一種評價黃土及黃土地基濕陷敏感性的新方法

宋獻華

(西部建筑抗震勘察設計研究院，陜西西安 710054)

0 引言

目前，我國工程界對黃土濕陷性的評價僅僅是依據濕陷量的大小，并以此提出治理建議和措施。但由于黃土濕陷的復雜性致使有些工程在同樣濕陷等級的情況下，產生了不一樣的濕陷后果，甚至有的濕陷等級低的場地反而比濕陷等級高的場地危害性更大[1]。究其原因，這都是因為黃土在浸水以后開始發生濕陷的時間以及濕陷速率不同所造成的。很明顯，浸水后很快濕陷且濕陷速率大的黃土，其濕陷敏感性較強，勢必會造成更大的濕陷危害。因此，在現有濕陷性評價的基礎上，再引入濕陷敏感性的判定和評價是很有實際意義的。

幾十年來，很多學者對黃土濕陷敏感性的問題作了很多研究和論述，到目前為止在工程實際中如何對濕陷敏感性進行定量的分析、評價還沒形成統一的意見和標準。

由于黃土特定的物質組成和結構構造，其在力和水的作用下所表現出的濕陷是一個復雜的變形過程，從工程角度研究這個變形敏感性的問題，應該力求方法簡便、易于操作、符合實際。基于這種想法，本文在前人研究成果的基礎上，結合工程實踐，在不增加試驗工作量的前提下，對黃土濕陷敏感性以及黃土地基濕陷敏感性的判別和評價作了一些新的嘗試和探討，以資對工程有益。

1 黃土濕陷的敏感性

1.1 黃土濕陷敏感性的工程涵義

黃土濕陷的敏感性，是指具有一定初始含水量的濕陷性黃土在一定力的作用下，受水浸濕發生濕陷的難易程度及濕陷發展的快慢[2]，實質上也反映了黃土遇水發生濕陷的可能性及其濕陷發展的可能性[3]。這里所說的濕陷性黃土包括自重和非自重濕陷性黃土，力包括自重應力和外荷，也就是說不論是自重還是非自重濕陷性黃土，只要發生濕陷，就具有濕陷敏感性的問題，也就具有評價其濕陷敏感性的工程意義。

通常認為，黃土濕陷發生的可能性越大、發生的越容易、速度越快，其濕陷敏感性越強；從另一個角度說，黃土濕陷發展的可能性越大、濕陷發展的空間越大，發生的濕陷量越大，也就說明其濕陷的敏感性越強。

1.2 黃土濕陷敏感性的評價指標

對黃土本身而言，濕陷敏感性是濕陷性黃土的固有屬性，也就是說在特定應力空間和濕度空間內的某一黃土，其濕陷敏感性是一定的。為了更好地描述黃土濕陷敏感性的強弱，把黃土的濕陷敏感性用敏感度來定量表示。

眾所周知，黃土的濕陷敏感性與很多因素有關，諸如：黃土的物質組成、架構關系、應力大小、初始濕度及受水浸濕時浸入的水量等。據此，從工程角度出發，通過大量實踐經驗把黃土的濕陷敏感度定義為：

式中：M為濕陷敏感度(無量綱參數)，M值越大說明濕陷敏感性越強，M值越小說明濕陷敏感性越弱；wsat為飽和含水量，%；w0為初始含水量，%；Psh為濕陷起始壓力，kPa。

對組成公式(1)的各指標作如下幾點分析：

(1)Psh為濕陷起始壓力，也是黃土受水浸濕后的殘余結構強度，在一定程度上表征了土樣濕陷時所處應力空間的特征。Psh越低，說明越容易產生濕陷，Psh越高，說明產生濕陷的難度越大。因此，Psh反映了黃土發生濕陷難易程度。對于非濕陷性黃土來說，可認為Psh趨于無窮大，因此非濕陷性黃土的濕陷敏感度M也就趨于零。

