楊 喆，王家鼎，李開超，趙金剛 ，晁 軍

(1.中煤西安設計工程有限責任公司, 陜西 西安 710054；2.西北大學 地質學系， 陜西 西安 710069；3.西北大學 大陸動力學國家重點實驗室，陜西 西安 710069；4.機械工業(yè)勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710043)

隨著我國中西部地區(qū)軌道交通建設的快速發(fā)展，越來越多的地鐵和城際鐵路要穿越濕陷性黃土，特別是長區(qū)間、大厚度濕陷性黃土地段，給工程建設和后期運營帶來了極大的安全隱患。因此，準確確定黃土濕陷類型和自重濕陷下限深度等問題具有重要的現實意義。目前，國內外學者對其進行了大量研究。文獻[1-2]開展了礫類鹽漬土和膨脹土地基的現場浸水試驗，文獻[3-7]研究了黃土地層浸水濕陷對地鐵隧道的影響。文獻[8-9]從黃土濕陷變形特性和浸水入滲特征出發(fā)，提出了原位砂井浸水試驗的方法。文獻[10-11]全面分析和研究了壓實黃土濕陷性問題，結果顯示，壓實黃土仍具有十分明顯的濕陷能力。文獻[12-14]分析了不同濕陷性黃土的滲透特性變化，以及黃土濕陷特性和滲透能力之間的相關性。文獻[15-16]從微觀角度合理解釋了黃土濕陷性機理。文獻[17-18]對大厚度自重濕陷性黃土地區(qū)地基處理方法和深度進行了研究。文獻[19]采用數值計算手段，對濕陷土與非濕陷土不同比例、排列方式和濕陷程度下土體濕陷變形特征進行了對比研究，揭示了黃土中濕陷土分布不連續(xù)對濕陷變形產生的抑制作用是導致濕陷量計算值和實測值差異的重要原因之一。文獻[20]分析了新疆伊犁地區(qū)黃土濕陷特性，構建了離心物理模型，基于此模型深入討論了黃土濕陷特性，比較了現場勘測數據與模型試驗結果，發(fā)現兩者具有很好的吻合度，說明利用離心物理模型分析和研究黃土濕陷特性有較高地可行性。

以上研究對我國工程建設做出了重要貢獻，但鮮見渭北黃土高原大型浸水試驗研究。已有大多數試驗為節(jié)約成本和時間，在試驗過程均布置了滲水孔以保證水的快速入滲，但這種快速入滲的情況在實際中很少出現。因此，本文通過陜西省第一條城際鐵路——西安北至機場城際鐵路黃土塬段地下區(qū)間段，選擇代表性場地進行探索性試驗，在不布設滲水孔的情況下，研究和分析浸水時范圍分布、地表層塌陷狀況以及試坑周圍環(huán)境發(fā)生的變化，通過實地監(jiān)測，以期更真實地反應濕陷性黃土的實際濕陷變形過程，揭示濕陷機理，為西安北至機場城際鐵路項目地基處理方案的優(yōu)化設計和未來該地區(qū)工程建設提供理論指導和技術支撐。

1 試驗場地選址原則及工程地質條件

為使浸水試驗場地選擇更加合理，按以下原則選址：選擇特點鮮明且具有明顯地貌地形特征的區(qū)域；選擇區(qū)域濕陷性黃土層不能出現斷裂；選擇區(qū)域黃土濕陷性要非常明顯；所選區(qū)域水電供應方便；場地環(huán)境條件要可行，如交通條件、場地大小等。

依據以上原則，本文所選試驗場地位于西安北至機場城際鐵路里程CK23+236 m處，地貌單元屬渭北黃土塬，表1為所選區(qū)域地層信息。在所選區(qū)域進行探井測試，結果顯示，此區(qū)域黃土濕陷最低深度在17.5～20.5 m，濕陷土層自重濕陷系數δzs介于0.016～0.069，濕陷系數δs介于0.018～0.093，自重濕陷量計算值在195～423 mm，濕陷的下限深度介于15.5～20.5 m，濕陷量計算值介于534～948 mm，地基濕陷等級為自重Ⅲ級(嚴重)～Ⅳ級(很嚴重)。

