鄭西高速鐵路豫西段黃土現(xiàn)場浸水 自重濕陷特征研究

武小鵬 ，熊治文，王小軍，屈耀輝

（1.蘭州大學 土木工程與力學學院，蘭州 730000；2.中鐵西北科學研究院有限公司，蘭州 730000；3.浙江大學 寧波理工學院，寧波 315100）

1 引 言

新建鄭西高速鐵路全長484.518 km，沿線濕陷性黃土分布廣泛，約占全線總長的65%[1]。客運專線建設對濕陷性黃土區(qū)鐵路工程技術提出了更高的要求，如何針對濕陷性黃土的特殊工程性質(zhì)采取可靠的工程措施，以確保基礎工程的安全穩(wěn)定，是濕陷性黃土地區(qū)客運專線建設必須解決的技術難題[2]。我國以往對黃土的研究重點多集中在關中以西，如隴西黃土等性質(zhì)典型的地域。對鄭西高速鐵路沿 線，尤其是陜西華縣以東的臺塬和大型河流高階地的黃土研究資料比較欠缺，這一區(qū)域很少進行現(xiàn)場試坑浸水試驗，因此，對黃土浸水后的變形性質(zhì)等參數(shù)缺乏現(xiàn)場試驗研究資料。當?shù)亟ㄖ扒皫啄晷藿ǖ母咚俟返裙こ讨袑S土的一些關鍵設計參數(shù)大都根據(jù)經(jīng)驗取用[1]。為此在鄭西高速鐵路建設前，中鐵西北科學研究院等單位在鄭西高速鐵路沿線典型黃土場地共進行了9個現(xiàn)場試坑浸水試驗。本文選取其中位于河南省靈寶縣境內(nèi)的DK315+650試驗場的試驗資料，研究自重濕陷性黃土場地浸水后的變形特征。

2 試驗工程簡介

2.1 試驗場地的巖土工程條件

根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》（GB50025－2004）[3]，該試驗場地位于中國濕陷性黃土工程地質(zhì)分區(qū)中的Ⅲ區(qū)，即“關中地區(qū)”，在缺乏實測資料時0β （因地區(qū)土質(zhì)而異）取0.90[3]。場地高程為361 m，地勢平坦，地形開闊，地貌單元為渭河Ⅱ級階地，地下水位埋深大于22 m。根據(jù)探井資料，該試驗場地22 m 深度范圍內(nèi)，地層主要為Q3砂質(zhì)黃土，14 m 以下夾有薄層粉砂和中粗砂，22 m 深度范圍內(nèi)由上往下地層情況見表1。

表1 試驗場地地層情況 Table 1 Strata conditions of test site

2.2 試驗設計

依據(jù)探井試驗資料，該試驗場地自重濕陷性黃土下限深度為19 m，因此，試坑設計為直徑20 m的圓形。共布設測點78 個，其中試坑內(nèi)地表設淺標點16 個，試坑外地表設淺標點30 個；試坑內(nèi)設深標點32 個，最深的深標點設至22 m。在試坑內(nèi)均勻布設4 個滲水孔，深度為20 m。測點及滲水孔的平面布置詳見圖1。

試驗從開始浸水至停止共持續(xù)觀測81 d，其中浸水71 d，停水后觀測10 d。試驗過程中每天均對深、淺標點采用DL-111C 型電子水準儀進行觀測，觀測精度達到±0.1 mm。試驗停止浸水條件和沉降穩(wěn)定標準根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》（GB50025－2004）[3]的有關規(guī)定進行。

圖1 試坑平面圖 Fig.1 Plan of test pit

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 地表沉降特征分析

圖2 是試坑內(nèi)外典型標點地表單位時間（d）沉降曲線，其中Z0 位于試坑中心，C6 位于試坑外距試坑邊緣0.5 m 處；圖3 是地表累計沉降量隨時間變化曲線，表2 列出了試坑浸水試驗的總體情況。

由圖2、3 和表2 可知：

（1）浸水期間標點沉降可分為以下幾個階段：初期平緩段，沉降速度（單位時間沉降）較小，累計沉降曲線較平緩，這個過程大約歷時1 d；陡降段，從浸水第2 d 開始，沉降速率逐漸加劇，累計沉降曲線斜率較大，到第5 d 每天沉降量達到最大值 6.92 cm；過渡段，沉降速率減緩，單位時間沉降曲線上出現(xiàn)拐點，累計沉降曲線曲率變大，這個過程持續(xù)大約20 d；中期平緩段，沉降速度小且較穩(wěn)定，累計沉降曲線較平緩，這個過程持續(xù)時間最長，約占整個浸水時間的2/3。總而言之，黃土場地濕陷變形呈現(xiàn)出慢-快-慢-穩(wěn)定的特點，與文獻[4、5]所述的沉降特征基本一致，但各階段的持續(xù)時間因場地的不同而不同。反映了浸水后黃土原有結(jié)構(gòu)的逐漸破壞和強度的逐漸喪失，濕陷后新結(jié)構(gòu)的逐漸形成和強度逐漸增長的過程。