(2)w0是黃土的初始含水量，也就是土的天然含水量，它表征了土樣所在初始濕度空間的濕度特征。

(3)wsat為飽和含水量，即黃土孔隙內全部充滿水時的含水量(wsat=e/Gs，式中：e為初始孔隙比，相當于土的天然孔隙比，表征了黃土濕陷的可利用空間；Gs為土顆粒的比重，在一定程度上表征了黃土的物質組成特性)。從wsat的表達式可以看出，wsat不僅反應了黃土所具有的最大含水量，同時也反映了黃土孔隙特性和黃土顆粒的物質組成特性。

(4)wsat-w0表現了黃土在具有初始含水量(w0)的前提下浸水時，還能夠再接收的最大水量，在這里稱之為儲水含水量，也就是黃土浸水時所能浸入的最大水量。在w0=wsat的情況下，即儲水含水量為零，說明黃土在浸水之前已經達到了飽和狀態，成為了飽和黃土，此時黃土也就不會產生濕陷，也就無所謂濕陷敏感性了(即M=0)；反之，如果wsat-w0的差值越大，說明黃土發生濕陷及濕陷發展的可能性也就越大，此時濕陷的敏感度也就越大。因此儲水含水量在一定程度上表征了黃土的物質、孔隙和含水特性，為黃土產生濕陷及濕陷發展提供了前提條件，是一個反應濕陷敏感性的較為理想的工程指標。

綜上所述，公式(1)雖然是一個經驗公式，但具有較為明確的物理涵義。同時這些指標均通過常規的室內土工試驗即可得到，方法簡單方便，具有良好的工程應用前景。

2 黃土濕陷敏感性的評價方法

2.1 敏感性分級、評價標準及處置措施

我國濕陷性黃土的分布幅員遼闊，黃土的濕陷也具有復雜性和多變性。鑒于此，依據大量的工程經驗和數據，經過統計和對比分析，根據敏感度M把黃土濕陷的敏感性分為五級，即不敏感、弱敏感、中等敏感、強敏感和極強敏感。具體劃分標準及相應的處置措施如表1所示。

表1 濕陷敏感性的劃分等級、標準及處置措施

2.2 評價結果的分析驗證

為了驗證評價結果的可靠性，選用了不同區域以及同一區域不同地貌單元、不同年代成因的黃土進行了敏感性的計算分析，效果良好。

2.2.1 全國典型地區評價結果的對比分析

就全國區域內分布的黃土來看，隴西(蘭州)、陜北(延安)、關中(西安)、河南(鄭州)等地區的濕陷性黃土具有很好的代表性，根據其相關資料[4]，把濕陷敏感度M的計算值列于表2。

表2 不同地區黃土濕陷敏感度的指標

從表2可以看出：從蘭州、延安、西安再到鄭州，其飽和含水量wsat有逐漸降低的趨勢，初始含水量w0有逐漸升高的趨勢，濕陷起始壓力Psh也明顯有由小變大的趨勢，因此，計算的濕陷敏感度M值有由大變小的趨勢。

根據表2的敏感度數據，按表3的標準判定：蘭州地區黃土的濕陷敏感性應多為強敏感—極強敏感，延安地區黃土的濕陷敏感性應多為中等偏強敏感，西安地區黃土的濕陷敏感性應多為中等偏弱敏感，鄭州地區黃土的濕陷敏感性應多為弱敏感。

這一結果也與從蘭州、延安到西安再到鄭州其濕陷敏感性逐漸降低的總趨勢是一致的[5]。

2.2.2 西安地區典型地層評價結果的對比分析

根據西安地區若干工程項目典型地層的試驗資料，分析評價了不同地貌單元、不同年代成因黃土的濕陷敏感性問題。主要數據及濕陷敏感度的計算結果見表3。

表3 西安地區黃土的濕陷敏感度及相關指標

分析表3數據可知：

(1)全新世新近堆積黃土具有強濕陷敏感性，全新世黃土狀土具有中等濕陷敏感性，晚更新世黃土具有中等偏高濕陷敏感性，晚更新世古土壤具有弱濕陷敏感性，中更新世黃土具有弱濕陷敏感性。

