朱才輝,彭 森,劉爭宏,張繼文

(1. 西安理工大學(xué) 巖土工程研究所,陜西 西安 710048; 2. 陜西省城市地質(zhì)與地下空間工程技術(shù)研究中心,陜西 西安 710068; 3. 陜西省水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查中心,陜西 西安 710068;4. 機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西 西安 710043)

0 引言

黃土地區(qū)溝壑縱橫,城市空間狹小,嚴(yán)重限制了城市的發(fā)展,為此通過“深挖高填”工程來拓展城市居住空間、交通及工業(yè)建設(shè)的工程案例愈來愈多,但其存在的巖土工程問題也較為顯著。其中,針對(duì)黃土地區(qū)地下水的運(yùn)移模式,尤其是針對(duì)黃土高填方施工前后地下水位的變化以及可能存在的增濕變形問題、邊坡穩(wěn)定問題一直備受關(guān)注。

探索黃土地區(qū)的地下水來源及補(bǔ)給特征是確定地下水位演化規(guī)律的首要條件,以往對(duì)于黃土高原地區(qū)的長期降水入滲試驗(yàn)研究認(rèn)為[1],由于受到較強(qiáng)的蒸發(fā)作用,降水難以對(duì)地下潛水進(jìn)行補(bǔ)給,且通過土壤水中的氘氧同位素追蹤試驗(yàn)證明,土壤水主要來自于地下水,而外源水主要源于河流、湖泊的補(bǔ)給,由此推斷,黃土地區(qū)的地下水與直接降水關(guān)系不大,而與外源水有關(guān),但對(duì)黃土地區(qū)梁峁溝壑狀地貌單元受到人為改造后的地下水補(bǔ)給特征未作探討。為此,有學(xué)者針對(duì)某黃土削峁填溝高填方工程為背景[2-4],針對(duì)填方地基在竣工前后的地下水位、孔隙水壓力、土體含水率、盲溝水流量、地表水入滲情況進(jìn)行了長期的監(jiān)測(cè)和分析,監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示:黃土溝壑區(qū)高填方施工抬高了局部區(qū)域的地下水位,短時(shí)間的降水難以對(duì)地下水進(jìn)行補(bǔ)給,但場(chǎng)地內(nèi)發(fā)育的裂縫易成為地表水下滲通道,提出了黃土溝壑高填方工程中溝谷地下水排導(dǎo)措施,為黃土溝壑區(qū)高填方工程的設(shè)計(jì)、施工提供了科學(xué)的參考。此外,有諸多學(xué)者針對(duì)地下水位變化對(duì)高填方機(jī)場(chǎng)、路基、工業(yè)廠區(qū)和房屋建設(shè)地基的影響方面開展了有意義的研究,機(jī)場(chǎng)高填方坡腳部位穩(wěn)定的地下水會(huì)引起高填方地基長期沉降變形和邊坡不穩(wěn)定[5-6]。挖填黃土溝壑區(qū)形成的露天工業(yè)內(nèi)地下水排泄受阻、地下水位上升是導(dǎo)致深部黃土濕陷、場(chǎng)地地基失效、填土高邊坡失穩(wěn)等問題的重要原因[7]。地下水位變化會(huì)引起建筑地基土中附加應(yīng)力、承載力大幅度下降和不均勻沉降等問題[8-9]。上述工程問題均與非飽和黃土的土水特征、滲透特性、毛細(xì)現(xiàn)象有關(guān)[10-14],基于室內(nèi)試驗(yàn)、模型試驗(yàn)和數(shù)值分析研究,認(rèn)為填方壓實(shí)土的滲透性大大降低(天然黃土滲透系數(shù)一般0.02～0.3 m/d,壓實(shí)土滲透系數(shù)量級(jí)一般為10-4m/d[10-11],回填土滲透性低,降水滲入較困難,導(dǎo)水性差,使進(jìn)入土體中的水也不宜排出,此外,基巖裂隙水和孔隙潛水的緩慢入滲,可能會(huì)導(dǎo)致土體由下而上逐漸飽和,從而引起地下水位抬升。