表1 試驗場地地層巖性特征表

2 現場浸水試驗

2.1 試坑設計

根據室內濕陷性研究結果，所選區(qū)域內土層在21.0 m內都具有濕陷性，只有土層中水分達到飽和，才能表現出較好的自重濕陷特性，因此，本次試坑浸水直徑不得小于 21 m。依據以往經驗，為減小邊界效應對自重濕陷量的影響，將浸水試坑直徑確定為25.0 m。按照設計要求，試坑深度為50 cm，試坑挖開以后要對其做相應的平整處理，完成以后要在試坑底部放置約10 cm厚的碎石，所選碎石的直徑約1～3 cm。浸水試坑設計方案如圖 1所示。

圖1 浸水試驗平面布設(單位：m)

2.2 淺標點布設

本次現場浸水試驗共布設沉降觀測淺標點43個，采用φ25 mm的鍍鋅管。其中，試坑內地表設淺標點19個，標桿長3.0 m，埋深為坑底下0.5 m；試坑外地表設淺標點24個，標桿長2.5 m，埋深為地面下0.5 m，最遠距試坑外20.0 m。為準確判斷和測算特定區(qū)域內濕陷情況，要選擇合適的淺標點。從中心向坑邊出發(fā)，按3個不同方向，每個方向各布置一條測試線，依次標記為A、B、C，各條測試線之間的角度為120°。在坑內，每條測試線中各取6個淺標點，每個淺標點之間相隔2.0 m，每條測試線中第一個點位于距圓心1.5 m處；在坑外，每個測試線中選擇5個淺標點，各測試點間距仍為2.0 m，第一個淺標點位于距坑邊1.0 m處；除上述測試點以外，還需在距坑邊15、20 m處設置兩個淺標點。埋設方法為：在布設位置人工開挖平面尺寸400 mm×400 mm、深為0.5 m的坑，清除坑內虛土后，整平坑底，放入沉降板，然后用水平尺量測標桿，確保沉降板擺放豎直，采用原土回填，夯密碾實。

2.3 深標點布設

設置深標點的目的是檢測土層在深度方向自重濕陷特性變化情況。本次現場浸水試驗場地共計24個深標點，均為機械式深標點，深標點埋好后采用過篩的素土回填并夯實。深標點平面方向過試坑中心布置了6條測線，依次在每條測線中以間距3 m選擇3個深標點用于測試，其中第一個深標點位于距圓心2.5 m的位置處；在深度方向試坑內部地表下0～24.0 m范圍內，深標點間距為2.0 m，每一深度布設2個深標點。

2.4 滲水孔布設

以往浸水試驗為加速地基土盡快浸水飽和，在坑內布設一定數量滲水孔。但是，此過程并不能完全真實反映水分緩慢入滲過程對濕陷性黃土自重濕陷的影響。本文試驗探索性地未布設滲水孔，只是對深標點孔下部采用過篩素土回填，上部預留約1.0 m采用礫石回填，以期進一步提升自重濕陷性黃土濕陷變形特性試驗方法及工程應用，更接近濕陷性黃土實際濕陷變形過程。

2.5 土壤水分計布設

為測試每層土層中含水量變化，在場地內特定區(qū)域進行浸水試驗，使用水分計測試各土層浸水后浸水邊界，以及各土層在浸水時含水量變化規(guī)律。

依次在坑內不同土層同一位置放置2組水分計(TDR-3型，精度為±1r/min)，按照試坑處土層分布特點，各水分計埋設深度依次為5.0(新黃土)、10.0(新黃土)、15.0(老黃土)、20.0(老黃土)、25.0 m(老黃土)?？油鈪^(qū)域埋設2排水分計，埋設區(qū)域位于淺標點附近，處在深度不同位置，其中，第一排水分計埋設深度為8.0 m(埋設水分計3個，平面埋設間距為2.0 m)，另一排水分計埋置深度為16.0 m(埋設水分計3個，平面埋設間距為3.0 m)，埋設位置如圖1所示。坑外土壤水分計埋設采用預鉆孔埋設方式，坑內土壤水分計埋設采用機械洛陽鏟挖掘探井模式。在保證所有水分計能夠穩(wěn)定測試的情況下，進行回填作業(yè)(回填材料為之前選擇的素土)，為保證浸水時孔內滲透速度不宜過大，回填時要進行嚴格的夯實處理。

