大厚度黄土湿陷特性现场及室内试验对比研究

周有禄，武小鹏，房建宏，李 奋，刘贺业

(1.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730000；2.青海省交通科学研究院，青海 西宁 810000)

随着我国西部大开发和“一带一路”倡议的实施，湿陷性黄土区工程越来越多，工程建设中遇到的湿陷性黄土问题日益突出。湿陷性黄土在天然状态下具有强度高和压缩性低的特点；当湿陷性黄土受水浸湿后，其土体内部结构在自重应力或自重应力与外部附加应力的共同作用下发生了破坏，其强度明显降低。当黄土单元之间剩余的强度不足以抵抗其应力时，土体结构迅速遭到破坏，从而使土体发生显著的自重湿陷变形[1-2]。黄土区工程的地基处理标准和处理措施在很大程度上受到黄土湿陷性评价结果控制，对黄土湿陷性评价的准确与否将影响工程建设投资和后期运营养护成本及安全性。

目前工程中对黄土场地湿陷类型的评价主要为现场取样用室内试验计算值、现场试坑浸水试验实测值评价其湿陷等级[3-4]。黄土场地湿陷类型是通过自重湿陷量来评价的，其中自重湿陷量的获得来源于黄土室内压缩试验和现场试坑浸水试验。但是，黄土本身具有的复杂性和特殊性，使得室内试验计算值和现场实测值之间存在着较大差异；大型现场试坑浸水试验所能测试的土体范围大，并且能够真实客观地反映宏观及微观结构对土体单元变形的影响，一般认为现场试坑浸水试验所测定的自重湿陷量更加真实、准确、可靠。

本文依托新建川口至大河家公路古鄯服务区，在大型现场试坑浸水试验和室内试验对比的基础上，对室内计算所得的自重湿陷量和现场实测的自重湿陷量的影响因素进行对比分析。以期更好地服务于黄土区工程建设，查明影响黄土自重湿陷量的各种因素。

1 试验概况

1.1 试验场地的工程地质条件

本次现场试坑浸水试验场地位于陇西黄土的边缘地带——湿陷性黄土工程地质分区中的Ⅰ区，地貌单元类型为黄土塬地貌。根据《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB 50025—2004)，在没有取得实测资料时湿陷性黄土场地自重湿陷量计算值的修正系数β0(因地区土质而异)可取1.5[5]。由试验场地的挖探资料可知，该试验场地0～25 m深度内的地层主要为粉质黄土。25 m深度范围内地层情况见表1。

表1 试验场地的土层特征和物理力学指标

1.2 试坑设计及观测点布置

在浸水试验开始前在试验场地开挖探井取样进行室内试验，探井1(距试坑中心45 m)、探井2(距试坑中心50 m)经试验分别判定湿陷等级为Ⅱ级、Ⅳ级，其自重湿陷性黄土下限深度约为19 m。浸水试坑设计为圆形，直径20 m，深0.5 m。地表设置沉降观测浅标点45个，其中试坑内12个、试坑外33个，依次编号为A1～A15，B1～B15，C1～C15。此外试坑内设置沉降观测深标点24个，编号为L2～L20，M4～M22，N6～N24(字母L，M，N代表沉降观测深标点的方向，数字代表沉降观测深标点的埋深)。试坑平面布置示意如图1所示。

图1 试坑平面布置示意

本次试验从浸水开始持续观测76 d，其中连续浸水期间观测56 d，停止浸水后继续观测20 d。在整个浸水试验过程中采用TOPCONDL-111C型水准仪每天对沉降观测标进行观测，且观测精度控制在规定范围之内。

2 试验结果对比

试验场地地表沉降曲线见图2，其中沉降观测标C1，C4分别距离试坑中心2.5，8.5 m。可知：地表沉降观测标的单天沉降量在-0.2～0.2 cm(负数表示沉降观测标有所抬升)之间摆动，且累计最大沉降量为0.8 cm，认为在浸水过程中场地未发生自重湿陷变形。由此判定该场地为非自重湿陷性场地。

图2 试验场地地表沉降曲线

经室内试验计算，探井1的自重湿陷量、总湿陷量分别为57.75，85.35 cm；探井2的自重湿陷量、总湿陷量分别为13.8，35.85 cm。判定该试验场地为自重湿陷性场地。

综上所述，通过现场浸水试验实测值和室内试验计算值所判定的湿陷类型存在明显差异。

3 现场试验和室内试验结果差异原因分析

目前认为现场浸水试验实测值和室内试验计算值所评价的场地湿陷类型不一致的原因较多，主要包括试验土样在取出后应力释放、取样对土体扰动、边界条件、试验面积等，但目前对以上原因都是定性、宏观分析[6-8]。故本文从土层分布不连续、含水率、孔隙比等因素对黄土自重湿陷量的影响深入、系统性地分析现场浸水试验实测值和室内试验计算值所评价的场地湿陷类型不一致的原因。

3.1 不同埋深土层自重湿陷变形

不同深度处土层的体积含水率、沉降量随时间变化曲线见图3。

图3 不同深度土层时程曲线

由图3(a)可知：水分到达各深度土层时，体积含水率迅速增加到峰值而后基本保持不变，由此判定各个深度处没有发生自重湿陷变形。当连续浸水到第35 d时14 m深度处土层体积含水率开始增加，说明水分已渗透到此处。由图3(b)可知：在连续浸水第35 d时，各深度沉降标也未出现自重湿陷沉降。在12 m深度处实测累计沉降量为1.2 cm，而在浸水试验过程中实测的地表最大沉降量为0.8 cm。这是因为12 m以上非湿陷性土层对湿陷性土层的自重湿陷变形产生了抑制作用，从而使地表的最终累计沉降量小于部分深度土层的沉降量。