然而,關(guān)于黃土地區(qū)溝谷中高填方施工對(duì)地下水位的影響規(guī)律,仍存在一定的爭議,有學(xué)者認(rèn)為[15-16],西部黃土溝壑區(qū)地下水的補(bǔ)給區(qū)與徑流區(qū)一致,大氣降水是地下水唯一補(bǔ)給來源。由于溝谷深切,地形破碎,地下水接受補(bǔ)給的條件較差,降水多以表流形式向溝谷排泄,少部分垂直入滲補(bǔ)給地下水。地下水主要排泄方式是溝谷泉水,形成地表徑流最終排至河谷,除此之外便是蒸發(fā)排泄和居民生活用水汲取地下水。從陜西近50 a氣候及城市化的進(jìn)程上講,隨著人口增多、地下水的過量開采,加之氣候的變暖,降水量減少,地下水位長期呈下降趨勢(shì)。隨著填方造地工程的進(jìn)行,進(jìn)一步減少地下水的補(bǔ)給,地下水位會(huì)發(fā)生下降趨勢(shì)。

綜上可見,上述針對(duì)黃土地基中“水”的問題開展了大量原位監(jiān)測(cè)、室內(nèi)試驗(yàn)、模型試驗(yàn)、數(shù)值分析等研究,對(duì)深刻認(rèn)識(shí)溝壑區(qū)高填方施工前后的原地基及填方地基內(nèi)部地下水的變異特性具有重要的科學(xué)和工程意義,但對(duì)于黃土溝壑區(qū)水位抬升對(duì)高填方地基增濕影響問題研究尚不夠,文中試圖通過已有的某黃土高填方地基內(nèi)部水分場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)結(jié)果,結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)和模型試驗(yàn)來分析地下水對(duì)壓實(shí)黃土的增濕規(guī)律,并基于數(shù)值分析方法,來分析某黃土高填方地基在水位抬升情況下的入滲增濕特性和增濕變形規(guī)律,以期通過文中的研究,為類似黃土溝壑區(qū)高填方地基設(shè)計(jì)提供科學(xué)參考。

1 工程背景及巖土工程問題

1.1 高填方工程背景

以陜北某黃土高填方工程為背景[2-4],該試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)地層可分為梁、峁、沖溝等主要地形地貌,梁峁頂面寬度50～150 m,坡度一般小于20°,下部坡度一般30°～40°,坡高一般100～150 m。梁峁區(qū)主要地層為Q3黃土(厚10～20 m不等,局部可達(dá)30 m以上)、紅黏土和砂巖、泥巖;沖溝區(qū)地層與梁峁區(qū)黃土地層厚度有所不同,但分布有第四系全新統(tǒng)地層,在風(fēng)化泥砂巖地層中蘊(yùn)藏孔隙潛水和基巖裂隙潛水,其中孔隙潛水滲透系數(shù)一般為0.014～0.023 m/d,且溝谷中的地下水埋藏腳淺,為1.5～9.7 m,含水層厚度約為2.3～8.6 m;而風(fēng)化基巖裂隙潛水,滲透系數(shù)0.022～0.471 m/d,水位埋深為地表以下16～36 m,厚度約20～40 m。該地區(qū)7—10月份的連續(xù)陰雨有利于水分向深層滲入,從而引起一部分黃土含水量增大,一部分水分在重力作用下沿著黃土中的孔隙裂隙逐漸下滲,在紅黏土或泥巖的隔水層表面形成上層滯水,然后以下降泉的形式排泄于溝谷中,冬季出現(xiàn)凍結(jié)成冰,見圖1,次年春季下降泉逐漸消失,表明上層滯水排泄完畢。

