屈宏錄 ，劉德仁 ，孫英萍 ，閆炳舟 ，徐碩昌 ，張 嚴(yán)

（1.中蘭鐵路客運(yùn)專線有限公司, 甘肅 白銀 730900；2.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070；3.甘肅鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司, 甘肅 蘭州 730030）

濕陷性黃土地基在浸水后會(huì)發(fā)生明顯的濕陷下沉[1-2]，因此在黃土地區(qū)修建工程建筑物，必須對(duì)其濕陷性進(jìn)行預(yù)防和控制[3-4]。近年來(lái)，很多學(xué)者在黃土地區(qū)進(jìn)行了大量現(xiàn)場(chǎng)浸水濕陷試驗(yàn)。王治軍等[5]在甘肅慶陽(yáng)大厚度自重濕陷性黃土場(chǎng)地上開(kāi)展原位浸水試驗(yàn)，分析了地表濕陷量的發(fā)展規(guī)律，并采用面積權(quán)重法計(jì)算得到該場(chǎng)地的地區(qū)土質(zhì)差異修正系數(shù)（β0）為1.02。黃雪峰等[6]分析了開(kāi)展?jié)裣菪渣S土現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)的必要性，并對(duì)我國(guó)浸水試驗(yàn)的研究歷史和發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)評(píng)述。黃雪峰等[7]在大厚度自重濕陷性黃土場(chǎng)地上進(jìn)行原位浸水試驗(yàn)，研究了黃土場(chǎng)地在地面浸水后的水分入滲規(guī)律與自重濕陷變形規(guī)律。楊校輝等[8]根據(jù)浸水試驗(yàn)研究了大厚度黃土場(chǎng)地的地基處理深度和濕陷性評(píng)價(jià)等問(wèn)題。邵生俊等[9]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試坑浸水試驗(yàn)和室內(nèi)濕陷性試驗(yàn)結(jié)果，分析了場(chǎng)地浸水自重濕陷變形實(shí)測(cè)值與計(jì)算值之間的關(guān)系。Li等[10]開(kāi)展黃土隧道場(chǎng)地的浸水試驗(yàn)，研究了既有隧道黃土地層的濕陷變形特性、水分運(yùn)移規(guī)律和隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)。吳爽等[11]根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)，對(duì)比分析了黃土場(chǎng)地自重濕陷量的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值存在差異的原因。張曉宇等[12]以實(shí)際工程為背景，研究了滲流作用下黃土含水率的時(shí)空變化特征及其對(duì)隧道工程的影響。王小軍等[13]、武小鵬等[14]、姚志華等[15]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)，分析了濕陷土層深度隨浸水時(shí)間的演化規(guī)律，判定了浸水水平向影響范圍。以上研究為黃土場(chǎng)地現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)奠定了良好的基礎(chǔ)。

為了進(jìn)一步研究黃土地基中水分入滲、土壓力變化、浸潤(rùn)鋒發(fā)展等規(guī)律，一些研究人員除了在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試沉降變形外，還埋置了大量的測(cè)試元件，對(duì)這些要素進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。黃雪峰等[16-17]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)，對(duì)非飽和原狀黃土垂直高邊坡土壓力分布特征進(jìn)行研究，對(duì)非飽和原狀黃土垂直高邊坡在坡頂浸水滲流作用下的土壓力變化及切坡臨空面位移進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。羅奇斌等[18]在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行浸水入滲試驗(yàn)時(shí)埋設(shè)土壓力盒，對(duì)浸水濕陷過(guò)程中的土壓力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，認(rèn)為土壓力一般在濕陷下沉發(fā)生時(shí)接近最小值。李加貴等[19]監(jiān)測(cè)了浸水時(shí)黃土邊坡中的土壓力變化過(guò)程，并與朗肯土壓力理論計(jì)算結(jié)果相比，發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)黃土邊坡的土壓力遠(yuǎn)小于計(jì)算值。金松麗等[20]開(kāi)展了原狀黃土增濕過(guò)程中靜止土壓力系數(shù)（K0）變化規(guī)律的試驗(yàn)研究，得到了水力耦合作用下K0的計(jì)算方法。孫萍等[21]開(kāi)展降雨型滑坡現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，設(shè)置水分離、土壓力盒和張力計(jì)等，對(duì)不同雨強(qiáng)條件下天然黃土邊坡的入滲規(guī)律和破壞模式進(jìn)行了研究。雖然眾多學(xué)者在黃土邊坡和地基濕陷過(guò)程中的土壓力進(jìn)行了一些測(cè)試，但對(duì)地基土在浸水過(guò)程中土壓力變化規(guī)律的研究還不完善。

