深厚黄土地基浸水湿陷变形及竖向土压力作用分析

屈宏录 ，刘德仁 ，孙英萍 ，闫炳舟 ，徐硕昌 ，张 严

（1.中兰铁路客运专线有限公司, 甘肃 白银 730900；2.兰州交通大学土木工程学院, 甘肃 兰州 730070；3.甘肃铁路投资建设集团有限公司, 甘肃 兰州 730030）

湿陷性黄土地基在浸水后会发生明显的湿陷下沉[1-2]，因此在黄土地区修建工程建筑物，必须对其湿陷性进行预防和控制[3-4]。近年来，很多学者在黄土地区进行了大量现场浸水湿陷试验。王治军等[5]在甘肃庆阳大厚度自重湿陷性黄土场地上开展原位浸水试验，分析了地表湿陷量的发展规律，并采用面积权重法计算得到该场地的地区土质差异修正系数（β0）为1.02。黄雪峰等[6]分析了开展湿陷性黄土现场浸水试验的必要性，并对我国浸水试验的研究历史和发展现状进行了总结评述。黄雪峰等[7]在大厚度自重湿陷性黄土场地上进行原位浸水试验，研究了黄土场地在地面浸水后的水分入渗规律与自重湿陷变形规律。杨校辉等[8]根据浸水试验研究了大厚度黄土场地的地基处理深度和湿陷性评价等问题。邵生俊等[9]根据现场试坑浸水试验和室内湿陷性试验结果，分析了场地浸水自重湿陷变形实测值与计算值之间的关系。Li等[10]开展黄土隧道场地的浸水试验，研究了既有隧道黄土地层的湿陷变形特性、水分运移规律和隧道结构力学响应。吴爽等[11]根据室内试验和现场浸水试验，对比分析了黄土场地自重湿陷量的实测值与计算值存在差异的原因。张晓宇等[12]以实际工程为背景，研究了渗流作用下黄土含水率的时空变化特征及其对隧道工程的影响。王小军等[13]、武小鹏等[14]、姚志华等[15]通过现场浸水试验，分析了湿陷土层深度随浸水时间的演化规律，判定了浸水水平向影响范围。以上研究为黄土场地现场浸水试验奠定了良好的基础。

为了进一步研究黄土地基中水分入渗、土压力变化、浸润锋发展等规律，一些研究人员除了在现场测试沉降变形外，还埋置了大量的测试元件，对这些要素进行监测分析。黄雪峰等[16-17]通过现场原位试验，对非饱和原状黄土垂直高边坡土压力分布特征进行研究，对非饱和原状黄土垂直高边坡在坡顶浸水渗流作用下的土压力变化及切坡临空面位移进行现场试验研究。罗奇斌等[18]在现场进行浸水入渗试验时埋设土压力盒，对浸水湿陷过程中的土压力进行了监测，认为土压力一般在湿陷下沉发生时接近最小值。李加贵等[19]监测了浸水时黄土边坡中的土压力变化过程，并与朗肯土压力理论计算结果相比，发现实测黄土边坡的土压力远小于计算值。金松丽等[20]开展了原状黄土增湿过程中静止土压力系数（K0）变化规律的试验研究，得到了水力耦合作用下K0的计算方法。孙萍等[21]开展降雨型滑坡现场试验，设置水分离、土压力盒和张力计等，对不同雨强条件下天然黄土边坡的入渗规律和破坏模式进行了研究。虽然众多学者在黄土边坡和地基湿陷过程中的土压力进行了一些测试，但对地基土在浸水过程中土压力变化规律的研究还不完善。

新建中卫至兰州铁路穿越大面积黄土地区，因此在沿线地区开展浸水试验，研究该地区黄土地基浸水后的湿陷变形特征具有重要的工程意义。鉴于此，本文在中兰铁路兰州新区南站附近进行现场浸水试验，布设沉降标点、土壤水分计和土压力盒，对浸水湿陷过程中的土体含水率、沉降量及土压力变化情况进行监测，分析浸水过程中土压力的变化规律，以期从多方面来反映整个浸水湿陷过程，为中兰铁路及其他工程建设提供理论参考及数据支撑。

