安哥拉紅砂現場試坑浸水試驗研究

喬建偉 劉爭宏 夏玉云 王冉 唐立軍

摘要：為準確評價安哥拉紅砂場地的自重濕陷特征，開展現場試坑浸水試驗，對地表及不同深度地層變形、水分入滲規律和浸水前后標貫擊數進行監測與研究，并對現場試驗與室內試驗結果差異性進行探討。結果表明：浸水后紅砂地基表現為持續抬升，變形曲線可分為陡升、緩升、不穩定和趨于穩定4個階段;深度8 m以上紅砂地層為濕陷沉降變形，累計沉降量為5.6 mm，遠小于室內試驗計算的自重濕陷沉降量137 mm;紅砂豎向滲透速率和水平滲透速率均較大，浸水和停水后紅砂含水率變化較快，紅砂持水性較差，浸水過程中紅砂地層的飽和度小于80%，為非飽和滲透;浸水后紅砂地層標貫擊數顯著降低，具有顯著的軟化特性。紅砂較大的滲透系數和較差的持水性導致紅砂很難達到飽和狀態，是自重濕陷沉降量實測值遠小于計算值的因素之一，一般工程建設中建議可不考慮紅砂地基的濕陷特性，而將其按軟化特性進行設計。研究結果不僅可指導紅砂場地未來工程建設，還可為其他砂土濕陷性評價提供借鑒。

關鍵詞：紅砂; 試坑浸水; 滲透特性; 濕陷性; 軟化性

中圖分類號：P642；TU443????? 文獻標志碼：A?? 文章編號： 1000-0844（2024）03-0521-08

DOI：10.20000/j.1000-0844.20220915002

Field immersion test on the Angora red sand

QIAO Jianwei1，2，3， LIU Zhenghong1，3，4， XIA Yuyung1，3， WANG Ran1，3， TANG Lijun1，3

（1. China Jikan Research Institute of Engineering Investigations and Design， Co.， Ltd.， Xi'an 710043， Shaanxi， China;

2. Field Scientific Observation and Research Station of Ground Fissure and Land Subsidence in Xi'an of Shaanxi，

Ministry of Natural Resources， Xi'an 710054， Shaanxi， China;

3. Shaanxi Key Laboratory for the Property and Treatment of Special Soil and Rock， Xi'an 710043， Shaanxi， China;

4. Department of Geological Engineering， Chang'an University， Xi'an 710054， Shaanxi， China）

Abstract：?To accurately evaluate the self-weight collapsibility characteristics of the Angola red sand site， a field immersion test for monitoring and studying the deformation of ground surface and strata at different depths and water migration regularity was conducted. The standard penetration test （SPT） blow counts before and after immersion were determined， and the difference between the results field and indoor tests was discussed. Results indicate that after immersion， the ground surface of red sand shows continuous uplift deformation. The deformation curve can be divided into four stages： steep rise， slow rise， unstable， and stable. The red sand stratum with a depth of more than 8 m shows collapsible settlement deformation， with a cumulative collapsible settlement of 5.6 mm， which is far lower than the self-weight collapsible settlement calculated by the indoor test （137 mm）. The vertical and horizontal permeability rates of red sand are large， and the water content of red sand changes rapidly after water immersion and water cutoff. The water holding capacity of red sand is poor. During water immersion， the saturation of red sand formation is less than 80%， which is unsaturated permeability. The SPT blow counts of red sand formation decrease considerably after water immersion， and softening characteristics are evident. The large permeability coefficient and poor water holding capacity of red sand impede the development of a saturation state， and thus， the measured value of the self-weight collapsible settlement is far lower than the calculated value. In general engineering construction， a design based on the softening characteristics of red sand foundation instead of collapsible characteristics is recommended. The results can not only guide engineering construction in red sand sites but also provide a reference for the collapsibility evaluation of other types of sand.