新建中衛(wèi)至蘭州鐵路穿越大面積黃土地區(qū)，因此在沿線地區(qū)開(kāi)展浸水試驗(yàn)，研究該地區(qū)黃土地基浸水后的濕陷變形特征具有重要的工程意義。鑒于此，本文在中蘭鐵路蘭州新區(qū)南站附近進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)，布設(shè)沉降標(biāo)點(diǎn)、土壤水分計(jì)和土壓力盒，對(duì)浸水濕陷過(guò)程中的土體含水率、沉降量及土壓力變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析浸水過(guò)程中土壓力的變化規(guī)律，以期從多方面來(lái)反映整個(gè)浸水濕陷過(guò)程，為中蘭鐵路及其他工程建設(shè)提供理論參考及數(shù)據(jù)支撐。

1 場(chǎng)地工程地質(zhì)概況

1.1 場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

本次現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)場(chǎng)地位于中蘭鐵路蘭州新區(qū)南站附近，距中蘭鐵路正線約350 m。根據(jù)地質(zhì)勘察可知，場(chǎng)地黃土層厚約45 m，屬于黃土梁峁區(qū)，場(chǎng)地開(kāi)挖時(shí)的照片如圖1所示，場(chǎng)地地層巖性見(jiàn)表1。

圖1 試驗(yàn)場(chǎng)地布設(shè)Fig.1 Layout of the test site

表1 試驗(yàn)場(chǎng)地地層巖性表Table 1 Lithology of the test site

1.2 土體物理力學(xué)參數(shù)

在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖探井（圖2），0～30 m深度每隔2 m取得原狀黃土試樣，密封包裝后運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行物理力學(xué)指標(biāo)測(cè)試，得到其基本物理指標(biāo)（表2），干密度、自重濕陷系數(shù)沿深度變化情況如圖3所示。

圖2 取樣及土樣裝箱Fig.2 Sampling and packing of soil

表2 土體基本物理指標(biāo)Table 2 Basic physical properties of soil

圖3 干密度、自重濕陷系數(shù)沿深度變化曲線Fig.3 Changes in dry density and self-weight collapsibility with depth

2 現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)探井得到的場(chǎng)地地質(zhì)條件及室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果可知，試驗(yàn)場(chǎng)地濕陷性土層的下限深度約為地下22 m左右，為了使試坑底面以下全部濕陷性土層受水浸濕達(dá)到飽和，并充分產(chǎn)生自重濕陷，本次大面積現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)依據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》（GB 50025—2018）[22]規(guī)定，設(shè)計(jì)浸水試坑為圓形，直徑24 m，深度0.5 m，坑底部鋪設(shè)10 cm厚的砂礫石。

2.1 沉降標(biāo)布設(shè)

為了在現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)地面濕陷變形及深層土體的濕陷下沉，本次浸水試驗(yàn)在現(xiàn)場(chǎng)布置地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)（淺標(biāo)點(diǎn)）60個(gè)，土層深層沉降點(diǎn)（深標(biāo)點(diǎn)）30個(gè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖4所示。

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.4 Arrangement of the monitoring points

淺標(biāo)點(diǎn)用于測(cè)量地面沉降變形及水平影響范圍。除在試坑中心布置1個(gè)淺標(biāo)點(diǎn)外，其余淺標(biāo)點(diǎn)由試坑中心向坑外呈120°夾角的3個(gè)方向（A、B、C）以一定間距放射狀布置。深標(biāo)點(diǎn)布置在浸水試坑邊緣，用以觀測(cè)不同深度土層的自重濕陷量。深標(biāo)點(diǎn)在距試坑中心點(diǎn)12.5 m的圓周上等間距布設(shè)，布設(shè)原則為從3 m深度位置開(kāi)始布設(shè)，3～21 m深度標(biāo)點(diǎn)間距為1.5 m，21～30 m深度標(biāo)點(diǎn)間距為3 m。除3 m和4.5 m深度位置只設(shè)置了1個(gè)深標(biāo)點(diǎn)外，其余深度位置均設(shè)置2個(gè)深標(biāo)點(diǎn)，共30個(gè)深標(biāo)點(diǎn)，平面間距為2 m。

