黄土浸水试验与湿陷沉降变形分析

　　摘要：本文利用大量室内试验资料和现场实测资料，并通过对黄土湿陷评价的研究，在立足于湿陷本质的基础上，合理选取影响湿陷的相关因素，分析了该地区湿陷性黄土的特征，可为同类其他工程提供参考。
　　关键词：黄土；浸水试验；湿陷性；湿陷评价；沉降变形；分析
　　前言
　　我国是世界上黄土分布最广泛的地区，特别是西北地区黄土以其沉积厚度大、地层层序连续而闻名于世。由于黄土独特的大孔隙、弱胶结结构特征，其在浸水条件下产生湿陷变形，对工程产生严重的危害。因此，黄土的湿陷性及湿陷变形特征是其根本工程属性，是黄土地区工程建设必须要准确查明的关键问题。
　　目前，黄土湿陷性的评价方法主要有两种：一是室内压缩试验，二是现场试坑浸水试验。前者不能考虑到影响黄土湿陷性质的诸多因素，而后者通过原位试验可以获得场地黄土的湿陷变形量及湿陷时空特征，数据真实可靠，但是由于其耗时耗资巨大，应用性受到限制。本文结合某客运专线现场黄土大型试坑浸水试验，对场地黄土的湿陷变形特征及浸水破坏机理进行研究，并与室内试验评价结果进行综合分析。
　　1试验概况
　　1.1试验场地工程地质特征
　　试验场地位于山西省运城市北部，地貌单元为峨眉岭黄土塬南麓斜坡地带，试验场地地势平坦，地下水位埋深>70m。据钻探揭露，试验场地黄土沉积连续，揭露黄土-古土壤序列。其各层岩性特征详见表1、图1和图2所示。
　　场地黄土地层岩性特征表1
　　层号 岩性 地层
　　时代 厚度 岩性特征
　　① 黑垆土 (Q4) 1.7 褐色，硬塑，大孔隙发育，土质不均，含钙质菌丝，偶见蜗牛壳。表层0.3m为耕植土，含植物根系。
　　② 黄土 （Q3） 16.8 1.7～13.2m浅黄色，硬塑～可塑，土质均匀，大孔隙发育，见蜗牛壳;13.2～18.5m黄褐色，可塑，土质均匀，孔隙发育，偶见蜗牛壳。
　　③ 古土壤 （Q3） 1.7 褐红色，可塑，土质较均匀，孔隙不发育，可见钙质结核，最大粒径2mm
　　④ 黄土 （Q3） 4.8 浅黄色，可塑，土质均匀，孔隙较发育
　　
　　图1黑垆土（试坑底部处）图2新黄土（10m深度处）
　　1.2试验场地布置及浸水方案
　　由于客运专线等级高，对地基沉降变形敏感，本次试验考虑地基黄土充分浸水湿陷沉降变形，依据钻探揭露地层及室内土工试验资料，试坑的设计为直径25m的圆形，深度0.5m，共布设沉降标点105个，其中试坑内地表设浅标点21个，试坑外的地表浅标点42个，最远的浅标点设计在坑外25m处；试坑内设深标点42个，最深的深标点设置25m。在试坑内均匀布设12个渗水孔，孔深25m。
　　浸水过程分两个阶段浸水，第一个阶段注入当地年平均降水量这算水量，第二个阶段为饱和浸水，在第一阶段浸水湿陷变形稳定后开始饱和浸水。两个阶段浸水过程均对各沉降标点、注水量、裂缝发展及浸水影响范围进行了观测。
　　2试验分析
　　2.1地表单日湿陷沉降变形特征
　　试坑第一阶段浸水，历时11天，第二阶段饱和浸水，历时33天，总历时44天。两个阶段的地表单日湿陷沉降变形通过观测浅标点得到，其随浸水时间的变化曲线如下图3，并表现出如下特征。
　　（1）、各列浅标点沉降曲线相似，显示了两个浸水阶段的湿陷沉降变形特征。
　　（2）、试坑内标点首先产生湿陷变形，沉降变形速率为0.1~1.9cm/d；试坑外地表产生沉降较晚，且沉降变形速率为0~0.4cm/d。
　　（3）、最大湿陷沉降速率发生在第二阶段浸水后第2或3天，持续时间为8~10天左右（沉降速率大于0.5cm/d），为湿陷变形快速发展时段。
　　（4）、在上述时段过后，湿陷变形速率快速下降，大部分在0.1~0.4cm/d，持续13~17天，试验结束时，坑内浅标点已经出现连续0~0.1cm/d波动的情况（持续时间>5d），湿陷变形已趋稳定。坑外标点湿陷变形均已趋于稳定，个别天0.1cm/d。
　　图3
　　
　　2.2地表累积沉降变形分析
