李琳 王家鼎 谷琪 張登飛 焦少通

收稿日期：2023-10-30

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金重大儀器研制項(xiàng)目（42027806）；國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（4160639）；西北大學(xué)研究生創(chuàng)新項(xiàng)目（CX2023012）。

第一作者：李琳，女，從事工程地質(zhì)研究，linlinli2000@126.com。

通信作者：王家鼎，男，教授，從事黃土地質(zhì)災(zāi)害研究，wangjiading029@163.com。

摘要? 黃土地層中往往交替分布著多層紅色古土壤層，由于其硬度相對(duì)較高，遇水不易濕陷，對(duì)黃土地層濕陷量的測(cè)量結(jié)果有很大的影響。然而，對(duì)于古土壤對(duì)濕陷量的控制作用目前還缺乏相關(guān)研究，導(dǎo)致對(duì)濕陷地層濕陷量的科學(xué)取舍缺乏理論依據(jù)。為此該文統(tǒng)計(jì)了黃土高原區(qū)的浸水試驗(yàn)結(jié)果，分析了不同區(qū)域濕陷量室內(nèi)外差異特征，并以西安地區(qū)兩個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)地的大型浸水試驗(yàn)為研究對(duì)象，進(jìn)行了不同試驗(yàn)條件下土體中水分的擴(kuò)散、含水率的變化、土壓力變化以及累計(jì)濕陷量等測(cè)量工作。最終結(jié)果表明，古土壤層的存在阻礙濕陷進(jìn)程，在阻止水分下滲的同時(shí)，阻礙深部地層濕陷量傳遞至地表，使得濕陷量實(shí)測(cè)值與計(jì)算值之間的差異與古土壤層數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān)的趨勢(shì)。該文將為普遍存在古土壤的黃土地層自重濕陷機(jī)理的研究提供參考。

關(guān)鍵詞? 古土壤;浸水試驗(yàn);濕陷性;濕陷系數(shù);黃土

中圖分類號(hào)： S157? DOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2024-01-009

The influence of moisture-rich interlayers in palesol

strata on the collapsibility of loess terrain

LI Lin， WANG Jiading， GU Qi， ZHANG Dengfei， JIAO Shaotong

（State Key Laboratory of Continental Dynamics， Department of Geology， Northwest University， Xian 710069， China）

Abstract? In loess formations， multiple layers of reddish ancient soil often alternate. Due to their relatively high hardness， they are resistant to collapsing when exposed to water， which significantly impacts the measurement results of the collapsibility of loess formations. However， there is currently a lack of research on the controlling role of ancient soils in collapsibility， leading to a lack of theoretical basis for making scientific decisions on the collapsibility of geological formations.To address this gap， this study compiled the results of inundation tests in the Loess Plateau region， analyzed the indoor and outdoor differences in collapsibility characteristics in different areas， and focused on large-scale inundation tests in two experimental sites in Xian. Various aspects were measured under different test conditions， including moisture diffusion in the soil， moisture content changes， soil pressure variations， and cumulative collapsibility.The final results indicate that paleosollayers hinder the collapsibility process by impeding water infiltration and preventing the transmission of deep-seated collapsibility to the surface. This leads to a positive correlation between the measured collapsibility values and the number of ancient soil layers. This study aims to provide insights into the self-weight collapsibility mechanisms in loess formations where ancient soil layers are commonly found.

Keywords? paleosol; inundation test; collapsibility; collapsibility coefficient; loess

黃土是第四紀(jì)特殊的沉積物，與同期的其他沉積物相比，具有獨(dú)特的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部形態(tài)特征。廣泛分布于世界各地［1-2］，尤其是我國(guó)中西部地區(qū)［3］。然而，作為主要的持力層和建筑材料，黃土易在降雨和灌溉等因素影響下產(chǎn)生強(qiáng)度驟降、變形劇增的現(xiàn)象［4-5］。隨著西部大開(kāi)發(fā)的深入，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、資源開(kāi)發(fā)利用等工程無(wú)可避免的會(huì)遇到黃土濕陷性這一特殊巖土工程問(wèn)題，對(duì)場(chǎng)地的選址和已建設(shè)施的安全運(yùn)營(yíng)構(gòu)成巨大的挑戰(zhàn)［6］。而場(chǎng)地濕陷類型是濕陷性黃土最基本的工程屬性，由于未能準(zhǔn)確評(píng)估黃土場(chǎng)區(qū)的濕陷類別，提前消除濕陷性從而在工程建設(shè)中引發(fā)的危害屢見(jiàn)不鮮（見(jiàn)圖1）。