2.2 測(cè)試元件布設(shè)

為了監(jiān)測(cè)浸水濕陷過(guò)程中地基含水率及土壓力的變化，在浸水試坑內(nèi)開(kāi)挖探井，并在井壁開(kāi)槽埋設(shè)水分計(jì)和土壓力盒（圖5）。本次浸水試驗(yàn)所用水分計(jì)和土壓力盒為湘銀河傳感科技有限公司的YH03-G型土壓力盒和YH08-A01型水分計(jì)（圖5）。在探井壁布設(shè)完成水分計(jì)及土壓力盒后，將測(cè)試線從探井引出至試坑外，并對(duì)探井進(jìn)行回填壓實(shí)。

圖5 水分計(jì)與土壓力盒及其布置示意圖Fig.5 Moisture meter, earth pressure box and their arrangement

2.3 現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)概況

在淺標(biāo)點(diǎn)、深標(biāo)點(diǎn)、水分計(jì)及土壓力盒布設(shè)完成后，讀取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)、測(cè)試元器件初值，開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)。本次試驗(yàn)共注水5 449 m3，歷時(shí)290 d。在地基土浸水濕陷過(guò)程中，監(jiān)測(cè)地表變形、地下深層位移以及地基土中含水率和土壓力的變化?，F(xiàn)場(chǎng)浸水照片如圖6所示。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)浸水照片F(xiàn)ig.6 Photos of flooding at the site

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 地表沉降分析

在浸水試驗(yàn)過(guò)程中，采用全站儀測(cè)量淺標(biāo)點(diǎn)的下沉量，分析場(chǎng)地地表在浸水過(guò)程中的濕陷下沉情況及地表沉降分布的歷時(shí)變化過(guò)程。因數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的規(guī)律相似，故以C軸淺標(biāo)點(diǎn)為例，對(duì)地表沉降進(jìn)行分析。繪制不同時(shí)間沿C軸方向的地表沉降變形曲線，如圖7所示。

圖7 浸水試坑淺標(biāo)點(diǎn)沉降曲線Fig.7 Settlement of the shallow marker points of the submerged test pit

根據(jù)圖7可知，由浸水試坑中心向外，沉降量逐漸減小，試坑范圍以外的地表沉降量明顯小于試坑內(nèi)部，說(shuō)明離試坑中心越遠(yuǎn)，土體的濕陷變形越小。隨著時(shí)間增加，試坑及周邊地表不斷下沉。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，試坑中心的沉降量為144.7 cm，試坑邊緣處的沉降量為90 cm左右。在距離試坑邊緣10 m范圍以外區(qū)域幾乎沒(méi)有產(chǎn)生地表沉降變形，故該場(chǎng)地浸水濕陷的水平影響范圍約為10 m。

3.2 深層位移分析

在浸水濕陷過(guò)程中，水分由上向下不斷入滲，浸潤(rùn)鋒面不斷下移，土層逐層遇水濕陷下沉。根據(jù)埋設(shè)在不同深度處的深層位移監(jiān)測(cè)標(biāo)桿，對(duì)試坑內(nèi)深層土體的位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，既能反映土體浸水后入滲濕陷的過(guò)程，也能對(duì)不同層位的土體濕陷量進(jìn)行計(jì)算，分析不同層位土體的濕陷特性。由于在浸水濕陷過(guò)程中，每層土的濕陷性質(zhì)是不一樣的，所以各層土的濕陷下沉量也不相同。圖8是該試驗(yàn)場(chǎng)地不同層位處的深標(biāo)點(diǎn)累計(jì)沉降量隨時(shí)間的變化曲線。

圖8 不同深度自重濕陷量隨時(shí)間變化曲線Fig.8 Changes of self-weight collapse with time at different depths