圖1 溝谷底部下降泉出露Fig. 1 Springs fall from the bottom of the gully

本試驗(yàn)段施工控制方法如下:填方體設(shè)計(jì)采用的重型擊實(shí)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),取壓實(shí)度為0.90～0.95,平均為0.93,填料的含水率控制在最優(yōu)含水率±2%,填方施工前期,采用振動(dòng)碾壓方法原地基壓實(shí);大面積施工后,采用沖擊碾壓進(jìn)行壓實(shí)填方體。對(duì)填挖交界處、工作面交接處、基巖出露處、黃土陡坎間的狹窄區(qū)域等采用點(diǎn)夯強(qiáng)夯法處理。為了減少地下水位對(duì)高填方地基增濕影響,溝谷采用盲水盲溝和涵管形式排水。

1.2 高填方深層地基增濕問題

以該黃土高填方試驗(yàn)段某溝谷中斷面的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析[2-4],該典型斷面填方及原地基中布置了1#、2#、3#這3個(gè)含水率觀測(cè)孔,監(jiān)測(cè)斷面的布置示意圖見圖2。

圖2 某高填方地基典型監(jiān)測(cè)斷面Fig. 2 Monitoring section of a high-fill foundation

本次采用的含水率觀測(cè)孔為人為挖掘監(jiān)測(cè)孔,孔徑約為75 cm,無套管。含水率觀測(cè)孔探頭布置方式如下:地下水位面至原地基面以上9 m范圍內(nèi),豎向距離每間隔3 m設(shè)置一個(gè)土壤水分計(jì)TDR探頭,用于監(jiān)測(cè)地下水位上升;填筑體頂面以下7 m的深度范圍內(nèi)每隔5 m布設(shè)一個(gè)TDR(time-domain reflectometer,TDR)探頭,用于監(jiān)測(cè)地表水入滲;在填挖交接面處設(shè)置1個(gè)TDR型土壤水分計(jì),用于監(jiān)測(cè)交界處裂縫水分入滲情況。布置現(xiàn)場(chǎng)見圖3。

圖3 TDR監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)Fig. 3 Layout of monitoring points with TDR method

從填方頂部至原地基在不同高程處的含水率在竣工前后的變化趨勢(shì)見圖4。可得如下結(jié)論:

圖4 不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)處高填方地基含水率隨深度分布Fig. 4 Measured water content with depth in the HFF

1)黃土高填方在填筑壓實(shí)期間采取的初始含水率基本控制在16%左右,滿足設(shè)計(jì)要求,高填方地表以下約1.5 m范圍內(nèi)的土體含水率相對(duì)初始狀態(tài)下偏低,可能填方作業(yè)后土體水分蒸發(fā)減少所致。

2)將上述高填方地基不同深度處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)在初始和穩(wěn)定階段的含水率加權(quán)平均值進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn):1#、2#、3#測(cè)井中的初始含水率分別從15%、14%、15%增大至工后階段的19%、16%、19%,可見,穩(wěn)定后的含水率相比初始狀態(tài)約有2%～4%的增量,表明填方后原地基和填筑體本身的含水率在增大,且原地基局部測(cè)點(diǎn)含水率的增幅最大,可高達(dá)20%,基本由初始的非飽和狀態(tài)達(dá)到飽和狀態(tài)。其中,填方體含水率短期內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定后,填方中部位置的2#監(jiān)測(cè)孔底部含水率(15%)較臨近溝谷處監(jiān)測(cè)孔1#、3#的含水率(30%～40%)偏小,可能原因是溝谷兩側(cè)與填方體交界面處存在如圖1所示的下降泉出水口,靠近該部位的監(jiān)測(cè)點(diǎn)與“水源”更接近,水分向1#、3#監(jiān)測(cè)孔周圍填方體的遷移效應(yīng)更為明顯所致。

