鉆孔預(yù)浸水法處理深厚濕陷性黃土地基試驗(yàn)研究

張媛媛　孟繁榮　馬琢琪　韓青　陳雅兵

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)試坑浸水法存在入滲過(guò)程慢，在深部地層發(fā)揮作用時(shí)間長(zhǎng)，以及用水量大的問(wèn)題，提出采用鉆孔預(yù)浸水法對(duì)深厚濕陷性黃土地基進(jìn)行處理，并以浸水量和處理范圍作為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果認(rèn)為：在10 m的浸水池浸水入滲穩(wěn)定時(shí)長(zhǎng)為7 d，最大入滲半徑和深度分別為3.5 m和15.5 m;不同黃土層深度皆可能產(chǎn)生較為明顯的濕陷變形，濕陷量隨土層深度的增加而減少;以8 m為分界線，8 m以上土層變形主要在浸水期，8 m以下土層變形主要在停水期。

關(guān)鍵詞：深厚濕陷性黃土;鉆孔預(yù)浸水法;濕陷變形特性;水分入滲規(guī)律

中圖分類(lèi)號(hào)：TU444 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2022）04-0070-05

Abstract： Aiming at the problems of slow infiltration process， long time required to play a role in the deep stratum and large water consumption in the traditional test pit immersion method， the drilling pre immersion method is proposed to treat the deep collapsible loess foundation， and the immersion volume and treatment scope are used as the evaluation index to evaluate the treatment effect. The results show that the immersion infiltration stability time of 10 m immersion tank is 7 days， and the maximum infiltration radius and depth are 3.5 m and 15.5 m respectively. Different loess depths may produce obvious collapsible deformation， and the amount of collapsible deformation decreases with the increase of soil depth. Taking 8 m as the dividing line， the deformation of soil layer above 8m is mainly in the immersion period， and the deformation of soil layer below 8 m is mainly in the water cut-off period.

Key words：? deep collapsible loess ; drilling pre immersion method ; collapsible deformation characteristics ; water infiltration law

隨著我國(guó)建筑行業(yè)的蓬勃發(fā)展，在深厚濕陷性黃土地基的建筑項(xiàng)目也隨之增加。但受地質(zhì)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(wèn)題，因此在深厚濕陷性黃土地基施工前，需提前對(duì)深厚濕陷性黃土場(chǎng)地進(jìn)行大面積浸水，讓黃土土體在飽和自重壓力的作用下出現(xiàn)濕陷，進(jìn)而產(chǎn)生壓實(shí)。但傳統(tǒng)試坑浸水法往往入滲慢，時(shí)間長(zhǎng)，且用水量大，因此做好對(duì)浸水法的優(yōu)化具有很大的價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)此，王雪艷[1]通過(guò)多種方式檢測(cè)了加固后地基土體的物理力 學(xué)參數(shù)、承載能力及沉降變形，并分析其變化規(guī)律。結(jié)果表明：采用碎石樁加固深厚濕陷性黃土地基，樁身的密實(shí)度在松軟土層較低，在堅(jiān)硬土層較密實(shí)，且相同深度的樁身密實(shí)度隨樁間距的減小而提升;姚成龍[2]針對(duì)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(xué)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(shí)際解決深厚濕陷性黃土地基厚度大、欠壓密和水敏性的問(wèn)題。基于此，本文提出鉆孔預(yù)浸水法對(duì)深厚濕陷性黃土地基進(jìn)行處理，為深厚濕陷性黃土地基工程的進(jìn)行提供理論基礎(chǔ)。

1 工程概況

1.1 自然地理?xiàng)l件

本工程位于陜西銅川新區(qū)。新區(qū)處于黃土高原與關(guān)中平原之間，地勢(shì)由南向北逐步增大，而塬面標(biāo)高從655 m變?yōu)? 040 m。在地質(zhì)構(gòu)造上，主要處于銅川褶皺段，且表現(xiàn)為單斜構(gòu)造。

1.2 試驗(yàn)場(chǎng)地地層性質(zhì)