(2)新黃土的濕陷敏感性高于老黃土，風成黃土的濕陷敏感性高于水成黃土。雖然晚更新世古土壤和中更新世黃土同具有弱濕陷敏感性，但中更新世黃土的敏感度明顯高于晚更新世古土壤，這說明中更新世黃土的濕陷敏感性比晚更新世古土壤要強，這一點也與古土壤的特殊工程性狀是吻合的。

(3)根據黃土規范[5]用濕陷系數判定的濕陷程度和用敏感度判定的濕陷敏感性也具有很好的一致性。土的濕陷程度越高，其濕陷敏感性越強。對于輕微濕陷程度的土，一般具有弱濕陷敏感性；對于中等濕陷程度的土，一般具有中等至強濕陷敏感性；對于強烈濕陷程度的土，一般具有極強濕陷敏感性。

情景式教學在各個學科中都有運用，設置情景教學能讓學生在學習數學的過程中發散學生的思維。數學是一門需要學生不斷思考的學科，知識源于生活用于生活，所以學生學習知識應該將自己置身于情景中。比如在講解觀察物體和長方體正方體面積與體積計算的部分，筆者都會向學生展示模型。讓學生能夠借助模型更好地建立空間思維，可以說，數學非常需要設置情景來進行教學。并且小學數學教育中培養學生核心素養需要提高思維能力。

因此，從宏觀到細節，這些判定結論與土的各項工程性質和結構特征是相一致的，與各土層濕陷的工程經驗也是相吻合的。

2.2.3 評價結果與濕陷性試驗曲線的對比分析

試驗選取了西安某地不同含水量的三個試樣，做了室內濕陷性試驗，試驗中讀取了土樣浸水以后5 min、30 min、1 h等直至穩定的濕陷下沉量。各土樣的主要試驗數據見表4，浸水以后濕陷下沉量(s)隨時間(t)的變化關系如圖1所示。

表4 各土樣的主要試驗數據

圖1 濕陷試驗s-t的關系曲線

從圖1可見，各土樣在浸水后5～30 min之間的下沉速率最大，這一時間段的變形特征是土樣濕陷敏感性的直觀反映，很明顯：土樣3的濕陷敏感性最強，土樣1的濕陷敏感性最弱，土樣2居中。再根據表4的數據，經過計算，土樣1～3的濕陷敏感度分別為0.087、0.150、0.486。可見，土樣3為強敏感，土樣1和2同為弱敏感。雖然土樣1和2為同為弱敏感，但土樣2的濕陷敏感度又明顯高于土樣1，這和圖1中各曲線的變形特征也是一致的。這也從一個方面說明了評價結果的準確性。

3 黃土地基濕陷敏感性的評價方法

在黃土地基中，各層黃土的濕陷敏感性在不同深度有著不同的變化，同時隨著深度的增加，使土體浸水飽和產生濕陷的難度也在增加[6]，因此，即使地基深部某一土層的濕陷敏感性較強，它對整個地基濕陷敏感性的貢獻也是有限的。另外，在濕陷性土層中一般還夾雜有非濕陷性土層，由于這種非濕陷性土層的存在，也會大幅度減低整個地基的濕陷敏感性。可見，黃土地基的濕陷敏感性比黃土的濕陷敏感性還要復雜，它不僅與土性、應力大小、初始濕度等有關，還與地層滲透性的強弱、滲透路徑的長短以及地基土層的組合形態等有關[1]。

在考慮上述情況的前提下，在黃土濕陷敏感度計算的基礎上，結合工程經驗給出了黃土地基濕陷敏感度的計算方法，從而把黃土地基的濕陷敏感度作為黃土地基濕陷敏感性的評價指標。

黃土地基濕陷敏感度(Md)的計算公式定義為：

式中：Md為黃土地基的濕陷敏感度(無量綱參數)，Md值越大說明黃土地基的濕陷敏感性越強，Md值越小說明黃土地基的濕陷敏感性越弱；Mi為評價深度范圍內第i個土樣的濕陷敏感度，用公式(1)計算；Wi為評價深度范圍內第i個土樣的層位函數，Wi的數學表達式定義為：

評價深度范圍定義為：從基礎底面開始向下至非濕陷性土層頂面(或地基壓縮層深度底面)止。其中的非濕陷性土層(即δs＜0.015的土樣所代表的土層)其濕陷敏感度取0計入。