3)分析高填方地基中水分增加的可能原因是:①隨著填土荷載的增大,填筑體逐漸壓密,而壓實(shí)黃土的滲透性和導(dǎo)水性均較差,水分難以排出,從而引起上層水分向原地基底部聚集,導(dǎo)致含水率上升;②原地基巖體中的裂隙水和孔隙潛水在大面積填方荷載壓縮作用下產(chǎn)生超孔隙水壓力,導(dǎo)致裂隙水向填方內(nèi)入滲;③非飽和壓實(shí)黃土的基質(zhì)吸力作用,誘使基巖裂隙水向填方地基內(nèi)緩慢遷移,從而可能接受裂隙水補(bǔ)給。

4)文獻(xiàn)[2-4]中提到的后期下游溝谷中水位監(jiān)測(cè)中,表明地下水位略有3 m左右的上升,然而對(duì)于抬升引起的增濕范圍及增濕變形未進(jìn)行深入分析。

如前所述,原本可以自由排出的裂隙水,當(dāng)受到溝谷中填方土體的封堵,可能會(huì)在填方底部產(chǎn)生聚集,此外,考慮到排水措施可能失效,從而誘發(fā)溝谷底部填方土體的水位抬升,最終誘發(fā)高填方地基出現(xiàn)增濕變形和不穩(wěn)定問題,上述問題均與黃土的水敏性、滲透性、非飽和特性有關(guān),有必要針對(duì)原狀或壓實(shí)黃土的土水特征曲線、滲透系數(shù)、增濕后強(qiáng)度、剛度軟化特征開展實(shí)驗(yàn)研究。

2 黃土增濕特性試驗(yàn)研究

選取陜北某黃土高填方場(chǎng)區(qū)Q3和Q2黃土進(jìn)行室內(nèi)常規(guī)物理指標(biāo)試驗(yàn),取土深度為地表以下5.5～6.0 m,輕型擊實(shí)試驗(yàn)得到填方中填料Q3黃土最優(yōu)含水率wop=16%,最大密度為1.77 g/cm3,物理指標(biāo)見表1。

表1 Q3和Q2黃土的主要物理指標(biāo)Table 1 Physical parameters of Q3 and Q2 loess

2.1 土-水特征曲線及滲透性試驗(yàn)

采用常規(guī)壓縮固結(jié)儀和GCTS(geotechnical consulting &testing systems, GCTS)土水特征曲線儀等系列設(shè)備進(jìn)行脫濕非飽和土水特征曲線試驗(yàn),當(dāng)考慮固結(jié)壓力對(duì)重塑黃土的非飽和特性影響時(shí),先將不同壓實(shí)度下的黃土試樣再不同固結(jié)壓力σ(25～2 000 kPa)下進(jìn)行飽和狀態(tài)下固結(jié)壓縮實(shí)驗(yàn),當(dāng)豎向應(yīng)變低于規(guī)范值后,迅速取出固結(jié)試樣置于GCTS土水特征曲線儀中進(jìn)行脫濕試驗(yàn),同時(shí)對(duì)不同試樣進(jìn)行飽和滲透試驗(yàn)。本次試驗(yàn)中采取的重塑Q3黃土壓實(shí)度分別為0.88、0.90、0.93、0.95、0.98。現(xiàn)以σ=200 kPa下不同壓實(shí)度Q3黃土及原狀Q3、Q2黃土的SWCC試驗(yàn)結(jié)果見圖5(a),壓實(shí)度為k=0.90時(shí)的Q3黃土SWCC曲線見圖5(b)。不同干密度下原狀Q3和Q2黃土的飽和滲透系數(shù)見圖6。

圖5 壓實(shí)黃土的土-水特征試驗(yàn)Fig. 5 Soil water characteristics of loess

圖6 壓實(shí)及原狀黃土飽和滲透系數(shù)與干密度關(guān)系Fig. 6 Relationship between saturated permeability coefficient and dry density of compacted and undisturbed loess

大量研究表明,黃土的SWCC曲線采用Van Genuchten[17-18](簡稱V-G模型)方程來描述較為合理,

(1)

式中:θs為飽和體積含水率;θr為殘余體積含水率;ks為飽和滲透系數(shù);a(kPa-1)、m、n為V-G模型參數(shù);ψ為基質(zhì)吸力(kPa)。