Keywords：red sand; immersion test; permeability characteristics; collapsibility; softening

0 引言

在撒哈拉沙漠以南的許多非洲西海岸國家淺層廣泛發育一種紅色的粉細砂（以下簡稱紅砂），又稱格埃路砂（Quelo），是多層建筑的主要持力層［1-2］。隨著“一帶一路”倡議的持續推進，我國企業在紅砂地區實施了大量的工程建設，在工程實踐中發現該紅砂在天然狀態下具有較好的直立性和強度，其特殊處在于遇水軟化和具有濕陷性［3-4］。目前，我國研究學者和工程師采用室內試驗、現場試驗、數值模擬和理論分析對紅砂的力學特性、滲透特性、承載特性和濕陷特性已開展了部分研究［5-9］，均認為紅砂具有典型的水敏性并揭示了其滲透系數，研究結果有效解決了紅砂地區的工程建設難題。

紅砂表現出與中國黃土相似的濕陷性，根據《濕陷性黃土地區建筑規范》［10］，目前我國對黃土場地濕陷性的評價方法有室內壓縮試驗和現場試坑浸水試驗［11］。按室內壓縮試驗評價黃土濕陷性簡便、省時、經濟，但存在測試結果與現場實測值不一致的問題，不能真實反映黃土地基的濕陷性;現場試坑浸水試驗可以確定自重濕陷量的實測值和分層濕陷量，可判定場地濕陷類型和自重濕陷下限深度，其結果準確可靠且能反映黃土地基的自重濕陷性［12-17］。目前，我國學者對紅砂濕陷性的研究主要采用室內壓縮試驗，依據室內壓縮試驗結果并按我國《濕陷性黃土地區建筑規范》將其定義為自重濕陷性紅砂［1，9］。然而，一方面安哥拉紅砂與中國黃土顆粒大小、礦物成分和地質環境存在較大差異，《濕陷性黃土地區建筑規范》在紅砂地區的適用性有待驗證;另一方面，由于室內試驗土樣的尺寸和受力狀態不能與實際狀態完全吻合，根據黃土濕陷性研究結果，需要對室內試驗結果進行修正。

基于以上考慮，本文在安哥拉紅砂地區開展現場試坑浸水試驗，通過沉降觀測點監測表水入滲過程中地表和不同深度地層的變形規律，利用水分計和室內試驗分析表水的入滲規律和浸潤范圍，對比分析浸水前后紅砂場地的標貫擊數，揭示紅砂地基的軟化特征。研究結果可為紅砂場地工程建設以及后期制定紅砂地區建筑規范提供一定的參考。

1 試驗概況

1.1 試驗場地條件

本次現場試坑浸水試驗在安哥拉羅安達平原實施，鉆探揭示場地地層剖面如圖1所示，地層自上至下依次為：①層耕植土，含有機質，呈淺棕紅色，厚度0.5 m;②層粉砂，顏色較單一，以棕紅色為主，厚度8.3 m;③層粉砂，雜色，分③-1層粉砂和③-2層粉砂兩個亞層;③-1層粉砂以灰白色為主，含黃色和棕色斑點，是②層和③-2層之間的過渡層，厚度2.5 m;③-2層粉砂以灰白色粉砂為主，夾棕黃色和棕紅色斑點，厚度4.0 m;④層砂泥巖，砂巖以灰白色為主，一般含黃色和紅色調斑點，未揭露最大厚度。自鉆孔Zk1和Zk2頂部以1 m為間隔取樣，測試不同紅砂地層基本物理指標和自重濕陷系數，結果如表1所列。

統計鉆孔Zk1和Zk2中自重濕陷系數大于0.015的數值，按式（1）計算自重濕陷沉降量Δzs，并取經驗系數β0=1，得到鉆孔Zk1自重濕陷沉降量為132 mm，鉆孔Zk2自重濕陷沉降量為141 mm，根據《濕陷性黃土地區建筑規范》判定該場地類型屬于自重濕陷性場地。

