大厚度黃土濕陷特性現(xiàn)場(chǎng)及室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比研究

周有祿，武小鵬，房建宏，李 奮，劉賀業(yè)

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

隨著我國(guó)西部大開發(fā)和“一帶一路”倡議的實(shí)施，濕陷性黃土區(qū)工程越來(lái)越多，工程建設(shè)中遇到的濕陷性黃土問(wèn)題日益突出。濕陷性黃土在天然狀態(tài)下具有強(qiáng)度高和壓縮性低的特點(diǎn)；當(dāng)濕陷性黃土受水浸濕后，其土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)在自重應(yīng)力或自重應(yīng)力與外部附加應(yīng)力的共同作用下發(fā)生了破壞，其強(qiáng)度明顯降低。當(dāng)黃土單元之間剩余的強(qiáng)度不足以抵抗其應(yīng)力時(shí)，土體結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)和處理措施在很大程度上受到黃土濕陷性評(píng)價(jià)結(jié)果控制，對(duì)黃土濕陷性評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確與否將影響工程建設(shè)投資和后期運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)成本及安全性。

目前工程中對(duì)黃土場(chǎng)地濕陷類型的評(píng)價(jià)主要為現(xiàn)場(chǎng)取樣用室內(nèi)試驗(yàn)計(jì)算值、現(xiàn)場(chǎng)試坑浸水試驗(yàn)實(shí)測(cè)值評(píng)價(jià)其濕陷等級(jí)[3-4]。黃土場(chǎng)地濕陷類型是通過(guò)自重濕陷量來(lái)評(píng)價(jià)的，其中自重濕陷量的獲得來(lái)源于黃土室內(nèi)壓縮試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試坑浸水試驗(yàn)。但是，黃土本身具有的復(fù)雜性和特殊性，使得室內(nèi)試驗(yàn)計(jì)算值和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值之間存在著較大差異；大型現(xiàn)場(chǎng)試坑浸水試驗(yàn)所能測(cè)試的土體范圍大，并且能夠真實(shí)客觀地反映宏觀及微觀結(jié)構(gòu)對(duì)土體單元變形的影響，一般認(rèn)為現(xiàn)場(chǎng)試坑浸水試驗(yàn)所測(cè)定的自重濕陷量更加真實(shí)、準(zhǔn)確、可靠。

本文依托新建川口至大河家公路古鄯服務(wù)區(qū)，在大型現(xiàn)場(chǎng)試坑浸水試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比的基礎(chǔ)上，對(duì)室內(nèi)計(jì)算所得的自重濕陷量和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的自重濕陷量的影響因素進(jìn)行對(duì)比分析。以期更好地服務(wù)于黃土區(qū)工程建設(shè)，查明影響黃土自重濕陷量的各種因素。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地的工程地質(zhì)條件

本次現(xiàn)場(chǎng)試坑浸水試驗(yàn)場(chǎng)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(méi)有取得實(shí)測(cè)資料時(shí)濕陷性黃土場(chǎng)地自重濕陷量計(jì)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(yàn)場(chǎng)地的挖探資料可知，該試驗(yàn)場(chǎng)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(yàn)場(chǎng)地的土層特征和物理力學(xué)指標(biāo)

