強(qiáng)自重濕陷性黃土濕陷范圍浸水試驗(yàn)研究*

陳天鐳，李旭東，魯海濤，蔡明喜

(1 蘭州有色冶金設(shè)計研究有限公司，蘭州 730000；2 甘肅土木工程科學(xué)研究院，蘭州 730022)

0 概述

濕陷性黃土特別是強(qiáng)自重濕陷性黃土地基的濕陷性在工程領(lǐng)域是很難解決的問題，研究黃土濕陷性的方法主要有兩種：一種是室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)理方法相結(jié)合，另一種是現(xiàn)場浸水試驗(yàn)[1-3]。室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)理方法相結(jié)合的研究方法雖然經(jīng)濟(jì)簡便，但是往往與實(shí)際濕陷性有一定的差別，需要結(jié)合工程或現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行修正方可應(yīng)用。現(xiàn)場浸水試驗(yàn)可直接反映場地的濕陷量大小、濕陷速率大小和濕陷深度等，但試驗(yàn)費(fèi)用高，試驗(yàn)耗時長，一般工程沒有條件進(jìn)行現(xiàn)場浸水試驗(yàn)[4-12]?！稘裣菪渣S土地區(qū)建筑規(guī)范》(GB 50025—2018)規(guī)定，在缺乏經(jīng)驗(yàn)的新建地區(qū)，甲類和乙類的重要建筑，應(yīng)采取試坑現(xiàn)場浸水試驗(yàn)判定場地濕陷類型。

為研究雙向螺旋擠土灌注樁在濕陷性黃土中的力學(xué)性能，在蘭州市榆中縣和平鎮(zhèn)做了系列關(guān)于強(qiáng)自重濕陷性黃土的試驗(yàn)，同時做了試坑現(xiàn)場浸水試驗(yàn)。該課題是甘肅省重大研究項(xiàng)目，為甘肅省地方規(guī)范《雙向螺旋擠土灌注樁技術(shù)規(guī)程》(DB62/T 3171—2019)及國家規(guī)范《短螺旋擠土灌注樁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(T/CECS 781—2020)的編制提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對認(rèn)識黃土場地的濕陷變形特征補(bǔ)充了寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，詳見表1，表中還統(tǒng)計了國內(nèi)部分黃土浸水試驗(yàn)基本資料。

1 試驗(yàn)場地巖土工程條件

試驗(yàn)場地位于蘭州市榆中縣和平鎮(zhèn)，地貌單元屬黃河南岸高階地與黃土梁峁沖溝復(fù)合地貌。通過地勘可知，試驗(yàn)場地地層結(jié)構(gòu)簡單，巖土種類不多且比較均勻，巖土層層位穩(wěn)定，巖土性質(zhì)變化不大，其巖土工程性狀自上而下依次為：①層填土，層厚0.5m，褐黃色，疏松，一般為耕植土；②層黃土狀粉土，層厚38.0m，淺黃色，土質(zhì)較均勻，多孔，稍濕，稍密，堅硬～硬塑狀態(tài)，該粉土層屬自重濕陷性土層；③層角礫，層面埋深約40m，本次勘探未穿透，地層柱狀圖見圖1。試驗(yàn)場地黃土狀粉土層物理力學(xué)指標(biāo)見表2。

圖1 鉆孔柱狀圖

國內(nèi)部分黃土浸水試驗(yàn)基本資料統(tǒng)計 表1

根據(jù)土工試驗(yàn)報告，試驗(yàn)場地②層黃土狀粉土層在200kPa及飽和土自重壓力下，濕陷系數(shù)δs最大值為0.132，自重濕陷系數(shù)δzs最大值為0.112，計算總濕陷量Δs為1 451.3～1 498.9mm，自重濕陷量Δzs為1 152.0～1 537.9mm，濕陷量計算匯總見表3。

