钻孔预浸水法处理深厚湿陷性黄土地基试验研究

张媛媛　孟繁荣　马琢琪　韩青　陈雅兵

摘 要：针对传统试坑浸水法存在入渗过程慢，在深部地层发挥作用时间长，以及用水量大的问题，提出采用钻孔预浸水法对深厚湿陷性黄土地基进行处理，并以浸水量和处理范围作为评价指标进行评价。结果认为：在10 m的浸水池浸水入渗稳定时长为7 d，最大入渗半径和深度分别为3.5 m和15.5 m;不同黄土层深度皆可能产生较为明显的湿陷变形，湿陷量随土层深度的增加而减少;以8 m为分界线，8 m以上土层变形主要在浸水期，8 m以下土层变形主要在停水期。

关键词：深厚湿陷性黄土;钻孔预浸水法;湿陷变形特性;水分入渗规律

中图分类号：TU444 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2022）04-0070-05

Abstract： Aiming at the problems of slow infiltration process， long time required to play a role in the deep stratum and large water consumption in the traditional test pit immersion method， the drilling pre immersion method is proposed to treat the deep collapsible loess foundation， and the immersion volume and treatment scope are used as the evaluation index to evaluate the treatment effect. The results show that the immersion infiltration stability time of 10 m immersion tank is 7 days， and the maximum infiltration radius and depth are 3.5 m and 15.5 m respectively. Different loess depths may produce obvious collapsible deformation， and the amount of collapsible deformation decreases with the increase of soil depth. Taking 8 m as the dividing line， the deformation of soil layer above 8m is mainly in the immersion period， and the deformation of soil layer below 8 m is mainly in the water cut-off period.

Key words：  deep collapsible loess ; drilling pre immersion method ; collapsible deformation characteristics ; water infiltration law

隨着我国建筑行业的蓬勃发展，在深厚湿陷性黄土地基的建筑项目也随之增加。但受地质特性的影响，深厚湿陷性黄土地基存在厚度大、欠压密和水敏性的问题，因此在深厚湿陷性黄土地基施工前，需提前对深厚湿陷性黄土场地进行大面积浸水，让黄土土体在饱和自重压力的作用下出现湿陷，进而产生压实。但传统试坑浸水法往往入渗慢，时间长，且用水量大，因此做好对浸水法的优化具有很大的价值和现实意义。对此，王雪艳[1]通过多种方式检测了加固后地基土体的物理力 学参数、承载能力及沉降变形，并分析其变化规律。结果表明：采用碎石桩加固深厚湿陷性黄土地基，桩身的密实度在松软土层较低，在坚硬土层较密实，且相同深度的桩身密实度随桩间距的减小而提升;姚成龙[2]针对高挡墙深厚湿陷性黄土地基，提出了一种刚、柔组合桩的处理方式，既消除了黄土湿陷性，又大幅度提高了黄土地基承载力。以上学者的研究为提高深厚湿陷性黄土地基的承载力提供了一些方法，但并未实际解决深厚湿陷性黄土地基厚度大、欠压密和水敏性的问题。基于此，本文提出钻孔预浸水法对深厚湿陷性黄土地基进行处理，为深厚湿陷性黄土地基工程的进行提供理论基础。

1 工程概况

1.1 自然地理条件

本工程位于陕西铜川新区。新区处于黄土高原与关中平原之间，地势由南向北逐步增大，而塬面标高从655 m变为1 040 m。在地质构造上，主要处于铜川褶皱段，且表现为单斜构造。

1.2 试验场地地层性质

场地标高721.35～724.32 m，土层以此由素填土Q4ml、黄土Q3eol、古土壤Q3el、黄土Q2eol、古土壤Q2el组成。根据以上信息可知，勘探深度内的土层分布复杂，未发现地下水，存在显著的孔隙，土质均匀，压缩性强。根据现有资料可知，该区域地下水处于较深的地层，影响可忽略。

2 钻孔预浸水试验设计

2.1 现场浸水试坑布置

结合《湿陷性黄土地区建筑标准》（GB50025-2018） [3-4]来设计试坑。在设计中，采用钻孔预浸水法。试坑为矩形基坑，具体尺寸参数为10 m×12 m×2 m。在整个场地的横向和纵向方向均设置浸水井，数目均为3口，以保持分布的均匀性，深度和直径分别是10 m、0.4 m。具体布置方案如图1所示。

浸水井以及勘探点则布设在图1中的a、b、c处，主要在一号井外部2～4m的位置。

2.2 地层沉降观测设计

地层沉降观测布置如图2所示。在观测中，选择人工成孔方式安装观测标杆。观测标杆材质为PVC管，且需保证管顶高度高于孔口2 m。考虑到标杆重量要求，将适量石料置于管内，并且管底保持封闭[6]。另外，在场地外部设置高精度水准仪，然后将2个不动基准点设置在非浸水干扰区域。通过相对沉降量法进行记录，然后根据标杆和各个基准点读数的绝对值得到各观测点的具体沉降量。

2.3 试验过程及安排

预浸水试验主要分为以下4个步骤：

（1）对基坑信息进行确定，包括尺寸、位置信息，然后通过平整等处理过程得到符合要求的浸水坑;

（2）确定观测点以及浸水井的位置，然后再进行钻探和确认，且需要对标杆进行合理设置;

（3）浸水读数。将水头置于井口，然后记录沉降信息，在保持稳定后结束记录;

（4）完成浸水后，继续开展含水率等测定;

