張照龍

(中鐵建投(煙臺)開發(fā)有限公司 山東煙臺 265599)

1 前言

黃土的濕陷性，文獻[1]給出了兩種常用的評價方法，一是室內壓縮試驗，二是現(xiàn)場試坑浸水試驗。前者是在現(xiàn)場采取不擾動土樣，送至實驗室開展室內壓縮試驗測定黃土濕陷系數(shù)和自重濕陷系數(shù)，通過給定的公式計算得到濕陷量和自重濕陷量(稱之為“計算值”)；后者為大型原位試驗，即在工程現(xiàn)場開挖試坑，通過對沉降標點的監(jiān)測，直接得到試坑在浸水條件下的自重濕陷量(稱之為“實測值”)。

一般認為，現(xiàn)場試坑浸水試驗判定結果比較可靠，但是，由于原位試驗費用高，且費工費時，一般只是在缺乏經(jīng)驗的地區(qū)建設重要建筑物勘察時才使用。

西韓城際鐵路位于陜西省渭南市、關中平原東北部，線路長度約175 km，設計速度250 km/h，是一條高標準城際鐵路，未來也是連接西延高鐵和大西高鐵的區(qū)域性高鐵。線路經(jīng)過地區(qū)基本為黃土覆蓋，主要經(jīng)過渭北黃土臺塬區(qū)和侵蝕黃土塬區(qū)兩個長大段落的大厚度自重濕陷性黃土地貌單元，黃土濕陷厚度高達30 m[2－4]。

為了準確查明黃土濕陷類型和濕陷機理，尤其是Q2黃土的濕陷機理，查明大面積浸水的影響范圍，為濕陷性黃土地基處理和防排水設計提供依據(jù)，課題組在渭北黃土臺塬區(qū)選擇了一處場地開展現(xiàn)場試坑浸水試驗。

2 場地勘察情況

2.1 場地環(huán)境

試驗場位于蒲城縣岳興村，擬建城際鐵路右側約170 m處，場地附近地形開闊、地勢平坦，地表為耕地，周邊沒有對沉降反應明顯的建(構)筑物，有簡易道路與外界相通，交通較為便利[5－7]。

2.2 場地地基土性質

試驗場地層自上而下分別為Q3黏質黃土(厚約5.1 m)、Q3古土壤(厚約3.5 m)、Q2黏質黃土(厚約34.2 m)、Q2粉砂(厚8.1 m)。地下水位埋深43 m。

根據(jù)室內試驗結果，30 m范圍內地基土天然含水率為14%～20%，干密度為1.30～1.60 g/cm3，天然孔隙比為0.700～1.100，塑性指數(shù)為10.5～13，綜合垂直滲透系數(shù)為3.25×10－4cm/s。

場地內布置3個探井，采用機械洛陽鏟成孔、坑壁人工刻槽取樣的方法采取原狀土樣，開展室內壓縮試驗。計算場地土體自重濕陷量為81.0～325.8 mm，平均值為177.0 mm；總濕陷量為334.0～672.8 mm，平均值為500.4 mm。綜合判定場地屬Ⅱ級自重濕陷場地，濕陷土層最大厚度為29.5 m。

忽略地區(qū)修正系數(shù)(β0＝1)，計算得出場地自重濕陷量為90.0～362.0 mm，平均值為196.7 mm。

3 試驗方案設計

本次試驗的浸水試坑采用直徑為32 m的圓形試坑，坑深約0.5 m，試坑底部鋪設10～20 cm厚的碎石。場地內布置沉降監(jiān)測點79個、水分計探井4個、滲水孔12孔、水位觀測孔6孔。

3.1 淺標點布設

在試坑內部和試坑外1.5倍試坑半徑范圍內由試坑中心向坑外3個方向放射狀布置三條測線，如圖1中的OA、OB、OC。每條測線第一個淺標點距圓心為1.5 m，之后淺標點間距為2 m，坑內共布置8個淺標點。坑外1.5倍試坑半徑范圍內布置8個淺標點，第一個淺標點距坑邊1 m，然后向外以間距3×2 m＋1×3 m＋1×4 m＋2×5 m布設，最遠處的淺標點距試坑中心距離為40 m。場地內共布設49個淺標點，其中試坑內25個、試坑外24個。