濕陷量計算匯總 表3

根據(jù)土工試驗(yàn)結(jié)果，該場地為大厚度自重濕陷性黃土場地，濕陷等級為Ⅳ級，濕陷程度很嚴(yán)重。自重濕陷性土層下限深度為33.5m。試驗(yàn)場地自身及周邊無不良地質(zhì)，土質(zhì)較均勻分布?？碧缴疃葍?nèi)未見地下水。

2 試驗(yàn)概況

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際及場地工程地質(zhì)條件，浸水試驗(yàn)設(shè)計采用了直徑20m的圓形試坑，坑深0.5m?？拥酌驿?00mm厚砂卵石。浸水試驗(yàn)采用2臺大功率水泵供水，供水量為32m3/h，水頭高度保持在300mm。

坑內(nèi)外設(shè)計了淺層地面觀測點(diǎn)(淺標(biāo)點(diǎn))、坑內(nèi)設(shè)計了機(jī)械式深層觀測點(diǎn)(深標(biāo)點(diǎn))，布置見圖2。在試坑底部，由中心向坑邊3個方向，分別間隔2.0m均勻設(shè)置觀測自重濕陷量的淺標(biāo)點(diǎn)，3條測線相互之間的夾角為120°，共30個淺標(biāo)點(diǎn)。觀測精度為±0.10mm。淺標(biāo)點(diǎn)采用鍍鋅鋼管，底部用混凝土盤穩(wěn)定，以保證沉降過程中不會傾覆。在鋼管頂部1m范圍內(nèi)固定鋼尺，尺度為1.0mm。為測量浸水后試坑內(nèi)粉土分層的濕陷變形，在試坑內(nèi)設(shè)置機(jī)械式土中分層沉降觀測深標(biāo)點(diǎn)8個。深標(biāo)點(diǎn)等間距在0～30m深度范圍內(nèi)布置在距離試坑中心7.0m的圓周上。

圖2 浸水試驗(yàn)區(qū)平面布置圖

2016年10月15日開始浸水，2016年11月26日結(jié)束。采用兩個水表計量，浸水試驗(yàn)共觀測69d，其中浸水觀測62d，停水后觀測7d?？傆盟繛? 346m3，保持30cm水頭的總注水量隨時間的變化情況見圖3，圖4為試驗(yàn)現(xiàn)場埋設(shè)深標(biāo)點(diǎn)照片。

圖3 試坑浸水總注水量隨時間的變化情況

圖4 現(xiàn)場埋設(shè)深標(biāo)點(diǎn)

3 濕陷變形特征分析

3.1 沉降結(jié)果分析

圖5、圖6給出了浸水試驗(yàn)淺標(biāo)點(diǎn)在不同浸水時間下沉降量隨距試坑中心距離及土層深度的變化情況觀測結(jié)果。由圖可知，沉降量隨距試坑中心距離的增大逐漸減小，隨土層深度的增加呈減小趨勢，沉降量最大位置在浸水坑中心表面。

圖5 不同浸水時間下沉降量隨距試坑中心距離的變化

圖6 不同浸水時間下沉降量隨土層深度的變化

從圖7典型的淺標(biāo)點(diǎn)和深標(biāo)點(diǎn)沉降速率變化曲線可以看出，浸水期和停水后，沉降速率均呈“大→小→穩(wěn)定”的變化規(guī)律。浸水后20d，沉降速率最快，坑內(nèi)最大平均沉降速率可達(dá)60mm/d，觀測點(diǎn)最大沉降速率高達(dá)73mm/d；20d后，沉降速率逐漸減小。停水后3d左右，沉降速率出現(xiàn)停水后的峰值，最大沉降速率可達(dá)4mm/d以上，此后又逐漸趨于平緩。

圖7 沉降速率變化曲線

實(shí)測試坑中心淺標(biāo)點(diǎn)Q1-1位置最大沉降量為1 135mm，對試坑中地表沉降觀測點(diǎn)的沉降量實(shí)測值求平均，得到實(shí)測自重濕陷性黃土沉降量平均值為991mm，圖8為沉降量隨浸水時間的變化曲線。通過室內(nèi)試驗(yàn)2個探井探測結(jié)果算得自重濕陷性黃土沉降量平均值為1 344.95mm，為實(shí)測自重濕陷性黃土沉降量平均值的1.36倍。