國(guó)內(nèi)外學(xué)界對(duì)黃土濕陷特性的研究方法主要有2種。①室內(nèi)單軸或三軸壓縮試驗(yàn)。試驗(yàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，條件易于控制。②現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)。通過(guò)原位試驗(yàn)直接得出地基的濕陷變形量和濕陷變形的時(shí)空分布，據(jù)此判定黃土場(chǎng)地的濕陷類型，相比而言準(zhǔn)確可靠，但費(fèi)用較高，費(fèi)工費(fèi)時(shí)［7］，因此工程中常以室內(nèi)試驗(yàn)為主，但室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果往往與浸水試驗(yàn)結(jié)果差異較大。許多地質(zhì)科學(xué)家也注意到了這一點(diǎn)，并進(jìn)行了研究［8］。邢義川等［9］、米文靜等［10］提出了基于離心模型試驗(yàn)的單線法和雙線法的方法測(cè)黃土的濕陷量，擬提高室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果的精度，但結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相比仍有一定的誤差。邵生俊等［11］基于大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比，提出了不同地層深度給予不同的修正系數(shù)并修改自重濕陷系數(shù)的起始門(mén)檻值，并發(fā)現(xiàn)關(guān)中地區(qū)室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果相關(guān)性較差，但并未展開(kāi)深入研究。除此之外也有不少學(xué)者提出了諸如不同地層賦予不同的修正系數(shù)、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的判定等理論方法。

黃土與古土壤交互式層狀分布，構(gòu)成了黃土地層的主要架構(gòu)［12］。受沉積環(huán)境的影響，古土壤與黃土在物理力學(xué)性質(zhì)上有明顯的差異。雷祥義［13］在黃土高原南部晚更新世黃土的研究中發(fā)現(xiàn)，古土壤結(jié)構(gòu)致密、力學(xué)性能優(yōu)于黃土。隨后諸多學(xué)者對(duì)古土壤的力學(xué)性能研究也證明了這一觀點(diǎn)［14-15］。在現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)的開(kāi)展中，也有不少學(xué)者發(fā)現(xiàn)了黃土-古土壤交互地層濕陷量的特殊性，如李大展等［16］通過(guò)對(duì)Q2黃土大面積浸水試驗(yàn)時(shí)認(rèn)識(shí)到Q2黃土與古土壤交互分布對(duì)地基土和一般自重濕陷性黃土的濕陷特性有很大區(qū)別，這為分析室內(nèi)外試驗(yàn)結(jié)果的差異性的研究開(kāi)辟了新的途徑。趙金剛等［17］研究了黃土-古土壤地層的水分運(yùn)移規(guī)律，確定了古土壤層阻礙水分垂直入滲，但并未探究古土壤的這種隔水性對(duì)濕陷量的控制作用。

上述理論研究并未從古土壤入手探究古土壤對(duì)濕陷量的控制作用。因此本文通過(guò)對(duì)黃土高原區(qū)開(kāi)展的大量現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)，分析不同場(chǎng)區(qū)自重濕陷量室內(nèi)外差異的特征，并從古土壤層入手分析不同古土壤層數(shù)對(duì)濕陷量的影響。依托西安地區(qū)的兩個(gè)大型浸水試驗(yàn)，并通過(guò)巖土工程勘察及動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的方法，在獲得不同地層累計(jì)沉降量、沉降斷面形態(tài)以及水分入滲規(guī)律的基礎(chǔ)上，對(duì)古土壤影響濕陷的機(jī)理進(jìn)行解釋，以期為基礎(chǔ)理論的發(fā)展提供一定的參考，為重要設(shè)施的安全運(yùn)營(yíng)提供保障。

