渭北地區濕陷性黃土場地浸水試驗研究*

羅曉鋒，尚海麗，鄭有偉，李偉華，王艷艷，張宏偉

(1.內蒙古科技大學礦業與煤炭學院，內蒙古 包頭 014010；2.包頭市第四中學，內蒙古 包頭 014020；3.內蒙古科技大學工程訓練中心，內蒙古 包頭 0140102；4.中交第一公路勘察設計院有限公司，陜西 西安 710072)

隨著“十三五”規劃的實施，我國西部地區迎來了大發展，基建項目日益增多，近幾年呈現出從低階地向高階地、從平原區向高原區甚至溝壑地帶發展的態勢.濕陷性黃土在我國中西部地區覆蓋最廣、厚度最大，尤其以隴西、隴東和渭北黃土塬區最為典型.

濕陷性黃土具有孔隙大、壓縮性高、承載力低等特性，受水浸濕后產生急劇且量大的變形，造成建筑物地基失穩，道路毀壞.目前，評價濕陷性黃土場地的方法主要有室內壓縮試驗，其易用性和可行性得到業內人士一致認可，同時也指導了大量工程建設；但其缺陷也日益凸顯，如土樣尺寸、受力狀態和代表性等對試驗數據可靠性的影響.其次，《濕陷性黃土地區建筑標準》[1](以下簡稱《規范》)中推薦使用的修正系數也已無法滿足目前大厚度高階地渭北黃土塬區“高、大、長、重”等工程建設的需求.

因此，針對濕陷性黃土，采取更加可靠合理的評價方法是改進目前黃土場地評價的有效途徑，《規范》[1]推薦使用原位浸水試驗.一些學者也進行了形狀各異、不同地區原位浸水試驗[2-6]，但大多集中在隴西、隴東和關中等典型黃土地區，如姚志華等[7]對蘭州地區大厚度濕陷性黃土的浸水試驗研究，王治軍等[8-10]對隴東地區慶陽董志塬濕陷性黃土的研究，武小鵬等[11]對鄭西高鐵沿線濕陷性黃土的研究等.而對渭北黃土塬區濕陷性黃土研究較少，尤其對銀西沿線(銀川—百色高速公路區段)陜西渭北高原黃土塬區溝壑地帶的研究少之又少，也未進行過大型原位浸水試驗.本文依據銀西高速公路及某制藥大廈所在地，在渭北黃土塬區溝壑地帶選擇有代表性黃土場地，進行了現場大型浸水試驗，研究其浸水過程中黃土的濕陷變形規律.

1 試驗概況及方法

1.1 場地概況

試驗場地位于陜西省旬邑縣太村鎮東側，地貌單元為渭北黃土塬區.通過探井揭露，場地具備試驗條件，25 m深度范圍內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，層理清楚，分布連續.地下水埋藏較深，38 m深度范圍內未見地下水，無其它不良地質結構和早期人類活動遺跡.試驗場地地層巖性如表1，土樣物理力學指標如表2.

表1 場地黃土地層巖性

表2 土樣主要物理力學指標

1.2 浸水試坑設計

現場為莊稼地，經平整后布設基準點和探井，通過探井揭露和查閱相關文獻[1，12]，將試坑設計為直徑25 m、深度80 cm的圓坑，坑底鋪設一層厚度10 cm的砂礫石，粒徑1～3 cm；為浸潤充分，在試坑內均勻布設12個深20 m的滲水孔，孔內用砂礫石充填，滲水孔不和各種觀測標點重合.

1.3 觀測標點布設

以試坑圓心為中心，在互成120°的A，B和C3條測線上布設地面沉降觀測淺標點63個，每條測線上21個，其中試坑內21個，試坑外42個，最遠的布設在試坑外25 m處；同樣，在互成60°且與A，B，C軸不重和的E，F，G及其反向延長線E′，F′和G′上布設深部沉降觀測標點42個，每條測線上7個，埋置深度3～21 m(如F3表示F測線上埋深3 m的點，其它以此類推)，全部位于坑內，最深的在試坑底部21 m深度處，詳細布設情況如圖1所示.

圖1 浸水試坑總體設計圖

1.4 試驗過程

本次浸水試驗歷時56 d，選在降水量較少的春季.其中第1階段按照當地年平均降水量浸水，歷時9 d；第2階段浸水37 d，直到飽和后停水，停水后繼續監測，直到穩定，歷時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對各沉降標點進行觀測，觀測儀器采用瑞士產精密水準儀，按二級變形測量精度要求進行；同時，對試坑周圍裂縫出現的時間、寬度、間距及裂縫擴展等情況進行觀測記錄.