1 场地工程地质概况

1.1 场地工程地质条件

本次现场浸水试验场地位于中兰铁路兰州新区南站附近，距中兰铁路正线约350 m。根据地质勘察可知，场地黄土层厚约45 m，属于黄土梁峁区，场地开挖时的照片如图1所示，场地地层岩性见表1。

图1 试验场地布设Fig.1 Layout of the test site

表1 试验场地地层岩性表Table 1 Lithology of the test site

1.2 土体物理力学参数

在现场开挖探井（图2），0～30 m深度每隔2 m取得原状黄土试样，密封包装后运回实验室进行物理力学指标测试，得到其基本物理指标（表2），干密度、自重湿陷系数沿深度变化情况如图3所示。

图2 取样及土样装箱Fig.2 Sampling and packing of soil

表2 土体基本物理指标Table 2 Basic physical properties of soil

图3 干密度、自重湿陷系数沿深度变化曲线Fig.3 Changes in dry density and self-weight collapsibility with depth

2 现场浸水试验设计

根据现场探井得到的场地地质条件及室内试验结果可知，试验场地湿陷性土层的下限深度约为地下22 m左右，为了使试坑底面以下全部湿陷性土层受水浸湿达到饱和，并充分产生自重湿陷，本次大面积现场浸水试验依据《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB 50025—2018）[22]规定，设计浸水试坑为圆形，直径24 m，深度0.5 m，坑底部铺设10 cm厚的砂砾石。

2.1 沉降标布设

为了在现场浸水试验过程中监测地面湿陷变形及深层土体的湿陷下沉，本次浸水试验在现场布置地表沉降监测点（浅标点）60个，土层深层沉降点（深标点）30个，监测点布设如图4所示。

图4 监测点布置图Fig.4 Arrangement of the monitoring points

浅标点用于测量地面沉降变形及水平影响范围。除在试坑中心布置1个浅标点外，其余浅标点由试坑中心向坑外呈120°夹角的3个方向（A、B、C）以一定间距放射状布置。深标点布置在浸水试坑边缘，用以观测不同深度土层的自重湿陷量。深标点在距试坑中心点12.5 m的圆周上等间距布设，布设原则为从3 m深度位置开始布设，3～21 m深度标点间距为1.5 m，21～30 m深度标点间距为3 m。除3 m和4.5 m深度位置只设置了1个深标点外，其余深度位置均设置2个深标点，共30个深标点，平面间距为2 m。

2.2 测试元件布设

为了监测浸水湿陷过程中地基含水率及土压力的变化，在浸水试坑内开挖探井，并在井壁开槽埋设水分计和土压力盒（图5）。本次浸水试验所用水分计和土压力盒为湘银河传感科技有限公司的YH03-G型土压力盒和YH08-A01型水分计（图5）。在探井壁布设完成水分计及土压力盒后，将测试线从探井引出至试坑外，并对探井进行回填压实。

图5 水分计与土压力盒及其布置示意图Fig.5 Moisture meter, earth pressure box and their arrangement

2.3 现场浸水试验概况

在浅标点、深标点、水分计及土压力盒布设完成后，读取各监测点、测试元器件初值，开展现场浸水试验。本次试验共注水5 449 m3，历时290 d。在地基土浸水湿陷过程中，监测地表变形、地下深层位移以及地基土中含水率和土压力的变化。现场浸水照片如图6所示。