圖8 沉降量隨浸水時間的變化曲線

機(jī)械式土中分層沉降觀測點(diǎn)(深標(biāo)點(diǎn))變形觀測結(jié)果見表4。從表中可以看出，自重濕陷性黃土沉降量在淺層較大，在深層較小。該試驗(yàn)15m以下的自重濕陷性黃土沉降較小，最深點(diǎn)24m處自重濕陷性黃土沉降量很小，滲透最大影響深度約為25m。試驗(yàn)場地②層黃土狀粉土滲透系數(shù)為0.05。

3.2 試坑周圍裂縫發(fā)展規(guī)律

試坑周圍裂縫發(fā)展變化規(guī)律：1)先局部，后整體。浸水第3d，浸水坑北側(cè)地面出現(xiàn)首條裂縫，呈不連續(xù)、間斷狀，隨著浸水時間的增加，裂縫逐漸增長、增寬、增多，逐漸擴(kuò)展延伸相互連接，最終發(fā)展成環(huán)狀，并逐漸擴(kuò)大，形成碟形洼地和階梯狀地形。2)先近后遠(yuǎn)，近密遠(yuǎn)疏，逐步擴(kuò)展。裂縫由坑邊向外逐漸擴(kuò)展。距坑邊近的地面，裂縫一般較密，環(huán)形裂縫的間距為0.5～1.5m；距坑邊遠(yuǎn)的地面，裂縫一般較疏，數(shù)量變少，裂縫之間的距離變大，間距為1～2m。3)隨著浸水時間的增加，各裂縫本身呈“緩→快→緩→趨向閉合”的發(fā)展過程。浸水初期，裂縫發(fā)展較緩；浸水15～30d左右，裂縫發(fā)展最快、最明顯；之后又逐漸變緩，新裂縫繼續(xù)出現(xiàn)，早期出現(xiàn)的部分裂縫漸漸閉合。停水后，仍有新裂縫出現(xiàn)，但發(fā)展較緩慢，呈現(xiàn)相對穩(wěn)定趨勢。圖9為場地裂縫現(xiàn)場照片，圖10為試坑裂縫分布示意圖。

圖9 試坑裂縫現(xiàn)場照片

深標(biāo)點(diǎn)沉降量觀測結(jié)果 表4

圖10 試坑裂縫分布示意圖

裂縫寬度一般為0.5～30mm，裂縫兩側(cè)地面高差為0.1～2cm，個別部位大于4cm。裂縫范圍達(dá)坑邊8～12m外，平均在10m左右。根據(jù)淺標(biāo)點(diǎn)測量及現(xiàn)場觀測，試坑南側(cè)及東側(cè)塌陷相對較快，土體沉降量大，塌陷范圍距試坑邊緣約7.0m；試坑北側(cè)及西側(cè)塌陷較慢，土體沉降量小，塌陷范圍距試坑邊緣約5.0m。整體呈階梯式向外側(cè)擴(kuò)散。

4 結(jié)論

(1)通過計算得到的實(shí)測自重濕陷性黃土沉降量為實(shí)測自重濕陷性黃土沉降量的1.36倍。

(2)濕陷性黃土的濕陷有一定范圍，深標(biāo)點(diǎn)測試結(jié)果得到15m以下自重濕陷性黃土沉降量較小，最深點(diǎn)24m處自重濕陷性黃土沉降量很小，滲透最大影響深度約為25m；裂縫范圍達(dá)坑邊外8～12m，平均10m左右。

(3)大厚度自重濕陷性黃土濕陷范圍變化規(guī)律：先局部后整體，先近后遠(yuǎn)，近密遠(yuǎn)疏，逐步擴(kuò)展，各裂縫本身呈“緩→快→緩→趨向閉合”的發(fā)展過程。濕陷速率變化規(guī)律：浸水期和停水后，濕陷速率均呈“大→小→穩(wěn)定”的變化規(guī)律。