基于式(1)采用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合,可得到壓實(shí)黃土和原狀黃土的V-G模型參數(shù)見表2,由上述試驗(yàn)結(jié)果表明:

表2 不同壓實(shí)度(干密度)下Q3黃土V-G模型參數(shù)Table 2 V-G model parameters of Q3 loess under different compaction degree (dry density)

1)由圖5可知,隨著壓實(shí)度和固結(jié)壓力的增大,土水特征曲線坡度越緩,其V-G模型參數(shù)中,a=12～32.3 kPa-1,m=0.44～0.78,且隨著干密度的增大而增大;

2)由圖6可知,飽和滲透系數(shù)隨著干密度增大而逐漸減小,原狀黃土(ks=0.02～0.25 m/d)的飽和滲透系數(shù)約為壓實(shí)黃土(ks=n×10-4m/d)的103倍。其中壓實(shí)黃土的滲透系數(shù)與干密度呈冪函數(shù)關(guān)系,原狀黃土的滲透系數(shù)與干密度呈線性遞減函數(shù)關(guān)系。

2.2 壓實(shí)黃土軟化特性試驗(yàn)研究

開展不同壓實(shí)度下Q3黃土在不同含水率下的固結(jié)壓縮試驗(yàn)和抗剪強(qiáng)度試驗(yàn), 得到不同含水率下的土體的壓縮模量Es、黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ等參數(shù)的變化規(guī)律,如圖7所示。壓縮模量Es(MPa),黏聚力c(kPa)、內(nèi)摩擦角φ(°)等參數(shù)與體積含水率θw之間的函數(shù)關(guān)系如表3所示。從圖7及表3可見,在相同的壓實(shí)度情況下,土體的壓縮模量Es隨含水率的增大均呈對(duì)數(shù)函數(shù)減小趨勢(shì),黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ隨含水率的增大呈線性減小趨勢(shì);同一含水率條件下,壓實(shí)度越大其壓縮模量Es、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c和φ越大。

表3 不同壓實(shí)度下Q3黃土V-G模型參數(shù)Table 3 V-G model parameters of Q3 loess under different compaction degree

圖7 壓實(shí)Q3黃土力學(xué)參數(shù)隨含水率變化規(guī)律Fig. 7 Variation regularity of mechanical parameters with moisture content of compacted Q3 loess

3 地下水位抬升對(duì)地基增濕影響

3.1 水位抬升對(duì)高填方地基水分場(chǎng)影響

上述針對(duì)某高填方地基水分演化規(guī)律進(jìn)行了監(jiān)測(cè)分析,但在工程實(shí)際中仍難以通過填方沉降的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來具體分離出因地基增濕引起的工后沉降分量,為此有必要針對(duì)填方地基水位抬升引起的增濕水分場(chǎng)分布規(guī)律及引起的增濕變形進(jìn)行數(shù)值分析。根據(jù)該高填方工程實(shí)際,選取典型高填方地基斷面,填方高度為H=120.0 m,溝谷坡度為40°,填方平均壓實(shí)度為k=0.90,采用GeoStudio軟件中的SEEP/W分析模塊進(jìn)行非飽和土滲流計(jì)算[21]。由于地層條件的不均勻性,本算例對(duì)圖8中典型斷面進(jìn)行了簡化,模型中土巖交界面以下約2～5 m處為初始地下水位,地下水位線處采用常水頭邊界,模型上邊界為自由邊界,模型兩側(cè)為排水邊界。溝谷中黃土高填方的地下水抬升入滲有限元模型如圖8所示。根據(jù)高填方溝谷模型及該區(qū)域的水文地質(zhì)概況:假定地下水位相對(duì)于原始水位線的抬升高度分別為Δh=0.0(初始狀態(tài))、3.0、5.0、10.0、15.0、20.0、30.0 m等7種工況進(jìn)行數(shù)值分析,模擬水位抬升期間引起地基水分場(chǎng)變化問題,其水位不同抬升高度下,高填方體內(nèi)的水分場(chǎng)分布規(guī)律云圖如圖9所示(以Δh=0.0、30.0 m為例),不同深度處體積含水率的量值θw和含水率增量Δθw分布如圖10所示。

