黃土高填方場地孔隙水壓力的變化規律

于永堂，鄭建國，張繼文，梁小龍

(1. 機械工業勘察設計研究院有限公司 陜西省特殊巖土性質與處理重點實驗室，西安 710055；2. 西安建筑科技大學 土木工程學院，西安 710055；3. 西安交通大學 人居環境與建筑工程學院,西安 710049)

黃土丘陵溝壑區以“削峁填溝”方式開發建設用地，形成了一些厚度達幾十米甚至上百米的黃土高填方工程。這些黃土高填方工程的原始溝谷中常分布有一定厚度的沖洪積土和淤積土層，這些土層具有結構松散、含水量高等特點，在上部大厚度填土荷載作用下，容易產生較大的變形和較高的孔隙水壓力。高孔隙水壓力的存在，會使土中有效應力降低，進而控制和影響高填方場地的變形與穩定，因此，有必要在黃土高填方工程中進行孔隙水壓力監測和分析。

學者們已對土體固結變形過程的孔隙水壓力性狀有了深入認識[1-3]，并通過現場的孔隙水壓力監測資料，獲得了邊坡[4]、基坑[5]、路堤[6]、土石壩[7-9]、強夯地基[10]、真空預壓地基[11-12]、堆載預壓地基[13-14]、樁基[15]等工程中孔隙水壓力的變化規律。然而，黃土高填方工程中孔隙水壓力監測資料積累不多，研究報道較少。筆者基于陜北某黃土高填方工程試驗場地孔隙水壓力監測資料，分析了孔隙水壓力增長和消散的規律和模式，探討了孔隙水壓力與固結沉降的關系，以期更深入地理解黃土高填方場地中孔隙水壓力特征及其形成機制，為黃土高填方工程的填筑施工控制和工后變形穩定性評估提供參考依據。

1 孔隙水壓力監測概況

1.1 試驗場地概況

陜北某黃土高填方工程地處黃土丘陵溝壑區，是為開發城市建設用地而實施的“削峁填溝”造地工程。原始場地出露地層主要為第四系、新近系和侏羅系。第四系包括全新統沖洪積層粉土、上更新統馬蘭黃土、中更新統離石黃土；新近系巖性為棕紅色、暗紫色紅黏土；侏羅系巖性為砂巖、泥巖互層。在該工程場地內共選擇了兩處試驗場地，其中試驗場地Ⅰ位于填方區主溝下游的溝口區域，谷底原始地層自上而下依次為沖洪積土、砂泥巖；試驗場地Ⅱ位于填方區主溝上游區域，谷底原始地層自上而下依次為沖洪積土、淤積土、砂泥巖。原始場地的地下水類型主要分為第四系孔隙潛水和侏羅系基巖裂隙水兩大類，第四系含水層主要為沖洪積層，基巖含水層主要為砂巖風化層。地下水補給來源為大氣降水，地下水以泉水溢出、蒸發及人工開采等方式排泄。天然條件下，地下水自周邊分水嶺地帶順地勢向溝谷徑流匯集，轉化為地表徑流排泄于區外。

為了加速溝底原地基土層的固結，對原地基土采取強夯加固處理，并在溝底設置排水盲溝對地下水進行疏排。填筑體的填料主要來自黃土梁峁區挖填線以上各土層，主要為Q3黃土及古土壤、Q2黃土及古土壤，其中黃土層以粉土為主，古土壤層以粉質粘土為主，填筑體采用分層碾壓施工，壓實系數采用重型擊實試驗控制，要求大于0.93。

1.2 監測儀器與測點布置

孔隙水壓力監測采用差動變壓式孔隙水壓力計，量程為0.6 MPa，分辨率為0.1 kPa，精度為0.1% F.S。試驗場地內孔隙水壓力監測點的布置情況如圖1所示，圖中給出了不同觀測日期的填土層厚度變化。在孔隙壓力監測點旁設置了分層沉降和地下水位監測點，孔隙水壓力計在原地基和填筑體內的埋設方法如下：

圖1 孔隙水壓力監測點布設圖Fig.1 Cross-sectional drawings of pore water

1)原地基中的孔隙水壓力計采取壓入埋設法與鉆孔埋設法相結合，埋設時機選擇在原地基處理完成后，土方填筑施工前。當原地基為淤積土層時，鉆孔易發生縮孔，采用壓入埋設法，通過壓桿將孔隙水壓力計壓至設計深度。當原地基為不易塌孔、縮孔的地層時，鉆探成孔后將孔隙水壓力計吊放至孔中預定深度，孔隙水壓力計周圍以中粗砂填充，相鄰孔隙水壓力計之間用黏土隔離，并對鉆孔分層回填夯實。