2.6 水位觀測孔布設

本次試驗布設了1組2個水位觀測孔。通過鉆機打造水位觀測孔，選擇帶有孔眼的PVC管用于過濾，這些分布在PVC管中的孔眼以梅花形狀分布，各孔眼在豎直方向距離在50 mm以內，同時PVC管每周孔眼數為8～10個，穿孔直徑為20 mm。觀測孔形成以后，PVC管外用紗網包裹，再在其周圍填充砂礫石，每個孔的深度設計為25.0 m，兩個水位監(jiān)測孔距離為3.0 m，圖1為最終建造的水位觀測孔。

3 現場試驗數據與分析

3.1 水分計數據分析

按照浸水過程中水分計測量數據，將其做標準化處理后，繪制圖2所示不同土層水分含量變化監(jiān)測曲線。

圖2 現場浸水試驗試坑內水分計監(jiān)測曲線

由圖2可以看出，浸水第4、7、10、12、15天，與之

相匹配的水分計分布深度依次為5.0、10.0、15.0、20.0、25.0 m，注水量隨浸水時間的增加而不斷增加，水分計示數也隨之發(fā)生變化。浸水剛開始時，水分計示數變化速率較快，隨著浸水過程逐漸進行，水分計示數變化速率逐漸下降，最終示數趨于穩(wěn)定，浸水過程停止以后，水分計讀數逐漸降低?？傮w來說，同一深度水分計讀數變化對應較好，但由于土的非均質性及部分深標點并未完全夯實，導致部分同深度水分計變化具有滯后性。

3.2 浸水范圍及飽和范圍

按照浸水過程發(fā)生前和發(fā)生后試坑外土層含水量變化情況和水分計監(jiān)測結果，判斷浸水在各土層中的影響范圍。根據試坑外各水分計監(jiān)測結果，浸水前后試坑外含水率變化如圖3所示。

圖3 距坑邊不同距離處浸水前后含水率對比

從含水量試驗結果來看，在ZK1孔以下3.0 m處土層含水量在浸水前后有明顯變化，表明ZK1在3.0 m以下受到水的浸濕作用，為浸潤區(qū)。同理，ZK2、ZK3、ZK4、ZK5鉆孔上部土樣含水量與浸水前基本相同，含水量在浸水過程前后基本沒有變化，因此這些區(qū)域沒有受到浸濕作用，為非浸潤區(qū)。圖4為根據監(jiān)測結果繪制的不同時間段浸潤線分布情況。

圖4 現場浸水試驗浸潤線

土層含水率變化較大時，間隔1.0 m取相應土樣進行室內試驗，現場用環(huán)刀取樣，測定其含水率和天然密度，計算其飽和度，綜合室內試驗和現場監(jiān)測數據判定飽和范圍。當土壤飽和度Sr>85%時，判定土壤達到飽和。因此，本次取飽和度Sr>85%為飽和界限，繪制飽和范圍，如圖5所示。

圖5 現場浸水試驗浸潤區(qū)、飽和區(qū)范圍(單位：m)

從圖5可以看出，浸水過程造成影響的區(qū)域與倒扣的漏斗非常相似，在古土壤處略微向外突出，這是由于該層古土壤致密，黏粒含量相對較高，古土壤層起到隔水層的作用。從分布曲線可以看出，隨著深度的增加，浸濕區(qū)與飽和區(qū)影響范圍逐漸增大。浸潤線總趨勢與試坑邊緣垂直線約成44°，古土壤以上浸潤線與試坑邊緣垂直線約成50°，古土壤以下浸潤線與試坑邊緣垂直線約成40°。飽和范圍小于浸潤范圍，古土壤以上飽和范圍線與試坑邊緣垂直線約成42°，古土壤以下飽和范圍線與試坑邊緣垂直線約成27°，深度為25.0 m處浸潤線的影響范圍距坑邊約25.0 m。

3.3 修正系數β0′的確定

考慮地層沉積時代效應(主要分Q3黃土和Q2黃土)的影響，計算實測自重濕陷量和自重濕陷量計算值(不乘β0)的比值β0′為

(1)