場(chǎng)地標(biāo)高721.35～724.32 m，土層以此由素填土Q4ml、黃土Q3eol、古土壤Q3el、黃土Q2eol、古土壤Q2el組成。根據(jù)以上信息可知，勘探深度內(nèi)的土層分布復(fù)雜，未發(fā)現(xiàn)地下水，存在顯著的孔隙，土質(zhì)均勻，壓縮性強(qiáng)。根據(jù)現(xiàn)有資料可知，該區(qū)域地下水處于較深的地層，影響可忽略。

2 鉆孔預(yù)浸水試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 現(xiàn)場(chǎng)浸水試坑布置

結(jié)合《濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)》（GB50025-2018） [3-4]來(lái)設(shè)計(jì)試坑。在設(shè)計(jì)中，采用鉆孔預(yù)浸水法。試坑為矩形基坑，具體尺寸參數(shù)為10 m×12 m×2 m。在整個(gè)場(chǎng)地的橫向和縱向方向均設(shè)置浸水井，數(shù)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。

浸水井以及勘探點(diǎn)則布設(shè)在圖1中的a、b、c處，主要在一號(hào)井外部2～4m的位置。

2.2 地層沉降觀測(cè)設(shè)計(jì)

地層沉降觀測(cè)布置如圖2所示。在觀測(cè)中，選擇人工成孔方式安裝觀測(cè)標(biāo)桿。觀測(cè)標(biāo)桿材質(zhì)為PVC管，且需保證管頂高度高于孔口2 m。考慮到標(biāo)桿重量要求，將適量石料置于管內(nèi)，并且管底保持封閉[6]。另外，在場(chǎng)地外部設(shè)置高精度水準(zhǔn)儀，然后將2個(gè)不動(dòng)基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置在非浸水干擾區(qū)域。通過(guò)相對(duì)沉降量法進(jìn)行記錄，然后根據(jù)標(biāo)桿和各個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)讀數(shù)的絕對(duì)值得到各觀測(cè)點(diǎn)的具體沉降量。

2.3 試驗(yàn)過(guò)程及安排

預(yù)浸水試驗(yàn)主要分為以下4個(gè)步驟：

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

（2）確定觀測(cè)點(diǎn)以及浸水井的位置，然后再進(jìn)行鉆探和確認(rèn)，且需要對(duì)標(biāo)桿進(jìn)行合理設(shè)置;

（3）浸水讀數(shù)。將水頭置于井口，然后記錄沉降信息，在保持穩(wěn)定后結(jié)束記錄;

（4）完成浸水后，繼續(xù)開(kāi)展含水率等測(cè)定;

本次試驗(yàn)的時(shí)間范圍是2019-12-09至2020-01-05，總計(jì)有26 d，主要?jiǎng)澐譃榻⑼Ｋ^測(cè)時(shí)間兩部分，分別是7 d、19 d。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 浸水期結(jié)束水分入滲影響范圍分析

土體飽和含水公式為[7]：

式中 Sr、ρd、e 依次代表土體的飽和度、干密度、孔隙比;ds代表土比重，ρw取值為2.71;代表水密度。

結(jié)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(shù)據(jù)對(duì)比。

觀察圖3可知，天然土層含水率保持在11%～19%以內(nèi)，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(xiàn)出一定的正相關(guān)性[8-9]。

結(jié)合a、b、c探孔的含水率，得到單浸水井的水分場(chǎng)變化曲線，具體如圖4所示。

根據(jù)圖4可知，不同深度土體的浸水效果存在差異性，相對(duì)于淺層，深層土體可以達(dá)到更佳的浸水效果，而這與水頭壓力直接相關(guān)。另外可發(fā)現(xiàn)鉆孔預(yù)浸水法的浸潤(rùn)半徑存在如下特征：如土體含水率超過(guò)25%，則可以將5 m以上、5～8 m之間、8 m以下土層的浸潤(rùn)半徑分別設(shè)置為2.2、2.5、3.5m。實(shí)踐認(rèn)為在浸水達(dá)到某個(gè)程度時(shí)，黃土?xí)纬蓾裣荩A(yù)浸水法處理黃土濕陷需要達(dá)到飽和度的要求，即達(dá)到85%時(shí)才能達(dá)到良好的處理效果，此時(shí)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(dá)8 m以上，浸潤(rùn)半徑可達(dá)2.5 m、3.5 m，對(duì)應(yīng)的有效深度為15.5 m。

