于永堂，鄭建國，張繼文，梁小龍

(1. 機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 陜西省特殊巖土性質(zhì)與處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710055；2. 西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，西安 710055；3. 西安交通大學(xué) 人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院,西安 710049)

黃土丘陵溝壑區(qū)以“削峁填溝”方式開發(fā)建設(shè)用地，形成了一些厚度達(dá)幾十米甚至上百米的黃土高填方工程。這些黃土高填方工程的原始溝谷中常分布有一定厚度的沖洪積土和淤積土層，這些土層具有結(jié)構(gòu)松散、含水量高等特點(diǎn)，在上部大厚度填土荷載作用下，容易產(chǎn)生較大的變形和較高的孔隙水壓力。高孔隙水壓力的存在，會使土中有效應(yīng)力降低，進(jìn)而控制和影響高填方場地的變形與穩(wěn)定，因此，有必要在黃土高填方工程中進(jìn)行孔隙水壓力監(jiān)測和分析。

學(xué)者們已對土體固結(jié)變形過程的孔隙水壓力性狀有了深入認(rèn)識[1-3]，并通過現(xiàn)場的孔隙水壓力監(jiān)測資料，獲得了邊坡[4]、基坑[5]、路堤[6]、土石壩[7-9]、強(qiáng)夯地基[10]、真空預(yù)壓地基[11-12]、堆載預(yù)壓地基[13-14]、樁基[15]等工程中孔隙水壓力的變化規(guī)律。然而，黃土高填方工程中孔隙水壓力監(jiān)測資料積累不多，研究報(bào)道較少。筆者基于陜北某黃土高填方工程試驗(yàn)場地孔隙水壓力監(jiān)測資料，分析了孔隙水壓力增長和消散的規(guī)律和模式，探討了孔隙水壓力與固結(jié)沉降的關(guān)系，以期更深入地理解黃土高填方場地中孔隙水壓力特征及其形成機(jī)制，為黃土高填方工程的填筑施工控制和工后變形穩(wěn)定性評估提供參考依據(jù)。

1 孔隙水壓力監(jiān)測概況

1.1 試驗(yàn)場地概況

陜北某黃土高填方工程地處黃土丘陵溝壑區(qū)，是為開發(fā)城市建設(shè)用地而實(shí)施的“削峁填溝”造地工程。原始場地出露地層主要為第四系、新近系和侏羅系。第四系包括全新統(tǒng)沖洪積層粉土、上更新統(tǒng)馬蘭黃土、中更新統(tǒng)離石黃土；新近系巖性為棕紅色、暗紫色紅黏土；侏羅系巖性為砂巖、泥巖互層。在該工程場地內(nèi)共選擇了兩處試驗(yàn)場地，其中試驗(yàn)場地Ⅰ位于填方區(qū)主溝下游的溝口區(qū)域，谷底原始地層自上而下依次為沖洪積土、砂泥巖；試驗(yàn)場地Ⅱ位于填方區(qū)主溝上游區(qū)域，谷底原始地層自上而下依次為沖洪積土、淤積土、砂泥巖。原始場地的地下水類型主要分為第四系孔隙潛水和侏羅系基巖裂隙水兩大類，第四系含水層主要為沖洪積層，基巖含水層主要為砂巖風(fēng)化層。地下水補(bǔ)給來源為大氣降水，地下水以泉水溢出、蒸發(fā)及人工開采等方式排泄。天然條件下，地下水自周邊分水嶺地帶順地勢向溝谷徑流匯集，轉(zhuǎn)化為地表徑流排泄于區(qū)外。

為了加速溝底原地基土層的固結(jié)，對原地基土采取強(qiáng)夯加固處理，并在溝底設(shè)置排水盲溝對地下水進(jìn)行疏排。填筑體的填料主要來自黃土梁峁區(qū)挖填線以上各土層，主要為Q3黃土及古土壤、Q2黃土及古土壤，其中黃土層以粉土為主，古土壤層以粉質(zhì)粘土為主，填筑體采用分層碾壓施工，壓實(shí)系數(shù)采用重型擊實(shí)試驗(yàn)控制，要求大于0.93。

