周有祿，武小鵬，房建宏，李 奮，劉賀業(yè)

(1.中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000；2.青海省交通科學研究院，青海 西寧 810000)

隨著我國西部大開發(fā)和“一帶一路”倡議的實施，濕陷性黃土區(qū)工程越來越多，工程建設中遇到的濕陷性黃土問題日益突出。濕陷性黃土在天然狀態(tài)下具有強度高和壓縮性低的特點；當濕陷性黃土受水浸濕后，其土體內(nèi)部結構在自重應力或自重應力與外部附加應力的共同作用下發(fā)生了破壞，其強度明顯降低。當黃土單元之間剩余的強度不足以抵抗其應力時，土體結構迅速遭到破壞，從而使土體發(fā)生顯著的自重濕陷變形[1-2]。黃土區(qū)工程的地基處理標準和處理措施在很大程度上受到黃土濕陷性評價結果控制，對黃土濕陷性評價的準確與否將影響工程建設投資和后期運營養(yǎng)護成本及安全性。

目前工程中對黃土場地濕陷類型的評價主要為現(xiàn)場取樣用室內(nèi)試驗計算值、現(xiàn)場試坑浸水試驗實測值評價其濕陷等級[3-4]。黃土場地濕陷類型是通過自重濕陷量來評價的，其中自重濕陷量的獲得來源于黃土室內(nèi)壓縮試驗和現(xiàn)場試坑浸水試驗。但是，黃土本身具有的復雜性和特殊性，使得室內(nèi)試驗計算值和現(xiàn)場實測值之間存在著較大差異；大型現(xiàn)場試坑浸水試驗所能測試的土體范圍大，并且能夠真實客觀地反映宏觀及微觀結構對土體單元變形的影響，一般認為現(xiàn)場試坑浸水試驗所測定的自重濕陷量更加真實、準確、可靠。

本文依托新建川口至大河家公路古鄯服務區(qū)，在大型現(xiàn)場試坑浸水試驗和室內(nèi)試驗對比的基礎上，對室內(nèi)計算所得的自重濕陷量和現(xiàn)場實測的自重濕陷量的影響因素進行對比分析。以期更好地服務于黃土區(qū)工程建設，查明影響黃土自重濕陷量的各種因素。

1 試驗概況

1.1 試驗場地的工程地質(zhì)條件

本次現(xiàn)場試坑浸水試驗場地位于隴西黃土的邊緣地帶——濕陷性黃土工程地質(zhì)分區(qū)中的Ⅰ區(qū)，地貌單元類型為黃土塬地貌。根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》(GB 50025—2004)，在沒有取得實測資料時濕陷性黃土場地自重濕陷量計算值的修正系數(shù)β0(因地區(qū)土質(zhì)而異)可取1.5[5]。由試驗場地的挖探資料可知，該試驗場地0～25 m深度內(nèi)的地層主要為粉質(zhì)黃土。25 m深度范圍內(nèi)地層情況見表1。

表1 試驗場地的土層特征和物理力學指標

1.2 試坑設計及觀測點布置

在浸水試驗開始前在試驗場地開挖探井取樣進行室內(nèi)試驗，探井1(距試坑中心45 m)、探井2(距試坑中心50 m)經(jīng)試驗分別判定濕陷等級為Ⅱ級、Ⅳ級，其自重濕陷性黃土下限深度約為19 m。浸水試坑設計為圓形，直徑20 m，深0.5 m。地表設置沉降觀測淺標點45個，其中試坑內(nèi)12個、試坑外33個，依次編號為A1～A15，B1～B15，C1～C15。此外試坑內(nèi)設置沉降觀測深標點24個，編號為L2～L20，M4～M22，N6～N24(字母L，M，N代表沉降觀測深標點的方向，數(shù)字代表沉降觀測深標點的埋深)。試坑平面布置示意如圖1所示。

圖1 試坑平面布置示意

本次試驗從浸水開始持續(xù)觀測76 d，其中連續(xù)浸水期間觀測56 d，停止浸水后繼續(xù)觀測20 d。在整個浸水試驗過程中采用TOPCONDL-111C型水準儀每天對沉降觀測標進行觀測，且觀測精度控制在規(guī)定范圍之內(nèi)。