1.2 試坑設(shè)計(jì)及觀測(cè)點(diǎn)布置

在浸水試驗(yàn)開始前在試驗(yàn)場(chǎng)地開挖探井取樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，探井1(距試坑中心45 m)、探井2(距試坑中心50 m)經(jīng)試驗(yàn)分別判定濕陷等級(jí)為Ⅱ級(jí)、Ⅳ級(jí)，其自重濕陷性黃土下限深度約為19 m。浸水試坑設(shè)計(jì)為圓形，直徑20 m，深0.5 m。地表設(shè)置沉降觀測(cè)淺標(biāo)點(diǎn)45個(gè)，其中試坑內(nèi)12個(gè)、試坑外33個(gè)，依次編號(hào)為A1～A15，B1～B15，C1～C15。此外試坑內(nèi)設(shè)置沉降觀測(cè)深標(biāo)點(diǎn)24個(gè)，編號(hào)為L(zhǎng)2～L20，M4～M22，N6～N24(字母L，M，N代表沉降觀測(cè)深標(biāo)點(diǎn)的方向，數(shù)字代表沉降觀測(cè)深標(biāo)點(diǎn)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(yàn)從浸水開始持續(xù)觀測(cè)76 d，其中連續(xù)浸水期間觀測(cè)56 d，停止浸水后繼續(xù)觀測(cè)20 d。在整個(gè)浸水試驗(yàn)過(guò)程中采用TOPCONDL-111C型水準(zhǔn)儀每天對(duì)沉降觀測(cè)標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，且觀測(cè)精度控制在規(guī)定范圍之內(nèi)。

2 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

試驗(yàn)場(chǎng)地地表沉降曲線見圖2，其中沉降觀測(cè)標(biāo)C1，C4分別距離試坑中心2.5，8.5 m?？芍旱乇沓两涤^測(cè)標(biāo)的單天沉降量在-0.2～0.2 cm(負(fù)數(shù)表示沉降觀測(cè)標(biāo)有所抬升)之間擺動(dòng)，且累計(jì)最大沉降量為0.8 cm，認(rèn)為在浸水過(guò)程中場(chǎng)地未發(fā)生自重濕陷變形。由此判定該場(chǎng)地為非自重濕陷性場(chǎng)地。

圖2 試驗(yàn)場(chǎng)地地表沉降曲線

經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)計(jì)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(yàn)場(chǎng)地為自重濕陷性場(chǎng)地。

綜上所述，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)實(shí)測(cè)值和室內(nèi)試驗(yàn)計(jì)算值所判定的濕陷類型存在明顯差異。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果差異原因分析

目前認(rèn)為現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)實(shí)測(cè)值和室內(nèi)試驗(yàn)計(jì)算值所評(píng)價(jià)的場(chǎng)地濕陷類型不一致的原因較多，主要包括試驗(yàn)土樣在取出后應(yīng)力釋放、取樣對(duì)土體擾動(dòng)、邊界條件、試驗(yàn)面積等，但目前對(duì)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(duì)黃土自重濕陷量的影響深入、系統(tǒng)性地分析現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)實(shí)測(cè)值和室內(nèi)試驗(yàn)計(jì)算值所評(píng)價(jià)的場(chǎng)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(shí)間變化曲線見圖3。

圖3 不同深度土層時(shí)程曲線

由圖3(a)可知：水分到達(dá)各深度土層時(shí)，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(gè)深度處沒(méi)有發(fā)生自重濕陷變形。當(dāng)連續(xù)浸水到第35 d時(shí)14 m深度處土層體積含水率開始增加，說(shuō)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(shí)，各深度沉降標(biāo)也未出現(xiàn)自重濕陷沉降。在12 m深度處實(shí)測(cè)累計(jì)沉降量為1.2 cm，而在浸水試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)測(cè)的地表最大沉降量為0.8 cm。這是因?yàn)?2 m以上非濕陷性土層對(duì)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(jì)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(yàn)結(jié)果見圖4?？芍涸囼?yàn)場(chǎng)地土層的自重濕陷系數(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(jì)該試驗(yàn)場(chǎng)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(yàn)場(chǎng)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(yàn)結(jié)果

從宏觀上分析，當(dāng)濕陷性強(qiáng)弱程度不同的土單元在浸水以后，濕陷性強(qiáng)的土單元就會(huì)發(fā)生濕陷變形，變形后將其部分應(yīng)力傳遞給周邊濕陷性弱的土單元，則將導(dǎo)致濕陷性弱的土單元最終承受更大的上覆應(yīng)力?，F(xiàn)場(chǎng)試坑浸水試驗(yàn)中發(fā)生的自重濕陷變形就是這種應(yīng)力調(diào)節(jié)達(dá)到平衡的結(jié)果，是濕陷性強(qiáng)弱程度不同的土單元之間在浸水過(guò)程中相互作用后的綜合結(jié)果。特別是當(dāng)濕陷性土層與非濕陷土層交錯(cuò)分布時(shí)，在浸水過(guò)程中非濕陷性土層會(huì)對(duì)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(yīng)。而室內(nèi)試驗(yàn)計(jì)算所得的自重濕陷量是對(duì)濕陷性土層的簡(jiǎn)單疊加，不能準(zhǔn)確反映這種濕陷性土層分布不連續(xù)而對(duì)黃土濕陷變形產(chǎn)生的影響[9-10]。這正是造成室內(nèi)試驗(yàn)計(jì)算值和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值差異較大的主要原因。