1.2 監(jiān)測儀器與測點(diǎn)布置

孔隙水壓力監(jiān)測采用差動變壓式孔隙水壓力計(jì)，量程為0.6 MPa，分辨率為0.1 kPa，精度為0.1% F.S。試驗(yàn)場地內(nèi)孔隙水壓力監(jiān)測點(diǎn)的布置情況如圖1所示，圖中給出了不同觀測日期的填土層厚度變化。在孔隙壓力監(jiān)測點(diǎn)旁設(shè)置了分層沉降和地下水位監(jiān)測點(diǎn)，孔隙水壓力計(jì)在原地基和填筑體內(nèi)的埋設(shè)方法如下：

圖1 孔隙水壓力監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)圖Fig.1 Cross-sectional drawings of pore water

1)原地基中的孔隙水壓力計(jì)采取壓入埋設(shè)法與鉆孔埋設(shè)法相結(jié)合，埋設(shè)時機(jī)選擇在原地基處理完成后，土方填筑施工前。當(dāng)原地基為淤積土層時，鉆孔易發(fā)生縮孔，采用壓入埋設(shè)法，通過壓桿將孔隙水壓力計(jì)壓至設(shè)計(jì)深度。當(dāng)原地基為不易塌孔、縮孔的地層時，鉆探成孔后將孔隙水壓力計(jì)吊放至孔中預(yù)定深度，孔隙水壓力計(jì)周圍以中粗砂填充，相鄰孔隙水壓力計(jì)之間用黏土隔離，并對鉆孔分層回填夯實(shí)。

2)填筑體中的孔隙水壓力計(jì)采取探井埋設(shè)法。埋設(shè)時在探井側(cè)壁上開挖安裝槽，將孔隙水壓力計(jì)測頭放置于安裝槽中心，四周填充中粗砂，分層回填夯實(shí)探井，并將電纜引至探井上部預(yù)留段保護(hù)。當(dāng)填土施工至安裝下一個孔隙水壓力計(jì)后，開挖探井引出已埋設(shè)孔隙水壓力計(jì)的電纜并觀測數(shù)據(jù)。如此循環(huán)，直至達(dá)到設(shè)計(jì)高程，從而獲得填筑施工全過程的孔隙水壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)，具體實(shí)施方法可參見文獻(xiàn)[16]。

2 監(jiān)測成果的分析與討論

2.1 孔隙水壓力觀測值的處理方法

在高填方場地飽和土層中，孔隙水壓力計(jì)測得的總孔隙水壓力U包括兩部分：靜水壓力uw和由附加荷載引起的超靜孔隙水壓力u。一般情況下可按式(1)計(jì)算超靜孔隙水壓力。

u=U-uw

(1)

一方面，在大厚度填土荷載作用下，土體產(chǎn)生壓縮沉降，使孔隙水壓力計(jì)測頭的埋設(shè)位置下移；另一方面，土方填筑施工引起溝谷填方區(qū)的地形地貌和地質(zhì)條件改變，地下水位也可能發(fā)生變化。上述情況均會引起靜水壓力的變化，因此，需要考慮土體壓縮和地下水位變化對超靜孔隙水壓力的影響?？紫端畨毫τ?jì)測頭因埋深和地下水位變化引起的孔隙水壓力變化計(jì)算簡圖見圖2，計(jì)算方法如下：

圖2 土體壓縮和地下水位變化引起的孔壓變化計(jì)算簡圖Fig.2 Calculating diagram of pore water pressure affected by compression settlement and groundwater

(2)

uwt=γw(hwt-ht)

(3)

uw0=γw(hw0-h0)

(4)

ht=h0-Δst

(5)

式中：Δuwt為孔隙水壓力計(jì)測頭因埋深和地下水位變化而引起的孔隙水壓力變化量，kPa；uw0、uwt分別為填土施工加載前、后的靜水壓力值，kPa；γw為水的重度，kN/m3；h0、ht分別為填土施工加載前、加載后的孔隙水壓力計(jì)埋設(shè)點(diǎn)高程，m；hw0、hwt分別為填土施工加載前、后的地下水位高程，m，通過地下水位觀測確定；Δst為孔隙水壓力計(jì)的下沉量，m，通過分層沉降觀測確定。將式(3)、式(4)帶入式(5)可得