2 試驗結果對比

試驗場地地表沉降曲線見圖2，其中沉降觀測標C1，C4分別距離試坑中心2.5，8.5 m?？芍旱乇沓两涤^測標的單天沉降量在-0.2～0.2 cm(負數(shù)表示沉降觀測標有所抬升)之間擺動，且累計最大沉降量為0.8 cm，認為在浸水過程中場地未發(fā)生自重濕陷變形。由此判定該場地為非自重濕陷性場地。

圖2 試驗場地地表沉降曲線

經(jīng)室內(nèi)試驗計算，探井1的自重濕陷量、總濕陷量分別為57.75，85.35 cm；探井2的自重濕陷量、總濕陷量分別為13.8，35.85 cm。判定該試驗場地為自重濕陷性場地。

綜上所述，通過現(xiàn)場浸水試驗實測值和室內(nèi)試驗計算值所判定的濕陷類型存在明顯差異。

3 現(xiàn)場試驗和室內(nèi)試驗結果差異原因分析

目前認為現(xiàn)場浸水試驗實測值和室內(nèi)試驗計算值所評價的場地濕陷類型不一致的原因較多，主要包括試驗土樣在取出后應力釋放、取樣對土體擾動、邊界條件、試驗面積等，但目前對以上原因都是定性、宏觀分析[6-8]。故本文從土層分布不連續(xù)、含水率、孔隙比等因素對黃土自重濕陷量的影響深入、系統(tǒng)性地分析現(xiàn)場浸水試驗實測值和室內(nèi)試驗計算值所評價的場地濕陷類型不一致的原因。

3.1 不同埋深土層自重濕陷變形

不同深度處土層的體積含水率、沉降量隨時間變化曲線見圖3。

圖3 不同深度土層時程曲線

由圖3(a)可知：水分到達各深度土層時，體積含水率迅速增加到峰值而后基本保持不變，由此判定各個深度處沒有發(fā)生自重濕陷變形。當連續(xù)浸水到第35 d時14 m深度處土層體積含水率開始增加，說明水分已滲透到此處。由圖3(b)可知：在連續(xù)浸水第35 d時，各深度沉降標也未出現(xiàn)自重濕陷沉降。在12 m深度處實測累計沉降量為1.2 cm，而在浸水試驗過程中實測的地表最大沉降量為0.8 cm。這是因為12 m以上非濕陷性土層對濕陷性土層的自重濕陷變形產(chǎn)生了抑制作用，從而使地表的最終累計沉降量小于部分深度土層的沉降量。

3.2 濕陷性土層分布不連續(xù)的影響

室內(nèi)自重濕陷性試驗結果見圖4?？芍涸囼瀳龅赝翆拥淖灾貪裣菹禂?shù)分布較為離散，分別為0.002～0.049(平均值0.015)和0.002～0.026(平均值0.010)。若以自重濕陷系數(shù)>0.015判定為濕陷性土單元，<0.015判定為非濕陷性土單元，則經(jīng)自重濕陷系數(shù)分段統(tǒng)計該試驗場地中粉土層和粉質(zhì)黏土層中非濕陷性土所占比例分別為57.6%和61.5%，并且試驗場地的濕陷性土單元分布不連續(xù)。

圖4 室內(nèi)自重濕陷性試驗結果

從宏觀上分析，當濕陷性強弱程度不同的土單元在浸水以后，濕陷性強的土單元就會發(fā)生濕陷變形，變形后將其部分應力傳遞給周邊濕陷性弱的土單元，則將導致濕陷性弱的土單元最終承受更大的上覆應力?，F(xiàn)場試坑浸水試驗中發(fā)生的自重濕陷變形就是這種應力調(diào)節(jié)達到平衡的結果，是濕陷性強弱程度不同的土單元之間在浸水過程中相互作用后的綜合結果。特別是當濕陷性土層與非濕陷土層交錯分布時，在浸水過程中非濕陷性土層會對濕陷性土層的自重濕陷變形有抑制作用即非濕陷性土層的層拱效應。而室內(nèi)試驗計算所得的自重濕陷量是對濕陷性土層的簡單疊加，不能準確反映這種濕陷性土層分布不連續(xù)而對黃土濕陷變形產(chǎn)生的影響[9-10]。這正是造成室內(nèi)試驗計算值和現(xiàn)場實測值差異較大的主要原因。

