吳 杰 周海軍

(甘肅中建市政工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

1 概述

一般來(lái)講，濕陷性黃土地基土單元的濕陷起始?jí)毫?duì)地基處理而言，其工程意義在于分析判定地基土被充分浸濕而產(chǎn)生較嚴(yán)重變形的可能性大?。粷裣菪渣S土室內(nèi)地基土單元的P—δ曲線對(duì)地基處理而言，其工程意義在于分析一個(gè)土單元如果被充分浸濕，將產(chǎn)生怎樣程度的變形。然而，針對(duì)地基整體來(lái)講，地基濕陷程度如何卻只有明確不同深度土體單元的P—δ曲線的統(tǒng)計(jì)幾何特性才可得知，與此同時(shí)，工程實(shí)例亦證實(shí)不同深度的不同濕陷起始?jí)毫Φ鼗羻卧慕M合常常背離工程師們對(duì)場(chǎng)地濕陷特性的一些認(rèn)識(shí)，所以有時(shí)候我們不能機(jī)械的、一刀切式的按剩余濕陷量等常規(guī)指標(biāo)來(lái)進(jìn)行地基工程處理。

鑒于以上，合理的確定地基土處理深度本應(yīng)該充分考慮各深度處的濕陷曲線特征指標(biāo)，而不能盲目?jī)H憑有限的“經(jīng)驗(yàn)剩余濕陷量和經(jīng)驗(yàn)處理厚度”數(shù)值去判定，否則容易一刀切。下面就帶著以上基本認(rèn)知對(duì)濕陷性黃土場(chǎng)地常規(guī)處理原則所涉及的幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行闡述與評(píng)價(jià)。

2 場(chǎng)地濕陷類(lèi)型的劃分問(wèn)題

縱觀現(xiàn)行黃土規(guī)范[1,2]或征求意見(jiàn)稿，從為地基處理服務(wù)的角度看，之所以將場(chǎng)地分為“自重”與“非自重”兩種類(lèi)型，其目的是判定濕陷性場(chǎng)地地基土的濕陷起始?jí)毫Φ睦脙r(jià)值大小。按現(xiàn)行黃土規(guī)范，分界線70 mm僅是一個(gè)眾多濕陷事故的觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)值，且該值是在濕陷事故調(diào)查統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上得到的。但客觀上講，某個(gè)濕陷事故的原因應(yīng)當(dāng)是個(gè)綜合因素，這與濕陷敏感土單元的深度、土單元的濕陷曲線特征等因素有關(guān)，可謂是一個(gè)復(fù)雜的態(tài)函數(shù)。即便兩個(gè)場(chǎng)地的自重濕陷量、濕陷量計(jì)算相等，但濕陷敏感單元分布的深度各異，那么經(jīng)驗(yàn)指出兩個(gè)地基的濕陷危害程度區(qū)別可以很大。也就是說(shuō)，如果前面在并沒(méi)有指定其他參量的情況下就對(duì)事故發(fā)生時(shí)的自重濕陷量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并將統(tǒng)計(jì)濕陷量這個(gè)單一量和濕陷事故建立某種聯(lián)系是不妥當(dāng)?shù)模@就將本來(lái)因地變動(dòng)的狀態(tài)量給強(qiáng)制統(tǒng)一化了，認(rèn)為凡是自重濕陷場(chǎng)地(>70 mm)就一定比非自重場(chǎng)地(<70 mm)的濕陷事故嚴(yán)重(即使是對(duì)同一建筑物而言)；認(rèn)為同屬自重濕陷場(chǎng)地，自重濕陷量大的就一定比自重濕陷量小的濕陷事故嚴(yán)重(即使是對(duì)同一建筑物而言)，這是不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹?/p>

P—δ曲線具有陡增特征的土單元為濕陷敏感單元，該類(lèi)土在常規(guī)地基壓力下將產(chǎn)生較一般土更大的濕陷量和不穩(wěn)定性，相同的計(jì)算濕陷量給工程帶來(lái)的危害更大。在此建議在濕陷等級(jí)較低的場(chǎng)地，判別場(chǎng)地的濕陷類(lèi)型時(shí)應(yīng)當(dāng)充分剖驗(yàn)地基土單元的P—δ曲線特征以了解其起始濕陷壓力的大小及濕陷敏感程度大?。辉谟?jì)算自重濕陷量或濕陷量時(shí)，對(duì)埋深區(qū)間不同、濕陷敏感程度不同的土體單元賦予不同的加權(quán)系數(shù)，以突顯其對(duì)建筑地基濕陷的影響程度，以突顯不良地基土的層位埋深，這是一種逼近工程實(shí)際的合理途徑。