在浸水初期，較淺位置的深標(biāo)點(diǎn)在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生大量下沉；后期隨著時(shí)間的增加，水分不斷下滲，下部土層不斷濕陷下沉，較淺位置的深標(biāo)點(diǎn)也隨之產(chǎn)生一定的下沉量。不同深度土層的自重濕陷過(guò)程發(fā)展趨勢(shì)大致相同，均經(jīng)歷了劇烈—緩慢—穩(wěn)定的濕陷變形發(fā)展過(guò)程。以3 m深度的深標(biāo)點(diǎn)為例，在試驗(yàn)初期，浸水第6 天時(shí)，沉降急劇增加，達(dá)到38.3 cm，第7 天時(shí)達(dá)到54.4 cm，表明水分到達(dá)3 m深度，該深度土層濕陷變形發(fā)展迅速；從第25 天開(kāi)始，3 m深度的沉降發(fā)展進(jìn)入穩(wěn)定期，沉降速率較小，累計(jì)曲線發(fā)展平緩，每天的沉降量小于10 cm；注水停止后，土體的自重濕陷過(guò)程變得更加緩慢，直至穩(wěn)定不再發(fā)生變形。

根據(jù)圖8可知，隨著土層埋深增加，沉降量逐漸減小。埋深3 m的深標(biāo)點(diǎn)沉降量最大，達(dá)到108.5 m，與地表最大沉降量144.7 cm相比，0～3 m地層的沉降差約為35.0 cm；埋深3～6 m的深標(biāo)點(diǎn)沉降量為67.8～108.5 cm，沉降差約為40.0 cm；埋深6～12 m的深標(biāo)點(diǎn)沉降量為55.3～67.8 cm，沉降差約為12.5 cm；埋深12～16.5 m的深標(biāo)點(diǎn)沉降量23.7～55.3 cm，沉降差為31.5 cm；埋深16.5～24 m的深標(biāo)點(diǎn)沉降量為5.2～23.7cm，沉降差約為18.5 cm；而埋深24 m的深標(biāo)點(diǎn)基本未發(fā)生沉降，可以認(rèn)為該場(chǎng)地的自重濕陷下限深度為24 m。由此可見(jiàn)，該地基土的濕陷量主要發(fā)生在0～6 m及12～16.5 m深度范圍，其濕陷量達(dá)到120 cm左右，占整個(gè)場(chǎng)地濕陷量的80 %以上。

3.3 含水率變化

該場(chǎng)地天然含水率較低，根據(jù)預(yù)埋在探井中不同深度處的水分計(jì)，對(duì)浸水前及浸水過(guò)程中地基的含水率變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。探井1中不同深度處各測(cè)點(diǎn)的體積含水率隨時(shí)間變化過(guò)程如圖9所示。在浸水之前，各測(cè)點(diǎn)的體積含水率在10%～15%之間，隨著場(chǎng)地開(kāi)始浸水，各測(cè)點(diǎn)的含水率迅速增加，在較短的時(shí)間內(nèi)便達(dá)到了30%～40%，其原因是，埋設(shè)水分傳感器后探井回填時(shí)土體未充分夯實(shí)，導(dǎo)致浸水時(shí)水流沿著探井迅速下滲，使得該位置較深處土體在較短時(shí)間內(nèi)飽和。隨著時(shí)間的進(jìn)一步增加，土體不斷發(fā)生濕陷變形，體積壓縮，各測(cè)點(diǎn)的含水率又開(kāi)始緩慢下降。最終穩(wěn)定后的含水率只有峰值含水率的90%～95%。說(shuō)明隨著濕陷變形的逐漸發(fā)展，土體體積壓縮，其飽和含水率也會(huì)逐漸減??；隨著地基土的濕陷完成，最終飽和含水率會(huì)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，在21 m深度以上，地基土中的飽和體積含水率在30%～35%之間。隨著埋深增加，土體越來(lái)越密實(shí)，水分入滲也越來(lái)越困難，最終的飽和含水率也沿著深度逐漸減小，如圖10所示。

