西韩城际铁路湿陷性黄土地层现场浸水试验研究

张照龙

(中铁建投(烟台)开发有限公司 山东烟台 265599)

1 前言

黄土的湿陷性，文献[1]给出了两种常用的评价方法，一是室内压缩试验，二是现场试坑浸水试验。前者是在现场采取不扰动土样，送至实验室开展室内压缩试验测定黄土湿陷系数和自重湿陷系数，通过给定的公式计算得到湿陷量和自重湿陷量(称之为“计算值”)；后者为大型原位试验，即在工程现场开挖试坑，通过对沉降标点的监测，直接得到试坑在浸水条件下的自重湿陷量(称之为“实测值”)。

一般认为，现场试坑浸水试验判定结果比较可靠，但是，由于原位试验费用高，且费工费时，一般只是在缺乏经验的地区建设重要建筑物勘察时才使用。

西韩城际铁路位于陕西省渭南市、关中平原东北部，线路长度约175 km，设计速度250 km/h，是一条高标准城际铁路，未来也是连接西延高铁和大西高铁的区域性高铁。线路经过地区基本为黄土覆盖，主要经过渭北黄土台塬区和侵蚀黄土塬区两个长大段落的大厚度自重湿陷性黄土地貌单元，黄土湿陷厚度高达30 m[2－4]。

为了准确查明黄土湿陷类型和湿陷机理，尤其是Q2黄土的湿陷机理，查明大面积浸水的影响范围，为湿陷性黄土地基处理和防排水设计提供依据，课题组在渭北黄土台塬区选择了一处场地开展现场试坑浸水试验。

2 场地勘察情况

2.1 场地环境

试验场位于蒲城县岳兴村，拟建城际铁路右侧约170 m处，场地附近地形开阔、地势平坦，地表为耕地，周边没有对沉降反应明显的建(构)筑物，有简易道路与外界相通，交通较为便利[5－7]。

2.2 场地地基土性质

试验场地层自上而下分别为Q3黏质黄土(厚约5.1 m)、Q3古土壤(厚约3.5 m)、Q2黏质黄土(厚约34.2 m)、Q2粉砂(厚8.1 m)。地下水位埋深43 m。

根据室内试验结果，30 m范围内地基土天然含水率为14%～20%，干密度为1.30～1.60 g/cm3，天然孔隙比为0.700～1.100，塑性指数为10.5～13，综合垂直渗透系数为3.25×10－4cm/s。

场地内布置3个探井，采用机械洛阳铲成孔、坑壁人工刻槽取样的方法采取原状土样，开展室内压缩试验。计算场地土体自重湿陷量为81.0～325.8 mm，平均值为177.0 mm；总湿陷量为334.0～672.8 mm，平均值为500.4 mm。综合判定场地属Ⅱ级自重湿陷场地，湿陷土层最大厚度为29.5 m。

忽略地区修正系数(β0＝1)，计算得出场地自重湿陷量为90.0～362.0 mm，平均值为196.7 mm。

3 试验方案设计

本次试验的浸水试坑采用直径为32 m的圆形试坑，坑深约0.5 m，试坑底部铺设10～20 cm厚的碎石。场地内布置沉降监测点79个、水分计探井4个、渗水孔12孔、水位观测孔6孔。

3.1 浅标点布设

在试坑内部和试坑外1.5倍试坑半径范围内由试坑中心向坑外3个方向放射状布置三条测线，如图1中的OA、OB、OC。每条测线第一个浅标点距圆心为1.5 m，之后浅标点间距为2 m，坑内共布置8个浅标点。坑外1.5倍试坑半径范围内布置8个浅标点，第一个浅标点距坑边1 m，然后向外以间距3×2 m＋1×3 m＋1×4 m＋2×5 m布设，最远处的浅标点距试坑中心距离为40 m。场地内共布设49个浅标点，其中试坑内25个、试坑外24个。

