中兰铁路深厚黄土场地浸水地表变形规律研究

张严，刘德仁，王旭,2，徐硕昌，安政山

(1. 兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070；2. 道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室，甘肃 兰州 730070)

黄土是第四纪以来在动力作用下堆积形成的陆相沉积物，具有多孔隙、结构疏松、水敏性强等诸多不良工程性质[1-4]。黄土浸水后会发生湿陷下沉，因而湿陷性黄土地区的各类建筑物存在很大的安全隐患。我国黄土分布广泛，特别是在黄土高原地区，以黄土覆盖广、厚度大、地层完整等特征而闻名世界。因此对黄土的工程性质进行深入研究，具有深远意义。现场原位试坑浸水试验是研究和评价深厚黄土场地工程性质的有效手段，其成果对黄土地区的工程建设起到了极大的推动作用。武小鹏等[5-6]在郑西客专沿线的8个黄土场地开展试坑浸水试验，对该区域的黄土进行了湿陷性评价并给出了地基处理的建议。黄雪峰等[7-9]基于多个场地的浸水试验结果，指出地表沉降存在初期平缓段、浸水陡降段、停水后陡降段等多个阶段。MENG等[10]根据浸水试验结果，分析了黄土湿陷系数和自重湿陷系数对其基本物理力学参数的影响规律。周有禄等[11]通过浸水试验与室内试验的结果对比分析，指出黄土自重湿陷量的实测值和计算值存在的差异主要原因是湿陷性土层分布不连续。康宁等[12]在山西运城开展试坑浸水试验，探明黄土饱和时土压力降低是导致黄土“突发性”湿陷的原因。梁庆国等[13]在扰动场地开展原位浸水试验，发现扰动场地的沉降变形呈现出“缓慢增长-突增-趋于稳定”的特点。苏忍等[14]通过研究浸水过程中不同深度土层的湿陷量，提出场地黄土的自重湿陷系数与深度呈幂函数关系。乔建伟等[15-16]分别在陕西渭南和西安开展浸水试验，分析了浸水后地表裂缝的形成机理和发育特征。以上研究主要着眼于各地区黄土场地浸水后的湿陷变形、湿陷范围、湿陷性评价等问题，大多都基于浸水试验的最终结果展开分析，对浸水过程中地表沉降和裂缝的发展变化规律研究甚少。鉴于此，本文在新建中兰铁路沿线的靖远北站附近选取场地，开展大型原位浸水试验，重点研究深厚自重湿陷性黄土场地的浸水湿陷范围、地表沉降规律和裂缝发育特征，以期为中兰铁路以及其他建筑物的设计、建造及运营维护提供可靠的技术支持和安全保障。

1 试验概况

1.1 试验场地概况

试验场地位于甘肃省靖远县糜滩乡北侧的黄河高阶地上，地形平坦、开阔。根据野外调查和工程地质钻探资料，试验场地内地层岩性主要为第四系全新统砂质黄土，第四系上更新统粗圆砾土，各地层工程地质特征详述见表1。

表1 试验场地各地层工程地质特征详述Table 1 Detailed engineering geological characteristics of each layer in the test site

在试验场地开挖探井取得不扰动土样进行室内自重湿陷性试验，试验结果见表2。根据《湿陷性黄土地区建筑标准》(GB 50025—2018)[17]，采用式(1)计算湿陷性黄土场地自重湿陷量计算值：

表2 室内自重湿陷性试验结果Table 2 Results of indoor weight collapsibility test

式中：Δzs为自重湿陷量计算值；δzsi和hi为第i层土的自重湿陷系数和土层厚度；β0为因地区土质而异的修正系数。试验场地所处陇西地区，因此β0取规范推荐的1.5，计算得到试验场地的自重湿陷量计算值为2.313 m，大于70 mm，可判定该场地为自重湿陷性黄土场地。

1.2 浸水试坑设计

根据试验场地的地质条件和场地限制，浸水试坑设计采用直径为24.0 m 的圆形试坑，试坑深度0.5 m。在试坑底部均匀的铺设一层10 cm 厚的碎石。本次试验浸水试坑内部未设置渗水孔。

以试坑中心(A0)为圆心，在相互成120°夹角的A，B，C 3 条地表监测线上布设沉降标共41 个。以A 线为例，A1～A6 布设间距为2 m，其中A1～A5 置于浸水试坑内部，A6 设置在试坑边缘处；A6～A10 布设间距为3 m，A10～A14 布设间距为4 m，最远的沉降标A14 距试坑中心的距离为40 m，距试坑边缘的距离为28 m。观测点布置在浸水最大影响范围以外。浸水试坑及沉降标布置的设计方案如图1所示。

1.3 浸水试验过程

浸水试验于2021 年3 月21 日开始，于2021 年9 月2 日结束，共历时166 d。其中前4 d 用于调试仪器设备、观测场地初值，浸水142 d，停水后继续观测20 d。试验期间，采用Leica TS15全站仪对试验场地地表沉降进行定期观测。浸水方式为运水车向试坑注水，本次试验共注水12 908 m3，平均每天注水90.9 m3。