1? 材料與方法

1.1? 研究區(qū)概況

本文統(tǒng)計(jì)的浸水試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)主要分布在我國(guó)境內(nèi)的黃土高原地區(qū)， 位于北緯34°～38.5°與東經(jīng)102°～112°之間（見(jiàn)圖2）。 自西北向東南地形高程逐漸遞降， 此區(qū)間黃土分布連續(xù)， 地層發(fā)育完整厚度大［18］。 該地區(qū)屬半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)， 多年平均氣溫和降水量在空間分布上總體呈現(xiàn)自東南向西北逐漸遞減的趨勢(shì)， 年平均降水量在140～737 mm之間， 多年平均氣溫在-3 ℃～15 ℃之間。

由于西安處于黃土高原東南部，古土壤最為發(fā)育且厚度大，將兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)點(diǎn)選擇在陜西省西安市咸寧東路（試驗(yàn)點(diǎn)1：經(jīng)度109.06°，緯度34.24°），陜西省西安市長(zhǎng)安區(qū)（試驗(yàn)點(diǎn)2：經(jīng)度109.94°，緯度34.15°）。試驗(yàn)點(diǎn)屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性氣候。夏季受東南季風(fēng)影響，降雨相對(duì)集中（7—9月），且多暴雨天氣。冬季受西北季風(fēng)影響，氣候干燥、寒冷。地層自上而下依次為雜填土（Q4ml）、新黃土（Q3eol）和古土壤（Q3el）、老黃土（Q2eol）、古土壤（Q2el）等。由于區(qū)域地貌單元的不斷演化，現(xiàn)代構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，多有地裂縫等災(zāi)害的發(fā)育。

1.2? 研究方法

眾多學(xué)者在黃土高原的不同場(chǎng)地上開(kāi)展了尺度各異的原位浸水試驗(yàn)［16，19-27］，由于試驗(yàn)成本高，再現(xiàn)性差，因此對(duì)不同場(chǎng)地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析變得尤為關(guān)鍵。因此，本文將在黃土高原地區(qū)進(jìn)行的大型現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通過(guò)對(duì)不同地區(qū)的自重濕陷量實(shí)測(cè)值和計(jì)算值的比較，可以得出不同地區(qū)自重濕陷量的特征及實(shí)測(cè)值和計(jì)算值之間的差異。并根據(jù)地層中古土壤層的存在與否及層數(shù)不同對(duì)試驗(yàn)地點(diǎn)進(jìn)行分類，深入研究古土壤對(duì)這種室內(nèi)外試驗(yàn)結(jié)果差異性的影響。

為了探究原始場(chǎng)水分運(yùn)移規(guī)律，分析黃土自重發(fā)展特征以及古土壤層在該過(guò)程中的作用，特用未布設(shè)滲水孔的試驗(yàn)點(diǎn)1及布設(shè)滲水孔的試驗(yàn)點(diǎn)2兩組現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)做對(duì)比分析。通過(guò)巖土工程勘察的方法查明場(chǎng)地內(nèi)各地層的分布特征及場(chǎng)地黃土的物理力學(xué)特性，為了測(cè)得浸水過(guò)程中各地層含水量變化，結(jié)合地層結(jié)構(gòu)，埋設(shè)水分傳感器。對(duì)比分析試驗(yàn)結(jié)果中土體自重濕陷時(shí)各地層沉降量、以及過(guò)程中各地層含水率變化，利用彈塑性力學(xué)中的簡(jiǎn)支梁模型對(duì)古土壤影響自重濕陷的機(jī)理進(jìn)行解釋。

本次試驗(yàn)的兩試驗(yàn)點(diǎn)試坑皆為圓形，根據(jù)巖土工程勘察得到場(chǎng)地的自重濕陷下限深度為依據(jù)，確定試坑直徑分別為20 m（試驗(yàn)點(diǎn)1）、30 m（試驗(yàn)點(diǎn)2），深度皆為50 m。并根據(jù)地層情況的不同，分別對(duì)兩試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布設(shè)，即淺、深標(biāo)點(diǎn)、水分傳感器、滲水孔以及土壓力盒（見(jiàn)圖3）。其中試驗(yàn)點(diǎn)2在距離試坑中心7 m的圓周上均勻布有6個(gè)滲水孔以促進(jìn)水分入滲，試驗(yàn)點(diǎn)1未布設(shè)滲水孔。試驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行沉降觀測(cè)、土層含水量土壓力監(jiān)測(cè)，采用遠(yuǎn)程自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.1.1? 自重濕陷量分區(qū)結(jié)果

