(jìn)行了9個(gè)現(xiàn)場(chǎng)試坑浸水試驗(yàn)。本文選取其中位于河南省靈寶縣境內(nèi)的DK315+650試驗(yàn)場(chǎng)的試驗(yàn)資料，研究自重濕陷性黃土場(chǎng)地浸水后的變形特征。

2 試驗(yàn)工程簡(jiǎn)介

2.1 試驗(yàn)場(chǎng)地的巖土工程條件

根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》（GB50025－2004）[3]，該試驗(yàn)場(chǎng)地位于中國(guó)濕陷性黃土工程地質(zhì)分區(qū)中的Ⅲ區(qū)，即“關(guān)中地區(qū)”，在缺乏實(shí)測(cè)資料時(shí)0β （因地區(qū)土質(zhì)而異）取0.90[3]。場(chǎng)地高程為361 m，地勢(shì)平坦，地形開(kāi)闊，地貌單元為渭河Ⅱ級(jí)階地，地下水位埋深大于22 m。根據(jù)探井資料，該試驗(yàn)場(chǎng)地22 m 深度范圍內(nèi)，地層主要為Q3砂質(zhì)黃土，14 m 以下夾有薄層粉砂和中粗砂，22 m 深度范圍內(nèi)由上往下地層情況見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)場(chǎng)地地層情況 Table 1 Strata conditions of test site

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

依據(jù)探井試驗(yàn)資料，該試驗(yàn)場(chǎng)地自重濕陷性黃土下限深度為19 m，因此，試坑設(shè)計(jì)為直徑20 m的圓形。共布設(shè)測(cè)點(diǎn)78 個(gè)，其中試坑內(nèi)地表設(shè)淺標(biāo)點(diǎn)16 個(gè)，試坑外地表設(shè)淺標(biāo)點(diǎn)30 個(gè)；試坑內(nèi)設(shè)深標(biāo)點(diǎn)32 個(gè)，最深的深標(biāo)點(diǎn)設(shè)至22 m。在試坑內(nèi)均勻布設(shè)4 個(gè)滲水孔，深度為20 m。測(cè)點(diǎn)及滲水孔的平面布置詳見(jiàn)圖1。

試驗(yàn)從開(kāi)始浸水至停止共持續(xù)觀測(cè)81 d，其中浸水71 d，停水后觀測(cè)10 d。試驗(yàn)過(guò)程中每天均對(duì)深、淺標(biāo)點(diǎn)采用DL-111C 型電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)精度達(dá)到±0.1 mm。試驗(yàn)停止浸水條件和沉降穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》（GB50025－2004）[3]的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

圖1 試坑平面圖 Fig.1 Plan of test pit

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 地表沉降特征分析

圖2 是試坑內(nèi)外典型標(biāo)點(diǎn)地表單位時(shí)間（d）沉降曲線，其中Z0 位于試坑中心，C6 位于試坑外距試坑邊緣0.5 m 處；圖3 是地表累計(jì)沉降量隨時(shí)間變化曲線，表2 列出了試坑浸水試驗(yàn)的總體情況。

由圖2、3 和表2 可知：

（1）浸水期間標(biāo)點(diǎn)沉降可分為以下幾個(gè)階段：初期平緩段，沉降速度（單位時(shí)間沉降）較小，累計(jì)沉降曲線較平緩，這個(gè)過(guò)程大約歷時(shí)1 d；陡降段，從浸水第2 d 開(kāi)始，沉降速率逐漸加劇，累計(jì)沉降曲線斜率較大，到第5 d 每天沉降量達(dá)到最大值 6.92 cm；過(guò)渡段，沉降速率減緩，單位時(shí)間沉降曲線上出現(xiàn)拐點(diǎn)，累計(jì)沉降曲線曲率變大，這個(gè)過(guò)程持續(xù)大約20 d；中期平緩段，沉降速度小且較穩(wěn)定，累計(jì)沉降曲線較平緩，這個(gè)過(guò)程持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，約占整個(gè)浸水時(shí)間的2/3。總而言之，黃土場(chǎng)地濕陷變形呈現(xiàn)出慢-快-慢-穩(wěn)定的特點(diǎn)，與文獻(xiàn)[4、5]所述的沉降特征基本一致，但各階段的持續(xù)時(shí)間因場(chǎng)地的不同而不同。反映了浸水后黃土原有結(jié)構(gòu)的逐漸破壞和強(qiáng)度的逐漸喪失，濕陷后新結(jié)構(gòu)的逐漸形成和強(qiáng)度逐漸增長(zhǎng)的過(guò)程。

（2）停止浸水后由于孔隙水的消散而導(dǎo)致坑內(nèi)淺標(biāo)點(diǎn)每天沉降量有所增大，但增幅不明顯，停水后累計(jì)下沉量只占總下沉量的1%，這與該場(chǎng)地特殊的地層情況有關(guān)。