Δuwt=γw[(hwt-hw0)+Δst]

(6)

式(6)即為孔隙水壓力計(jì)測頭因埋深和地下水位變化引起的孔隙水壓力變化值。試驗(yàn)場地Ⅱ中監(jiān)測點(diǎn)JCSZ5-P位于飽和土層中的一個測點(diǎn)，高程為1 052.41 m，實(shí)測地下水位高程的變化范圍為1 055.81～1 063.10 m，考慮土層壓縮和地下水位變化前后的超靜孔隙水壓力曲線如圖3所示。

圖3 土體壓縮和地下水位變化引起的孔壓變化Fig.3 Pore water pressure changes due to compression settlement and groundwater

圖3中，地下水位變化引起的孔壓變化值，負(fù)值表示水位下降，正值表示水位上升。在孔隙水壓力觀測時段內(nèi)，孔隙水壓力計(jì)測頭的埋深變化引起的超靜孔隙水壓力變化值較小，該測點(diǎn)處最大影響值為1.1 kPa，而地下水位變化引起的超靜孔隙水壓力變化值較大，該測點(diǎn)處的最大影響值為45.1 kPa。由此可知，為獲得較為真實(shí)的超靜孔隙水壓力增長和消散規(guī)律，應(yīng)對孔隙水壓力計(jì)測頭埋深處的沉降變形和地下水位進(jìn)行觀測，以確定實(shí)際靜水壓力值。

2.2 孔隙水壓力的變化特征

試驗(yàn)場地Ⅰ在2012年11月原地基處理完成，2013年3月開始進(jìn)行填筑體施工，至2014年11月填筑達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高。試驗(yàn)場地Ⅱ在2013年7月原地基處理完成，2013年8月開始進(jìn)行土方填筑施工，至2015年9月填筑至設(shè)計(jì)標(biāo)高。試驗(yàn)場地Ⅰ和試驗(yàn)場地Ⅱ中典型監(jiān)測點(diǎn)不同深度處的孔隙水壓力時程曲線分別如圖4、圖5所示。根據(jù)前文所述的孔隙水壓力修正方法，計(jì)算各測點(diǎn)的超靜孔隙水壓力值，并繪制超靜孔隙水壓力時程曲線，如圖6、圖7所示。從圖中可看出，在土方填筑施工前，原地基飽和土中各測點(diǎn)的初始孔隙水壓力值與靜水壓力基本相等，表明原地基處理時，由強(qiáng)夯引起的超靜孔隙水壓力已基本消散完畢。各測點(diǎn)的孔隙水壓力總體趨勢為：荷載增大，孔隙水壓力增大；停荷恒載，孔隙水壓力消散。圖4中位于地下水位以下的飽和土層中測點(diǎn)高程H=962.34 m處的孔隙水壓力計(jì)埋設(shè)后即開始增長，其增長和消散速率與土方填筑速率有良好的相關(guān)性。在施工時段，土方填筑速率快時，孔隙水無法在較短的時間內(nèi)全部擠出，孔隙水壓力迅速增大，經(jīng)連續(xù)施工后達(dá)到孔隙水壓力峰值；土方填筑速率慢時，超靜孔隙水壓力增長變緩甚至發(fā)生消散；在臨時停工時段和工后時段，超靜孔隙水壓力均表現(xiàn)出先快速消散后緩慢消散的特點(diǎn)，這符合超靜孔隙水壓力的一般增長和消散規(guī)律。圖4中監(jiān)測高程為966.74 m的測點(diǎn)，位于地下水位(水位變化范圍：961.28～964.46 m)之上，初期并未觀測到孔隙水壓力，但隨著填土厚度增大，上覆荷載增加，土體逐步壓縮，土中孔隙減小，土的含水率在遠(yuǎn)離地下水位面深度處變化不大，但受地下水位以上毛細(xì)水上升高度影響，在臨近地下水位面的深度處有所增加，均會使土的飽和度逐步增大。當(dāng)土的飽和度增大至一定程度后，土的變形趨勢會引起類似飽和土的超靜孔隙水壓力[17]。當(dāng)觀測到孔隙水壓力后，其增長和消散模式受土方填筑施工的影響明顯，其變化過程表現(xiàn)出增長快、消散快的特點(diǎn)。選用的孔隙水壓力計(jì)測頭采用粗孔濾水石，根據(jù)文獻(xiàn)[18]可知，該型孔隙水壓力計(jì)在非飽和土中的觀測值應(yīng)是孔隙氣壓力與孔隙水壓力的綜合壓力，與土體完全飽和后的孔隙水壓力不同。因此，不能按飽和土理論將該孔隙水壓力觀測值用于分析計(jì)算地基固結(jié)度或評估地基穩(wěn)定性。此外，圖4中多個測點(diǎn)在整個施工期和工后期的孔隙水壓力觀測值幾乎一直是0，處于無變化狀態(tài)。這是因?yàn)?，?dāng)孔隙水壓力測點(diǎn)位于地下水位毛細(xì)水上升高度影響范圍之外時，由于地表水下滲量小，填土的含水率變化較小，在飽和度較低的情況下，無法引起類似飽和土的超靜孔隙水壓力。