　　两个阶段的地表累积沉降变形通过累加各标点单日沉降量可获得，其随浸水时间的变化曲线表现出图4所示。
　　图4
　　
　　（1）、第一阶段浸水总沉降变形量值均小于1.5cm。
　　（2）、试坑内标点距离试坑边缘越远，累积沉降呈增大趋势，但最大沉降量并未发生在试坑中心，坑内标点累积沉降量最大差值为5.4cm。
　　（3）、与单日沉降量对应，试坑内标点累积沉降量曲线经历了缓慢发展、迅速发展和渐趋稳定的阶段。试坑外标点累积沉降量小，曲线平缓，最大沉降发生在试坑边缘0.5m处，达5cm左右。
　　2.3深标点湿陷沉降变形分析
　　两个阶段的深标点单日湿陷沉降变形通过观测深标点得到，累积沉降变形通过累加单日沉降得到。其随浸水时间的变化曲线如图5所示。
　　图5
　　
　　（1）、各列深标点沉降曲线相似，但是显示了明显的试坑边界效应。
　　（2）、最大湿陷沉降速率与浅标点相对应，显示了浅标点与深标点沉降变形的关联性。
　　（3）、试验结束时，坑内深标点（10m以上）已经出现连续0～0.1cm/d波动的情况，湿陷变形趋于稳定。深标点（10m以下）湿陷变形已趋稳定，个别天0.1cm/d。
　　2.4现场实测自重湿陷变形与室内试验结果对比
　　根据现场实测深标点湿陷变形量与据其计算自重湿陷系数，自重湿陷土层埋深5～10m，坑内自重湿陷变形量（11.0～16.4cm）。据室内试验资料，自重湿陷土层埋深2～10m，坑内自重湿陷变形量（据《湿陷性黄土地区建筑规范》β0取0.9）为（19.4～20.9cm）。
　　通过对比，场地均为自重湿陷性场地，湿陷等级二者的差异较大。（见表2）
　　表2室内资料湿陷性评价表
　　室内资料
　　编号 δzs范围
　　δs范围 自重湿陷下限
　　湿陷下限
　　（m） 自重湿陷土层埋藏深度（m）
　　（δzs>0.015） 孔口高程
　　孔隙比范围 Δzs（mm）
　　Δs(mm)
　　β0=0.9 Δzs（mm）
　　Δs(mm)
　　β0=1.2 Δzs（mm）
　　Δs(mm)
　　β0=0.5
　　1 0.020～0.054
　　0.016～0.062 未揭穿
　　未揭穿
　　计算至14.5m 1.6～3.6
　　5.6～6.6
　　7.6～14.5 486.53
　　0.874～1.122 261.00
　　595.59
　　自重
　　Ⅱ级（中等） 348.00
　　651.42
　　自重
　　Ⅲ级（严重） 145.00
　　521.15
　　自重
　　Ⅱ级（中等）
　　2 0.019～0.045
　　0.022～0.058 未揭穿
　　未揭穿
　　计算至14.5m 5．0～14.5 491.13
　　0.948～1.173 246.24
　　628.57
　　自重
　　Ⅱ级（中等） 328.32
　　686.56
　　自重
　　Ⅲ级（严重） 136.80
　　551.25
　　自重
　　Ⅱ级（中等）
　　3 0.018～0.080
　　0.032～0.083 未揭穿
　　未揭穿
　　计算至14.5m 2.6～3.6
　　5.6～14.5 490.43
　　0.894～1.100 427.86
　　868.48
　　自重
　　Ⅳ级（很严重） 570.48
　　961.54
　　自重
　　Ⅳ级（很严重） 237.70
　　744.40
　　自重
　　Ⅲ级（严重）
　　4 0.016～0.026
　　0.016～0.038 未揭穿
　　未揭穿
　　计算至11.5m 3.6～5.0
　　5．6～11.5 489.85
　　0.451～0.572 124.92
　　781.95
　　自重
　　Ⅲ级（严重） 166.56
　　793.20
　　自重
　　Ⅲ级（严重） 69.40
　　766.95
　　非自重
　　Ⅱ级（中等）
　　5 0.019～0.051
　　0.031～0.077 未揭穿
　　未揭穿
　　计算至14.5m 2.6～14.5 489.11
　　0.883～1.080 374.85