2)填筑體中的孔隙水壓力計采取探井埋設法。埋設時在探井側壁上開挖安裝槽，將孔隙水壓力計測頭放置于安裝槽中心，四周填充中粗砂，分層回填夯實探井，并將電纜引至探井上部預留段保護。當填土施工至安裝下一個孔隙水壓力計后，開挖探井引出已埋設孔隙水壓力計的電纜并觀測數據。如此循環，直至達到設計高程，從而獲得填筑施工全過程的孔隙水壓力監測數據，具體實施方法可參見文獻[16]。

2 監測成果的分析與討論

2.1 孔隙水壓力觀測值的處理方法

在高填方場地飽和土層中，孔隙水壓力計測得的總孔隙水壓力U包括兩部分：靜水壓力uw和由附加荷載引起的超靜孔隙水壓力u。一般情況下可按式(1)計算超靜孔隙水壓力。

u=U-uw

(1)

一方面，在大厚度填土荷載作用下，土體產生壓縮沉降，使孔隙水壓力計測頭的埋設位置下移；另一方面，土方填筑施工引起溝谷填方區的地形地貌和地質條件改變，地下水位也可能發生變化。上述情況均會引起靜水壓力的變化，因此，需要考慮土體壓縮和地下水位變化對超靜孔隙水壓力的影響。孔隙水壓力計測頭因埋深和地下水位變化引起的孔隙水壓力變化計算簡圖見圖2，計算方法如下：

圖2 土體壓縮和地下水位變化引起的孔壓變化計算簡圖Fig.2 Calculating diagram of pore water pressure affected by compression settlement and groundwater

(2)

uwt=γw(hwt-ht)

(3)

uw0=γw(hw0-h0)

(4)

ht=h0-Δst

(5)

式中：Δuwt為孔隙水壓力計測頭因埋深和地下水位變化而引起的孔隙水壓力變化量，kPa；uw0、uwt分別為填土施工加載前、后的靜水壓力值，kPa；γw為水的重度，kN/m3；h0、ht分別為填土施工加載前、加載后的孔隙水壓力計埋設點高程，m；hw0、hwt分別為填土施工加載前、后的地下水位高程，m，通過地下水位觀測確定；Δst為孔隙水壓力計的下沉量，m，通過分層沉降觀測確定。將式(3)、式(4)帶入式(5)可得

Δuwt=γw[(hwt-hw0)+Δst]

(6)

式(6)即為孔隙水壓力計測頭因埋深和地下水位變化引起的孔隙水壓力變化值。試驗場地Ⅱ中監測點JCSZ5-P位于飽和土層中的一個測點，高程為1 052.41 m，實測地下水位高程的變化范圍為1 055.81～1 063.10 m，考慮土層壓縮和地下水位變化前后的超靜孔隙水壓力曲線如圖3所示。

圖3 土體壓縮和地下水位變化引起的孔壓變化Fig.3 Pore water pressure changes due to compression settlement and groundwater

圖3中，地下水位變化引起的孔壓變化值，負值表示水位下降，正值表示水位上升。在孔隙水壓力觀測時段內，孔隙水壓力計測頭的埋深變化引起的超靜孔隙水壓力變化值較小，該測點處最大影響值為1.1 kPa，而地下水位變化引起的超靜孔隙水壓力變化值較大，該測點處的最大影響值為45.1 kPa。由此可知，為獲得較為真實的超靜孔隙水壓力增長和消散規律，應對孔隙水壓力計測頭埋深處的沉降變形和地下水位進行觀測，以確定實際靜水壓力值。