圖4 試驗(yàn)場地Ⅰ中JCS3-P的孔隙水壓力時程曲線Fig.4 Curves of excess pore water pressure ofmonitoring point JCS3-P in site

圖5 試驗(yàn)場地Ⅱ中JCSZ5-P的孔隙水壓力時程曲線Fig.5 Curves of excess pore water pressure of

圖6 試驗(yàn)場地Ⅰ中JCS3-P的超靜孔隙水壓力時程曲線Fig.6 Curves of excess pore water pressure ofmonitoring point JCS3-P in site

圖7 試驗(yàn)場地Ⅱ中JCSZ5-P的超靜孔隙水壓力時程曲線Fig.7 Curves of excess pore water pressure ofmonitoring point JCS-Z5 in site

2.3 孔隙水壓力觀測結(jié)果反映的地基穩(wěn)定狀態(tài)

根據(jù)土力學(xué)理論，在平面應(yīng)變狀態(tài)下，當(dāng)?shù)鼗幱诜€(wěn)定狀態(tài)時，飽和黏性土中孔隙水壓力增量可表示為[19]

(7)

當(dāng)分析土方連續(xù)填筑多級加載時，多級荷載孔隙水壓力系數(shù)Ku值可由式(8)計(jì)算。

Ku=∑Δu/∑Δp

(8)

工程上常利用孔隙水壓力累計(jì)增量∑Δu與荷載累計(jì)增量∑Δp的關(guān)系來判斷地基的穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)?shù)鼗幱诜€(wěn)定狀態(tài)時，孔隙水壓力累計(jì)增量與填土荷載累計(jì)增量近似呈線性關(guān)系，當(dāng)?shù)鼗幱谑Х€(wěn)狀態(tài)時，二者的關(guān)系曲線會出現(xiàn)非線性轉(zhuǎn)折[19]?？紫端畨毫塾?jì)增量∑Δu與填土荷載累計(jì)增量∑Δp間的關(guān)系曲線如圖8、圖9所示。

圖8中測點(diǎn)JCS3-P位于主溝鎖口壩邊坡區(qū)域，圖9中測點(diǎn)JCSZ5-P位于溝谷中游，由監(jiān)測點(diǎn)在飽和土層中的∑Δu-∑Δp關(guān)系可知，孔隙水壓力累計(jì)增量與填土荷載累計(jì)增量之間近似呈現(xiàn)線性關(guān)系。根據(jù)斯開普頓(Skempton)提出的孔隙水壓力理論，實(shí)際監(jiān)測中，為保證工程安全，一般控制荷載孔隙水壓力系數(shù)Ku<0.6[20]。各監(jiān)測點(diǎn)的多級荷載孔隙水壓力系數(shù)Ku值均小于0.2，地基沉降變形也未發(fā)生突變，高填方體(含邊坡)在填筑施工全程處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖8 試驗(yàn)場地Ⅰ中監(jiān)測點(diǎn)JCS3-P的∑Δu與∑Δp關(guān)系曲線Fig.8 Relationship between ∑Δu and∑Δp of monitoring position of JCS3-P in the test site