圖4展示了黃土高原地區(qū)浸水試驗(yàn)的實(shí)測(cè)修正系數(shù)比值的分布，即現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)濕陷量與計(jì)算濕陷量的比值。從圖4中可看出隴西地區(qū)和隴東-陜北-晉西地區(qū)的實(shí)測(cè)濕陷量大于計(jì)算值，而關(guān)中地區(qū)及其他地區(qū)的實(shí)測(cè)值小于計(jì)算值。此外，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)修正系數(shù)與規(guī)范值存在較大的差異，并且這些差異在不同地區(qū)之間表現(xiàn)出特定的大小關(guān)系。

圖4顯示了在甘肅地區(qū)進(jìn)行了數(shù)量可觀的浸水試驗(yàn)，而這些試驗(yàn)中測(cè)得自重濕陷量實(shí)測(cè)值明顯高于計(jì)算值，因而兩者的比值均大于1，在某些情況下，這一比值甚至接近于4，也就是說(shuō)甘肅某些地區(qū)的實(shí)測(cè)自重濕陷量幾乎是計(jì)算值的4倍之多。在青海也呈現(xiàn)出類似的趨勢(shì)。在該地區(qū)進(jìn)行的浸水試驗(yàn)中實(shí)測(cè)值大約維持在計(jì)算值的1.6倍左右，與現(xiàn)行規(guī)范給出的修正系數(shù)基本吻合。而陜西等地則呈現(xiàn)出不同的趨勢(shì)，陜西地區(qū)與甘肅和青海地區(qū)不同，實(shí)測(cè)自重濕陷量均小于計(jì)算值。其中大量浸水試驗(yàn)中出現(xiàn)了自重濕陷量計(jì)算值遠(yuǎn)大于實(shí)測(cè)值的情況，導(dǎo)致兩者之比接近于0，表明這些地區(qū)實(shí)測(cè)無(wú)濕陷，但計(jì)算出存在濕陷量，這種情況在其他地區(qū)較為少見(jiàn)。這種差異可能受地質(zhì)和土層特性的影響，需要進(jìn)行更加深入的研究。

2.1.2? 不同地層的自重濕陷量結(jié)果

為了探究古土壤對(duì)室內(nèi)外試驗(yàn)差異性的影響，本文統(tǒng)計(jì)了不同地層的場(chǎng)區(qū)試驗(yàn)結(jié)果。由于不同地貌單元古土壤層數(shù)不同，根據(jù)古土壤層的數(shù)量多少，將其按照無(wú)古土壤、單層古土壤、雙層古土壤及多層古土壤進(jìn)行自重濕陷量的統(tǒng)計(jì)。其中地層相似的場(chǎng)地都展現(xiàn)出了類似的規(guī)律，在此選擇典型場(chǎng)地進(jìn)行描述，結(jié)果如圖5所示。圖5涵蓋了多個(gè)地區(qū)，從左至右分別為無(wú)古土壤層、單層古土壤、雙層古土壤和多層古土壤下濕陷量計(jì)算值和實(shí)測(cè)值隨深度的變化趨勢(shì)，圖的底部為場(chǎng)地的地層情況。從圖中不難看出，實(shí)測(cè)曲線和計(jì)算曲線的差異隨著地層中古土壤的出現(xiàn)而開(kāi)始顯現(xiàn)，且該差異隨著古土壤層的增多而逐漸增加。從圖5（a）中可明顯看出在沒(méi)有古土壤層的情況下，實(shí)測(cè)濕陷量和計(jì)算濕陷量之間的差異相對(duì)較小，兩者趨勢(shì)較為接近。而圖5（b）反映了單層古土壤時(shí)場(chǎng)地現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)及計(jì)算自重濕陷量，此類型計(jì)算濕陷量大于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)測(cè)濕陷量。兩條曲線在古土壤層出現(xiàn)之前趨勢(shì)基本一致，在古土壤層頂部，實(shí)測(cè)曲線出現(xiàn)一個(gè)明顯的拐點(diǎn)。該點(diǎn)后，古土壤層與其下部地層幾乎無(wú)濕陷量，而在計(jì)算曲線中卻有一定的濕陷量。圖5（c）反映了多層大厚度古土壤存在時(shí)場(chǎng)地現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)及計(jì)算自重濕陷量，地層中多層古土壤與黃土互層，此類型計(jì)算濕陷量大于現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)實(shí)測(cè)濕陷量，現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)實(shí)測(cè)濕陷量數(shù)值接近于0，即非自重濕陷。