3.2 地層總沉降量分析

各個(gè)深度土層的沉降量隨時(shí)間變化的曲線如圖5中所示。

根據(jù)圖5可知，以7 d為界，可劃分為兩個(gè)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(wěn)定，對(duì)應(yīng)的時(shí)間分別是0～1、1～6、6～7 d。對(duì)于第一個(gè)階段，沉降變化不顯著，主要是因?yàn)樗秩霛B并未達(dá)到濕陷條件;對(duì)于第二個(gè)階段，沉降增長(zhǎng)比較顯著，此時(shí)土體開(kāi)始飽和，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)受到破壞，繼而形成顯著的自重濕陷變形;對(duì)于第三個(gè)階段，沉降持續(xù)增大，但是增幅低于前一個(gè)階段，此時(shí)土體基本完全飽和，濕陷沉降保持穩(wěn)定[10]。停水期可分為停水固結(jié)沉降、固結(jié)沉降穩(wěn)定兩個(gè)階段，分別是在8～11 d和11 d之后，前者沉降量表現(xiàn)為突增變化趨勢(shì)，主要是水分入滲減少，土體變化不飽和狀態(tài)，孔隙變大而導(dǎo)致;后者沉降量基本保持穩(wěn)定，主要與土體固結(jié)沉降基本不再變化有關(guān)。

3.3 鉆井預(yù)浸水法消除濕陷性效果分析

針對(duì)預(yù)浸水法消除濕陷性的效果進(jìn)行分析，可得自重濕陷系數(shù)、濕陷系數(shù)和層深的關(guān)系，具體如圖6和圖7所示。

從圖6可知，在不同的層深時(shí)各個(gè)探孔的自重濕陷性存在顯著的差異性。對(duì)于探孔a， 自重濕陷系數(shù)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(duì)于探孔b，自重濕陷系數(shù)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(gè)階段，前者層深是1～2、8～15 m，后者層深是2～7 m。對(duì)于探孔c，基本各個(gè)土層深度均發(fā)生濕陷變形，僅1 m、2 m除外。

同時(shí)，對(duì)比圖6和圖7探井a(chǎn)的自重濕陷系數(shù)和濕陷系數(shù)都是隨層深不斷變化，且變化趨勢(shì)一致;對(duì)于探孔b，在層深低于8 m的情況下未出現(xiàn)濕陷變形，曲線差異性較小，在1～2 m時(shí)存在顯著差異性，在3～7 m存在濕陷變形，但自重濕陷系數(shù)和濕陷系數(shù)不同。對(duì)于探孔c，各個(gè)層深的土樣均存在濕陷變形，相對(duì)于飽和自重濕陷系數(shù)顯著增大。由此得出，采用鉆孔預(yù)浸水法可以將土層自重濕陷性進(jìn)行有效地消除。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以單浸水井浸水試驗(yàn)和試坑浸水濕陷試驗(yàn)為主體，對(duì)鉆孔預(yù)浸水法處理濕陷性黃土的影響因素進(jìn)行研究。具體結(jié)論為：

（1）鉆孔預(yù)浸水法入滲穩(wěn)定和濕陷沉降穩(wěn)定時(shí)長(zhǎng)分別為7 d和25 d。穩(wěn)定后飽和區(qū)域影響規(guī)律為：土層≥8m時(shí)，浸潤(rùn)半徑為2.4 m，土層小于8 m時(shí)，浸潤(rùn)半徑為3.5 m，處理有效深度為15.5 m;

（2）在試驗(yàn)的過(guò)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(wěn)定和停水期的停水固結(jié)沉降階段→沉降穩(wěn)定階段。停水期在水分消散作用下，孔隙水壓力降低，在試驗(yàn)區(qū)域在固結(jié)沉降下部地層表現(xiàn)較為明顯，因此在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，要將浸水井灌注成復(fù)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(xiàn)最大值和最小值。上部地層在浸水期沉降變形量占比相對(duì)較大，只有較小停水期固結(jié)沉降變形產(chǎn)生，下部地層的情況則相反;

（4）鉆孔預(yù)浸水法有效處理范圍對(duì)應(yīng)浸水穩(wěn)入滲穩(wěn)定后浸濕飽和區(qū)影響范圍，達(dá)到飽和的黃土濕陷性可完全消除，未飽和區(qū)黃土濕陷性只可部分消除。

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