（2）停止浸水后由于孔隙水的消散而導致坑內(nèi)淺標點每天沉降量有所增大，但增幅不明顯，停水后累計下沉量只占總下沉量的1%，這與該場地特殊的地層情況有關。

（3）無論是沉降速率還是累計沉降量，坑內(nèi)標點均大于坑外，反映出試坑浸水中邊界效應對沉降的影響十分明顯。

（4）該場地自重濕陷量的實測值為54.91 cm，而計算值為42.2 cm（不乘因地區(qū)土質(zhì)而異的修正系數(shù)0β ），實測值大于計算值，兩者的比值0β′為1.30，大于規(guī)范規(guī)定的0.9。說明用室內(nèi)試驗結(jié)果計算黃土的濕陷量存在一定的局限性，也說明該地區(qū)黃土的濕陷程度比以往的認識更為嚴重。

圖4 為典型觀測點沉降完成百分比與浸水時間 的關系。從圖4 可知，在浸水10 d 時完成總沉降量的約60%，浸水32 d 時完成總沉降量的約90%，停水后的附加濕陷量很小，占總沉降量的1%。

試坑浸水試驗總體情況見表2。

圖2 地表單天濕陷量隨時間變化曲線 Fig.2 Relationships between single-day collapse and duration of immersion for ground

圖3 地表累計濕陷量隨時間變化曲線 Fig.3 Relationships between cumulative collapse and duration of immersion for ground

圖4 沉降完成百分比與浸水時間關系曲線 Fig.4 Relationships between percentage of settlement and duration of immersion

表2 浸水試驗總體情況表 Table 2 Overall list of immersion test

3.2 深部沉降特征分析

對于高速鐵路等需要進行地基處理的工程而言，對于自重濕陷性黃土場地，不但要評價其濕陷等級，更要查清自重濕陷性土層的下限深度，為地基處理提供依據(jù)。圖5 是該試驗場地累計自重濕陷量隨時間和深度變化曲線。從圖5 可知：

（1）與地表濕陷變形一樣，深部黃土濕陷變形速率也呈現(xiàn)出慢-快-慢-穩(wěn)定的特點；

（2）自重濕陷性黃土確實存在一個確定的自重濕陷下限深度。當浸水使該深度產(chǎn)生自重濕陷后，繼續(xù)浸水，雖然該深度以上各土層自重濕陷量逐漸加大，但該下限深度都不再向下發(fā)展。本試驗場地浸水開始后的第11 d，在16 m 已產(chǎn)生自重濕陷，隨著時間的推移，該深度以上的各土層自重濕陷量逐漸加大，直到第67 d 達到濕陷穩(wěn)定，而16 m 以下土層在以后的浸水期間，始終沒有產(chǎn)生自重濕陷。因此，可充分說明自重濕陷性土層的下限深度就是16 m。

（3）該場地自重濕陷性土層下限深度室內(nèi)試驗值為19 m，而現(xiàn)場實測值為16 m，前者是后者的1.2 倍。

（4）自重濕陷性黃土深部濕陷要經(jīng)歷一個發(fā)展演變過程。浸水后淺部土層首先發(fā)生自重濕陷，隨著浸水時間的延長，濕陷深度才逐漸向深部發(fā)展。一般在浸水10 d左右自重濕陷性土層下限深度處開始產(chǎn)生濕陷變形，在隨后的浸水期間自重濕陷土層范圍內(nèi)各土層累計自重濕陷量逐漸加大，但隨時間的推移濕陷速率在逐步減小直至濕陷變形結(jié)束。這說明黃土濕陷雖說有突發(fā)的特點，但從浸水到濕陷 土層下限處產(chǎn)生濕陷變形，還是有個發(fā)展過程。從工程上講，應盡量消除在線路附近形成積水的條件，一旦有了積水，應立即采取排除措施對減小危害是很有作用的。

3.3 浸水水平向影響范圍分析

鐵路等建筑物周圍積水是經(jīng)常遇到的，黃土浸水后對鐵路工程的危害是個十分突出的問題。因此，準確判斷黃土場地浸水后水平向影響范圍，進而指導防排水措施的設置就顯得十分重要。下面探討浸水的水平向影響范圍。圖6 為試驗場地地表沉降形態(tài)過程曲線，表3 為浸水后場地裂縫形態(tài)特征表，表4 為試坑浸水水平向影響范圍匯總表。

圖5 累計自重濕陷量隨時間和深度變化曲線 Fig.5 Change curves of collapse under overburden pressure with time and depth