圖8 高填方地基地下水位抬升有限元模型Fig. 8 Finite element model in loess high-fill embankment due to groundwater uplift

由上述非飽和滲流分析,可得到如下結(jié)論:

1)由圖9(a)、(b)可知,在初始水位條件下(Δh=0.0 m)和地下水位抬升Δh=3.0 m時(shí),水位線以上2.0 m范圍內(nèi)土體處于飽和狀態(tài),初始水位線以上31.0 m范圍土體受到增濕影響,其含水率高于填方地基初始含水率(9%),而初始水位線以上10 m范圍內(nèi)土體增濕影響最為劇烈,且其增幅沿高程向上遞減,可見由于非飽和壓實(shí)黃土毛細(xì)吸力作用,會(huì)誘使水位線以上很大范圍內(nèi)的土體出現(xiàn)增濕現(xiàn)象。

圖9 地下水位抬升不同高度Δh時(shí)高填方地基含水率沿高程分布規(guī)律Fig. 9 Water content distribution along the elevation under the condition of different elevation of groundwater uplift Δh

2)由圖10(a)可知,隨著地下水位由Δh=3.0 m向上抬升至Δh=30.0 m的過程中,水位線以下土體基本趨于飽和,水位線以上土體的含水率呈臺(tái)階狀分布,且水位線以上10.0 m范圍土體的增濕影響最為劇烈,超過水位線以上10.0 m的土體增濕影響程度較小,不超過2%?？梢?隨著水位抬升高度的增大,水位抬升對(duì)高填方地基的增濕影響范圍不容忽視。

3)由圖10(b)可知,隨地下水位抬升高度Δh增大,距離基巖不同高程ΔH處的含水率增量Δθw呈“S”型分布,越靠近水位線附近,土體的含水率增量Δθw越大,距離基巖(初始水位線)高度ΔH≥34 m時(shí),含水率增量Δθw隨Δh增大幅度較小,表明,水位抬升影響高度最大不超過31.0 m。

圖10 高填方內(nèi)部水分場(chǎng)與水位抬升高度關(guān)系Fig. 10 Relationship between water filed and elevation of groundwater uplift

3.2 高填方地基增濕壓縮比分析

關(guān)于非飽和黃土地基的增濕變形研究較多,不同學(xué)者開展了不同初始狀態(tài)下黃土在增濕前后的剛度、強(qiáng)度弱化函數(shù)研究[19],構(gòu)建考慮各類影響因素下的非線性本構(gòu)模型、彈塑性損傷流固耦合模型,并編制有限元程序來研究非飽和黃土的濕化變形,最終應(yīng)用于填方地基在增濕條件下濕化變形和邊坡穩(wěn)定性計(jì)算[20-24]。概括起來,增濕變形的計(jì)算方法主要包括:全耦合法和等效法。全耦合方法基于“土-水”互潰作用機(jī)理來探索非飽和黃土的增濕變形問題,但實(shí)際操作難度較大[25];等效方法是構(gòu)建物理狀態(tài)演化與力學(xué)參數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系來描述土體增濕變形問題,該方法較為簡單。筆者擬采用等效方法思路進(jìn)行增濕變形計(jì)算:

1)假定風(fēng)化砂泥巖含水率的增大不引起地基沉降,僅選取風(fēng)化砂泥以上的原地基土層和填方壓實(shí)黃土層的增濕單元進(jìn)行數(shù)值分析。