式中：Δzs為自重濕陷量計算值，mm；δzsi為第i層土的自重濕陷系數；hi為第i層土的厚度， mm。

為確定試驗場地自重濕陷量計算公式中的修正系數β0′，在試驗場地附近選取JCBT-SJ-001、JCXT-KJ-003、JCXT-KJ-005和JCXT-KJ-006 等4個探井，每米取4個原狀樣，并對同一深度土樣進行常規(guī)及濕陷性試驗。自重濕陷量計算深度至Q3eol黃土底界，修正系數β0′采用現場浸水試驗場地Q3eol黃土底界上部土層各標點自重濕陷量實測值的平均值與各探井自重濕陷量計算值的比值，計算結果見表2。

表2 不同探井Q3黃土自重濕陷量修正系數β0′

從計算結果來看，按試驗場地實測自重濕陷量最大值計算的修正系數β0′介于1.150～1.394，平均值為1.229；按試驗場地實測自重濕陷量平均值計算的修正系數β0′介于0.970～1.175，平均值為1.036。由于本次試驗場地Q2eol黃土實測自重濕陷量很小，趨近于零，本次對Q2eol黃土的修正系數β0′不做修正。

綜上所述，該試驗場地建議Q3eol黃土修正系數β0′取1.036，本區(qū)段不考慮Q2eol黃土的自重濕陷性。

3.4 地表沉降變形分析

按照現場測量結果繪制淺標點單天變形量隨時間變化的曲線圖，如圖6所示。

圖6 現場浸水試驗各列淺標隨時間單日變形量曲線

分析圖6可知，現場浸水試驗浸水初期各標點出現一定程度的沉降，此變化過程較為緩慢。浸水進行5～10 d時，各標點沉降速率逐漸增加；浸水過程進行到11 d后，淺標點沉降速度下降，浸水過程停止以后，前5 d內沉降速率范圍有較大幅度增加，隨著時間的增加，沉降速度維持在某一固定值附近不再發(fā)生變化，整體沉降速率變化表現為：“小→大→小→大→小→穩(wěn)定”的趨勢。

自上個世紀六十年代起，世界經濟飛速發(fā)展，產業(yè)融合初見規(guī)模，全球經濟一體化進程加速，國際之間的貿易往來越來越頻繁。在此背景下，會展旅游業(yè)的市場在進一步擴張。會展旅游業(yè)與觀光旅游業(yè)相比，具有規(guī)模大、檔次高、持續(xù)時間長的特點，而且發(fā)展的同時還可以帶動一大批相關產業(yè)的發(fā)展。很多國家已經將會展旅游業(yè)列入了國家支柱產業(yè)之一，由此可見會展旅游業(yè)對于一個國家和地區(qū)的重要性。雖然我國的會展旅游業(yè)起步較晚，但是乘著經濟飛速發(fā)展的東風，我國會展旅游業(yè)也在迅速增長，已經成為我國第三產業(yè)中的一個重要部分，是地區(qū)經濟發(fā)展重要的增長點。

按照浸水過程實測數據，繪制各列淺標點組合測線沉降剖面累計變形量隨時間變化曲線，如圖7所示。

圖7 現場浸水試驗各列淺標點組合測線沉降剖面累計變形量隨時間變化曲線

分析沉降觀測數據，可得出以下結論：

(1)除B列標點外，其他沉降位置以點Z0為中心呈對稱分布，在遠離中心點的區(qū)域，濕陷引起的自重沉降量逐漸減弱，整個沉降區(qū)域呈不規(guī)則的U形分布。

(2)試坑內所有淺標點B5的沉降在試驗過程中始終最大，其最終沉降深度為380.5 mm。

(3)A14、B14及C14標點未發(fā)生沉降變形，在B12～B13和C12～C13出現裂縫，綜合分析認為，該試驗地表距坑邊約18.0 m范圍內淺標點均出現不同程度沉降。

(4)停水后所有淺標點，固結沉降最大值達102.5 mm。

3.5 深部地層變形分析

現場浸水試驗共埋設深部沉降觀測標點24個，布置深度分別為2.0、4.0、6.0、8.0、10.0、12.0、14.0、16.0、18.0、20.0、22.0、24.0 m，同一深度布設2個沉降觀測標點，以觀測試坑下各土層分層沉降量。