1.4 地表裂缝观测

试验过程中，定期观测和记录试验场地地表裂缝的形成情况，并绘制地表裂缝分布示意图。由于地表裂缝在不同位置的宽度和错台高度不同，因此当新裂缝出现时，选取该裂缝上发育趋势较好的位置作为固定测量点，并使用喷漆标记(图3(a)所示)，按时监测固定测量点处裂缝的宽度和错台高度，以分析地表裂缝的发展变化规律。

2 试验验结果及分析

2.1 试验场地表沉降变形规律

根据浸水试验结果，A，B，C 3个方向的地表沉降规律类似，因此以A轴为例进行分析。A轴上不同位置沉降标的沉降变化曲线如图4所示。根据沉降标发生沉降的先后顺序可知，深厚湿陷性黄土场地发生沉降的一般规律是先坑内、再坑外。浸水试坑内土体受水直接影响产生湿陷变形，因此浸水后短时间内(2～5 d)便有地表沉降产生。坑外地表则随着水分的入渗和扩散，沿试坑半径方向由内至外逐渐沉降。浸水5～8 d，浸水试坑边缘地表开始沉降；158 d 时，距浸水试坑边缘24 m 范围内的黄土场地均有沉降产生；试验结束时，距浸水试坑边缘28 m 处的沉降标仍未沉降，说明该黄土场地浸水后最大水平影响范围为距浸水试坑边缘28 m左右。

试验结束时，A，B，C 3个方向的最终地表沉降情况如图5 所示。可知，距试坑中心2 m 半径范围内的地表沉降最大，平均沉降量达到2.77 m。而通过室内湿陷性试验得到该黄土场地的自重湿陷量计算值为2.31 m，是实测值的83.4%，其原因是规范推荐的因地区土质而异的修正系数β0偏小。经计算，该黄土场地的修正系数β0应至少为1.8，同时也说明该黄土场地的湿陷程度十分强烈。

由图5可知，地表沉降量随距离的增加而显著减小。浸水试坑边缘处的平均地表沉降为2.0 m，是试坑中心地表沉降量的74.1%。距浸水试坑边缘16 m 处的平均地表沉降为0.11 m，仅为浸水试坑边缘处地表沉降量的5.5%。距浸水试坑边缘16～28 m范围内的地表沉降量都在10 cm以下。根据地表沉降结果可将该试验场地分为4 个区域，如图6所示：

1) 浸水湿陷区(坑内浸水范围)：该区域黄土直接与水接触，坑内黄土快速湿陷并在短时间内产生地表沉降。在该区域内水分以垂直入渗为主，地基黄土从上至下全部浸水饱和、产生湿陷，因此在该区域形成的地表沉降很大，平均地表沉降量达到了2.48 m。

2) 显著湿陷区(距浸水试坑边缘0～16 m 范围内)：该区域黄土位于浸水试坑以外，水分的传递方式为垂直入渗和水平入渗同时进行，是浸水范围以外的主要湿陷区域，该区域内地表沉降较大，平均湿陷量为0.88 m，且不同位置的地表沉降情况与其距浸水试坑边缘的远近关系密切，沿半径方向由近及远，地表沉降量减少了1.89 m，减少幅度达94.5%。

3) 轻微湿陷区域(距浸水试坑边缘16～28 m 范围内)：该区域距离试坑较远，入渗的水分较少，对地表沉降的影响不大，因此这一区域的地表沉降较小，且区域内的沉降量相差不大，平均沉降量为0.06 m。

4) 非湿陷区域(距浸水试坑边缘28 m 及以外范围)：试坑浸水对该区域黄土无影响，在试验过程中尚无地表沉降产生。

2.2 单一沉降标沉降变形规律

试验场地各沉降标的沉降规律类似，以A1 为例对沉降标的变化规律进行阐述，其沉降速率随时间的变化情况如图7所示、累计沉降量随时间的变化情况如图8所示。

根据图7中沉降速率变化可将沉降标的沉降过程划分为3 个阶段。1) 加速沉降段(0～7 d)：水分在试坑内自上而下入渗，浸水后2 d 内，对地基深层土体未造成影响，故基本无地表沉降产生。第3 d 开始地表产生沉降，且其沉降速率迅速增长，在第7 d 达到峰值，为5.99 cm/d。该阶段产生了0.24 m 的地表沉降，为最终沉降量的8.64%；2) 减速沉降段(8～123 d)：地表沉降速率在达到峰值后开始逐渐下降，第36 d 地表沉降速率下降至3 cm/d，为峰值的一半；第94 d地表沉降速率开始小于1 cm/d。该段历时115 d，占浸水时间的81%，是水分入渗和场地黄土发生湿陷的主要阶段，在该阶段产生了2.42 m 的地表沉降，占最终沉降量的87.14%。3) 匀速沉降段(124～166 d)：从第124 d 开始，地表沉降速率稳定在1～3 mm/d，该阶段共产生了0.11 m 的地表沉降，为最终沉降量的3.96%。