Δzs=β0∑ni=1δzsihi （1）

式中：Δzs為自重濕陷沉降量計算值;β0為經驗系數;δzs為自重濕陷系數;hi為第i層土的厚度。

1.2 試坑設計

考慮到試驗場地濕陷性紅砂厚度約為15 m，設計浸水試驗試坑為直徑16 m的圓坑（圖2）。為消除上部耕植土的影響并控制試坑底部高程相等，確定試坑深度為0.5～0.7 m，試坑開挖完成后安裝監測儀器。為防止試坑周邊土層坍塌，在試坑周邊砌磚墻和水泥砂漿抹面防護，最后在試坑底部鋪設10 cm厚碎石。

1.3 沉降標點布置與監測

本次試驗在試坑內外布設地面沉降觀測標點37個，其中1個布設在試坑圓心，為測點O。另外36個以相同方式布設在互成120°夾角的3條測線上，每條測線12個標點。以測線A為例，5個觀測標點位于坑內，間距1.5 m；7個位于坑外，A5～A10間距2 m，A10～A12間距3 m，即最遠處標點距試坑邊緣15.5 m，距試坑圓心23.5 m［圖3（a）］。

深層土體沉降標點分2組布設（圖2）：第1組標點布設在以試坑中心為圓心、半徑為3 m的圓周上，共布設6個（H1～H6），埋設深度在試坑底以下2～12 m，每間隔2 m布設1個;第2組布設在以試坑中心為圓心、半徑為6 m的圓周上，共布設12個（H7～H18），埋設深度在試坑底以下2～16 m，2～12 m每間隔2 m布設1個，12～16 m間隔1 m布設1個，以監測可能出現的濕陷下限深度，其中13 m、15 m各布設1個深標點，14 m、16 m各布設2個深標點。

沉降標點變形監測采用瑞士產徠卡NA2型高精度精密水準儀與銦瓦水準尺，按二級變形測量精度要求進行監測。

1.4 土壤水分計與水位觀測孔布置

本次試驗在試坑內外布置土壤水分計30個，采

用長沙億拓土木工程監測儀器有限公司生產的YT4801型土壤水分計，布置剖面如圖3（b）所示。試坑內布置6個水分計（W1～W6），以試坑中心為圓心，布置在半徑為7.5 m的圓周上，相鄰水分計深度間隔2 m；W1位于試坑底部以下2 m，W12位于試坑底部以下12 m。試坑外淺標點布置在試坑西南側B測線淺標點的兩側，共布置4排，水平上水分計與試坑距離為1.5～13.5 m，豎向上水分計位于試坑底部以下2～8 m。試坑內水分計用于監測試坑內表水向下的滲透過程，試坑外水分計用于監測表水的側向滲透和浸潤過程。水分計監測值為體積含水量，試驗采用水分計的體積含水量與質量含水率為線性關系。

為監測浸水過程中紅砂自由水位的變化特征，在試坑外對稱布置2條水位觀測剖面線。每條測線包括5個觀測孔（S1～S5和S6～S10），試坑外第1個觀測孔與試坑邊緣水平距離為2 m，相鄰觀測孔間距2 m，各觀測孔深度均為16 m。水位觀測孔采用鉆機成孔后放入直徑75 mm的PVC管，PVC管與鉆孔孔壁間隙用角礫填充。測量水位時采用米尺在PVC管內量測。

1.5 標準貫入試驗

試坑浸水前在鉆孔Zk3和Zk4開展標準貫入試驗，試坑浸水后在鉆孔BG1和BG2開展標準貫入試驗。標貫試驗重錘質量為63.5 kg，從76 cm的高度自由下落并擊打插入土中的探頭，測定探頭貫入30 cm所需的擊數，試驗步驟和技術要點按《巖土工程勘察規范》［18］實施。測試深度為地表下1 m，并每間隔1 m測試1次，測試最大深度為15 m。