（3）無(wú)論是沉降速率還是累計(jì)沉降量，坑內(nèi)標(biāo)點(diǎn)均大于坑外，反映出試坑浸水中邊界效應(yīng)對(duì)沉降的影響十分明顯。

（4）該場(chǎng)地自重濕陷量的實(shí)測(cè)值為54.91 cm，而計(jì)算值為42.2 cm（不乘因地區(qū)土質(zhì)而異的修正系數(shù)0β ），實(shí)測(cè)值大于計(jì)算值，兩者的比值0β′為1.30，大于規(guī)范規(guī)定的0.9。說(shuō)明用室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算黃土的濕陷量存在一定的局限性，也說(shuō)明該地區(qū)黃土的濕陷程度比以往的認(rèn)識(shí)更為嚴(yán)重。

圖4 為典型觀測(cè)點(diǎn)沉降完成百分比與浸水時(shí)間 的關(guān)系。從圖4 可知，在浸水10 d 時(shí)完成總沉降量的約60%，浸水32 d 時(shí)完成總沉降量的約90%，停水后的附加濕陷量很小，占總沉降量的1%。

試坑浸水試驗(yàn)總體情況見(jiàn)表2。

圖2 地表單天濕陷量隨時(shí)間變化曲線 Fig.2 Relationships between single-day collapse and duration of immersion for ground

圖3 地表累計(jì)濕陷量隨時(shí)間變化曲線 Fig.3 Relationships between cumulative collapse and duration of immersion for ground

圖4 沉降完成百分比與浸水時(shí)間關(guān)系曲線 Fig.4 Relationships between percentage of settlement and duration of immersion

表2 浸水試驗(yàn)總體情況表 Table 2 Overall list of immersion test

3.2 深部沉降特征分析

對(duì)于高速鐵路等需要進(jìn)行地基處理的工程而言，對(duì)于自重濕陷性黃土場(chǎng)地，不但要評(píng)價(jià)其濕陷等級(jí)，更要查清自重濕陷性土層的下限深度，為地基處理提供依據(jù)。圖5 是該試驗(yàn)場(chǎng)地累計(jì)自重濕陷量隨時(shí)間和深度變化曲線。從圖5 可知：

（1）與地表濕陷變形一樣，深部黃土濕陷變形速率也呈現(xiàn)出慢-快-慢-穩(wěn)定的特點(diǎn)；

（2）自重濕陷性黃土確實(shí)存在一個(gè)確定的自重濕陷下限深度。當(dāng)浸水使該深度產(chǎn)生自重濕陷后，繼續(xù)浸水，雖然該深度以上各土層自重濕陷量逐漸加大，但該下限深度都不再向下發(fā)展。本試驗(yàn)場(chǎng)地浸水開(kāi)始后的第11 d，在16 m 已產(chǎn)生自重濕陷，隨著時(shí)間的推移，該深度以上的各土層自重濕陷量逐漸加大，直到第67 d 達(dá)到濕陷穩(wěn)定，而16 m 以下土層在以后的浸水期間，始終沒(méi)有產(chǎn)生自重濕陷。因此，可充分說(shuō)明自重濕陷性土層的下限深度就是16 m。

（3）該場(chǎng)地自重濕陷性土層下限深度室內(nèi)試驗(yàn)值為19 m，而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值為16 m，前者是后者的1.2 倍。

（4）自重濕陷性黃土深部濕陷要經(jīng)歷一個(gè)發(fā)展演變過(guò)程。浸水后淺部土層首先發(fā)生自重濕陷，隨著浸水時(shí)間的延長(zhǎng)，濕陷深度才逐漸向深部發(fā)展。一般在浸水10 d左右自重濕陷性土層下限深度處開(kāi)始產(chǎn)生濕陷變形，在隨后的浸水期間自重濕陷土層范圍內(nèi)各土層累計(jì)自重濕陷量逐漸加大，但隨時(shí)間的推移濕陷速率在逐步減小直至濕陷變形結(jié)束。這說(shuō)明黃土濕陷雖說(shuō)有突發(fā)的特點(diǎn)，但從浸水到濕陷 土層下限處產(chǎn)生濕陷變形，還是有個(gè)發(fā)展過(guò)程。從工程上講，應(yīng)盡量消除在線路附近形成積水的條件，一旦有了積水，應(yīng)立即采取排除措施對(duì)減小危害是很有作用的。

3.3 浸水水平向影響范圍分析

鐵路等建筑物周?chē)e水是經(jīng)常遇到的，黃土浸水后對(duì)鐵路工程的危害是個(gè)十分突出的問(wèn)題。因此，準(zhǔn)確判斷黃土場(chǎng)地浸水后水平向影響范圍，進(jìn)而指導(dǎo)防排水措施的設(shè)置就顯得十分重要。下面探討浸水的水平向影響范圍。圖6 為試驗(yàn)場(chǎng)地地表沉降形態(tài)過(guò)程曲線，表3 為浸水后場(chǎng)地裂縫形態(tài)特征表，表4 為試坑浸水水平向影響范圍匯總表。