2.2? 試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1? 試驗(yàn)中地層水分變化

圖6展示了不同試驗(yàn)點(diǎn)的土層垂直滲透系數(shù)以及浸水前后含水率隨深度的變化關(guān)系。其中試驗(yàn)點(diǎn)1無(wú)注水孔，在這個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)中，古土壤層的垂直滲透系數(shù)小于上部地層，而且古土壤層、中部和下部的地層土壤滲透系數(shù)一直在減小。由于古土壤層與黃土地層的交界處的垂直滲透系數(shù)較小，導(dǎo)致該界面處的含水量增幅更大。在該試驗(yàn)點(diǎn)中，0～23 m深度范圍內(nèi)的土體含水率在浸水前為17.01%～23.03％，在長(zhǎng)時(shí)間大面積浸水后，土體含水率增加了3.97%～12.38％。最大的變化出現(xiàn)在0.5～11.0 m深度范圍內(nèi)，增長(zhǎng)了7.62%～13.02％。古土壤層及下部過(guò)渡段的土體含水率增幅較小，增長(zhǎng)了3.97%～8.39％。這表明在沒(méi)有滲水孔的情況下，土壤的自重濕陷性在地層中的不同深度存在顯著差異。對(duì)于有多個(gè)注水孔的試驗(yàn)點(diǎn)2中，滲水孔的存在使得水分能夠更容易地進(jìn)入地層深部，從而導(dǎo)致了更大范圍內(nèi)的土體含水率變化。土體含水率在浸水前為14.50%～26.60％，在浸水后增加了2.13%～15.29％。古土壤層的土體含水率變化仍相對(duì)較小，其他地層的含水率變化相對(duì)一致。說(shuō)明滲水孔的存在可以改變水分的滲透路徑，導(dǎo)致更廣泛的土體含水率變化，尤其是在地層深部。

2.2.2? 試驗(yàn)中地層土壓力變化結(jié)果

將浸水試驗(yàn)中監(jiān)測(cè)的不同深度、不同地層土壓力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到了土壓力的傳遞關(guān)系，詳見(jiàn)圖7。坐標(biāo)軸原點(diǎn)為不同深度的初始土壓力，以便分析土壓力變化規(guī)律。其中，試驗(yàn)點(diǎn)1地層中含單層古土壤〔見(jiàn)圖7（a）〕，可以看到古土壤上部土層的土壓力隨著注水量的增加而逐漸增加，這表明上部土層受到了濕陷的顯著影響，可能導(dǎo)致地面沉降以及地面裂縫的形成。而古土壤中土壓力出現(xiàn)了輕微的局部增加，但之后趨于穩(wěn)定，這表明古土壤層只發(fā)生了微小的形變，并在濕陷過(guò)程中承擔(dān)了支撐作用，限制了濕陷向下傳遞的程度。下部老黃土地層的土壓力幾乎保持不變，這表明下部地層的濕陷變形相對(duì)較小，這可能是由于上部土層和古土壤層的支撐作用。土壓力變化特征與實(shí)測(cè)濕陷土層深度吻合。

試驗(yàn)點(diǎn)2含多層古土壤〔見(jiàn)圖7（b）〕，土壓力隨著深度及注水量的增大而增大，第1層古土壤由于上覆土體及注水量的增加，其結(jié)構(gòu)破壞，其土壓力隨著注水量的變化而變化，下覆Q2黃土地層也呈現(xiàn)類似的規(guī)律，但第2層古土壤處土壓力隨注水量的增大出現(xiàn)了很小的局部增大后逐漸保持不變，說(shuō)明古土壤層僅以微小的形變起作用。下覆Q2黃土地層土壓力隨著注水量的增大出現(xiàn)先增后減的變化，但是此變化幅度不大，說(shuō)明此過(guò)程是由于上部水體的下滲以及上部地層的變形所導(dǎo)致，停止注水后，Q2黃土濕陷過(guò)程結(jié)束，土壓力保持不變，上部古土壤的土壓力逐漸減小，呈現(xiàn) “卸荷回彈”趨勢(shì)。