3.3 含水率的影響

國(guó)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(biāo)之一。當(dāng)含水率增加時(shí)黃土自重濕陷性會(huì)顯著減小。當(dāng)黃土土體的含水率大于18%～20%時(shí)一般不具有自重濕陷變形[11]。

試驗(yàn)場(chǎng)地實(shí)測(cè)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(shuō)明大部分黃土單元不具有濕陷性。

圖5 試驗(yàn)場(chǎng)地含水率隨深度變化曲線

試驗(yàn)場(chǎng)地自重濕陷系數(shù)與含水率的關(guān)系見圖6。可知：當(dāng)土體含水率<19.5%時(shí)，其自重濕陷系數(shù)>0.015；當(dāng)土體含水率>19.5%時(shí)，則自重濕陷系數(shù)<0.015。這說(shuō)明當(dāng)土體含水率>19.5%時(shí)黃土場(chǎng)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(guān)系數(shù)R2為0.888，說(shuō)明黃土自重濕陷系數(shù)與其含水率之間具有良好的負(fù)相關(guān)性。

圖6 試驗(yàn)場(chǎng)地自重濕陷系數(shù)與含水率的關(guān)系

3.4 孔隙比的影響

試驗(yàn)場(chǎng)地自重濕陷系數(shù)與孔隙比的關(guān)系見圖7?？芍狐S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(guān)系。當(dāng)黃土孔隙比<0.98時(shí)，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(guān)系數(shù)R2為0.920，說(shuō)明自重濕陷系數(shù)與孔隙比之間相關(guān)性程度較好。

圖7 試驗(yàn)場(chǎng)地自重濕陷系數(shù)與孔隙比的關(guān)系

試驗(yàn)場(chǎng)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(yàn)場(chǎng)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(jié)論

1)依據(jù)室內(nèi)壓縮試驗(yàn)，場(chǎng)地自重濕陷量計(jì)算值的平均值為35.47 cm，由此判定該場(chǎng)地為自重濕陷性黃土場(chǎng)地。現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)實(shí)測(cè)的自重濕陷量為0.8 cm，由此判定該場(chǎng)地為非自重濕陷性黃土場(chǎng)地。兩者判定的場(chǎng)地濕陷類型不一致。

2)濕陷性土層與非濕陷性土層交錯(cuò)分布時(shí)即濕陷性土層分布不連續(xù)，在浸水過(guò)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(shí)在土體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力重分布，從而使部分濕陷性土體的豎向應(yīng)力轉(zhuǎn)移到非濕陷性土體上，對(duì)濕陷的發(fā)生產(chǎn)生抑制作用。因此試驗(yàn)場(chǎng)地黃土土體自重濕陷量的實(shí)測(cè)值與室內(nèi)試驗(yàn)計(jì)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(yàn)場(chǎng)地黃土自重濕陷系數(shù)與含水率之間存在良好的線性負(fù)相關(guān)性，隨著含水率的增大而減小。當(dāng)土體含水率<19.5%時(shí)，自重濕陷系數(shù)>0.015；當(dāng)土體含水率>19.5%時(shí)則自重濕陷系數(shù)<0.015。這說(shuō)明當(dāng)土體含水率>19.5%的黃土場(chǎng)地不具有自重濕陷性。

4)試驗(yàn)場(chǎng)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(guān)性，隨著孔隙比的增大而增大。當(dāng)孔隙比<0.98時(shí)，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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