图6 现场浸水照片Fig.6 Photos of flooding at the site

3 试验结果与分析

3.1 地表沉降分析

在浸水试验过程中，采用全站仪测量浅标点的下沉量，分析场地地表在浸水过程中的湿陷下沉情况及地表沉降分布的历时变化过程。因数据呈现的规律相似，故以C轴浅标点为例，对地表沉降进行分析。绘制不同时间沿C轴方向的地表沉降变形曲线，如图7所示。

图7 浸水试坑浅标点沉降曲线Fig.7 Settlement of the shallow marker points of the submerged test pit

根据图7可知，由浸水试坑中心向外，沉降量逐渐减小，试坑范围以外的地表沉降量明显小于试坑内部，说明离试坑中心越远，土体的湿陷变形越小。随着时间增加，试坑及周边地表不断下沉。试验结束时，试坑中心的沉降量为144.7 cm，试坑边缘处的沉降量为90 cm左右。在距离试坑边缘10 m范围以外区域几乎没有产生地表沉降变形，故该场地浸水湿陷的水平影响范围约为10 m。

3.2 深层位移分析

在浸水湿陷过程中，水分由上向下不断入渗，浸润锋面不断下移，土层逐层遇水湿陷下沉。根据埋设在不同深度处的深层位移监测标杆，对试坑内深层土体的位移进行监测，既能反映土体浸水后入渗湿陷的过程，也能对不同层位的土体湿陷量进行计算，分析不同层位土体的湿陷特性。由于在浸水湿陷过程中，每层土的湿陷性质是不一样的，所以各层土的湿陷下沉量也不相同。图8是该试验场地不同层位处的深标点累计沉降量随时间的变化曲线。

图8 不同深度自重湿陷量随时间变化曲线Fig.8 Changes of self-weight collapse with time at different depths

在浸水初期，较浅位置的深标点在短时间内发生大量下沉；后期随着时间的增加，水分不断下渗，下部土层不断湿陷下沉，较浅位置的深标点也随之产生一定的下沉量。不同深度土层的自重湿陷过程发展趋势大致相同，均经历了剧烈—缓慢—稳定的湿陷变形发展过程。以3 m深度的深标点为例，在试验初期，浸水第6 天时，沉降急剧增加，达到38.3 cm，第7 天时达到54.4 cm，表明水分到达3 m深度，该深度土层湿陷变形发展迅速；从第25 天开始，3 m深度的沉降发展进入稳定期，沉降速率较小，累计曲线发展平缓，每天的沉降量小于10 cm；注水停止后，土体的自重湿陷过程变得更加缓慢，直至稳定不再发生变形。

根据图8可知，随着土层埋深增加，沉降量逐渐减小。埋深3 m的深标点沉降量最大，达到108.5 m，与地表最大沉降量144.7 cm相比，0～3 m地层的沉降差约为35.0 cm；埋深3～6 m的深标点沉降量为67.8～108.5 cm，沉降差约为40.0 cm；埋深6～12 m的深标点沉降量为55.3～67.8 cm，沉降差约为12.5 cm；埋深12～16.5 m的深标点沉降量23.7～55.3 cm，沉降差为31.5 cm；埋深16.5～24 m的深标点沉降量为5.2～23.7cm，沉降差约为18.5 cm；而埋深24 m的深标点基本未发生沉降，可以认为该场地的自重湿陷下限深度为24 m。由此可见，该地基土的湿陷量主要发生在0～6 m及12～16.5 m深度范围，其湿陷量达到120 cm左右，占整个场地湿陷量的80 %以上。