2.2.3? 試驗(yàn)中古土壤層影響下的沉降結(jié)果

兩試驗(yàn)點(diǎn)實(shí)測(cè)的累計(jì)自重濕陷量及分層自重濕陷量的結(jié)果如圖8所示。其中，圖8（a）和圖8（b）為試驗(yàn)點(diǎn)1現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和室內(nèi)試驗(yàn)得到的自重濕陷量實(shí)測(cè)值和計(jì)算值，圖8（c）和圖8（d）為分層自重濕陷量實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比圖。其中未設(shè)置滲水孔的試驗(yàn)點(diǎn)1，在11.5～15.2 m有單層古土壤，從圖中可看出，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)曲線自重濕陷主要發(fā)生在11 m以上的Q3黃土中，古土壤及其下部地層基本上沒(méi)有發(fā)生自重濕陷，這也是實(shí)測(cè)值和計(jì)算值差異之處。因此，可以認(rèn)為在未布設(shè)滲水孔加速入滲時(shí)，古土壤起到了一定的隔水作用，阻止了水分的繼續(xù)下滲，使古土壤層及下臥黃土未產(chǎn)生濕陷，使得實(shí)測(cè)值與計(jì)算值不相符。而設(shè)置了多個(gè)滲水孔的試驗(yàn)點(diǎn)2，在10～12.4 m、20.2～22.6 m、23.5～25.2 m處都有古土壤層分布。從圖中可得，在這種古土壤與黃土交替分布的地層中，實(shí)測(cè)值與計(jì)算值差異巨大，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)曲線幾乎無(wú)自重濕陷，而計(jì)算曲線卻仍有31.4 cm的濕陷量。除此之外，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)曲線中上部土層的濕陷量并不等于下部土層濕陷沉降量之和，主要體現(xiàn)在實(shí)測(cè)曲線經(jīng)過(guò)古土壤層時(shí)會(huì)減小，導(dǎo)致古土壤層濕陷量出現(xiàn)負(fù)值。也就是說(shuō)，由于古土壤強(qiáng)度較大并未出現(xiàn)濕陷變形，或者變形量比較小，所以未把下層的濕陷量傳遞到上部地層。

2.3? 機(jī)理分析

通過(guò)上述試驗(yàn)結(jié)果可以認(rèn)為在古土壤層不存在的情況下，上部浸水試驗(yàn)通過(guò)連續(xù)注水使下覆地層逐漸飽和。地層在土壓力和后續(xù)注水作用下發(fā)生彎曲變形。由于上部土、水壓力大于下伏地層的支撐力，使地層呈條狀沉降。另外，作用在上部地層單元上的重力和壓力分量超過(guò)了土的抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致地面裂縫的形成〔見(jiàn)圖9（a）〕。

當(dāng)?shù)貙又写嬖诠磐寥缹?，但沒(méi)有有利的通道時(shí)，水從頂部向下滲入地層。上層地層經(jīng)歷下沉，然后下沉傳遞到下伏的古土壤層的頂部。雖然古土壤層具有一定的隔水作用，但水在一定程度上繼續(xù)向下滲透。在這一過(guò)程中，下層在土壤的力和水的作用下會(huì)不斷塌陷，但塌陷的量相對(duì)較小。同時(shí)，古土壤在不同的水土壓力作用下發(fā)生輕微的變形，阻礙了力的向下傳遞。其結(jié)果是，古土壤層以上的黃土完全飽和塌陷，而其以下的黃土沒(méi)有完全飽和沉降。這一現(xiàn)象解釋了為什么在某些浸水試驗(yàn)中，實(shí)測(cè)曲線在古土壤層上方出現(xiàn)拐點(diǎn)〔見(jiàn)圖9（b）〕。