由图8可知，地表的沉降过程从始至终都是连续的，与其他文献[7-9]中浸水初期和停水后发生地表陡降的现象不符。其原因是本次试验没有布设渗水孔，水分在试验场地自上而下均匀入渗，没有深层黄土突然剧烈湿陷而使地表出现陡降的现象。且经过近5 个月的浸水，场地黄土充分湿陷，在停水后的固结过程中基本无湿陷变形发生，停水后共产生地表沉降4.1 cm，仅为最终沉降量的1.46%。

2.3 地表裂缝发展规律

2.3.1 单一裂缝发展规律

随着浸水试验的进行，由于水分入渗程度的不同，场地黄土会产生水平向的湿陷差异，使试验场地形成地表裂缝。在地表裂缝上选取固定测量点进行观测，记录裂缝的动态发展变化情况。图9为部分代表性固定测量点的裂缝宽度和错台高度随裂缝发育时间的变化情况。

由图9可知，在地表裂缝出现后，大部分裂缝会在短时间内快速发育，裂缝宽度和错台高度一般在10 d 内达到峰值。此后，随着浸水时间的增长，裂缝的宽度和错台高度逐渐缩小，其变化幅度也趋于平稳。其原因是，随着水分的扩散，场地深层黄土湿陷，导致土体内部产生拉应力和剪应力，地表裂缝形成并快速发展。水分继续向外扩散，裂缝外侧土体逐渐湿陷产生新的裂缝并对内侧土体形成挤压，导致内侧已产生裂缝的宽度和错台高度不断缩小。因此地表裂缝的发展规律是：先迅速发育，后呈现逐渐闭合的趋势。

2.3.2 场地裂缝发展规律

浸水第4 d，试坑边缘出现首条裂缝，随着浸水时间增加，地表裂缝不断发育，不同时间的地表裂缝示意图如图10所示，图中“L”为试验场地最外侧裂缝到浸水试坑边缘的距离。

根据图10(a)～10(f)中地表裂缝的发展变化情况可知，随着浸水时间的增长，地表裂缝由近及远，呈环状逐渐向外扩散，最终试验场地呈图11所示的环向阶梯状地形。浸水第8 d，浸水试坑边缘形成了首条环形裂缝；从第8 d 到第68 d，地表裂缝发育迅速，60 d内从浸水试坑边缘向外扩展了16 m，且试验场地的大部分地表裂缝在这一阶段形成；从68 d 到163 d，地表裂缝扩展缓慢，在95 d 内地表裂缝仅向外扩展了10 m，试验结束时最远的地表裂缝距浸水试坑边缘26 m。表明地表裂缝的主要形成时间为浸水后70 d内。

另外，随着到浸水试坑边缘距离的增大，地表裂缝的分布也逐渐由密转疏。靠近浸水试坑边缘的地表裂缝分布集中，裂缝间距大多为0.1～0.3 m，裂缝宽度为4～10 cm，错台高度为7～25 cm。较远处的地表裂缝则分布稀疏，间距大多在0.5 m以上，且多为微裂缝。

综上可知，裂缝分布规律与前述地表变形分区一致，如图12 所示：1) 浸水湿陷区：该区域土体间湿陷差异不大，无地表裂缝形成。2) 显著湿陷区：该区域裂缝形成速度快、间距小，且裂缝宽度大、错台高。3) 轻微湿陷区：该区域裂缝形成速度慢，间距较大、且裂缝细小，无错台形成。④ 非湿陷区：该区域无地表裂缝形成。

3 结论

1) 在中兰铁路靖远北站附近的深厚黄土场地浸水湿陷过程中，黄土场地最大水平影响范围为距浸水试坑边缘28 m 左右。根据地表最终变形结果可将试验场地分为浸水湿陷区、显著湿陷区、轻微湿陷区和非湿陷区。其中浸水湿陷区(试坑浸水范围)和显著湿陷区(距浸水试坑边缘0～16 m)地表沉降较大；轻微湿陷区(距浸水试坑边缘16～28 m)地表沉降较小。

2) 浸水时沉降标的沉降过程连续，根据其沉降速率变化，可将地表湿陷过程划分为加速沉降段、减速沉降段和匀速沉降段。

3) 场地周围环状裂缝由浸水试坑边缘向外迅速发展，大部分地表裂缝在浸水后70 d 内形成。地表裂缝主要分布在显著湿陷区(距浸水试坑边缘0～16 m)，分布规律为近密远疏，该区域裂缝宽度大、错台高、间距小。而且裂缝在发展过程中出现先快速发育后又逐渐闭合的现象。