一种评价黄土及黄土地基湿陷敏感性的新方法

宋献华

(西部建筑抗震勘察设计研究院，陕西西安 710054)

0 引言

目前，我国工程界对黄土湿陷性的评价仅仅是依据湿陷量的大小，并以此提出治理建议和措施。但由于黄土湿陷的复杂性致使有些工程在同样湿陷等级的情况下，产生了不一样的湿陷后果，甚至有的湿陷等级低的场地反而比湿陷等级高的场地危害性更大[1]。究其原因，这都是因为黄土在浸水以后开始发生湿陷的时间以及湿陷速率不同所造成的。很明显，浸水后很快湿陷且湿陷速率大的黄土，其湿陷敏感性较强，势必会造成更大的湿陷危害。因此，在现有湿陷性评价的基础上，再引入湿陷敏感性的判定和评价是很有实际意义的。

几十年来，很多学者对黄土湿陷敏感性的问题作了很多研究和论述，到目前为止在工程实际中如何对湿陷敏感性进行定量的分析、评价还没形成统一的意见和标准。

由于黄土特定的物质组成和结构构造，其在力和水的作用下所表现出的湿陷是一个复杂的变形过程，从工程角度研究这个变形敏感性的问题，应该力求方法简便、易于操作、符合实际。基于这种想法，本文在前人研究成果的基础上，结合工程实践，在不增加试验工作量的前提下，对黄土湿陷敏感性以及黄土地基湿陷敏感性的判别和评价作了一些新的尝试和探讨，以资对工程有益。

1 黄土湿陷的敏感性

1.1 黄土湿陷敏感性的工程涵义

黄土湿陷的敏感性，是指具有一定初始含水量的湿陷性黄土在一定力的作用下，受水浸湿发生湿陷的难易程度及湿陷发展的快慢[2]，实质上也反映了黄土遇水发生湿陷的可能性及其湿陷发展的可能性[3]。这里所说的湿陷性黄土包括自重和非自重湿陷性黄土，力包括自重应力和外荷，也就是说不论是自重还是非自重湿陷性黄土，只要发生湿陷，就具有湿陷敏感性的问题，也就具有评价其湿陷敏感性的工程意义。

通常认为，黄土湿陷发生的可能性越大、发生的越容易、速度越快，其湿陷敏感性越强；从另一个角度说，黄土湿陷发展的可能性越大、湿陷发展的空间越大，发生的湿陷量越大，也就说明其湿陷的敏感性越强。

1.2 黄土湿陷敏感性的评价指标

对黄土本身而言，湿陷敏感性是湿陷性黄土的固有属性，也就是说在特定应力空间和湿度空间内的某一黄土，其湿陷敏感性是一定的。为了更好地描述黄土湿陷敏感性的强弱，把黄土的湿陷敏感性用敏感度来定量表示。

众所周知，黄土的湿陷敏感性与很多因素有关，诸如：黄土的物质组成、架构关系、应力大小、初始湿度及受水浸湿时浸入的水量等。据此，从工程角度出发，通过大量实践经验把黄土的湿陷敏感度定义为：

式中：M为湿陷敏感度(无量纲参数)，M值越大说明湿陷敏感性越强，M值越小说明湿陷敏感性越弱；wsat为饱和含水量，%；w0为初始含水量，%；Psh为湿陷起始压力，kPa。

对组成公式(1)的各指标作如下几点分析：

(1)Psh为湿陷起始压力，也是黄土受水浸湿后的残余结构强度，在一定程度上表征了土样湿陷时所处应力空间的特征。Psh越低，说明越容易产生湿陷，Psh越高，说明产生湿陷的难度越大。因此，Psh反映了黄土发生湿陷难易程度。对于非湿陷性黄土来说，可认为Psh趋于无穷大，因此非湿陷性黄土的湿陷敏感度M也就趋于零。