3.3 含水率的影響

國內(nèi)外資料表明，土體中的含水率是判定黃土是否發(fā)生自重濕陷變形的指標之一。當含水率增加時黃土自重濕陷性會顯著減小。當黃土土體的含水率大于18%～20%時一般不具有自重濕陷變形[11]。

試驗場地實測含水率隨深度性變化曲線見圖5?？芍禾骄?的含水率為14%～24.7%；探井2的含水率為11.3%～24.8%，表明探井1和探井2的含水率均偏大且平均值為19%。探井1和探井2含水率大于18%的土層所占的比例分別為68%和65%，說明大部分黃土單元不具有濕陷性。

圖5 試驗場地含水率隨深度變化曲線

試驗場地自重濕陷系數(shù)與含水率的關系見圖6?？芍寒斖馏w含水率<19.5%時，其自重濕陷系數(shù)>0.015；當土體含水率>19.5%時，則自重濕陷系數(shù)<0.015。這說明當土體含水率>19.5%時黃土場地不具有自重濕陷性。黃土自重濕陷系數(shù)與含水率擬合曲線的相關系數(shù)R2為0.888，說明黃土自重濕陷系數(shù)與其含水率之間具有良好的負相關性。

圖6 試驗場地自重濕陷系數(shù)與含水率的關系

3.4 孔隙比的影響

試驗場地自重濕陷系數(shù)與孔隙比的關系見圖7。可知：黃土的自重濕陷系數(shù)隨著孔隙比的增大而增大，即自重濕陷系數(shù)與孔隙比之間呈正比關系。當黃土孔隙比<0.98時，其自重濕陷系數(shù)<0.015，因此，發(fā)生自重濕陷性的濕陷起始孔隙比可定為0.98。自重濕陷系數(shù)與孔隙比擬合曲線的相關系數(shù)R2為0.920，說明自重濕陷系數(shù)與孔隙比之間相關性程度較好。

圖7 試驗場地自重濕陷系數(shù)與孔隙比的關系

試驗場地孔隙比隨深度變化曲線見圖8?？芍禾骄?的孔隙比為0.81～1.17；探井2的孔隙比為0.77～1.23，探井1和探井2孔隙比<0.98的土層所占的比例分別為72%和75%，因此可得試驗場地大部分黃土單元不具有濕陷性。

圖8 孔隙比隨深度變化曲線

4 結論

1)依據(jù)室內(nèi)壓縮試驗，場地自重濕陷量計算值的平均值為35.47 cm，由此判定該場地為自重濕陷性黃土場地?，F(xiàn)場浸水試驗實測的自重濕陷量為0.8 cm，由此判定該場地為非自重濕陷性黃土場地。兩者判定的場地濕陷類型不一致。

2)濕陷性土層與非濕陷性土層交錯分布時即濕陷性土層分布不連續(xù)，在浸水過程中濕陷性土層的濕陷將受到非濕陷性土層的抑制作用，此時在土體內(nèi)會產(chǎn)生應力重分布，從而使部分濕陷性土體的豎向應力轉移到非濕陷性土體上，對濕陷的發(fā)生產(chǎn)生抑制作用。因此試驗場地黃土土體自重濕陷量的實測值與室內(nèi)試驗計算值存在較大差異的主要原因是濕陷性土層分布不連續(xù)。

3)試驗場地黃土自重濕陷系數(shù)與含水率之間存在良好的線性負相關性，隨著含水率的增大而減小。當土體含水率<19.5%時，自重濕陷系數(shù)>0.015；當土體含水率>19.5%時則自重濕陷系數(shù)<0.015。這說明當土體含水率>19.5%的黃土場地不具有自重濕陷性。

4)試驗場地土體自重濕陷系數(shù)與孔隙比之間存在良好的線性正相關性，隨著孔隙比的增大而增大。當孔隙比<0.98時，其自重濕陷系數(shù)<0.015。因此，孔隙比0.98可界定為該地區(qū)黃土發(fā)生濕陷的起始孔隙比。

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