鉆孔預浸水法處理深厚濕陷性黃土地基試驗研究

張媛媛，孟繁榮，馬琢琪，韓 青，陳雅兵

（1.山西晉冶巖土工程測試有限公司，山西 太原 030000；2.山西冶金巖土工程勘察有限公司，山西 太原030000；3.吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林 長春 130021）

隨著我國建筑行業的蓬勃發展，在深厚濕陷性黃土地基的建筑項目也隨之增加。但受地質特性的影響，深厚濕陷性黃土地基存在厚度大、欠壓密和水敏性的問題，因此在深厚濕陷性黃土地基施工前，需提前對深厚濕陷性黃土場地進行大面積浸水，讓黃土土體在飽和自重壓力的作用下出現濕陷，進而產生壓實。但傳統試坑浸水法往往入滲慢，時間長，且用水量大，因此做好對浸水法的優化具有很大的價值和現實意義。對此，王雪艷通過多種方式檢測了加固后地基土體的物理力 學參數、承載能力及沉降變形，并分析其變化規律。結果表明：采用碎石樁加固深厚濕陷性黃土地基，樁身的密實度在松軟土層較低，在堅硬土層較密實，且相同深度的樁身密實度隨樁間距的減小而提升；姚成龍針對高擋墻深厚濕陷性黃土地基，提出了一種剛、柔組合樁的處理方式，既消除了黃土濕陷性，又大幅度提高了黃土地基承載力。以上學者的研究為提高深厚濕陷性黃土地基的承載力提供了一些方法，但并未實際解決深厚濕陷性黃土地基厚度大、欠壓密和水敏性的問題。基于此，本文提出鉆孔預浸水法對深厚濕陷性黃土地基進行處理，為深厚濕陷性黃土地基工程的進行提供理論基礎。

1 工程概況

1.1 自然地理條件

本工程位于陜西銅川新區。新區處于黃土高原與關中平原之間，地勢由南向北逐步增大，而塬面標高從655 m變為1 040 m。在地質構造上，主要處于銅川褶皺段，且表現為單斜構造。

1.2 試驗場地地層性質

場地標高721.35~724.32 m，土層以此由素填土、黃土、古土壤、黃土、古土壤組成。根據以上信息可知，勘探深度內的土層分布復雜，未發現地下水，存在顯著的孔隙，土質均勻，壓縮性強。根據現有資料可知，該區域地下水處于較深的地層，影響可忽略。

2 鉆孔預浸水試驗設計

2.1 現場浸水試坑布置

結合《濕陷性黃土地區建筑標準》（GB50025-2018）來設計試坑。在設計中，采用鉆孔預浸水法。試坑為矩形基坑，具體尺寸參數為10 m×12 m×2 m。在整個場地的橫向和縱向方向均設置浸水井，數目均為3口，以保持分布的均勻性，深度和直徑分別是10 m、0.4 m。具體布置方案如圖1所示。

圖1 浸水坑布置方案Fig.1 Layout scheme of immersion pit

浸水井以及勘探點則布設在圖1中的a、b、c處，主要在一號井外部2~4m的位置。

2.2 地層沉降觀測設計

地層沉降觀測布置如圖2所示。在觀測中，選擇人工成孔方式安裝觀測標桿。觀測標桿材質為PVC管，且需保證管頂高度高于孔口2 m。考慮到標桿重量要求，將適量石料置于管內，并且管底保持封閉。另外，在場地外部設置高精度水準儀，然后將2個不動基準點設置在非浸水干擾區域。通過相對沉降量法進行記錄，然后根據標桿和各個基準點讀數的絕對值得到各觀測點的具體沉降量。

圖2 沉降觀測點、基準點及沉降點布置圖Fig.2 Layout of settlement observation points, datum points and settlement points

2.3 試驗過程及安排

預浸水試驗主要分為以下4個步驟：

（1）對基坑信息進行確定，包括尺寸、位置信息，然后通過平整等處理過程得到符合要求的浸水坑；

（2）確定觀測點以及浸水井的位置，然后再進行鉆探和確認，且需要對標桿進行合理設置；

（3）浸水讀數。將水頭置于井口，然后記錄沉降信息，在保持穩定后結束記錄；

（4）完成浸水后，繼續開展含水率等測定；

本次試驗的時間范圍是2019-12-09至2020-01-05，總計有26 d，主要劃分為浸水、停水觀測時間兩部分，分別是7 d、19 d。

3 試驗結果

3.1 浸水期結束水分入滲影響范圍分析

土體飽和含水公式為：

式中S、ρ、依次代表土體的飽和度、干密度、孔隙比；d代表土比重，ρ取值為2.71；代表水密度。

結合上述信息，得到圖3中的a、b、c三探孔在浸水前、后的含水率和土層深度數據對比。

圖3 探孔土層深度與含水率曲線的關系圖Fig.3 Relationship between soil depth and water content curve of exploratory hole