可見，黃土地基的濕陷敏感度Md，就是黃土地基評價范圍內各土樣的濕陷敏感度Mi對各土樣層位函數Wi的加權平均值。Wi的值越大，說明該土樣的濕陷敏感性對整個地基濕陷敏感性的貢獻越大。

從層位函數Wi的定義可知，第i個土樣所代表的土層厚度di越大，其層位函數Wi的值越大，說明該土樣的濕陷敏感性對整個地基濕陷敏感性的貢獻越大；第i個土樣的取土深度hi值越大(也就是說土樣埋置越深)，其層位函數Wi的值越小，說明該土樣的濕陷敏感性對整個地基濕陷敏感性的貢獻越小。這也更好的說明了處于地基深部的濕陷性土層，盡管其具有較強的濕陷性，但由于其浸水滲透的路徑較長、受水浸濕的可能性較小等因素，實際上其對地基濕陷敏感性的貢獻則是很小的。

與黃土濕陷的敏感性一樣，根據黃土地基的濕陷敏感度Md把黃土地基濕陷的敏感性也分為五級，即不敏感、弱敏感、中等敏感、強敏感和極強敏感。具體劃分標準、處置措施等同表1。

同樣，當地基的敏感度為0時，為不敏感的非濕陷性黃土地基，不需要進行地基的濕陷性處理；當地基的濕陷敏感性為弱敏感時，這種地基發生濕陷較困難，濕陷速度緩慢，很少造成濕陷事故，可根據情況選擇性的對其進行濕陷性處理；當地基的濕陷敏感性為中等敏感時，這種地基發生濕陷的難易及濕陷速度均為一般，有濕陷事故發生，應該對其進行濕陷性處理；當地基的濕陷敏感性為強時，這種地基容易發生濕陷，濕陷速度快，容易造成濕陷事故，必須對其進行濕陷性處理；當地基的濕陷敏感性為極強時，這種地基極容易發生濕陷，濕陷速度極快，極容易造成濕陷事故，必須嚴格對其進行濕陷性處理。

4 工程應用實例及結果分析

為了更好地說明黃土濕陷敏感性及黃土地基濕陷敏感性的評價方法及應用，選取了西安南郊黃土塬上某項目的一個典型的勘探點資料(該勘探點上部10 m為探井，10 m以下為鉆孔)，以此作為實例進行分析說明。(見表5)

表5 各深度處土試樣的濕陷敏感度及主要數據指標

4.1 黃土濕陷敏感性的評價分析

按表5數據對各層黃土的濕陷敏感性評價如下：

(1)②層黃土，濕陷敏感度的平均值為0.389，整體上具有強濕陷敏感性，容易造成濕陷事故，該層土必須進行濕陷性處理。再進一步分析：3.5 m以上土樣的濕陷敏感度均大于0.5，具有極強濕陷敏感性，這部分土層極易造成濕陷事故，是必須嚴格進行消除濕陷處理的部分；3.5～5.5 m深度內具有中等濕陷敏感性，是應該進行消除濕陷處理的部分；5.5～8.0 m深度內具有弱濕陷敏感性，是可以選擇性進行消除濕陷處理的部分。

(2)③層古土壤，除局部土樣不具有濕陷性外(如10 m處土樣δs=0.005，該土樣相應的敏感度M=0)，其余各土樣的濕陷敏感性均為弱敏感。該層土濕陷敏感度的平均值(含M=0的數據)為0.054，整體評價該層土具有弱濕陷敏感性，很少造成濕陷事故。可以根據工程的實際情況，對其濕陷性進行選擇性處理。

(3)④層黃土，各土樣均屬于弱濕陷敏感性，且從上至下濕陷敏感性逐漸降低。該層土濕陷敏感度的平均值為0.067，整體上具有弱濕陷敏感性，很少造成濕陷事故。可以根據工程的實際情況，對其濕陷性進行選擇性處理。