2 試驗結果與分析

2.1 室內試驗

通過室內土工試驗發現，17 m以上土層濕陷量較大，18～22 m范圍內土層濕陷量較小.根據《規范》[1]，試驗場地位于中國黃土分區Ⅱ類區，修正系數βo取1.20，計算得到場地的自重濕陷量Δzs為38.40 cm，因此為自重濕陷性黃土場地；同樣，可計算得到場地的濕陷量Δs為96.42 cm，由此判定，該場地黃土地基濕陷等級為Ⅳ(很嚴重)級.

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測線，其余兩條類似).從圖2a可以看出：浸水后，試坑內、外所有淺標點(本文挑選試坑內的B1，B7標點和試坑外的B8，B14標點進行分析，其余標點變化特征類似)均發生沉降，但沉降量有所不同，距離坑心最近的B1點沉降量最大，距離坑心最遠的B21沉降量最小；此外，試坑內B1～B7點、試坑外B8～B21點的沉降差較小，但試坑內、外的沉降差較大，尤其從試坑外一定距離的B8點開始，沉降差明顯增大.這說明在試坑浸水過程中存在“邊界效應”，且邊界對沉降影響十分明顯，邊界不一定是試坑邊緣，一般為邊緣外一定距離，本試驗為試坑外1 m.

浸水過程出現3個峰值點，其中第16 d的峰值點最大；整個浸水過程中，前5 d濕陷速率很小，沉降量也很小，水分浸潤土層；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，出現劇烈濕陷段，單日最大沉降量達5.61 cm，之后單日沉降量逐漸減小，第35 d進入平穩階段；停水后，由于孔壓消散，土體固結，產生小規模沉降，但持續時間很短，之后迅速回升直至穩定.整個過程濕陷速率呈現出“慢—快—慢—穩定”的變化特點，反映了浸水后黃土原有結構逐漸破壞，強度逐漸喪失；停水后黃土開始固結排水，新結構逐漸形成，強度逐漸增長.

地表累積沉降量變化曲線如圖2b所示，從圖中可以看出，整個沉降過程可分為5個階段：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點沉降7 cm，主要是因為土體未達到濕陷起始含水率；②劇烈沉降段，從第14 d開始，土體達到飽和并快速發生濕陷，持續時間較短；③緩慢沉降段，土體基本飽和，水分入滲困難，沉降變小；④停水固結沉降段，孔隙水逐漸消散，土體排水固結，進而產生沉降，持續時間更短；⑤沉降穩定段，土體沉降趨于穩定.

從圖中還可以看出，不同標點的累積沉降量變化趨勢相同，試坑內、外標點間的差值基本相當(單日沉降量B7與B8差值較大)，說明從浸水開始到濕陷發生，土體對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，黃土的濕陷是一個短暫快捷的過程，只要達到濕陷含水率，這種“崩塌”立刻發生并迅速完成.

圖2 B測線單日和累積沉降量變化曲線

2.3 地下沉降特征分析

對于重大型建筑物、構筑物，常需查清自重濕陷性土層的下限.地下深標點單日沉降量和累積沉降量變化曲線如圖3所示，由圖可知，其變化趨勢和地表一樣，呈現相同規律，不再贅述.

區別于地表土層，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生濕陷變形，以下的土層即使浸水很久也不會發生自重濕陷沉降.因此，當深部土體的單日沉降量達到峰值后，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，直到濕陷變形結束.因此，從浸水到濕陷土層下限產生濕陷變形，有個發展的過程，不同場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尤為關鍵，因此在具體工程中務必謹慎，嚴防場地內長期積水.本場地濕陷土層下限深度約為15 m，建議此范圍內不要長期積水.

圖3 F測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稱沉降，隨著浸水延續，這種對稱越發明顯，沉降量也越來越大，由初期平緩的“碟型”逐步擴展到中期深凹的“碗型”，繼續擴展到整個試坑，最終形成寬深的“U”字型對稱分布.

此外，B，C兩軸的7號、17號標點變化趨勢最大，將整個沉降過程劃分為三個區段：7號以內標點沉降量最大，8～17標點沉降量較小，17號以外標點幾乎沒有沉降.7，8號標點分別位于試坑內、外邊緣，分別屬于地表浸水和邊界浸水，因此沉降趨勢變化最明顯；8～17號標點位于試坑外部，沉降量減小，趨勢變緩；17號以外標點幾乎沒有沉降，表明此處是浸水橫向影響范圍.該影響范圍可通過標點間距計算得到，該場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 水分擴散規律及分析

對于水分擴散規律，不同學者持不同觀點：姚志華等[7]認為水分呈“梨型”分布，蘇立海等[13]認為水分呈“橢圓型”運移，趙金剛等[14]則認為浸潤區和飽和區均呈倒“漏斗”型.