圖1 試驗場平面布置

3.2 深標點布設

平面上過試坑中心布置了三條測線，如圖1中的 DD′、EE′、FF′，深標點測線與淺標點測線夾角為30°。每條測線上深標點按間距3 m布置，共布置30個深標點。

空間上地表以下35 m范圍內結合各土層界線布設，大致間隔2.5 m，每個深度布設不少于2個深標點，同一測線上同一深度的兩個標點距試坑中心的平均距離相等[8－10]。

3.3 土壤水分計布設

在試坑內和試坑外各布置2個探井，井徑60 cm、深31 m。其中試坑內的探井位于試坑中心兩側各9 m，試坑外探井距離坑邊分別為2 m和5 m。4個探井在平面上形成一個剖面。

每個探井內自上而下，20 m以內間隔1 m、20 m以下間隔2 m在探井側壁布設水分計，形成豎向剖面。場地內合計布設水分計100個。

3.4 滲水孔布設

在距離半徑11 m的圓周上均勻布置滲水孔12孔，孔深9 m(穿透古土壤)。滲水孔孔徑130 mm，孔內回填碎石。

3.5 水位觀測孔布設

在試坑外南北方向各布置一排水位觀測孔，一排3個，間距為3 m，第1個水位觀測孔距離試坑邊沿3 m，共計6個水位觀測孔，每排觀測孔孔深由近及遠分別為20 m、25 m、30 m。

4 試驗結果分析

4.1 注水量

試驗場于2020年5月19日中午12點開始注水，至7月26日早8點停止注水，歷時68 d。累計注水量8 867 m3，平均日注水量約130 m3。

為計算注水期內降雨和蒸發(fā)對注水量的影響，在場地內埋置直徑60 cm、高70 cm的塑料桶，塑料桶高出地面20 cm，于5月19日同期注水，水深40 cm。至停水當日，桶內水位累計下降14 cm，按面積換算，受降雨和蒸發(fā)影響，浸水試坑在注水期內累計損失水量為114 m3，約為注水量的1.3%，因此，降雨和蒸發(fā)對注水量的影響可以忽略不計[11]。

4.2 土壤水分計數(shù)據(jù)分析

試驗期間，浸水試坑內外4個斷面的100支土壤水分計每隔10 min自動采集地基土的含水率，以研究浸水區(qū)地下浸潤邊界及時空變化規(guī)律。數(shù)據(jù)表明:

(1)豎向上，受地基土不均勻性的影響，試坑內不同位置的水流下滲速度不同步，呈現(xiàn)出不均勻下滲的規(guī)律。垂直滲流前鋒在注水后的第56天達到30 m深度，實測綜合垂直滲透系數(shù)為5.8×10－4cm/s，約為室內試驗值的1.8倍。

(2)橫向上，水流沿一定角度向側下方滲流，速度較慢，在停水后的第8天，滲流才到達30 m深度，實測綜合水平滲透系數(shù)為1.2×10－4cm/s，約為垂直滲透系數(shù)的0.2倍。

4.3 水位觀測孔數(shù)據(jù)分析

浸水第38天，在場地北側距離試坑最近的孔內觀測到自由水面，然后水位緩慢抬升，至第55天達到18.3 m的最高水位，之后緩慢下降。在停水后有個加速下降的過程，而后在一段時間內保持穩(wěn)定(19.6 m)，現(xiàn)場試驗結束時，水面埋深為19.85 m。

浸水第57天，在場地南側距離試坑最近的孔內觀測到自由水面，然后水面緩慢抬升，至第63天達到19.5 m的最高水位，之后保持穩(wěn)定。停水后逐漸下降，至第79天水面消失。

其余水位觀測孔未觀測到自由水面。

4.4 豎向浸水深度分析

停止浸水后的第3天和第4天，在試坑內南北兩側各施作1個取樣孔，孔深均為50 m。鉆探揭示，試坑下部50 m范圍內的土體均已被完全浸泡，呈軟塑～可塑狀態(tài)。根據(jù)室內試驗結果，浸水后試坑下部50 m范圍土體的含水率普遍大于20%，最大含水率達到29.1%。其中上部30 m范圍的土層，浸水前平均含水率為12.9%～18.8%，浸水后平均含水率為19.0%～27.5%，含水率增幅最大達到84.6%，如圖2所示。

圖2 試坑內地基土浸水前后含水率變化

4.5 浸水影響范圍分析

浸水后的第21天、第41、42天和停水前后的第66～72天分別在試坑外南、北兩側布置了2排取樣孔，取樣測定含水率，與浸水前的試驗結果做對比分析。結合現(xiàn)場巖芯鑒定和土壤水分計監(jiān)測結果，繪制本次浸水試驗的浸潤范圍和飽和范圍，如圖3所示。從圖3中得出浸潤角約為40°，且南北兩側略有差異。