圖9 含水率隨時(shí)間變化曲線Fig.9 Changes of water content with time

圖10 含水率隨深度變化曲線Fig.10 Changes of water content with depth

3.4 土壓力分析

根據(jù)浸水試坑探井中埋設(shè)的土壓力盒測(cè)試結(jié)果繪制探井中各深度位置處土壓力隨浸水時(shí)間的變化規(guī)律，如圖11所示。在浸水之前，埋設(shè)于探井各深度處的土壓力盒的初值基本為0。隨著浸水時(shí)間增加，各深度處的豎向土壓力逐漸增大，且位置越淺，土壓力越早達(dá)到穩(wěn)定。根據(jù)圖11中各深度處土壓力曲線的抬頭上翹時(shí)間可以明顯看到12，15，18，21 m處的土壓力曲線按時(shí)間依次上翹增大，表明水分入滲到該位置，土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，土層開(kāi)始濕陷下沉。

圖11 不同深度處土壓力隨時(shí)間變化曲線Fig.11 Changes of earth pressure with time at different depths

隨著浸水時(shí)間的增長(zhǎng)，水分逐漸下滲，土體結(jié)構(gòu)破壞，土壓力盒的數(shù)值不斷增大。土壓力盒于探井壁開(kāi)槽水平放置，然后回填。由于開(kāi)槽的影響，地基土的自重應(yīng)力由槽壁未擾動(dòng)土體承擔(dān)，這時(shí)土壓力盒基本不承受應(yīng)力作用。土壓力盒的峰值由上向下不斷發(fā)展，由最初的3 m深度處逐漸向6，9，12 m深度發(fā)展，到15 m深度處達(dá)到最大值后不再向下發(fā)展。經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在15 m深度以上，最終的土壓力數(shù)值與自重應(yīng)力大小基本一致。分析可知，在15 m以上，土壓力盒測(cè)得的土壓力即為上覆土體的自重壓力，土壓力盒周?chē)耐馏w完全浸水?dāng)_動(dòng)破壞，土體結(jié)構(gòu)完全潰散；而在15～20 m深度范圍內(nèi)，土體浸水后產(chǎn)生一定的濕陷下沉，但土體結(jié)構(gòu)未發(fā)生完全破壞，土壓力盒周?chē)耐馏w起到一定的支撐作用，土壓力盒測(cè)得的土壓力小于自重壓力，而且隨著深度的增加，測(cè)得的應(yīng)力逐漸減??；在24 m深度以下土壓力盒測(cè)得的壓力基本與初值一致，基本不隨時(shí)間變化，這也與該位置處深層沉降點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果一致。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)浸水試驗(yàn)測(cè)試，該深厚黃土場(chǎng)地最大濕陷下沉量在150 cm左右，試坑邊緣處濕陷下沉量在90 cm左右，水平浸水范圍10 m以外地表基本不發(fā)生濕陷下沉。

（2）根據(jù)深層位移可知，該場(chǎng)地黃土地基的濕陷量主要發(fā)生在0～15 m深度范圍，其濕陷量達(dá)到120 cm左右，占整個(gè)場(chǎng)地濕陷量的80%以上，該范圍為強(qiáng)濕陷土層范圍；隨著土層埋深增加，標(biāo)點(diǎn)的沉降量逐漸減小。24 m深度處的深標(biāo)點(diǎn)基本未發(fā)生沉降，可以認(rèn)為該場(chǎng)地的自重濕陷下限深度為24 m。

（3）根據(jù)水分計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果，隨著地基土浸水飽和，地基土含水率迅速增大，到達(dá)峰值后隨著地基土的濕陷變形而逐漸減小。地基土的穩(wěn)定含水率只有峰值含水率的90%左右，而且隨著深度增加，地基土的體積含水率呈下降趨勢(shì)。

（4）根據(jù)土壓力盒監(jiān)測(cè)結(jié)果，15 m深度范圍內(nèi)地基土中的土壓力盒周?chē)耐馏w完全浸水?dāng)_動(dòng)破壞，土體結(jié)構(gòu)完全潰散，土壓力盒測(cè)得的土壓力即為上覆土體的自重壓力；而在15 m深度以下，土體浸水后產(chǎn)生一定的濕陷下沉，但土體結(jié)構(gòu)未發(fā)生完全破壞，土壓力盒周?chē)耐馏w起到一定的支撐作用。