(2)w0是黄土的初始含水量，也就是土的天然含水量，它表征了土样所在初始湿度空间的湿度特征。

(3)wsat为饱和含水量，即黄土孔隙内全部充满水时的含水量(wsat=e/Gs，式中：e为初始孔隙比，相当于土的天然孔隙比，表征了黄土湿陷的可利用空间；Gs为土颗粒的比重，在一定程度上表征了黄土的物质组成特性)。从wsat的表达式可以看出，wsat不仅反应了黄土所具有的最大含水量，同时也反映了黄土孔隙特性和黄土颗粒的物质组成特性。

(4)wsat-w0表现了黄土在具有初始含水量(w0)的前提下浸水时，还能够再接收的最大水量，在这里称之为储水含水量，也就是黄土浸水时所能浸入的最大水量。在w0=wsat的情况下，即储水含水量为零，说明黄土在浸水之前已经达到了饱和状态，成为了饱和黄土，此时黄土也就不会产生湿陷，也就无所谓湿陷敏感性了(即M=0)；反之，如果wsat-w0的差值越大，说明黄土发生湿陷及湿陷发展的可能性也就越大，此时湿陷的敏感度也就越大。因此储水含水量在一定程度上表征了黄土的物质、孔隙和含水特性，为黄土产生湿陷及湿陷发展提供了前提条件，是一个反应湿陷敏感性的较为理想的工程指标。

综上所述，公式(1)虽然是一个经验公式，但具有较为明确的物理涵义。同时这些指标均通过常规的室内土工试验即可得到，方法简单方便，具有良好的工程应用前景。

2 黄土湿陷敏感性的评价方法

2.1 敏感性分级、评价标准及处置措施

我国湿陷性黄土的分布幅员辽阔，黄土的湿陷也具有复杂性和多变性。鉴于此，依据大量的工程经验和数据，经过统计和对比分析，根据敏感度M把黄土湿陷的敏感性分为五级，即不敏感、弱敏感、中等敏感、强敏感和极强敏感。具体划分标准及相应的处置措施如表1所示。

表1 湿陷敏感性的划分等级、标准及处置措施

2.2 评价结果的分析验证

为了验证评价结果的可靠性，选用了不同区域以及同一区域不同地貌单元、不同年代成因的黄土进行了敏感性的计算分析，效果良好。

2.2.1 全国典型地区评价结果的对比分析

就全国区域内分布的黄土来看，陇西(兰州)、陕北(延安)、关中(西安)、河南(郑州)等地区的湿陷性黄土具有很好的代表性，根据其相关资料[4]，把湿陷敏感度M的计算值列于表2。

表2 不同地区黄土湿陷敏感度的指标

从表2可以看出：从兰州、延安、西安再到郑州，其饱和含水量wsat有逐渐降低的趋势，初始含水量w0有逐渐升高的趋势，湿陷起始压力Psh也明显有由小变大的趋势，因此，计算的湿陷敏感度M值有由大变小的趋势。

根据表2的敏感度数据，按表3的标准判定：兰州地区黄土的湿陷敏感性应多为强敏感—极强敏感，延安地区黄土的湿陷敏感性应多为中等偏强敏感，西安地区黄土的湿陷敏感性应多为中等偏弱敏感，郑州地区黄土的湿陷敏感性应多为弱敏感。

这一结果也与从兰州、延安到西安再到郑州其湿陷敏感性逐渐降低的总趋势是一致的[5]。

2.2.2 西安地区典型地层评价结果的对比分析

根据西安地区若干工程项目典型地层的试验资料，分析评价了不同地貌单元、不同年代成因黄土的湿陷敏感性问题。主要数据及湿陷敏感度的计算结果见表3。

表3 西安地区黄土的湿陷敏感度及相关指标

分析表3数据可知：

(1)全新世新近堆积黄土具有强湿陷敏感性，全新世黄土状土具有中等湿陷敏感性，晚更新世黄土具有中等偏高湿陷敏感性，晚更新世古土壤具有弱湿陷敏感性，中更新世黄土具有弱湿陷敏感性。