(4)③層古土壤和④層黃土雖然同具有弱濕陷敏感性，但④層黃土比③層古土壤的濕陷敏感度明顯偏高，因此④層黃土比③層古土壤的濕陷危害性應該更大。

從上可知，在地基處理時，利用濕陷敏感度可以更方便、更有效地找準對地基危害性較大的濕陷性土層，以便準確抓住問題的關鍵。同時再結合建筑物的實際情況，就可以更合理地確定地基濕陷性的處理方案。

4.2 黃土地基濕陷敏感性的評價分析

按照黃土規范[5]的評價方法，該場地計算的自重濕陷量ΔZS為326 mm，為自重濕陷性黃土場地；對于黃土丙類建筑，當基礎埋深為1.5 m時，地基濕陷量ΔS的計算值為780 mm，地基濕陷等級為Ⅲ級(嚴重)。從這些濕陷量的概念來看，地基的濕陷性是比較嚴重的。再縱觀場地內各土層的濕陷敏感度，其差異性也較大，從上到下黃土的濕陷敏感性表現為極強敏感到弱敏感，其間還夾雜有非濕陷性的土層，種種情況錯綜復雜，到底整個地基的濕陷敏感性會怎樣呢？下面進行分析說明。

根據評價范圍(1.5～25 m)內的17組敏感度數據，按照公式(2)計算的地基敏感度Md為0.266，根據表3的標準判定：該地基的濕陷敏感性屬于中等，即該地基發生濕陷的難易程度和濕陷速度處于一般狀態，有發生濕陷事故的可能，該地基應該進行濕陷性處理。

從地基的濕陷等級和地基的濕陷敏感度性上來看，該地基都需要進行濕陷性處理，下面再進一步分析具體的處理方法。

根據黃土規范[5]要求：對于丙類建筑，地基為Ⅲ級(嚴重)時，消除濕陷性的地基處理深度應至15 m。這個處理深度剛好要穿透地基性能較好的③層古土壤，而達到④層黃土的中上部。根據當地的工程經驗，這樣的處理結果偏于保守，雖然符合規范要求，但不理想。

而根據地基濕陷敏感性為“中等”這一判定結果可知，該地基也是應該進行濕陷性處理的，但怎么處理呢？結合前面對各層黃土濕陷敏感性的分析，綜合考慮其他各種因素后認為：②層黃土具有強濕陷敏感性，是必須進行消除濕陷性的土層，其下伏的③層古土壤等各層，均為弱濕陷敏感性，可以選擇性的進行處理。因此，對該丙類建筑物來講，將該地基的濕陷性處理至③層古土壤的頂部，即可滿足工程的需要，此時處理深度為8 m。甚至根據建筑物的具體情況，還可以把②層黃土下部5.50～8.00 m范圍內屬于濕陷弱敏感性的土層再酌情放松處理。

根據黃土規范[5]確定的處理方法與根據地基濕陷敏感性確定的處理方法相比，后者可以減少相當多的工作量。近年來，西安地區與之相類似條件的項目，很多作了這樣的處理，既節省了大量的地基處理費用，也減少了工期。雖然不符合目前技術標準的要求，但從這些建筑物多年來的使用情況看，效果很好。

5 結語

黃土濕陷敏感性的問題歷來備受學者關注，研究點也各有所異，本文從工程角度出發，在不增加試驗工作量的基礎上，提出了黃土濕陷及黃土地基濕陷敏感性的判定方法，經過工程實際應用，效果良好。具體可以得出如下結論：

(1)明確了黃土濕陷敏感性的涵義；提出了一種新的黃土及黃土地基濕陷敏感性的評價方法，并給出了相應的評價標準和地基處置措施。

(2)在地基濕陷敏感度的計算中，采用了層位函數(Wi)這一新的概念，使地基濕陷敏感性的判定結果更趨于接近實際。

(3)新提出的黃土以及黃土地基濕陷敏感性的評價方法，是對濕陷性敏感性評價的一種嘗試，也是對黃土濕陷性評價的一種補充。事實證明，該方法能較好地反映出地基的實際濕陷狀況，對地基濕陷危害性的認識和處理都有一定的指導作用。雖然如此，仍需在以后的工程實踐中得到進一步的完善和改進。