2)計(jì)算初始水位條件下的水分場(chǎng),根據(jù)表2、表3中的參數(shù)表賦予其在初始滲流場(chǎng)(水分場(chǎng)θw1)、應(yīng)力場(chǎng)下的物理力學(xué)參數(shù),然后采用摩爾-庫倫模型計(jì)算其初始水分場(chǎng)下高填方地基的應(yīng)力-應(yīng)變場(chǎng),得到其初始水分場(chǎng)下的自重位移場(chǎng)S1(見圖11)。

3)根據(jù)研究方案中地下水位抬升高度Δh,修改地下水位邊界條件,重新計(jì)算水位上升某一高度Δh的滲流場(chǎng)(水分場(chǎng)θw2),計(jì)算增濕區(qū)域所有有限單元的水分場(chǎng)增量Δθw=θw2-θw1,提取Δθw≥0的單元,根據(jù)表3中不同含水率條件下的土體物理力學(xué)參數(shù)的擬合公式,重新給增濕后的單元賦予新的物理力學(xué)參數(shù),計(jì)算增濕后的高填方地基應(yīng)力-應(yīng)變場(chǎng),得到其增濕后自重位移場(chǎng)S2(見圖12)。

圖12 Δh=30.0 m時(shí) θw1分布規(guī)律及豎向位移場(chǎng)S1Fig. 12 Distribution regularity of θw1 and S1 under Δh=30.0 m

4)將增濕后計(jì)算得到的位移場(chǎng)S2減去增濕前的位移場(chǎng)S1,即可得到增濕變形場(chǎng)ΔS=S2-S1,產(chǎn)生的差值ΔS作為水位抬升引起的增濕變形場(chǎng)。

為了得到高填方地基在地下水位抬升條件下的增濕壓縮變形規(guī)律,現(xiàn)定義增濕壓縮比β,如式(2)所示:

(2)

式中:參數(shù)β為高填方地基在增濕后引起的增濕沉降ΔS與填方地基的總高度H之間的函數(shù)關(guān)系,代表了單位厚度填方產(chǎn)生的增濕壓縮應(yīng)變。

根據(jù)上述步驟2)—4)來計(jì)算增濕變形,得到高填方頂部的累積沉降,如圖13所示。

圖13 水位抬升高度Δh與高填方地表增濕壓縮比β之間的關(guān)系Fig. 13 Relationship between the wetting compression ratio (β) and the elevation of groundwater uplift (Δh) of loess high-fill embankment

從上述分析結(jié)果可得到如下結(jié)論和建議:

1)隨著地下水位抬升高度Δh的增大,引起高填方地基表面的增濕沉壓縮比β呈線性增大趨勢(shì),當(dāng)?shù)叵滤痪€從Δh=3.0 m抬升至Δh=30.0 m期間,高填方地基增濕壓縮比從0.14%增加至1.61%,采用式(3)來預(yù)估增濕引起的高填方頂部沉降(適用于填方平均壓實(shí)度為k=0.90,含水率為最優(yōu)含水率的情形):

β=0.056 4Δh-0.063 7

(3)

2)根據(jù)式(3)可推算,當(dāng)?shù)叵滤痪€抬升Δh=3.0 m后,填方高度為H=120.0 m的黃土高填方地表發(fā)生了約平均ΔS=170 mm的增濕沉降,當(dāng)?shù)叵滤惶猎痪€以上Δh=30.0 m后,高填方地表增濕沉降高達(dá)ΔS=1 936 mm,可見原地基中地下水位的抬升將對(duì)高填方的后期增濕變形產(chǎn)生較大影響,因此,在高填方工程的原地基與填挖交界面處應(yīng)設(shè)置永久性的防排水和隔水措施,并應(yīng)考慮防排水效能及可能會(huì)失效的應(yīng)急排水及地基加固措施。