圖8 現場浸水試驗各深標點沉降量隨時間變化曲線

根據圖8分析可知，深標點最終沉降隨深度增加呈逐漸減小的趨勢，現場浸水試驗場地地基土的分層沉降自上而下逐漸減小。試驗結果顯示，黃土自重濕陷區(qū)域主要集中在10.0 m以上的Q3黃土層中，沉降量約37.5 cm，10.0 m以下的古土壤及下部Q2黃土累計沉降量最大值不超過1 cm，自重濕陷量很小。

3.6 裂縫發(fā)展特征分析

現場浸水試驗開始浸水，試坑邊緣陸續(xù)出現了小坍塌，并伴有小裂縫出現。試驗浸水第5天，試坑南邊最先出現了第一道裂縫，隨著濕陷量逐漸增大，試坑周圍先后形成了6道大的環(huán)形裂縫，如圖9所示。

圖9 現場浸水試驗裂縫平面分布

裂縫的出現與發(fā)展反映了試坑周圍地層的濕陷變形情況。結合現場情況，分析試坑外淺標點沉降數據和裂縫發(fā)展情況，可得出以下結論：

(1)試坑浸水后地面裂縫形狀受浸水邊界形狀控制，呈環(huán)形，與實際吻合。

(2)錯臺表現為內(靠近試坑側)低外高。

(3)試坑浸水后隨著水在徑向的滲透，由近及遠，試坑外地層依次發(fā)生濕陷，地面裂縫也隨之出現，見表3。

表3 裂縫出現時間與開始濕陷時間的對比

(4)浸水后第5～40天是裂縫集中發(fā)展的主要時期，在這段時間里，試坑外淺標點沉降數據顯示，自重濕陷也主要發(fā)生在這段時間內。

(5)在距離試坑邊緣11.0～16.0 m區(qū)域內出現裂縫以外沒觀察到其他裂縫產生，但距試坑周圍邊界18.0 m處卻發(fā)生了沉降，說明試坑外沉降范圍大于裂縫產生的范圍。

3.7 試驗分析

由于本次試驗未布設滲水孔，導致地表濕陷影響范圍、浸水影響范圍及飽和范圍均較其他線路試驗所得結果偏大。這主要是因為其他線路試驗布設了滲水孔，加速了水的入滲及地基土的飽和，以及入滲水與地下水的聯通。布設滲水孔可以加快試驗速度，但不能真實反映入滲過程和浸水范圍，對安全不利，建議浸水試驗不布設滲水孔，以適當增大浸水影響范圍及飽和范圍。

地區(qū)修正系數β0對自重濕陷量的確定起著至關重要的作用，其影響因素較多，與黃土的沉積歷史、微觀結構、膠結成分、粒徑大小、應力條件和試驗條件等有關。本試驗場地自重濕陷系數現場實測值比室內計算值偏大，這主要是由黃土在實際情況中與室內濕陷試驗側限的影響程度不同造成的。本地區(qū)黃土以細顆粒黃土為主，黃土黏聚力較大，浸水過程變形較慢，側向擠出變形較小，側限對其影響也較小，因此實測β0也較大。

4 結論

(1)根據浸水過程中土層的變化情況，最大自重濕陷值為380.5 mm，可以判定該試驗場地為自重濕陷性黃土場地。線路代表區(qū)段內自重濕陷性黃土下限深度取Q3黃土層的底界面位置。

(2)浸濕區(qū)與飽和區(qū)的影響范圍形狀類似倒置漏斗，飽和范圍小于浸潤范圍，隨深度的增加而逐漸增大。

(3)所有淺標點單日沉降速率表現為“小→大→小→大→小→穩(wěn)定”的趨勢。地表累計沉降以中心淺標點為中心大致呈對稱發(fā)展。

(4)各深標點單日沉降速率特征與淺標點相同。深標點最終沉降隨深度增加呈逐漸減小的趨勢，現場浸水試驗場地地基土的分層沉降自上而下逐漸減小。

(5)試坑浸水后地面裂縫在濕陷產生后才出現，主要集中在浸水后第5天到第40天，自重濕陷也主要發(fā)生在這段時間內；試坑外沉降范圍大于裂縫產生的范圍。

(6)為能更真實地反映水分緩慢入滲對濕陷性黃土自重濕陷的影響，本次試驗探索性地未布設滲水孔，期望該種方法對進一步深入研究自重濕陷性黃土濕陷變形特性起到推動作用。