图1 试验场平面布置

3.2 深标点布设

平面上过试坑中心布置了三条测线，如图1中的 DD′、EE′、FF′，深标点测线与浅标点测线夹角为30°。每条测线上深标点按间距3 m布置，共布置30个深标点。

空间上地表以下35 m范围内结合各土层界线布设，大致间隔2.5 m，每个深度布设不少于2个深标点，同一测线上同一深度的两个标点距试坑中心的平均距离相等[8－10]。

3.3 土壤水分计布设

在试坑内和试坑外各布置2个探井，井径60 cm、深31 m。其中试坑内的探井位于试坑中心两侧各9 m，试坑外探井距离坑边分别为2 m和5 m。4个探井在平面上形成一个剖面。

每个探井内自上而下，20 m以内间隔1 m、20 m以下间隔2 m在探井侧壁布设水分计，形成竖向剖面。场地内合计布设水分计100个。

3.4 渗水孔布设

在距离半径11 m的圆周上均匀布置渗水孔12孔，孔深9 m(穿透古土壤)。渗水孔孔径130 mm，孔内回填碎石。

3.5 水位观测孔布设

在试坑外南北方向各布置一排水位观测孔，一排3个，间距为3 m，第1个水位观测孔距离试坑边沿3 m，共计6个水位观测孔，每排观测孔孔深由近及远分别为20 m、25 m、30 m。

4 试验结果分析

4.1 注水量

试验场于2020年5月19日中午12点开始注水，至7月26日早8点停止注水，历时68 d。累计注水量8 867 m3，平均日注水量约130 m3。

为计算注水期内降雨和蒸发对注水量的影响，在场地内埋置直径60 cm、高70 cm的塑料桶，塑料桶高出地面20 cm，于5月19日同期注水，水深40 cm。至停水当日，桶内水位累计下降14 cm，按面积换算，受降雨和蒸发影响，浸水试坑在注水期内累计损失水量为114 m3，约为注水量的1.3%，因此，降雨和蒸发对注水量的影响可以忽略不计[11]。

4.2 土壤水分计数据分析

试验期间，浸水试坑内外4个断面的100支土壤水分计每隔10 min自动采集地基土的含水率，以研究浸水区地下浸润边界及时空变化规律。数据表明:

(1)竖向上，受地基土不均匀性的影响，试坑内不同位置的水流下渗速度不同步，呈现出不均匀下渗的规律。垂直渗流前锋在注水后的第56天达到30 m深度，实测综合垂直渗透系数为5.8×10－4cm/s，约为室内试验值的1.8倍。

(2)横向上，水流沿一定角度向侧下方渗流，速度较慢，在停水后的第8天，渗流才到达30 m深度，实测综合水平渗透系数为1.2×10－4cm/s，约为垂直渗透系数的0.2倍。

4.3 水位观测孔数据分析

浸水第38天，在场地北侧距离试坑最近的孔内观测到自由水面，然后水位缓慢抬升，至第55天达到18.3 m的最高水位，之后缓慢下降。在停水后有个加速下降的过程，而后在一段时间内保持稳定(19.6 m)，现场试验结束时，水面埋深为19.85 m。

浸水第57天，在场地南侧距离试坑最近的孔内观测到自由水面，然后水面缓慢抬升，至第63天达到19.5 m的最高水位，之后保持稳定。停水后逐渐下降，至第79天水面消失。

其余水位观测孔未观测到自由水面。

4.4 竖向浸水深度分析

停止浸水后的第3天和第4天，在试坑内南北两侧各施作1个取样孔，孔深均为50 m。钻探揭示，试坑下部50 m范围内的土体均已被完全浸泡，呈软塑～可塑状态。根据室内试验结果，浸水后试坑下部50 m范围土体的含水率普遍大于20%，最大含水率达到29.1%。其中上部30 m范围的土层，浸水前平均含水率为12.9%～18.8%，浸水后平均含水率为19.0%～27.5%，含水率增幅最大达到84.6%，如图2所示。