3.2 湿陷性土层分布不连续的影响

室内自重湿陷性试验结果见图4。可知：试验场地土层的自重湿陷系数分布较为离散，分别为0.002～0.049(平均值0.015)和0.002～0.026(平均值0.010)。若以自重湿陷系数>0.015判定为湿陷性土单元，<0.015判定为非湿陷性土单元，则经自重湿陷系数分段统计该试验场地中粉土层和粉质黏土层中非湿陷性土所占比例分别为57.6%和61.5%，并且试验场地的湿陷性土单元分布不连续。

图4 室内自重湿陷性试验结果

从宏观上分析，当湿陷性强弱程度不同的土单元在浸水以后，湿陷性强的土单元就会发生湿陷变形，变形后将其部分应力传递给周边湿陷性弱的土单元，则将导致湿陷性弱的土单元最终承受更大的上覆应力。现场试坑浸水试验中发生的自重湿陷变形就是这种应力调节达到平衡的结果，是湿陷性强弱程度不同的土单元之间在浸水过程中相互作用后的综合结果。特别是当湿陷性土层与非湿陷土层交错分布时，在浸水过程中非湿陷性土层会对湿陷性土层的自重湿陷变形有抑制作用即非湿陷性土层的层拱效应。而室内试验计算所得的自重湿陷量是对湿陷性土层的简单叠加，不能准确反映这种湿陷性土层分布不连续而对黄土湿陷变形产生的影响[9-10]。这正是造成室内试验计算值和现场实测值差异较大的主要原因。

3.3 含水率的影响

国内外资料表明，土体中的含水率是判定黄土是否发生自重湿陷变形的指标之一。当含水率增加时黄土自重湿陷性会显著减小。当黄土土体的含水率大于18%～20%时一般不具有自重湿陷变形[11]。

试验场地实测含水率随深度性变化曲线见图5。可知：探井1的含水率为14%～24.7%；探井2的含水率为11.3%～24.8%，表明探井1和探井2的含水率均偏大且平均值为19%。探井1和探井2含水率大于18%的土层所占的比例分别为68%和65%，说明大部分黄土单元不具有湿陷性。

图5 试验场地含水率随深度变化曲线

试验场地自重湿陷系数与含水率的关系见图6。可知：当土体含水率<19.5%时，其自重湿陷系数>0.015；当土体含水率>19.5%时，则自重湿陷系数<0.015。这说明当土体含水率>19.5%时黄土场地不具有自重湿陷性。黄土自重湿陷系数与含水率拟合曲线的相关系数R2为0.888，说明黄土自重湿陷系数与其含水率之间具有良好的负相关性。

图6 试验场地自重湿陷系数与含水率的关系

3.4 孔隙比的影响

试验场地自重湿陷系数与孔隙比的关系见图7。可知：黄土的自重湿陷系数随着孔隙比的增大而增大，即自重湿陷系数与孔隙比之间呈正比关系。当黄土孔隙比<0.98时，其自重湿陷系数<0.015，因此，发生自重湿陷性的湿陷起始孔隙比可定为0.98。自重湿陷系数与孔隙比拟合曲线的相关系数R2为0.920，说明自重湿陷系数与孔隙比之间相关性程度较好。

图7 试验场地自重湿陷系数与孔隙比的关系

试验场地孔隙比随深度变化曲线见图8。可知：探井1的孔隙比为0.81～1.17；探井2的孔隙比为0.77～1.23，探井1和探井2孔隙比<0.98的土层所占的比例分别为72%和75%，因此可得试验场地大部分黄土单元不具有湿陷性。

图8 孔隙比随深度变化曲线

4 结论

1)依据室内压缩试验，场地自重湿陷量计算值的平均值为35.47 cm，由此判定该场地为自重湿陷性黄土场地。现场浸水试验实测的自重湿陷量为0.8 cm，由此判定该场地为非自重湿陷性黄土场地。两者判定的场地湿陷类型不一致。

2)湿陷性土层与非湿陷性土层交错分布时即湿陷性土层分布不连续，在浸水过程中湿陷性土层的湿陷将受到非湿陷性土层的抑制作用，此时在土体内会产生应力重分布，从而使部分湿陷性土体的竖向应力转移到非湿陷性土体上，对湿陷的发生产生抑制作用。因此试验场地黄土土体自重湿陷量的实测值与室内试验计算值存在较大差异的主要原因是湿陷性土层分布不连续。

3)试验场地黄土自重湿陷系数与含水率之间存在良好的线性负相关性，随着含水率的增大而减小。当土体含水率<19.5%时，自重湿陷系数>0.015；当土体含水率>19.5%时则自重湿陷系数<0.015。这说明当土体含水率>19.5%的黄土场地不具有自重湿陷性。

4)试验场地土体自重湿陷系数与孔隙比之间存在良好的线性正相关性，随着孔隙比的增大而增大。当孔隙比<0.98时，其自重湿陷系数<0.015。因此，孔隙比0.98可界定为该地区黄土发生湿陷的起始孔隙比。

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