3)根據(jù)上述分析結(jié)果可推測(cè),當(dāng)?shù)叵滤惶煌叨圈時(shí),黃土高填方地基底部的增濕變形對(duì)填方頂部將產(chǎn)生較大的差異沉降。由于高填方地基水循環(huán)達(dá)到新的平衡需要較長時(shí)間,短期內(nèi)黃土高填方區(qū)頂部不適宜布置建筑物,至于合理布置建筑物的時(shí)間,需要結(jié)合高填方地基中地下水位變化特征、水分場(chǎng)遷移特征、地表水入滲程度、地表徑流產(chǎn)流特征及填方地基工程所在區(qū)域采取的防排水措施效能發(fā)揮程度來綜合確定,文中所探討的只是高填方地基增濕后變形達(dá)到穩(wěn)定的瞬態(tài)分析狀態(tài),對(duì)于更深層次的分析建筑物施建時(shí)間,將是下一步的重要研究工作。對(duì)于短期內(nèi)需要在填方地基上部進(jìn)行修筑建筑物時(shí),有必要采取適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施和對(duì)填方地基采取進(jìn)一步的處理措施,初步建議如下:①在溝谷狀高填方地基的沉降盆中部,沉降量較大但相對(duì)均勻,可考慮為中高層建筑地基,對(duì)沉降量要求較高的區(qū)域,適當(dāng)考慮摩擦型承臺(tái)群樁基礎(chǔ)及其他整體性較強(qiáng)的剛性基礎(chǔ),或采取適當(dāng)?shù)牡鼗庸檀胧?如基于SDDC工法的碎石樁、灰土樁等;②在沉降盆側(cè)翼或填挖交界處的差異沉降較大區(qū)域,不建議作為建筑物天然地基,如平面上必須布置建筑物,建議布置重要性等級(jí)較低的建筑物,應(yīng)在填挖交界附近區(qū)域采取地基加固措施,并在建筑物基礎(chǔ)設(shè)置變形縫、沉降縫,并考慮建筑物的形體上變化;③挖方區(qū)域可作為建筑物的天然地基,但需要結(jié)合建筑物形式及地基承載力要求,適當(dāng)采取加固措施。

4 結(jié)論

以某黃土高填方地基工程為例,基于實(shí)測(cè)資料分析、室內(nèi)試驗(yàn)及數(shù)值分析方法,探討了黃土高填方地基中含水率上升的原因,得到了不同初始狀態(tài)下非飽和Q3黃土在增濕條件下的土水特征曲線、滲透性及強(qiáng)度軟化函數(shù),量化分析了地下水位抬升對(duì)高填方地基的水分場(chǎng)和增濕變形的影響規(guī)律,得到結(jié)論如下:

1)溝谷底部黃土高填方地基的含水率在短期內(nèi)呈增大趨勢(shì),含水率的增幅與土體的初始含水率和壓實(shí)度有關(guān),隨時(shí)間的延長,高填方地基內(nèi)部地下水將運(yùn)移會(huì)形成新的平衡。

2)隨著非飽和壓實(shí)黃土干密度和固結(jié)壓力的增大,土水特征曲線坡度越緩,其飽和滲透系數(shù)越小,滲透性越低,是原狀黃土的10-3倍,其抗剪強(qiáng)度和壓縮指標(biāo)隨著體積含水率增加呈非線性減小趨勢(shì)。

3)地下水位線從初始位置抬升至30.0 m的過程中,水位線以上約10.0 m范圍內(nèi)土體有劇烈增濕現(xiàn)象,其增濕影響高度范圍最大可達(dá)30.0 m,高填方增濕沉降壓縮比β與水位抬升高度Δh呈線性增長關(guān)系,地下水位從Δh=3.0 m抬升至Δh=30.0 m期間,高填方地基增濕壓縮比從0.14%增加至1.61%。

4)文中的高填方地基填料對(duì)象為陜北地區(qū)Q3壓實(shí)黃土,對(duì)于不同填料(其他地區(qū)的Q3、Q2黃土或Q3、Q2混合填料)在不同壓實(shí)控制標(biāo)準(zhǔn)下的高填方地基因水位抬升引起的增濕變形研究及高填方地基上部建筑施建時(shí)間控制將是下一階段的重要工作。