(2)新黄土的湿陷敏感性高于老黄土，风成黄土的湿陷敏感性高于水成黄土。虽然晚更新世古土壤和中更新世黄土同具有弱湿陷敏感性，但中更新世黄土的敏感度明显高于晚更新世古土壤，这说明中更新世黄土的湿陷敏感性比晚更新世古土壤要强，这一点也与古土壤的特殊工程性状是吻合的。

(3)根据黄土规范[5]用湿陷系数判定的湿陷程度和用敏感度判定的湿陷敏感性也具有很好的一致性。土的湿陷程度越高，其湿陷敏感性越强。对于轻微湿陷程度的土，一般具有弱湿陷敏感性；对于中等湿陷程度的土，一般具有中等至强湿陷敏感性；对于强烈湿陷程度的土，一般具有极强湿陷敏感性。

情景式教学在各个学科中都有运用，设置情景教学能让学生在学习数学的过程中发散学生的思维。数学是一门需要学生不断思考的学科，知识源于生活用于生活，所以学生学习知识应该将自己置身于情景中。比如在讲解观察物体和长方体正方体面积与体积计算的部分，笔者都会向学生展示模型。让学生能够借助模型更好地建立空间思维，可以说，数学非常需要设置情景来进行教学。并且小学数学教育中培养学生核心素养需要提高思维能力。

因此，从宏观到细节，这些判定结论与土的各项工程性质和结构特征是相一致的，与各土层湿陷的工程经验也是相吻合的。

2.2.3 评价结果与湿陷性试验曲线的对比分析

试验选取了西安某地不同含水量的三个试样，做了室内湿陷性试验，试验中读取了土样浸水以后5 min、30 min、1 h等直至稳定的湿陷下沉量。各土样的主要试验数据见表4，浸水以后湿陷下沉量(s)随时间(t)的变化关系如图1所示。

表4 各土样的主要试验数据

图1 湿陷试验s-t的关系曲线

从图1可见，各土样在浸水后5～30 min之间的下沉速率最大，这一时间段的变形特征是土样湿陷敏感性的直观反映，很明显：土样3的湿陷敏感性最强，土样1的湿陷敏感性最弱，土样2居中。再根据表4的数据，经过计算，土样1～3的湿陷敏感度分别为0.087、0.150、0.486。可见，土样3为强敏感，土样1和2同为弱敏感。虽然土样1和2为同为弱敏感，但土样2的湿陷敏感度又明显高于土样1，这和图1中各曲线的变形特征也是一致的。这也从一个方面说明了评价结果的准确性。

3 黄土地基湿陷敏感性的评价方法

在黄土地基中，各层黄土的湿陷敏感性在不同深度有着不同的变化，同时随着深度的增加，使土体浸水饱和产生湿陷的难度也在增加[6]，因此，即使地基深部某一土层的湿陷敏感性较强，它对整个地基湿陷敏感性的贡献也是有限的。另外，在湿陷性土层中一般还夹杂有非湿陷性土层，由于这种非湿陷性土层的存在，也会大幅度减低整个地基的湿陷敏感性。可见，黄土地基的湿陷敏感性比黄土的湿陷敏感性还要复杂，它不仅与土性、应力大小、初始湿度等有关，还与地层渗透性的强弱、渗透路径的长短以及地基土层的组合形态等有关[1]。

在考虑上述情况的前提下，在黄土湿陷敏感度计算的基础上，结合工程经验给出了黄土地基湿陷敏感度的计算方法，从而把黄土地基的湿陷敏感度作为黄土地基湿陷敏感性的评价指标。

黄土地基湿陷敏感度(Md)的计算公式定义为：

式中：Md为黄土地基的湿陷敏感度(无量纲参数)，Md值越大说明黄土地基的湿陷敏感性越强，Md值越小说明黄土地基的湿陷敏感性越弱；Mi为评价深度范围内第i个土样的湿陷敏感度，用公式(1)计算；Wi为评价深度范围内第i个土样的层位函数，Wi的数学表达式定义为：

评价深度范围定义为：从基础底面开始向下至非湿陷性土层顶面(或地基压缩层深度底面)止。其中的非湿陷性土层(即δs＜0.015的土样所代表的土层)其湿陷敏感度取0计入。