2.2 孔隙水壓力的變化特征

試驗場地Ⅰ在2012年11月原地基處理完成，2013年3月開始進行填筑體施工，至2014年11月填筑達到設計標高。試驗場地Ⅱ在2013年7月原地基處理完成，2013年8月開始進行土方填筑施工，至2015年9月填筑至設計標高。試驗場地Ⅰ和試驗場地Ⅱ中典型監測點不同深度處的孔隙水壓力時程曲線分別如圖4、圖5所示。根據前文所述的孔隙水壓力修正方法，計算各測點的超靜孔隙水壓力值，并繪制超靜孔隙水壓力時程曲線，如圖6、圖7所示。從圖中可看出，在土方填筑施工前，原地基飽和土中各測點的初始孔隙水壓力值與靜水壓力基本相等，表明原地基處理時，由強夯引起的超靜孔隙水壓力已基本消散完畢。各測點的孔隙水壓力總體趨勢為：荷載增大，孔隙水壓力增大；停荷恒載，孔隙水壓力消散。圖4中位于地下水位以下的飽和土層中測點高程H=962.34 m處的孔隙水壓力計埋設后即開始增長，其增長和消散速率與土方填筑速率有良好的相關性。在施工時段，土方填筑速率快時，孔隙水無法在較短的時間內全部擠出，孔隙水壓力迅速增大，經連續施工后達到孔隙水壓力峰值；土方填筑速率慢時，超靜孔隙水壓力增長變緩甚至發生消散；在臨時停工時段和工后時段，超靜孔隙水壓力均表現出先快速消散后緩慢消散的特點，這符合超靜孔隙水壓力的一般增長和消散規律。圖4中監測高程為966.74 m的測點，位于地下水位(水位變化范圍：961.28～964.46 m)之上，初期并未觀測到孔隙水壓力，但隨著填土厚度增大，上覆荷載增加，土體逐步壓縮，土中孔隙減小，土的含水率在遠離地下水位面深度處變化不大，但受地下水位以上毛細水上升高度影響，在臨近地下水位面的深度處有所增加，均會使土的飽和度逐步增大。當土的飽和度增大至一定程度后，土的變形趨勢會引起類似飽和土的超靜孔隙水壓力[17]。當觀測到孔隙水壓力后，其增長和消散模式受土方填筑施工的影響明顯，其變化過程表現出增長快、消散快的特點。選用的孔隙水壓力計測頭采用粗孔濾水石，根據文獻[18]可知，該型孔隙水壓力計在非飽和土中的觀測值應是孔隙氣壓力與孔隙水壓力的綜合壓力，與土體完全飽和后的孔隙水壓力不同。因此，不能按飽和土理論將該孔隙水壓力觀測值用于分析計算地基固結度或評估地基穩定性。此外，圖4中多個測點在整個施工期和工后期的孔隙水壓力觀測值幾乎一直是0，處于無變化狀態。這是因為，當孔隙水壓力測點位于地下水位毛細水上升高度影響范圍之外時，由于地表水下滲量小，填土的含水率變化較小，在飽和度較低的情況下，無法引起類似飽和土的超靜孔隙水壓力。

圖4 試驗場地Ⅰ中JCS3-P的孔隙水壓力時程曲線Fig.4 Curves of excess pore water pressure ofmonitoring point JCS3-P in site

圖5 試驗場地Ⅱ中JCSZ5-P的孔隙水壓力時程曲線Fig.5 Curves of excess pore water pressure of

圖6 試驗場地Ⅰ中JCS3-P的超靜孔隙水壓力時程曲線Fig.6 Curves of excess pore water pressure ofmonitoring point JCS3-P in site

圖7 試驗場地Ⅱ中JCSZ5-P的超靜孔隙水壓力時程曲線Fig.7 Curves of excess pore water pressure ofmonitoring point JCS-Z5 in site

2.3 孔隙水壓力觀測結果反映的地基穩定狀態

根據土力學理論，在平面應變狀態下，當地基處于穩定狀態時，飽和黏性土中孔隙水壓力增量可表示為[19]

(7)

當分析土方連續填筑多級加載時，多級荷載孔隙水壓力系數Ku值可由式(8)計算。

Ku=∑Δu/∑Δp

(8)

工程上常利用孔隙水壓力累計增量∑Δu與荷載累計增量∑Δp的關系來判斷地基的穩定狀態。當地基處于穩定狀態時，孔隙水壓力累計增量與填土荷載累計增量近似呈線性關系，當地基處于失穩狀態時，二者的關系曲線會出現非線性轉折[19]。孔隙水壓力累計增量∑Δu與填土荷載累計增量∑Δp間的關系曲線如圖8、圖9所示。