圖9 試驗(yàn)場地Ⅱ中監(jiān)測點(diǎn)JCSZ5-P的∑Δu與∑Δp關(guān)系曲線Fig.9 Relationship between ∑Δu and∑Δp of monitoring position of JCSZ5-P in the test site

2.4 孔隙水壓力增長和消散引起的原地基沉降變形分析

黃土高填方原地基是由上部非飽和土和下部飽和土構(gòu)成的特殊地質(zhì)體。原地基的上覆填土荷載將由水、氣和土骨架共同承擔(dān)，其沉降變形機(jī)制復(fù)雜與土中孔隙水壓力、水分變化、土骨架結(jié)構(gòu)、孔隙氣的演化規(guī)律等有關(guān)，主要從孔隙水壓力增長和消散的角度對該過程進(jìn)行分析。原地基飽和黃土的固結(jié)與一般土體的固結(jié)過程類似，非飽和黃土的孔隙中同時包含有水和氣，在上覆填土荷載作用下，土中的水和氣要產(chǎn)生相互作用，由于上覆填土荷載大，加之氣體的壓縮性高，部分氣體將溶于水中[21]。此外，還有部分氣體將在分層填筑施工過程中排出，在施加荷載瞬間，孔隙瞬間減小，使得沉降變形迅速增大。試驗(yàn)場地Ⅱ中典型監(jiān)測點(diǎn)JCSZ5-P的填土厚度-超靜孔隙水壓力-沉降-時間關(guān)系曲線如圖10所示。原地基飽和土的孔隙中僅有水存在，在施工期加載條件下，土骨架和孔隙水共同承擔(dān)上覆填土荷載，此時超靜孔隙水壓力增長較快。在土方填筑施工過程，飽和土中孔隙水也會發(fā)生排出，地基土排水固結(jié)，若增加的填土荷載全部傳遞至原地基，則增加的上覆填土荷載將由土骨架和孔隙水共同承擔(dān)，且以土骨架承擔(dān)為主。土中有效應(yīng)力的增大必然產(chǎn)生較大的壓縮變形，此時原地基沉降在施工期增大較快。在工后期恒載條件下，原地基沖洪積、淤積土的孔隙比減小，土層滲透性降低，土中孔隙水排出、超靜孔隙水壓力消散需要更長時間，有效應(yīng)力增大也隨之放緩，加之土體模量增大，超靜孔隙水壓力消散變慢，沉降速率逐漸變小。2015年9月至2017年8月共24個月，試驗(yàn)場地的監(jiān)測點(diǎn)JCSZ5-P在高程1 052.41、1 055.41、1 058.41 m處，超靜孔隙水壓力消散了3.5～9.9 kPa，此時原地基土層的壓縮沉降量僅為1.0 mm(原地基土層厚度11.6 m)。從圖中超靜孔隙水壓力消散的趨勢情況判斷，工后期超靜孔隙水壓力完全消散將超過1年，且時間越久消散速率越慢，原地基土層達(dá)到沉降完全穩(wěn)定需要耗費(fèi)較長時間。

圖10 原地基超靜孔隙水壓力、沉降量、填土厚度與時間關(guān)系曲線Fig.10 Curves of excess pore water pressure, settlement and filling thickness vs. time of original

3 結(jié)論

1)土層壓縮和地下水位變化對孔隙水壓力的影響可達(dá)46.2 kPa，在分析黃土高填方場地的超靜孔隙水壓力增長和消散規(guī)律時，須扣除因土層壓縮和地下水位變化而引起的孔隙水壓力變化值。

2)黃土高填方場地的孔隙水壓力增長和消散主要受地下水位和填土荷載影響，若土方填筑快，飽和土中的孔隙水壓力增長較快；反之，孔隙水壓力增長變緩甚至消散。

4)溝口邊坡區(qū)域及溝中部監(jiān)測點(diǎn)的孔隙水壓力累計(jì)增量∑Δu與填土荷載累計(jì)增量∑Δp之間呈近似線性關(guān)系，施工全程處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。

5)原地基飽和土中的超靜孔隙水壓力消散緩慢，從現(xiàn)有實(shí)測數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢判斷，原地基飽和土層達(dá)到沉降穩(wěn)定將超過1年。