图2 试坑内地基土浸水前后含水率变化

4.5 浸水影响范围分析

浸水后的第21天、第41、42天和停水前后的第66～72天分别在试坑外南、北两侧布置了2排取样孔，取样测定含水率，与浸水前的试验结果做对比分析。结合现场岩芯鉴定和土壤水分计监测结果，绘制本次浸水试验的浸润范围和饱和范围，如图3所示。从图3中得出浸润角约为40°，且南北两侧略有差异。

图3 试验场浸润范围和饱和范围

4.6 沉降观测

本次试验采用高精度精密水准仪配合铟瓦水准尺进行测量，按二级变形测量精度、相对高差基准系进行观测。

(1)浅标点:浅标点埋深约0.5 m，用于测量地面变形(总的自重变形)。对A、B、C三个系列的观测数据进行整理，如图4和图5所示。从观测数据上看:浅标点的沉降量整体趋势由圆心向外逐渐减小，呈漏斗状，最大沉降发生在圆心周边2 m的区域内，累计最大沉降量为27.3 mm；场地内的沉降主要发生在浸水试坑内，以及试坑外4 m范围内，试坑外超过4 m的区域沉降量比较小，主要以轻微抬升为主。

图4 A-B系列浅标点沉降量随时间变化

图5 A-C系列浅标点沉降量随时间变化

(2)深标点:深标点用于监测不同深度土层的自重变形量，确定自重湿陷土层厚度。根据D、E、F三个系列的沉降观测数据(如图6～图8所示)，本场地黄土自重湿陷主要发生2.5～15 m的深度范围内，其中2.5～8 m为Q3地层，8～15 m为Q2地层，最大沉降量为46 mm。

图6 D系列深标点沉降量随时间变化

图8 F系列深标点沉降量随时间变化

5 试验成果

(1)本次试验采用的浸水试坑直径达32 m，是近年来关中地区实施的最大规模的黄土现场试坑浸水试验。

(2)试验场自重湿陷量实测值46 mm，与室内计算值(平均值196.7 mm)的比值β0值为0.23。该结果与相同地貌单元的某电厂试验结果基本吻合。

(3)实测地基土湿陷下限为15 m。除Q3黄土外，Q2上部的黄土仍具有一定的湿陷性。

(4)地表水自然入渗深度超过了50 m，浸润角约为40°，浸润直径约55 m，约为浸水试坑直径的1.7倍。

(5)部分沉降标点累计沉降量出现了不降反升的现象，其原因有待今后进一步研究[12]。

6 自重湿陷量实测值与计算值差异原因分析

本次试验中，现场试坑浸水试验得到的自重湿陷量实测值与室内压缩试验得到的计算值之间的差异是客观存在的，差异大小主要与地域有关。文献[3]及[13]对此作了深入分析。本文认为，主要原因在于室内试验和现场原位试验的模型有着本质上的区别。

(1)室内试验

室内压缩试验的对象是饱和土，环刀试样体积小，室内浸泡很容易达到饱和，在施加饱和自重压力时容易发生结构性破坏。

此外，室内试验理论是建立在新黄土之上的，忽略了黄土的不均匀性，同时也忽略了古土壤层和钙质结核对于湿陷性黄土的支撑作用。

(2)现场原位试验

现场浸水试验的对象是非饱和土。浸水试验中，地表水首先会寻找黄土中的优势通道下渗，土体不易达到饱和，即使达到饱和，由于没有应力释放的过程，土体结构(尤其是Q2黄土的土体结构)很难受到破坏。

本试验场在停水后第3天，在试坑外侧2 m的位置尝试开挖探井，结果发现，黄土在渗水的状态下依然保持着良好的直立状态，工人甚至可以下到井中正常取样，只是取出的土块由于浸水以及应力释放的原因，在搬运过程中很容易破碎，需要非常小心的制样。

在停水后的第83天，在浸水试坑内再次开挖探井取样，进行室内压缩试验，结果表明现场浸水试验后的土样仍具有较大的自重湿陷性。

综上所述，原状黄土在浸水饱和条件下发生结构破坏，需要很长一段时间；在黄土结构未完全破坏之前，发生过湿陷的土体在特定条件下还有可能再次湿陷。