圖8中測點JCS3-P位于主溝鎖口壩邊坡區域，圖9中測點JCSZ5-P位于溝谷中游，由監測點在飽和土層中的∑Δu-∑Δp關系可知，孔隙水壓力累計增量與填土荷載累計增量之間近似呈現線性關系。根據斯開普頓(Skempton)提出的孔隙水壓力理論，實際監測中，為保證工程安全，一般控制荷載孔隙水壓力系數Ku<0.6[20]。各監測點的多級荷載孔隙水壓力系數Ku值均小于0.2，地基沉降變形也未發生突變，高填方體(含邊坡)在填筑施工全程處于穩定狀態。

圖8 試驗場地Ⅰ中監測點JCS3-P的∑Δu與∑Δp關系曲線Fig.8 Relationship between ∑Δu and∑Δp of monitoring position of JCS3-P in the test site

圖9 試驗場地Ⅱ中監測點JCSZ5-P的∑Δu與∑Δp關系曲線Fig.9 Relationship between ∑Δu and∑Δp of monitoring position of JCSZ5-P in the test site

2.4 孔隙水壓力增長和消散引起的原地基沉降變形分析

黃土高填方原地基是由上部非飽和土和下部飽和土構成的特殊地質體。原地基的上覆填土荷載將由水、氣和土骨架共同承擔，其沉降變形機制復雜與土中孔隙水壓力、水分變化、土骨架結構、孔隙氣的演化規律等有關，主要從孔隙水壓力增長和消散的角度對該過程進行分析。原地基飽和黃土的固結與一般土體的固結過程類似，非飽和黃土的孔隙中同時包含有水和氣，在上覆填土荷載作用下，土中的水和氣要產生相互作用，由于上覆填土荷載大，加之氣體的壓縮性高，部分氣體將溶于水中[21]。此外，還有部分氣體將在分層填筑施工過程中排出，在施加荷載瞬間，孔隙瞬間減小，使得沉降變形迅速增大。試驗場地Ⅱ中典型監測點JCSZ5-P的填土厚度-超靜孔隙水壓力-沉降-時間關系曲線如圖10所示。原地基飽和土的孔隙中僅有水存在，在施工期加載條件下，土骨架和孔隙水共同承擔上覆填土荷載，此時超靜孔隙水壓力增長較快。在土方填筑施工過程，飽和土中孔隙水也會發生排出，地基土排水固結，若增加的填土荷載全部傳遞至原地基，則增加的上覆填土荷載將由土骨架和孔隙水共同承擔，且以土骨架承擔為主。土中有效應力的增大必然產生較大的壓縮變形，此時原地基沉降在施工期增大較快。在工后期恒載條件下，原地基沖洪積、淤積土的孔隙比減小，土層滲透性降低，土中孔隙水排出、超靜孔隙水壓力消散需要更長時間，有效應力增大也隨之放緩，加之土體模量增大，超靜孔隙水壓力消散變慢，沉降速率逐漸變小。2015年9月至2017年8月共24個月，試驗場地的監測點JCSZ5-P在高程1 052.41、1 055.41、1 058.41 m處，超靜孔隙水壓力消散了3.5～9.9 kPa，此時原地基土層的壓縮沉降量僅為1.0 mm(原地基土層厚度11.6 m)。從圖中超靜孔隙水壓力消散的趨勢情況判斷，工后期超靜孔隙水壓力完全消散將超過1年，且時間越久消散速率越慢，原地基土層達到沉降完全穩定需要耗費較長時間。

圖10 原地基超靜孔隙水壓力、沉降量、填土厚度與時間關系曲線Fig.10 Curves of excess pore water pressure, settlement and filling thickness vs. time of original

3 結論

1)土層壓縮和地下水位變化對孔隙水壓力的影響可達46.2 kPa，在分析黃土高填方場地的超靜孔隙水壓力增長和消散規律時，須扣除因土層壓縮和地下水位變化而引起的孔隙水壓力變化值。

2)黃土高填方場地的孔隙水壓力增長和消散主要受地下水位和填土荷載影響，若土方填筑快，飽和土中的孔隙水壓力增長較快；反之，孔隙水壓力增長變緩甚至消散。

4)溝口邊坡區域及溝中部監測點的孔隙水壓力累計增量∑Δu與填土荷載累計增量∑Δp之間呈近似線性關系，施工全程處于安全穩定狀態。

5)原地基飽和土中的超靜孔隙水壓力消散緩慢，從現有實測數據的發展趨勢判斷，原地基飽和土層達到沉降穩定將超過1年。