　　871.45
　　自重
　　Ⅳ级（很严重） 499.80
　　937.90
　　自重
　　Ⅳ级（很严重） 208.25
　　782.85
　　自重
　　Ⅲ级（严重）
　　6 0.019～0.043
　　0.017～0.077 未揭穿
　　未揭穿
　　计算至14.5m 1.6～3.6
　　5.6～6.6
　　7.6～14.5 489.81
　　0.361～0.527 128.43
　　572.24
　　自重
　　Ⅱ级（中等） 171.24
　　610.22
　　自重
　　Ⅱ级（中等） 71.35
　　521.60
　　自重
　　Ⅱ级（中等）
　　2.5试坑渗水量综合分析
　　至试验结束试坑累计注水约9100方，单日平均渗水量逐步降低，最大529.88方，最小247.16方，下降速率变缓，趋于稳定。水量随浸水时间的变化曲线如图6所示。
　　图6
　　
　　
　　2.6试坑张力计综合分析
　　基质吸力随浸水时间的变化曲线如图7所示
　　①截止试验结束共33天，A,B,C三条测线距坑壁距离依次增加。测试深度分别为0.15，0.3，0.6，0.9，1.2m。
　　②随着试坑浸水时间增加，浸水影响范围逐渐扩大，当扩大至张力计埋设处，由于土中含水量增加，导致基质吸力降低；
　　③基质吸力降低首先发生在1.2m,0.9m深度处，其次为0.15m,0.6m,0.3m处；发生时间按A,B,C测线顺序依次展开；基质吸力明显降低表明土中含水量发生明显变化，以此为依据可对浸湿深度和浸湿范围做出指示。
　　④由于气温关系，张力计内水体会发生冻融，对其数值稳定性有一定影响，据此现场对其做了保温措施；表层0.15m深度对地表温度变化较敏感，受其影响较大。
　　图7
　　2.7试坑浸湿范围综合分析
　　①截止试验结束，经过第一阶段降雨量浸水及第二阶段饱和浸水，浸湿范围和浸湿深度逐步增大；
　　②试坑测线1至试验结束时间，浸湿径向影响范围10-12m，影响深度12-13.5m；试坑测线2至试验结束时间，浸湿径向影响范围11-13m，影响深度13-14.5m。
　　3结论
　　3.1坑内浅标点已经出现连续0～0.1cm/d波动的情况（持续时间>5d），湿陷变形已趋稳定。坑外标点湿陷变形均已趋于稳定，个别天0.1cm/d。坑内深标点（10m以上）已经出现连续0～0.1cm/d波动的情况，湿陷变形已趋稳定。深标点（10m以下）湿陷变形已趋稳定，个别天0.1cm/d。
　　3.2根据现场实测深标点湿陷变形量与据其计算自重湿陷系数，自重湿陷土层埋深5～10m，坑内自重湿陷变形量（11.0～16.4cm）。据室内试验资料，自重湿陷土层埋深2～10m，坑内自重湿陷变形量（β0=0.9）为（19.4～20.9cm）。场地均为自重湿陷性场地，室内试验湿陷等级偏于安全，规范合理。
　　3.3黄土湿陷取决于黄土自身独特的结构特征和赋存环境变化程度。对于饱和浸水条件下的自重湿陷，黄土湿陷性程度以及地层宏观结构不同，因而表现出不同的湿陷特征。
　　3.4黄土湿陷是一个复杂的物理、化学变化过程，对其湿陷机理和成因的研究是目前国内外学者研究的重点。此外，黄土湿陷受多种因素制约，正确评价湿陷性和湿陷具有较大的难度。我们虽然对该地区湿陷性黄土做了一些工作，对湿陷性黄土的等级分类和区域分布规律方面有了一定的认识，但局部地段和垂直方向上的变化亦未完全搞清，需要在进一步工作中积累资料，总结经验，进一步深入分析研究。
　　
　　
　　参考文献：
　　1. GB50025-2004湿陷性黄土地区建筑规范
　　2. 全国高等院校土木工程类系列教材：湿陷性黄土地基.科学出版社.2009-11
　　3. 中国湿陷性黄土.中国铁道出版社.1982-10
　　4. 湿陷性黄土地基处理.中国建筑工业出版社.2008-05

《黄土浸水试验与湿陷沉降变形分析》

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