陳天鐳，李旭東，魯海濤，蔡明喜

(1 蘭州有色冶金設(shè)計(jì)研究有限公司，蘭州 730000；2 甘肅土木工程科學(xué)研究院，蘭州 730022)

0 概述

濕陷性黃土特別是強(qiáng)自重濕陷性黃土地基的濕陷性在工程領(lǐng)域是很難解決的問(wèn)題，研究黃土濕陷性的方法主要有兩種：一種是室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)理方法相結(jié)合，另一種是現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)[1-3]。室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)理方法相結(jié)合的研究方法雖然經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便，但是往往與實(shí)際濕陷性有一定的差別，需要結(jié)合工程或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行修正方可應(yīng)用?，F(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)可直接反映場(chǎng)地的濕陷量大小、濕陷速率大小和濕陷深度等，但試驗(yàn)費(fèi)用高，試驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)，一般工程沒有條件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)[4-12]?！稘裣菪渣S土地區(qū)建筑規(guī)范》(GB 50025—2018)規(guī)定，在缺乏經(jīng)驗(yàn)的新建地區(qū)，甲類和乙類的重要建筑，應(yīng)采取試坑現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)判定場(chǎng)地濕陷類型。

為研究雙向螺旋擠土灌注樁在濕陷性黃土中的力學(xué)性能，在蘭州市榆中縣和平鎮(zhèn)做了系列關(guān)于強(qiáng)自重濕陷性黃土的試驗(yàn)，同時(shí)做了試坑現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)。該課題是甘肅省重大研究項(xiàng)目，為甘肅省地方規(guī)范《雙向螺旋擠土灌注樁技術(shù)規(guī)程》(DB62/T 3171—2019)及國(guó)家規(guī)范《短螺旋擠土灌注樁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(T/CECS 781—2020)的編制提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)認(rèn)識(shí)黃土場(chǎng)地的濕陷變形特征補(bǔ)充了寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，詳見表1，表中還統(tǒng)計(jì)了國(guó)內(nèi)部分黃土浸水試驗(yàn)基本資料。

1 試驗(yàn)場(chǎng)地巖土工程條件

試驗(yàn)場(chǎng)地位于蘭州市榆中縣和平鎮(zhèn)，地貌單元屬黃河南岸高階地與黃土梁峁沖溝復(fù)合地貌。通過(guò)地勘可知，試驗(yàn)場(chǎng)地地層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，巖土種類不多且比較均勻，巖土層層位穩(wěn)定，巖土性質(zhì)變化不大，其巖土工程性狀自上而下依次為：①層填土，層厚0.5m，褐黃色，疏松，一般為耕植土；②層黃土狀粉土，層厚38.0m，淺黃色，土質(zhì)較均勻，多孔，稍濕，稍密，堅(jiān)硬～硬塑狀態(tài)，該粉土層屬自重濕陷性土層；③層角礫，層面埋深約40m，本次勘探未穿透，地層柱狀圖見圖1。試驗(yàn)場(chǎng)地黃土狀粉土層物理力學(xué)指標(biāo)見表2。

圖1 鉆孔柱狀圖

國(guó)內(nèi)部分黃土浸水試驗(yàn)基本資料統(tǒng)計(jì) 表1

根據(jù)土工試驗(yàn)報(bào)告，試驗(yàn)場(chǎng)地②層黃土狀粉土層在200kPa及飽和土自重壓力下，濕陷系數(shù)δs最大值為0.132，自重濕陷系數(shù)δzs最大值為0.112，計(jì)算總濕陷量Δs為1 451.3～1 498.9mm，自重濕陷量Δzs為1 152.0～1 537.9mm，濕陷量計(jì)算匯總見表3。

濕陷量計(jì)算匯總 表3

根據(jù)土工試驗(yàn)結(jié)果，該場(chǎng)地為大厚度自重濕陷性黃土場(chǎng)地，濕陷等級(jí)為Ⅳ級(jí)，濕陷程度很嚴(yán)重。自重濕陷性土層下限深度為33.5m。試驗(yàn)場(chǎng)地自身及周邊無(wú)不良地質(zhì)，土質(zhì)較均勻分布?？碧缴疃葍?nèi)未見地下水。