圖6 試驗場地地表沉降形態(tài)過程曲線 Fig.6 Developing processes of settlements for test site

表4 試坑浸水水平向影響范圍表 Table 4 Collapsible horizontal distance of the immersion

根據(jù)圖6、表3、4 可知，（1）浸水后的濕陷變形范圍基本為距試坑邊緣20 m，約等于試坑的直徑，相當于實測自重濕陷性黃土下限深度的1.3 倍；（2）坑邊外的變形裂縫，以同心圓狀隨浸水時間延長而擴大，縫距愈向試坑邊緣處愈密，縫寬、斷差及深度也是近坑處最大；（3）通過對浸水前后含水率的對比可知，浸水時土中的浸潤線與豎向成48°角向深層延伸，浸潤范圍大于30 m。總體而言，浸潤范圍＞濕陷變形范圍＞裂縫發(fā)生范圍，即浸濕范圍、濕陷變形范圍和裂縫發(fā)生范圍3 個指標存在前者控制后者的關系，即當浸濕達到一定程度后才發(fā)生濕陷變形，變形發(fā)展到一定程度后才能產(chǎn)生裂縫。通過以上浸水水平向影響范圍的試驗結(jié)果，建議在鄭西高速鐵路沿線此類黃土場地，線路兩側(cè) 20 m范圍內(nèi)不能積水。

4 結(jié) 論

（1）該場地的濕陷等級為Ⅳ級自重濕陷，浸水后1 d 即開始發(fā)生自重濕陷，浸水過程中濕陷速率均呈現(xiàn)出慢-快-慢-穩(wěn)定的特點，在浸水10 d 后已完成總沉降量的60%，浸水30 d 時完成總沉降量的約90%，停水后的附加濕陷量很小，只占總沉降量的1%。無論是濕陷速率還是濕陷量，坑內(nèi)標點均大于坑外，反映出邊界效應對沉降的影響十分明顯。

（2）該場地自重濕陷量的實測值為54.91 cm，而計算值為42.2 cm（不乘因地區(qū)土質(zhì)而異的修正系數(shù)0β ），實測值大于計算值，兩者的比值0β 為1.30，大于規(guī)范規(guī)定的0.9。說明場地自重濕陷量的實測值 并不總是小于計算值，也說明該地區(qū)黃土的濕陷程度比以往的認識更為嚴重。

（3）浸水時場地的深部濕陷是隨著浸水時間的延長而逐漸發(fā)生的，一般在浸水10 d 左右自重濕陷性土層下限深度處開始產(chǎn)生濕陷變形。在隨后的浸水期間，雖然場地自重濕陷量逐漸加大，但下限深度卻不再向下發(fā)展，一直保持在16 m 左右，其值是確定不變的。該場地自重濕陷性土層下限深度室內(nèi)試驗值是19 m，而現(xiàn)場實測值是16 m，前者是后者的1.2 倍。

（4）在浸水水平向影響范圍方面，浸潤范圍＞ 濕陷變形范圍＞裂縫發(fā)生范圍，通過綜合判定，該試驗場地浸水后的濕陷變形范圍為距試坑邊緣 20 m，與試坑的直徑相當，相當于實測自重濕陷性黃土下限深度的1.3 倍。因此，建議在鄭西高速鐵路沿線此類黃土場地，線路兩側(cè)20 m 范圍內(nèi)不能積水。

（5）無論是自重濕陷量還是自重濕陷性土層下限深度，其室內(nèi)試驗計算值與現(xiàn)場浸水試驗實測值均存在較為明顯的差異，說明單純依靠室內(nèi)試驗結(jié)果去評價黃土的濕陷等級和自重濕陷性土層下限深度還存在一定的局限性。

[1] 王小軍， 熊治文， 武小鵬， 等. 新建鐵路鄭州至西安客運專線濕陷性黃土地基工程特性及設計參數(shù)研究[R].蘭州： 中鐵西北科學研究院有限公司， 等. 2009.

[2] 錢征宇. 濕陷性黃土地區(qū)鐵路的主要技術問題及其工程措施[J]. 中國鐵路， 2006， (2)： 28－32. QIAN Zheng-yu. Main technical problems and engineering measures of railway in collapsible loess area[J]. Chinese Railways， 2006， (2)： 28－32.

[3] 中華人民共和國國家標準. GB50025－2004 濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范[S]. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社， 2004.

[4] 黃雪峰， 陳正漢， 哈雙， 等. 大厚度自重濕陷性黃土場地濕陷變形特征的大型現(xiàn)場浸水試驗研究[J]. 巖土工程學報， 2006， 28(3)： 382－388. HUANG Xue-feng， CHEN Zheng-han， HA Shuang， et al. Large area field immersion tests on characteristics of deformation of self weight collapse loess under overburden pressure[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2006， 28(3)： 382－388.

[5] 錢鴻縉， 涂光祉. 關中地區(qū)黃土的濕陷變形[J]. 工業(yè)建筑， 1996， (7)： 40－51. QIAN Hong-jin， TU Guang-zhi. Experimental study on collapsible deformation of loess foundation in Guanzhong region， Shaanxi[J]. Industrial Construction， 1996， (7)： 40－51.