當(dāng)?shù)貙又写嬖趦?yōu)勢(shì)時(shí)，水可以通過(guò)滲流孔迅速滲透到整個(gè)地層中，并在地層中分散。這些水通過(guò)這些通道從上到下、從下到上、從內(nèi)到外水平地垂直傳播。上層黃土以〔見(jiàn)圖9（a）〕所示的方式沉降到古土壤層上部。由于古土壤滲透性低，強(qiáng)度高，在上部土壓力和水壓力的作用下，古土壤層只發(fā)生輕微的變形。它起到支撐層的作用，有效地防止了力繼續(xù)向下傳遞。當(dāng)存在多層古土壤時(shí)，其性能更佳。同時(shí)，下部地層在水的作用下開(kāi)始塌陷變形，上部古土壤因變形與下部黃土層接觸，使其在一定時(shí)間內(nèi)具有相等的土壓力。下黃土沉降結(jié)束后，上層古土壤仍保持原有的變形，但不能繼續(xù)與下黃土接觸。兩者保持一定的土壓力，造成地層之間的空洞。因此，下黃土層產(chǎn)生的塌陷量不能通過(guò)古土壤層傳遞到地表，導(dǎo)致上層不能完全產(chǎn)生等于下黃土層塌陷量之和的塌陷變形。這也解釋了地層中存在多層古土壤時(shí)，實(shí)測(cè)濕陷性遠(yuǎn)小于計(jì)算值的現(xiàn)象〔見(jiàn)圖9（c）〕。

由于浸水試驗(yàn)時(shí)古土壤下部有時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定程度的空腔，這種空腔正是造成室內(nèi)外濕陷量差異的原因。為研究這種空腔的成因，在此我們先設(shè)置一定的力學(xué)模型，如圖10所示，我們先假設(shè)存在一定長(zhǎng)度的古土壤（力學(xué)中代表簡(jiǎn)支梁），抗彎剛度為EI（公式中以EEI來(lái)表示），兩端受到下部地層反力作用于A、B兩處，古土壤與下覆地層之間產(chǎn)生的濕陷區(qū)最大高度為H。

假設(shè)土體單元受上部的均布載荷q作用時(shí)，中點(diǎn)的撓度（沉降量）最大且為

W0max=5qL4384EEI（1）

當(dāng)H≥5qL4384EEI也即載荷q≤384EEIH5L4時(shí)，古土壤最多只有中點(diǎn)與下部地層接觸，此時(shí)古土壤與下部地層的接觸長(zhǎng)度為0，而古土壤下部?jī)啥说貙犹峁┑姆戳镽A=RB=qL/2。

當(dāng)＜5qL4384EEI也即載荷q＞384EEIH5L4時(shí)，古土壤將有一段與下部地層接觸，假設(shè)接觸點(diǎn)為C、D點(diǎn)，接觸長(zhǎng)度為a，根據(jù)對(duì)稱性可知C、D對(duì)稱，其到古土壤下部?jī)啥说木嚯x均為b。由于AC段受均布荷載并且兩端受集中力作用，且有條件

MC=0， WA=H（向上）（2）

同時(shí)，由MC=qb22-RAb=0，得RA=qb2。

自由端的撓度可由疊加法得

WA=RAb33EI-qb48EEI=Hb=424EEIHq（3）

于是，古土壤與下部地層接觸長(zhǎng)度為

a=L-2b=L-2424EEIHq（4）

古土壤兩端提供的反力為

RA=RB=qb2=12424EEIHq3=43EEIHq32（5）

從圖5土壓力變化曲線我們可知，古土壤層所受土壓力呈現(xiàn)先增后減的規(guī)律，

1）若qmax≤384EEIHmin5L4，即存在空腔，將致使室內(nèi)計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)濕陷量誤差很大，此時(shí)若利用室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)場(chǎng)地濕陷類別進(jìn)行修正，則結(jié)果極其不準(zhǔn)確甚至出現(xiàn)相反的結(jié)果。

2）若qmin＞384EEIHmax5L4，即不存在空腔，將致使室內(nèi)計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)濕陷量有一定的差別，此時(shí)若利用室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)場(chǎng)地濕陷類別進(jìn)行修正，則結(jié)果有一定誤差。

2.4? 公式修正

由于古土壤作用導(dǎo)致室內(nèi)計(jì)算沉降量和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)沉降量之間存有差異，在考慮到古土壤的形變以及下覆地層空腔現(xiàn)象的發(fā)生，筆者認(rèn)為若利用室內(nèi)濕陷試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行場(chǎng)地的判別時(shí)，應(yīng)該將古土壤層單獨(dú)考慮，即無(wú)古土壤層時(shí)的修正方法和有古土壤層時(shí)的修正方法。