本次试验的时间范围是2019-12-09至2020-01-05，总计有26 d，主要划分为浸水、停水观测时间两部分，分别是7 d、19 d。

3 试验结果

3.1 浸水期结束水分入渗影响范围分析

土体饱和含水公式为[7]：

式中 Sr、ρd、e 依次代表土体的饱和度、干密度、孔隙比;ds代表土比重，ρw取值为2.71;代表水密度。

结合上述信息，得到图3中的a、b、c三探孔在浸水前、后的含水率和土层深度数据对比。

观察图3可知，天然土层含水率保持在11%～19%以内，均值在14.7%左右，总体保持了较高的均匀性，且受到土层深度的影响，二者表现出一定的正相关性[8-9]。

结合a、b、c探孔的含水率，得到单浸水井的水分场变化曲线，具体如图4所示。

根据图4可知，不同深度土体的浸水效果存在差异性，相对于浅层，深层土体可以达到更佳的浸水效果，而这与水头压力直接相关。另外可发现钻孔预浸水法的浸润半径存在如下特征：如土体含水率超过25%，则可以将5 m以上、5～8 m之间、8 m以下土层的浸润半径分别设置为2.2、2.5、3.5m。实践认为在浸水达到某个程度时，黄土会形成湿陷，预浸水法处理黄土湿陷需要达到饱和度的要求，即达到85%时才能达到良好的处理效果，此时的平均含水率是27.6%。由此可以得到该方法的有效处理范围可达8 m以上，浸润半径可达2.5 m、3.5 m，对应的有效深度为15.5 m。

3.2 地层总沉降量分析

各个深度土层的沉降量随时间变化的曲线如图5中所示。

根据图5可知，以7 d为界，可划分为两个阶段，分别是浸水期、停水期。其中，前者可分为水分入渗、入渗湿陷沉降、湿陷沉降稳定，对应的时间分别是0～1、1～6、6～7 d。对于第一个阶段，沉降变化不显著，主要是因为水分入渗并未达到湿陷条件;对于第二个阶段，沉降增长比较显著，此时土体开始饱和，导致其结构受到破坏，继而形成显著的自重湿陷变形;对于第三个阶段，沉降持续增大，但是增幅低于前一个阶段，此时土体基本完全饱和，湿陷沉降保持稳定[10]。停水期可分为停水固结沉降、固结沉降稳定两个阶段，分别是在8～11 d和11 d之后，前者沉降量表现为突增变化趋势，主要是水分入渗减少，土体变化不饱和状态，孔隙变大而导致;后者沉降量基本保持稳定，主要与土体固结沉降基本不再变化有关。

3.3 钻井预浸水法消除湿陷性效果分析

针对预浸水法消除湿陷性的效果进行分析，可得自重湿陷系数、湿陷系数和层深的关系，具体如图6和图7所示。

从图6可知，在不同的层深时各个探孔的自重湿陷性存在显著的差异性。对于探孔a， 自重湿陷系数最大为0.006，总体保持在0.005上下，随着层深变化保持了较高的均匀性，完全将自重湿陷性消除;对于探孔b，自重湿陷系数最大、最小值分别是0.032 5、0.005，前者是在4 m，后者是在15 m，总体随着层深变化而显著变化，只是将地表以下自重湿陷性消除。具体可以划分为未湿陷、湿陷变形两个阶段，前者层深是1～2、8～15 m，后者层深是2～7 m。对于探孔c，基本各个土层深度均发生湿陷变形，仅1 m、2 m除外。

同时，对比图6和图7探井a的自重湿陷系数和湿陷系数都是随层深不断变化，且变化趋势一致;对于探孔b，在层深低于8 m的情况下未出现湿陷变形，曲线差异性较小，在1～2 m时存在显著差异性，在3～7 m存在湿陷变形，但自重湿陷系数和湿陷系数不同。对于探孔c，各个层深的土样均存在湿陷变形，相对于饱和自重湿陷系数显著增大。由此得出，采用钻孔预浸水法可以将土层自重湿陷性进行有效地消除。

4 结语

本文以单浸水井浸水试验和试坑浸水湿陷试验为主体，对钻孔预浸水法处理湿陷性黄土的影响因素进行研究。具体结论为：

（1）钻孔预浸水法入渗稳定和湿陷沉降稳定时长分别为7 d和25 d。稳定后饱和区域影响规律为：土层≥8m时，浸润半径为2.4 m，土层小于8 m时，浸润半径为3.5 m，处理有效深度为15.5 m;

（2）在试验的过程中，浸水期和停水期均有较为明显的沉降变形，主要分为浸水期入渗→湿陷变形→湿陷稳定和停水期的停水固结沉降阶段→沉降稳定阶段。停水期在水分消散作用下，孔隙水压力降低，在试验区域在固结沉降下部地层表现较为明显，因此在现场施工时，要将浸水井灌注成复合地基;

（3）随层深的增加，地层沉降变形量逐渐降低，分别在1 m和10 m层深处出现最大值和最小值。上部地层在浸水期沉降变形量占比相对较大，只有较小停水期固结沉降变形产生，下部地层的情况则相反;

（4）钻孔预浸水法有效处理范围对应浸水稳入渗稳定后浸湿饱和区影响范围，达到饱和的黄土湿陷性可完全消除，未饱和区黄土湿陷性只可部分消除。

参考文献

[1] 王雪艳. 碎石桩加固深厚湿陷性黄土地基的试验研究[J]. 地下空间与工程学报，2021，17（04）：1164-1170.

[2] 姚成龙. 关于组合桩处理深厚湿陷性黄土高挡墙地基的研究[J]. 中国标准化，2021（18）：93-96.

[3] 寸江峰，王淑红. 市政桥梁工程中滿堂支架现浇箱梁施工技术的应用研究[J]. 粘接，2021，45（03）：184-187.

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