圖3 試驗場浸潤范圍和飽和范圍

4.6 沉降觀測

本次試驗采用高精度精密水準儀配合銦瓦水準尺進行測量，按二級變形測量精度、相對高差基準系進行觀測。

(1)淺標點:淺標點埋深約0.5 m，用于測量地面變形(總的自重變形)。對A、B、C三個系列的觀測數(shù)據(jù)進行整理，如圖4和圖5所示。從觀測數(shù)據(jù)上看:淺標點的沉降量整體趨勢由圓心向外逐漸減小，呈漏斗狀，最大沉降發(fā)生在圓心周邊2 m的區(qū)域內，累計最大沉降量為27.3 mm；場地內的沉降主要發(fā)生在浸水試坑內，以及試坑外4 m范圍內，試坑外超過4 m的區(qū)域沉降量比較小，主要以輕微抬升為主。

圖4 A-B系列淺標點沉降量隨時間變化

圖5 A-C系列淺標點沉降量隨時間變化

(2)深標點:深標點用于監(jiān)測不同深度土層的自重變形量，確定自重濕陷土層厚度。根據(jù)D、E、F三個系列的沉降觀測數(shù)據(jù)(如圖6～圖8所示)，本場地黃土自重濕陷主要發(fā)生2.5～15 m的深度范圍內，其中2.5～8 m為Q3地層，8～15 m為Q2地層，最大沉降量為46 mm。

圖6 D系列深標點沉降量隨時間變化

圖8 F系列深標點沉降量隨時間變化

5 試驗成果

(1)本次試驗采用的浸水試坑直徑達32 m，是近年來關中地區(qū)實施的最大規(guī)模的黃土現(xiàn)場試坑浸水試驗。

(2)試驗場自重濕陷量實測值46 mm，與室內計算值(平均值196.7 mm)的比值β0值為0.23。該結果與相同地貌單元的某電廠試驗結果基本吻合。

(3)實測地基土濕陷下限為15 m。除Q3黃土外，Q2上部的黃土仍具有一定的濕陷性。

(4)地表水自然入滲深度超過了50 m，浸潤角約為40°，浸潤直徑約55 m，約為浸水試坑直徑的1.7倍。

(5)部分沉降標點累計沉降量出現(xiàn)了不降反升的現(xiàn)象，其原因有待今后進一步研究[12]。

6 自重濕陷量實測值與計算值差異原因分析

本次試驗中，現(xiàn)場試坑浸水試驗得到的自重濕陷量實測值與室內壓縮試驗得到的計算值之間的差異是客觀存在的，差異大小主要與地域有關。文獻[3]及[13]對此作了深入分析。本文認為，主要原因在于室內試驗和現(xiàn)場原位試驗的模型有著本質上的區(qū)別。

(1)室內試驗

室內壓縮試驗的對象是飽和土，環(huán)刀試樣體積小，室內浸泡很容易達到飽和，在施加飽和自重壓力時容易發(fā)生結構性破壞。

此外，室內試驗理論是建立在新黃土之上的，忽略了黃土的不均勻性，同時也忽略了古土壤層和鈣質結核對于濕陷性黃土的支撐作用。

(2)現(xiàn)場原位試驗

現(xiàn)場浸水試驗的對象是非飽和土。浸水試驗中，地表水首先會尋找黃土中的優(yōu)勢通道下滲，土體不易達到飽和，即使達到飽和，由于沒有應力釋放的過程，土體結構(尤其是Q2黃土的土體結構)很難受到破壞。

本試驗場在停水后第3天，在試坑外側2 m的位置嘗試開挖探井，結果發(fā)現(xiàn)，黃土在滲水的狀態(tài)下依然保持著良好的直立狀態(tài)，工人甚至可以下到井中正常取樣，只是取出的土塊由于浸水以及應力釋放的原因，在搬運過程中很容易破碎，需要非常小心的制樣。

在停水后的第83天，在浸水試坑內再次開挖探井取樣，進行室內壓縮試驗，結果表明現(xiàn)場浸水試驗后的土樣仍具有較大的自重濕陷性。

綜上所述，原狀黃土在浸水飽和條件下發(fā)生結構破壞，需要很長一段時間；在黃土結構未完全破壞之前，發(fā)生過濕陷的土體在特定條件下還有可能再次濕陷。