無(wú)古土壤層時(shí)的修正方法為

Δzs=β0∑ni=1δzsihi（6）

式中：δzsi為第i層土的自重濕陷系數(shù);hi為第i層土的厚度（mm）;β0為因地區(qū)土質(zhì)而異的修正系數(shù)，具體取值詳見(jiàn)規(guī)范。

有古土壤層時(shí)的修正方法為

Δzs=β0∑ni=1δzsih1+β′0∑nj=1δzsihj+

β″0∑nj=1δzskhk（7）

式中：δzsi為第一層濕陷黃土層的自重濕陷系數(shù);δzsj為第j層古土壤層的自重濕陷系數(shù);δzsk為除第1層之外的第k層黃土層的自重濕陷系數(shù);h1為第1層濕陷黃土層的厚度（mm）;hj第j層古土壤的厚度（mm）;hk為除第1層之外的第k層黃土層的厚度（mm）;β0為因地區(qū)土質(zhì)而異的修正系數(shù)（第1層濕陷黃土層）;β′0為因地區(qū)土質(zhì)而異的修正系數(shù)（古土壤層），β′0∈［0.07，1.01］；β″0為因地區(qū)土質(zhì)而異的修正系數(shù)（除第1層濕陷黃土層外的第k層黃土層），β″0∈［0.01，0.54］。

2.4.1? 工程實(shí)例驗(yàn)證

在所有的浸水試驗(yàn)場(chǎng)地中，對(duì)于用古土壤層的多少來(lái)區(qū)分巖橋，其僅有單巖橋和多巖橋，在對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行修正時(shí)，根據(jù)上述修正公式，對(duì)該類型的場(chǎng)地室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果中各地層的土體進(jìn)行修正。從表1可以看出，古土壤的濕陷量非常小，最終濕陷量的大小取決于第1層黃土的濕陷量。利用此方法進(jìn)行修正，試驗(yàn)判定結(jié)果的準(zhǔn)確性相比未修正或整體修正結(jié)果準(zhǔn)確度較高，故此證明其應(yīng)用于工程當(dāng)中是可行的。

3? 結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同場(chǎng)區(qū)浸水試驗(yàn)結(jié)果的以及現(xiàn)場(chǎng)大型浸水試驗(yàn)中監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析主要得到以下結(jié)論。

1） 黃土高原西北部的寧夏、甘肅等地實(shí)測(cè)自重濕陷量大于計(jì)算值，而黃土高原東南部的關(guān)中地區(qū)及其他地區(qū)實(shí)測(cè)值小于計(jì)算值。在陜西一些地區(qū)，出現(xiàn)了實(shí)測(cè)值遠(yuǎn)小于計(jì)算值的情況，地層中古土壤層的存在或許是該現(xiàn)象出現(xiàn)的誘因。

2） 古土壤層垂直滲透性低，在浸水階段往往阻止水分繼續(xù)下滲，水分一定程度上水平擴(kuò)散，使得古土壤與黃土交界往往形成富水帶，使得濕陷主要發(fā)生在古土壤上覆黃土層中，因而實(shí)測(cè)濕陷量曲線的拐點(diǎn)往往出現(xiàn)于古土壤與黃土交界處。

3） 優(yōu)勢(shì)通道的存在改變水分?jǐn)U散方式，水分從上下往中間擴(kuò)散，而古土壤層的存在阻礙濕陷進(jìn)程，無(wú)法將下部黃土的濕陷量傳遞至地表，降低了對(duì)場(chǎng)地濕陷類別的判定準(zhǔn)確度。

4） 浸水試驗(yàn)時(shí)，古土壤與下覆地層之間有空腔的存在，力學(xué)模型給出了此空腔存在的條件，即空腔的大小與上部荷載和濕陷區(qū)的高度有關(guān)。最終考慮到工程應(yīng)用，完善了現(xiàn)行規(guī)范中未考慮古土壤層的不足，并將其進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)此方法可以有效的減小因古土壤作用而產(chǎn)生的誤差。

該研究成果能完善以前針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)古土壤作用機(jī)制的解釋，擴(kuò)充該領(lǐng)域的理論成果。

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