圖4 試坑地表沉降過程曲線(B～C軸)

本文綜合前人觀點認為：浸水初期，土體未達到飽和，水分以垂直入滲為主；浸水一段時間后，上部土體發生濕陷壓密，使得空隙中氣體壓力增大，導致水分入滲困難，其側向土體未受到上部飽和土體的濕陷壓密作用，空隙相對較大較多，入滲較為容易，所以水分由垂直向入滲為主轉為水平向滲流為主；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.其水分擴散形態為一不規則階梯狀，呈開口逐漸增大的“喇叭型”.

根據試坑東、西方向對稱布設的兩條測線，測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，水分擴散的邊界線常呈折線向下、向外延伸，飽和區與浸濕非飽和區的影響范圍隨深度的增大而逐漸增大，浸濕區由飽和區和浸濕非飽和區組成，浸濕線之上為非浸濕區，其土體未受到浸水影響.根據含水率和飽和度測試結果，距離試坑邊緣2 m、深3.5 m的點處于飽和線上，求得飽和線與垂線的夾角為30°，同樣位置深2.2 m的點處于浸濕線上，求得浸濕線與垂線的擴散角為42°；依次可求得不同位置、不同深度的飽和線夾角和浸濕擴散角，按其所占面積權重，最后求得飽和線與垂線的夾角為30°～45°，均值為41°，浸濕擴散角為42°～49°，均值為47°.

2.6 裂縫發展規律及分析

隨著試坑浸水和自重濕陷量的產生，試坑周圍出現了多條連續裂縫，以同心圓狀隨浸水時間延長而擴大，最外側出現不連續裂縫，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，試坑周圍出現較大階梯狀地形.裂縫出現的順序也有一定規律，離試坑邊緣最近的L1裂縫出現最早，且L1裂縫是由局部裂縫逐漸發展連接而來，之后依次是較遠的L2、L3裂縫，L3裂縫比前兩個裂縫稀疏且不連續.裂縫寬2～3 cm，深40～60 cm，成V字型向下尖滅，有少量小規模錯臺.

圖5 浸濕范圍及變化示意圖

裂縫的形成有一定規律：開始地面出現較細裂紋，隨著浸水時間延長，試坑周圍出現環形洼地，到浸水第二階段結束時，階梯狀地形出現.裂縫的發展過程大致為：首先，試坑內越靠近中心位置的土體濕陷變形越大，當靠近試坑中心一側的土體濕陷后，外側土體失去側向支撐產生拉力，側向拉力產生了縱向裂縫，其寬度大于深度，裂縫兩側土體基本等高；接著，水分運移到縱向裂縫內側的土體下方，其土體產生濕陷，于是剪切力出現并占主導，所以裂縫縱向發展較快；水分繼續運移，直到縱向裂縫外側土體的下方，土體濕陷導致新裂縫產生，也就是說，較遠新裂縫是由較近老裂縫劇烈活動引起的，縱向裂縫受外側土體擠壓，裂縫變窄；浸水后期，早先形成的裂縫受后期裂縫發展擠壓，其寬度減小直至閉合，兩側土體穩定.從裂縫發展的過程可以看出，水分擴散是控制裂縫產生和發展的主要因素.

2.7 黃土濕陷敏感性評價

敏感性是評價黃土濕陷性能的主要參數，具有重要意義，主要有以下2種方法：

(1)室內試驗結果評價：用靈敏度K′進行判別，其表達式如下：

(1)

式中：Pz為上覆土體的飽和自重壓力，N；Psh為土體的濕陷起始壓力，N.結合室內試驗，計算得到各土層的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或很強，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，因此該場地的自重濕陷敏感性為較強.

圖6 試坑周圍裂縫展布圖

(2)實測數據與室內試驗結果比值：常采用自重濕陷量實測值與室內試驗計算值之比K0進行評價，其表達式如下：

(2)

3 結論

(1)室內試驗計算得到該場地自重濕陷量為38.40 cm，總濕陷量為96.42 cm.據此判定該場地為自重濕陷性黃土場地，濕陷等級Ⅳ(很嚴重)級.

(2)深淺標點實測數據表明，試坑中心濕陷變形最大、發展速度最快、發生時間最早；地表和地下濕陷速率均出現3個峰值點，呈現出“慢—快—慢—穩定”的特點，累積沉降量由5段組成.

(3)該場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)該場地水分擴散形態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°，浸潤線與垂線夾角42°～49°，均值47°.

(5)試坑周邊產生連續環形裂縫，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)通過兩種評價方法，判定該場地黃土濕陷敏感性較強，和《規范》中該地區黃土濕陷性較敏感一致，說明數據真實可靠.