2 試驗(yàn)概況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際及場(chǎng)地工程地質(zhì)條件，浸水試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用了直徑20m的圓形試坑，坑深0.5m。坑底面鋪200mm厚砂卵石。浸水試驗(yàn)采用2臺(tái)大功率水泵供水，供水量為32m3/h，水頭高度保持在300mm。

坑內(nèi)外設(shè)計(jì)了淺層地面觀測(cè)點(diǎn)(淺標(biāo)點(diǎn))、坑內(nèi)設(shè)計(jì)了機(jī)械式深層觀測(cè)點(diǎn)(深標(biāo)點(diǎn))，布置見圖2。在試坑底部，由中心向坑邊3個(gè)方向，分別間隔2.0m均勻設(shè)置觀測(cè)自重濕陷量的淺標(biāo)點(diǎn)，3條測(cè)線相互之間的夾角為120°，共30個(gè)淺標(biāo)點(diǎn)。觀測(cè)精度為±0.10mm。淺標(biāo)點(diǎn)采用鍍鋅鋼管，底部用混凝土盤穩(wěn)定，以保證沉降過(guò)程中不會(huì)傾覆。在鋼管頂部1m范圍內(nèi)固定鋼尺，尺度為1.0mm。為測(cè)量浸水后試坑內(nèi)粉土分層的濕陷變形，在試坑內(nèi)設(shè)置機(jī)械式土中分層沉降觀測(cè)深標(biāo)點(diǎn)8個(gè)。深標(biāo)點(diǎn)等間距在0～30m深度范圍內(nèi)布置在距離試坑中心7.0m的圓周上。

圖2 浸水試驗(yàn)區(qū)平面布置圖

2016年10月15日開始浸水，2016年11月26日結(jié)束。采用兩個(gè)水表計(jì)量，浸水試驗(yàn)共觀測(cè)69d，其中浸水觀測(cè)62d，停水后觀測(cè)7d?？傆盟繛? 346m3，保持30cm水頭的總注水量隨時(shí)間的變化情況見圖3，圖4為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)深標(biāo)點(diǎn)照片。

圖3 試坑浸水總注水量隨時(shí)間的變化情況

圖4 現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)深標(biāo)點(diǎn)

3 濕陷變形特征分析

3.1 沉降結(jié)果分析

圖5、圖6給出了浸水試驗(yàn)淺標(biāo)點(diǎn)在不同浸水時(shí)間下沉降量隨距試坑中心距離及土層深度的變化情況觀測(cè)結(jié)果。由圖可知，沉降量隨距試坑中心距離的增大逐漸減小，隨土層深度的增加呈減小趨勢(shì)，沉降量最大位置在浸水坑中心表面。

圖5 不同浸水時(shí)間下沉降量隨距試坑中心距離的變化

圖6 不同浸水時(shí)間下沉降量隨土層深度的變化

從圖7典型的淺標(biāo)點(diǎn)和深標(biāo)點(diǎn)沉降速率變化曲線可以看出，浸水期和停水后，沉降速率均呈“大→小→穩(wěn)定”的變化規(guī)律。浸水后20d，沉降速率最快，坑內(nèi)最大平均沉降速率可達(dá)60mm/d，觀測(cè)點(diǎn)最大沉降速率高達(dá)73mm/d；20d后，沉降速率逐漸減小。停水后3d左右，沉降速率出現(xiàn)停水后的峰值，最大沉降速率可達(dá)4mm/d以上，此后又逐漸趨于平緩。

圖7 沉降速率變化曲線

實(shí)測(cè)試坑中心淺標(biāo)點(diǎn)Q1-1位置最大沉降量為1 135mm，對(duì)試坑中地表沉降觀測(cè)點(diǎn)的沉降量實(shí)測(cè)值求平均，得到實(shí)測(cè)自重濕陷性黃土沉降量平均值為991mm，圖8為沉降量隨浸水時(shí)間的變化曲線。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)2個(gè)探井探測(cè)結(jié)果算得自重濕陷性黃土沉降量平均值為1 344.95mm，為實(shí)測(cè)自重濕陷性黃土沉降量平均值的1.36倍。