可见，黄土地基的湿陷敏感度Md，就是黄土地基评价范围内各土样的湿陷敏感度Mi对各土样层位函数Wi的加权平均值。Wi的值越大，说明该土样的湿陷敏感性对整个地基湿陷敏感性的贡献越大。

从层位函数Wi的定义可知，第i个土样所代表的土层厚度di越大，其层位函数Wi的值越大，说明该土样的湿陷敏感性对整个地基湿陷敏感性的贡献越大；第i个土样的取土深度hi值越大(也就是说土样埋置越深)，其层位函数Wi的值越小，说明该土样的湿陷敏感性对整个地基湿陷敏感性的贡献越小。这也更好的说明了处于地基深部的湿陷性土层，尽管其具有较强的湿陷性，但由于其浸水渗透的路径较长、受水浸湿的可能性较小等因素，实际上其对地基湿陷敏感性的贡献则是很小的。

与黄土湿陷的敏感性一样，根据黄土地基的湿陷敏感度Md把黄土地基湿陷的敏感性也分为五级，即不敏感、弱敏感、中等敏感、强敏感和极强敏感。具体划分标准、处置措施等同表1。

同样，当地基的敏感度为0时，为不敏感的非湿陷性黄土地基，不需要进行地基的湿陷性处理；当地基的湿陷敏感性为弱敏感时，这种地基发生湿陷较困难，湿陷速度缓慢，很少造成湿陷事故，可根据情况选择性的对其进行湿陷性处理；当地基的湿陷敏感性为中等敏感时，这种地基发生湿陷的难易及湿陷速度均为一般，有湿陷事故发生，应该对其进行湿陷性处理；当地基的湿陷敏感性为强时，这种地基容易发生湿陷，湿陷速度快，容易造成湿陷事故，必须对其进行湿陷性处理；当地基的湿陷敏感性为极强时，这种地基极容易发生湿陷，湿陷速度极快，极容易造成湿陷事故，必须严格对其进行湿陷性处理。

4 工程应用实例及结果分析

为了更好地说明黄土湿陷敏感性及黄土地基湿陷敏感性的评价方法及应用，选取了西安南郊黄土塬上某项目的一个典型的勘探点资料(该勘探点上部10 m为探井，10 m以下为钻孔)，以此作为实例进行分析说明。(见表5)

表5 各深度处土试样的湿陷敏感度及主要数据指标

4.1 黄土湿陷敏感性的评价分析

按表5数据对各层黄土的湿陷敏感性评价如下：

(1)②层黄土，湿陷敏感度的平均值为0.389，整体上具有强湿陷敏感性，容易造成湿陷事故，该层土必须进行湿陷性处理。再进一步分析：3.5 m以上土样的湿陷敏感度均大于0.5，具有极强湿陷敏感性，这部分土层极易造成湿陷事故，是必须严格进行消除湿陷处理的部分；3.5～5.5 m深度内具有中等湿陷敏感性，是应该进行消除湿陷处理的部分；5.5～8.0 m深度内具有弱湿陷敏感性，是可以选择性进行消除湿陷处理的部分。

(2)③层古土壤，除局部土样不具有湿陷性外(如10 m处土样δs=0.005，该土样相应的敏感度M=0)，其余各土样的湿陷敏感性均为弱敏感。该层土湿陷敏感度的平均值(含M=0的数据)为0.054，整体评价该层土具有弱湿陷敏感性，很少造成湿陷事故。可以根据工程的实际情况，对其湿陷性进行选择性处理。

(3)④层黄土，各土样均属于弱湿陷敏感性，且从上至下湿陷敏感性逐渐降低。该层土湿陷敏感度的平均值为0.067，整体上具有弱湿陷敏感性，很少造成湿陷事故。可以根据工程的实际情况，对其湿陷性进行选择性处理。