3 黃土體滲透問(wèn)題

一般的認(rèn)識(shí)表明，通常熱力學(xué)狀況下，作為具有高介電常數(shù)的液體水在造巖礦物表面總能“擠掉”氣體而適度鋪展，熱力學(xué)平衡態(tài)時(shí)，表面幾十納米至幾百納米范圍內(nèi)(和表面解離度及液體內(nèi)反號(hào)離子濃度相關(guān))存在的是滿足玻爾茲曼分布的反號(hào)粒子或結(jié)合水粒子[3]，這些粒子的性質(zhì)和主體相差別很大甚至完全不同，它們不能用普通的宏觀物理公式去描述；但是在孔隙尺寸足夠大(如大于2 μm)的條件下，土顆粒表面擴(kuò)散雙電層的存在將不會(huì)顯著影響水的宏觀動(dòng)力性質(zhì)而異于人們宏觀的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)，水這種締合液體的粘性似乎也不足以克服重力而產(chǎn)生宏觀的整體流動(dòng)，相應(yīng)的孔隙壓強(qiáng)也可以用普通的公式計(jì)算。因此，恒定熱力學(xué)條件下，水在小孔中的流動(dòng)性質(zhì)如何，需要明確土體的原始孔隙大小、礦物解離常數(shù)、土體含鹽量多少這三個(gè)量值的范圍值。

對(duì)于砂卵石地層，一般孔隙直徑范圍1 mm～10 mm，這個(gè)量值使得水在滲透過(guò)程中可完全不考慮其在顆粒表面的排列效應(yīng)和氫鍵締合粘聚力，重力是唯一驅(qū)動(dòng)力，屬宏觀層次，待滲透結(jié)束時(shí)(雨后一段時(shí)間)，僅在大顆粒接觸點(diǎn)處由毛細(xì)冷凝作用懸掛滯留少許彎液面水，即該種粗顆粒地層不可能產(chǎn)生上層滯水。

對(duì)于黏土地層，一般電鏡觀察顯示其顆粒間距一般為0.1 μm～1 μm量級(jí)，在土體體積受限且水源充足(地表始終有水)時(shí)，當(dāng)水分子進(jìn)入上述間距后便在解離的表面上吸附，長(zhǎng)程電分子力使得水分子排列厚度增至幾十至上百納米，這樣便可減小甚至堵塞相當(dāng)數(shù)量的黏土粒表面間孔隙，此時(shí)氫鍵締合所產(chǎn)生的粘性阻止宏觀力(如重力、液體壓強(qiáng))的趨勢(shì)就顯得舉足輕重了，此滲透過(guò)程的主要驅(qū)動(dòng)力不是重力，而是反離子或極性水分子在礦物表面的分布熵，其實(shí)質(zhì)是受限體積內(nèi)的界面能量最低趨勢(shì)，在純熵驅(qū)動(dòng)的條件下，滲透路徑是受孔隙氣體與土顆粒表面間在水介質(zhì)中的非阻滯哈馬克常量控制的，水體滲透總是自動(dòng)選擇哈馬克常量較低值的礦物表面間區(qū)域，這些區(qū)域連起來(lái)便成為水的運(yùn)移通道，沒(méi)能連在一起的就得不到水的“浸潤(rùn)”，因此從亞微觀層面看，黏土不論浸水多長(zhǎng)時(shí)間，始終不可能達(dá)到分子層面意義上的飽和態(tài)。上述堵塞效應(yīng)使得黏土的宏觀透水性變差或不透水。

黃土高原地區(qū)，顆粒分析試驗(yàn)判定一般黃土屬粉土類(lèi)，無(wú)論其密實(shí)度如何，粉土顆粒間距始終介于黏土和砂類(lèi)土，這種區(qū)分不只是建立在孔隙幾何尺寸大小的基礎(chǔ)上，而更是建立在水分運(yùn)移機(jī)理差異的基礎(chǔ)上。異于砂土和黏土，水在粉土中的移動(dòng)所受的各主要因素包含氫鍵締合粘聚力、重力、毛細(xì)管力這三種。實(shí)際上，在粉土孔隙大小的孔中(如1 μm～5 μm)，水在礦物表面的排列效應(yīng)對(duì)水的運(yùn)移通道堵塞可視為次要方面，這樣在水源充足(地表始終有水)時(shí)，水體下滲的主要驅(qū)動(dòng)力為宏觀性質(zhì)的重力(靜態(tài)時(shí)等效于孔隙水壓)和毛細(xì)管力；而異于砂卵石地層，這時(shí)還應(yīng)考慮另外一個(gè)阻力因素便是水的氫鍵締合粘聚力，如果該粘聚力能夠大幅抵消宏觀重力，那么，水分下滲則主要靠毛細(xì)管力和外界大氣壓驅(qū)動(dòng)，水與一般造巖礦物表面的接觸角較小，在微米級(jí)的孔隙半徑時(shí)，毛細(xì)驅(qū)動(dòng)的拉普拉斯壓強(qiáng)為0.5～1.5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)，對(duì)于一般低含水量的黃土來(lái)講，孔隙氣全是聯(lián)通的，滲透沖鋒面處的孔隙氣壓力也在這個(gè)范圍，基本能夠抵消沖鋒面處的拉普拉斯壓強(qiáng)。現(xiàn)在從整體上來(lái)看，影響水體下滲的各種力抵消后就只剩下外界大氣壓了，即無(wú)限制下滲，直至某一深度處遇見(jiàn)不得不考慮水分子在其表面有排列效應(yīng)的大厚度粘性土為止。但是當(dāng)水源不充足時(shí)，譬如下雨時(shí)間短，地表積水時(shí)間有限，或者說(shuō)地表的防水措施到位、蒸發(fā)等，這類(lèi)滲透過(guò)程除上述滲透細(xì)節(jié)外還應(yīng)考慮當(dāng)?shù)乇硭咳霛B后在水體表面處(實(shí)為彎月面)形成的拉普拉斯壓強(qiáng)，通過(guò)上面的量級(jí)分析，這個(gè)向上的壓強(qiáng)差恰能阻止大氣壓力對(duì)滲透的驅(qū)動(dòng)，這時(shí)下部的滲透沖鋒面雖然可能繼續(xù)向下走動(dòng)一段距離，但是步伐會(huì)明顯的放緩直至停留，平衡態(tài)時(shí)沿深度形成多處不連續(xù)的靜止毛細(xì)水段，隨著時(shí)間的推移，這些水段彼此之間可能會(huì)發(fā)生位置微調(diào)，但不會(huì)有整體再向下運(yùn)移的趨勢(shì)。