3.3 含水率变化

该场地天然含水率较低，根据预埋在探井中不同深度处的水分计，对浸水前及浸水过程中地基的含水率变化进行监测。探井1中不同深度处各测点的体积含水率随时间变化过程如图9所示。在浸水之前，各测点的体积含水率在10%～15%之间，随着场地开始浸水，各测点的含水率迅速增加，在较短的时间内便达到了30%～40%，其原因是，埋设水分传感器后探井回填时土体未充分夯实，导致浸水时水流沿着探井迅速下渗，使得该位置较深处土体在较短时间内饱和。随着时间的进一步增加，土体不断发生湿陷变形，体积压缩，各测点的含水率又开始缓慢下降。最终稳定后的含水率只有峰值含水率的90%～95%。说明随着湿陷变形的逐渐发展，土体体积压缩，其饱和含水率也会逐渐减小；随着地基土的湿陷完成，最终饱和含水率会达到一个稳定值，在21 m深度以上，地基土中的饱和体积含水率在30%～35%之间。随着埋深增加，土体越来越密实，水分入渗也越来越困难，最终的饱和含水率也沿着深度逐渐减小，如图10所示。

图9 含水率随时间变化曲线Fig.9 Changes of water content with time

图10 含水率随深度变化曲线Fig.10 Changes of water content with depth

3.4 土压力分析

根据浸水试坑探井中埋设的土压力盒测试结果绘制探井中各深度位置处土压力随浸水时间的变化规律，如图11所示。在浸水之前，埋设于探井各深度处的土压力盒的初值基本为0。随着浸水时间增加，各深度处的竖向土压力逐渐增大，且位置越浅，土压力越早达到稳定。根据图11中各深度处土压力曲线的抬头上翘时间可以明显看到12，15，18，21 m处的土压力曲线按时间依次上翘增大，表明水分入渗到该位置，土体结构发生变化，土层开始湿陷下沉。

图11 不同深度处土压力随时间变化曲线Fig.11 Changes of earth pressure with time at different depths

随着浸水时间的增长，水分逐渐下渗，土体结构破坏，土压力盒的数值不断增大。土压力盒于探井壁开槽水平放置，然后回填。由于开槽的影响，地基土的自重应力由槽壁未扰动土体承担，这时土压力盒基本不承受应力作用。土压力盒的峰值由上向下不断发展，由最初的3 m深度处逐渐向6，9，12 m深度发展，到15 m深度处达到最大值后不再向下发展。经过计算发现，在15 m深度以上，最终的土压力数值与自重应力大小基本一致。分析可知，在15 m以上，土压力盒测得的土压力即为上覆土体的自重压力，土压力盒周围的土体完全浸水扰动破坏，土体结构完全溃散；而在15～20 m深度范围内，土体浸水后产生一定的湿陷下沉，但土体结构未发生完全破坏，土压力盒周围的土体起到一定的支撑作用，土压力盒测得的土压力小于自重压力，而且随着深度的增加，测得的应力逐渐减小；在24 m深度以下土压力盒测得的压力基本与初值一致，基本不随时间变化，这也与该位置处深层沉降点的测试结果一致。

4 结论

（1）通过浸水试验测试，该深厚黄土场地最大湿陷下沉量在150 cm左右，试坑边缘处湿陷下沉量在90 cm左右，水平浸水范围10 m以外地表基本不发生湿陷下沉。

（2）根据深层位移可知，该场地黄土地基的湿陷量主要发生在0～15 m深度范围，其湿陷量达到120 cm左右，占整个场地湿陷量的80%以上，该范围为强湿陷土层范围；随着土层埋深增加，标点的沉降量逐渐减小。24 m深度处的深标点基本未发生沉降，可以认为该场地的自重湿陷下限深度为24 m。

（3）根据水分计监测结果，随着地基土浸水饱和，地基土含水率迅速增大，到达峰值后随着地基土的湿陷变形而逐渐减小。地基土的稳定含水率只有峰值含水率的90%左右，而且随着深度增加，地基土的体积含水率呈下降趋势。

（4）根据土压力盒监测结果，15 m深度范围内地基土中的土压力盒周围的土体完全浸水扰动破坏，土体结构完全溃散，土压力盒测得的土压力即为上覆土体的自重压力；而在15 m深度以下，土体浸水后产生一定的湿陷下沉，但土体结构未发生完全破坏，土压力盒周围的土体起到一定的支撑作用。