(4)③层古土壤和④层黄土虽然同具有弱湿陷敏感性，但④层黄土比③层古土壤的湿陷敏感度明显偏高，因此④层黄土比③层古土壤的湿陷危害性应该更大。

从上可知，在地基处理时，利用湿陷敏感度可以更方便、更有效地找准对地基危害性较大的湿陷性土层，以便准确抓住问题的关键。同时再结合建筑物的实际情况，就可以更合理地确定地基湿陷性的处理方案。

4.2 黄土地基湿陷敏感性的评价分析

按照黄土规范[5]的评价方法，该场地计算的自重湿陷量ΔZS为326 mm，为自重湿陷性黄土场地；对于黄土丙类建筑，当基础埋深为1.5 m时，地基湿陷量ΔS的计算值为780 mm，地基湿陷等级为Ⅲ级(严重)。从这些湿陷量的概念来看，地基的湿陷性是比较严重的。再纵观场地内各土层的湿陷敏感度，其差异性也较大，从上到下黄土的湿陷敏感性表现为极强敏感到弱敏感，其间还夹杂有非湿陷性的土层，种种情况错综复杂，到底整个地基的湿陷敏感性会怎样呢？下面进行分析说明。

根据评价范围(1.5～25 m)内的17组敏感度数据，按照公式(2)计算的地基敏感度Md为0.266，根据表3的标准判定：该地基的湿陷敏感性属于中等，即该地基发生湿陷的难易程度和湿陷速度处于一般状态，有发生湿陷事故的可能，该地基应该进行湿陷性处理。

从地基的湿陷等级和地基的湿陷敏感度性上来看，该地基都需要进行湿陷性处理，下面再进一步分析具体的处理方法。

根据黄土规范[5]要求：对于丙类建筑，地基为Ⅲ级(严重)时，消除湿陷性的地基处理深度应至15 m。这个处理深度刚好要穿透地基性能较好的③层古土壤，而达到④层黄土的中上部。根据当地的工程经验，这样的处理结果偏于保守，虽然符合规范要求，但不理想。

而根据地基湿陷敏感性为“中等”这一判定结果可知，该地基也是应该进行湿陷性处理的，但怎么处理呢？结合前面对各层黄土湿陷敏感性的分析，综合考虑其他各种因素后认为：②层黄土具有强湿陷敏感性，是必须进行消除湿陷性的土层，其下伏的③层古土壤等各层，均为弱湿陷敏感性，可以选择性的进行处理。因此，对该丙类建筑物来讲，将该地基的湿陷性处理至③层古土壤的顶部，即可满足工程的需要，此时处理深度为8 m。甚至根据建筑物的具体情况，还可以把②层黄土下部5.50～8.00 m范围内属于湿陷弱敏感性的土层再酌情放松处理。

根据黄土规范[5]确定的处理方法与根据地基湿陷敏感性确定的处理方法相比，后者可以减少相当多的工作量。近年来，西安地区与之相类似条件的项目，很多作了这样的处理，既节省了大量的地基处理费用，也减少了工期。虽然不符合目前技术标准的要求，但从这些建筑物多年来的使用情况看，效果很好。

5 结语

黄土湿陷敏感性的问题历来备受学者关注，研究点也各有所异，本文从工程角度出发，在不增加试验工作量的基础上，提出了黄土湿陷及黄土地基湿陷敏感性的判定方法，经过工程实际应用，效果良好。具体可以得出如下结论：

(1)明确了黄土湿陷敏感性的涵义；提出了一种新的黄土及黄土地基湿陷敏感性的评价方法，并给出了相应的评价标准和地基处置措施。

(2)在地基湿陷敏感度的计算中，采用了层位函数(Wi)这一新的概念，使地基湿陷敏感性的判定结果更趋于接近实际。

(3)新提出的黄土以及黄土地基湿陷敏感性的评价方法，是对湿陷性敏感性评价的一种尝试，也是对黄土湿陷性评价的一种补充。事实证明，该方法能较好地反映出地基的实际湿陷状况，对地基湿陷危害性的认识和处理都有一定的指导作用。虽然如此，仍需在以后的工程实践中得到进一步的完善和改进。