圖8 沉降量隨浸水時(shí)間的變化曲線

機(jī)械式土中分層沉降觀測(cè)點(diǎn)(深標(biāo)點(diǎn))變形觀測(cè)結(jié)果見表4。從表中可以看出，自重濕陷性黃土沉降量在淺層較大，在深層較小。該試驗(yàn)15m以下的自重濕陷性黃土沉降較小，最深點(diǎn)24m處自重濕陷性黃土沉降量很小，滲透最大影響深度約為25m。試驗(yàn)場(chǎng)地②層黃土狀粉土滲透系數(shù)為0.05。

3.2 試坑周圍裂縫發(fā)展規(guī)律

試坑周圍裂縫發(fā)展變化規(guī)律：1)先局部，后整體。浸水第3d，浸水坑北側(cè)地面出現(xiàn)首條裂縫，呈不連續(xù)、間斷狀，隨著浸水時(shí)間的增加，裂縫逐漸增長(zhǎng)、增寬、增多，逐漸擴(kuò)展延伸相互連接，最終發(fā)展成環(huán)狀，并逐漸擴(kuò)大，形成碟形洼地和階梯狀地形。2)先近后遠(yuǎn)，近密遠(yuǎn)疏，逐步擴(kuò)展。裂縫由坑邊向外逐漸擴(kuò)展。距坑邊近的地面，裂縫一般較密，環(huán)形裂縫的間距為0.5～1.5m；距坑邊遠(yuǎn)的地面，裂縫一般較疏，數(shù)量變少，裂縫之間的距離變大，間距為1～2m。3)隨著浸水時(shí)間的增加，各裂縫本身呈“緩→快→緩→趨向閉合”的發(fā)展過(guò)程。浸水初期，裂縫發(fā)展較緩；浸水15～30d左右，裂縫發(fā)展最快、最明顯；之后又逐漸變緩，新裂縫繼續(xù)出現(xiàn)，早期出現(xiàn)的部分裂縫漸漸閉合。停水后，仍有新裂縫出現(xiàn)，但發(fā)展較緩慢，呈現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定趨勢(shì)。圖9為場(chǎng)地裂縫現(xiàn)場(chǎng)照片，圖10為試坑裂縫分布示意圖。

圖9 試坑裂縫現(xiàn)場(chǎng)照片

深標(biāo)點(diǎn)沉降量觀測(cè)結(jié)果 表4

圖10 試坑裂縫分布示意圖

裂縫寬度一般為0.5～30mm，裂縫兩側(cè)地面高差為0.1～2cm，個(gè)別部位大于4cm。裂縫范圍達(dá)坑邊8～12m外，平均在10m左右。根據(jù)淺標(biāo)點(diǎn)測(cè)量及現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，試坑南側(cè)及東側(cè)塌陷相對(duì)較快，土體沉降量大，塌陷范圍距試坑邊緣約7.0m；試坑北側(cè)及西側(cè)塌陷較慢，土體沉降量小，塌陷范圍距試坑邊緣約5.0m。整體呈階梯式向外側(cè)擴(kuò)散。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)計(jì)算得到的實(shí)測(cè)自重濕陷性黃土沉降量為實(shí)測(cè)自重濕陷性黃土沉降量的1.36倍。

(2)濕陷性黃土的濕陷有一定范圍，深標(biāo)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果得到15m以下自重濕陷性黃土沉降量較小，最深點(diǎn)24m處自重濕陷性黃土沉降量很小，滲透最大影響深度約為25m；裂縫范圍達(dá)坑邊外8～12m，平均10m左右。

(3)大厚度自重濕陷性黃土濕陷范圍變化規(guī)律：先局部后整體，先近后遠(yuǎn)，近密遠(yuǎn)疏，逐步擴(kuò)展，各裂縫本身呈“緩→快→緩→趨向閉合”的發(fā)展過(guò)程。濕陷速率變化規(guī)律：浸水期和停水后，濕陷速率均呈“大→小→穩(wěn)定”的變化規(guī)律。