圖5 累計(jì)自重濕陷量隨時(shí)間和深度變化曲線 Fig.5 Change curves of collapse under overburden pressure with time and depth

圖6 試驗(yàn)場(chǎng)地地表沉降形態(tài)過(guò)程曲線 Fig.6 Developing processes of settlements for test site

表4 試坑浸水水平向影響范圍表 Table 4 Collapsible horizontal distance of the immersion

根據(jù)圖6、表3、4 可知，（1）浸水后的濕陷變形范圍基本為距試坑邊緣20 m，約等于試坑的直徑，相當(dāng)于實(shí)測(cè)自重濕陷性黃土下限深度的1.3 倍；（2）坑邊外的變形裂縫，以同心圓狀隨浸水時(shí)間延長(zhǎng)而擴(kuò)大，縫距愈向試坑邊緣處愈密，縫寬、斷差及深度也是近坑處最大；（3）通過(guò)對(duì)浸水前后含水率的對(duì)比可知，浸水時(shí)土中的浸潤(rùn)線與豎向成48°角向深層延伸，浸潤(rùn)范圍大于30 m。總體而言，浸潤(rùn)范圍＞濕陷變形范圍＞裂縫發(fā)生范圍，即浸濕范圍、濕陷變形范圍和裂縫發(fā)生范圍3 個(gè)指標(biāo)存在前者控制后者的關(guān)系，即當(dāng)浸濕達(dá)到一定程度后才發(fā)生濕陷變形，變形發(fā)展到一定程度后才能產(chǎn)生裂縫。通過(guò)以上浸水水平向影響范圍的試驗(yàn)結(jié)果，建議在鄭西高速鐵路沿線此類(lèi)黃土場(chǎng)地，線路兩側(cè) 20 m范圍內(nèi)不能積水。

4 結(jié) 論

（1）該場(chǎng)地的濕陷等級(jí)為Ⅳ級(jí)自重濕陷，浸水后1 d 即開(kāi)始發(fā)生自重濕陷，浸水過(guò)程中濕陷速率均呈現(xiàn)出慢-快-慢-穩(wěn)定的特點(diǎn)，在浸水10 d 后已完成總沉降量的60%，浸水30 d 時(shí)完成總沉降量的約90%，停水后的附加濕陷量很小，只占總沉降量的1%。無(wú)論是濕陷速率還是濕陷量，坑內(nèi)標(biāo)點(diǎn)均大于坑外，反映出邊界效應(yīng)對(duì)沉降的影響十分明顯。

（2）該場(chǎng)地自重濕陷量的實(shí)測(cè)值為54.91 cm，而計(jì)算值為42.2 cm（不乘因地區(qū)土質(zhì)而異的修正系數(shù)0β ），實(shí)測(cè)值大于計(jì)算值，兩者的比值0β 為1.30，大于規(guī)范規(guī)定的0.9。說(shuō)明場(chǎng)地自重濕陷量的實(shí)測(cè)值 并不總是小于計(jì)算值，也說(shuō)明該地區(qū)黃土的濕陷程度比以往的認(rèn)識(shí)更為嚴(yán)重。

（3）浸水時(shí)場(chǎng)地的深部濕陷是隨著浸水時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸發(fā)生的，一般在浸水10 d 左右自重濕陷性土層下限深度處開(kāi)始產(chǎn)生濕陷變形。在隨后的浸水期間，雖然場(chǎng)地自重濕陷量逐漸加大，但下限深度卻不再向下發(fā)展，一直保持在16 m 左右，其值是確定不變的。該場(chǎng)地自重濕陷性土層下限深度室內(nèi)試驗(yàn)值是19 m，而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值是16 m，前者是后者的1.2 倍。

（4）在浸水水平向影響范圍方面，浸潤(rùn)范圍＞ 濕陷變形范圍＞裂縫發(fā)生范圍，通過(guò)綜合判定，該試驗(yàn)場(chǎng)地浸水后的濕陷變形范圍為距試坑邊緣 20 m，與試坑的直徑相當(dāng)，相當(dāng)于實(shí)測(cè)自重濕陷性黃土下限深度的1.3 倍。因此，建議在鄭西高速鐵路沿線此類(lèi)黃土場(chǎng)地，線路兩側(cè)20 m 范圍內(nèi)不能積水。

（5）無(wú)論是自重濕陷量還是自重濕陷性土層下限深度，其室內(nèi)試驗(yàn)計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)實(shí)測(cè)值均存在較為明顯的差異，說(shuō)明單純依靠室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果去評(píng)價(jià)黃土的濕陷等級(jí)和自重濕陷性土層下限深度還存在一定的局限性。

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