總之，散體結(jié)構(gòu)中水的滲透并不是一味受宏觀力的牽引和控制，也并不是無(wú)終止的向下滲透；不同的浸水條件，不同的礦物組成，不同的孔隙尺寸，其滲透控制機(jī)理將有較大或顛覆性的本質(zhì)差異。針對(duì)大厚度濕陷性黃土地基，地基自重濕陷量的計(jì)算建議結(jié)合地形、氣候、臨近水源、管道施工及維護(hù)質(zhì)量等因素充分考慮場(chǎng)地的浸水條件，在這個(gè)基礎(chǔ)上再給予濕陷量計(jì)算值一定的折減是合理的，地形條件好，地表侵水幾率小的場(chǎng)地，濕陷量的折減量將大幅增加。該折減量是在原始場(chǎng)地(即未考慮將來(lái)擠密地層的隔水貢獻(xiàn))的前提下闡述的，這樣便相當(dāng)于又多出一個(gè)附加的安全系數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

1)場(chǎng)地濕陷等級(jí)較低時(shí)，地基濕陷性敏感土體單元隨深度的分布有時(shí)并無(wú)明顯的規(guī)律，建議給場(chǎng)地的濕陷類(lèi)型定性時(shí)應(yīng)當(dāng)充分剖驗(yàn)地基土單元的P—δ曲線以了解其起始濕陷壓力的大小，判定特定深度土體的濕陷起始?jí)毫Φ睦脙r(jià)值；在計(jì)算自重濕陷量時(shí)，對(duì)埋深不同的濕陷敏感土體單元給予不同的加權(quán)系數(shù)，以突顯其對(duì)建筑地基濕陷性的影響程度，工程角度講，這是必要的。

2)當(dāng)水源充足(地表始終有水)時(shí)，水體下滲的主要驅(qū)動(dòng)力為重力、毛細(xì)管力；阻力因素便是水的氫鍵締合粘聚力，如果該粘聚力能夠大幅抵消宏觀重力，那么，水分下滲則主要靠毛細(xì)管力和外界大氣壓驅(qū)動(dòng)，對(duì)于一般低含水量的黃土來(lái)講，滲透沖鋒面處的孔隙氣壓力基本能夠抵消沖鋒面處的拉普拉斯壓強(qiáng)，這樣，水體便無(wú)限制下滲，直至某一深度處遇見(jiàn)不得不考慮水分子在其表面有排列效應(yīng)的粘性土為止。當(dāng)水源不充足時(shí)，滲透過(guò)程還應(yīng)考慮地表水全部入滲后在水體表面處(實(shí)為彎月面)形成的拉普拉斯壓強(qiáng)，這個(gè)向上的壓強(qiáng)差一般能阻止大氣壓力對(duì)滲透的驅(qū)動(dòng)，這時(shí)下部的滲透沖鋒面雖然可能繼續(xù)向下走動(dòng)一段距離，但是步伐會(huì)明顯的放緩直至停留，平衡態(tài)時(shí)沿深度形成多處不連續(xù)的靜止毛細(xì)水段,并不會(huì)有整體再向下運(yùn)移的趨勢(shì)。

針對(duì)大厚度濕陷性黃土地基，地基自重濕陷量的計(jì)算建議根據(jù)地形、氣候、臨近水源、管道施工及維護(hù)質(zhì)量等因素充分考慮場(chǎng)地的浸水條件、入滲機(jī)理給予一定的折減是合理的。