觀察圖3可知，天然土層含水率保持在11%~19%以內，均值在14.7%左右，總體保持了較高的均勻性，且受到土層深度的影響，二者表現出一定的正相關性。

結合a、b、c探孔的含水率，得到單浸水井的水分場變化曲線，具體如圖4所示。

圖4 浸水期后浸濕范圍含水量圖Fig.4 Water content of immersion range after immersion period

根據圖4可知，不同深度土體的浸水效果存在差異性，相對于淺層，深層土體可以達到更佳的浸水效果，而這與水頭壓力直接相關。另外可發現鉆孔預浸水法的浸潤半徑存在如下特征：如土體含水率超過25%，則可以將5 m以上、5~8 m之間、8 m以下土層的浸潤半徑分別設置為2.2、2.5、3.5m。實踐認為在浸水達到某個程度時，黃土會形成濕陷，預浸水法處理黃土濕陷需要達到飽和度的要求，即達到85%時才能達到良好的處理效果，此時的平均含水率是27.6%。由此可以得到該方法的有效處理范圍可達8 m以上，浸潤半徑可達2.5 m、3.5 m，對應的有效深度為15.5 m。

3.2 地層總沉降量分析

各個深度土層的沉降量隨時間變化的曲線如圖5中所示。

圖5 各層深觀測點沉降量隨時間變化曲線Fig.5 Variation curve of settlement at observation points of each layer with time

根據圖5可知，以7 d為界，可劃分為兩個階段，分別是浸水期、停水期。其中，前者可分為水分入滲、入滲濕陷沉降、濕陷沉降穩定，對應的時間分別是0~1、1~6、6~7 d。對于第一個階段，沉降變化不顯著，主要是因為水分入滲并未達到濕陷條件；對于第二個階段，沉降增長比較顯著，此時土體開始飽和，導致其結構受到破壞，繼而形成顯著的自重濕陷變形；對于第三個階段，沉降持續增大，但是增幅低于前一個階段，此時土體基本完全飽和，濕陷沉降保持穩定。停水期可分為停水固結沉降、固結沉降穩定兩個階段，分別是在8~11 d和11 d之后，前者沉降量表現為突增變化趨勢，主要是水分入滲減少，土體變化不飽和狀態，孔隙變大而導致；后者沉降量基本保持穩定，主要與土體固結沉降基本不再變化有關。

3.3 鉆井預浸水法消除濕陷性效果分析

針對預浸水法消除濕陷性的效果進行分析，可得自重濕陷系數、濕陷系數和層深的關系，具體如圖6和圖7所示。

圖6 不同探孔土樣自重濕陷系數隨層深變化曲線Fig.6 Variation curve of self weight collapsibility coefficient of soil samples from different exploratory holes with layer depth

圖7 不同探孔土樣濕陷系數隨層深變化曲線Fig.7 Variation curve of collapsibility coefficient of soil samples from different exploratory holes with layer depth

從圖6可知，在不同的層深時各個探孔的自重濕陷性存在顯著的差異性。對于探孔a， 自重濕陷系數最大為0.006，總體保持在0.005上下，隨著層深變化保持了較高的均勻性，完全將自重濕陷性消除；對于探孔b，自重濕陷系數最大、最小值分別是0.032 5、0.005，前者是在4 m，后者是在15 m，總體隨著層深變化而顯著變化，只是將地表以下自重濕陷性消除。具體可以劃分為未濕陷、濕陷變形兩個階段，前者層深是1~2、8~15 m，后者層深是2~7 m。對于探孔c，基本各個土層深度均發生濕陷變形，僅1 m、2 m除外。

同時，對比圖6和圖7探井a的自重濕陷系數和濕陷系數都是隨層深不斷變化，且變化趨勢一致；對于探孔b，在層深低于8 m的情況下未出現濕陷變形，曲線差異性較小，在1~2 m時存在顯著差異性，在3~7 m存在濕陷變形，但自重濕陷系數和濕陷系數不同。對于探孔c，各個層深的土樣均存在濕陷變形，相對于飽和自重濕陷系數顯著增大。由此得出，采用鉆孔預浸水法可以將土層自重濕陷性進行有效地消除。

4 結語

本文以單浸水井浸水試驗和試坑浸水濕陷試驗為主體，對鉆孔預浸水法處理濕陷性黃土的影響因素進行研究。具體結論為：

（1）鉆孔預浸水法入滲穩定和濕陷沉降穩定時長分別為7 d和25 d。穩定后飽和區域影響規律為：土層≥8m時，浸潤半徑為2.4 m，土層小于8 m時，浸潤半徑為3.5 m，處理有效深度為15.5 m；

（2）在試驗的過程中，浸水期和停水期均有較為明顯的沉降變形，主要分為浸水期入滲→濕陷變形→濕陷穩定和停水期的停水固結沉降階段→沉降穩定階段。停水期在水分消散作用下，孔隙水壓力降低，在試驗區域在固結沉降下部地層表現較為明顯，因此在現場施工時，要將浸水井灌注成復合地基；

（3）隨層深的增加，地層沉降變形量逐漸降低，分別在1 m和10 m層深處出現最大值和最小值。上部地層在浸水期沉降變形量占比相對較大，只有較小停水期固結沉降變形產生，下部地層的情況則相反；

（4）鉆孔預浸水法有效處理范圍對應浸水穩入滲穩定后浸濕飽和區影響范圍，達到飽和的黃土濕陷性可完全消除，未飽和區黃土濕陷性只可部分消除。