1.6 浸水試驗過程

本次試驗共歷時258 d，其中浸水前初值觀測7 d，浸水10 d，停水后觀測241 d。試驗累計向試坑注水3 020 m3，平均日注水量為302 m3，注水過程中由于現場試驗條件有限，導致試坑在部分階段處于無水階段。試坑無水時，上部紅砂地層由于無水源補給會導致含水率降低，導致淺部水分計變化曲線不光滑，試驗過程中盡可能減少試坑無水階段的時間并準確記錄無水時間，在此期間觀察并記錄水分計變化曲線。試驗日注水量、累計注水量和有水時間段如圖4所示。浸水過程中和停水后10 d內，每天固定時間固定人員用精密水準儀對全部沉降觀測點進行測量，停水后10～20 d間隔3 d觀測1次，隨后間隔10～35 d觀測1次。

2 試驗結果與分析

2.1 地表變形

（1） 地表變形發展過程

試驗過程中，各淺標點均產生不同程度的抬升變形且變形發展過程基本相同，以測線A為例，繪制測線A累計變形量變化曲線如圖5所示。從圖5可知，試驗期間地表變形發展過程可分為4個階段，即變形陡升階段（ab段）、變形緩升階段（bc段）、變形不穩定階段（cd段）和變形趨于穩定階段（de段）。①變形陡升階段，發生在浸水期間，該階段地表抬升速率較快，變形曲線表現為斜率較大的直線，地表最大累積抬升位移為6.3 mm，平均抬升速率為0.63 mm/d;②變形緩升階段，為停水后0～20 d，地表抬升速率逐漸減小，變形曲線表現為斜率逐漸減小的弧線，該階段地表最大抬升位移為2.4 mm，平均抬升速率為0.12 mm/d;③變形不穩定階段，為停水后20～80 d，地表位移表現為間斷的抬升和下降，但整體表現為抬升變形，變形曲線為傾斜的鋸齒線，該階段紅砂累積最大抬升量為2.6 mm，平均抬升速率為0.043 mm/d;④變形趨于穩定階段，為停水后80～241 d，地表變形仍表現為抬升，但變形量逐漸趨于穩定，變形曲線表現為斜率較小的直線，該階段累計抬升位移為2.8 mm，平均抬升速率0.017 mm/d，約為浸水期間抬升速率的1/37。

（2） 地表變形特征

繪制不同時間測線A、C變形剖面曲線如圖6所示。從圖6可知，試坑內外不同測點抬升位移存在差異，變形剖面線近似呈倒“V”字型，最大位移為試坑內測點C5，累積抬升位移為19.3 mm。試坑內位移整體大于試坑外位移，以測線A為例，試坑內測點抬升位移為13.0～15.1 mm，試坑外測點抬升位移為12.5～14.4 mm。試坑內外相鄰測點差異變形量較小，最大差異變形量發生在測點C7和C8之間，相應的地表傾斜率為1.03‰;試坑最外側的測點A12、B12和C12也產生了顯著的抬升變形，最大抬升位移分別為14.4 mm、12.4 mm和15.7 mm。此外，試驗過程中發現距試坑水平距離為21 m的基點也產生了明顯抬升變形，表明浸水影響的水平距離較大，超過21 m。

2.2 分層變形

繪制不同深度測點位移隨時間變化曲線如圖7所示。由圖7可知，不同深度地層變形均表現為抬升，但變形曲線為鋸齒形，即不同深度地層位移隨深度變化曲線的斜率呈“正負交替”的現象。其中8 m以上地層抬升位移隨深度增加而增加，表明②層粉砂地層位移為負值，即為濕陷沉降變形，計算獲得試驗期間②層粉砂地層的累計濕陷沉降量為5.6 mm;8～12 m內地層抬升位移隨深度增加而減小，表明③-1層粉砂地層位移為正值，即表現為膨脹抬升變形;12～15 m內地層抬升位移隨深度即有增加也有減小，表明③-1層粉砂地層兼具膨脹抬升變形和濕陷沉降變形，但整體仍以膨脹變形為主;15 m以下地層抬升位移隨深度增加而減小，表明④層砂泥巖為膨脹抬升變形。此外，深度15m處④層砂泥巖頂部的抬升位移量與地表抬升位移量基本相同，表明紅砂地基的抬升位移主要由下部砂泥巖膨脹抬升變形導致。

2.3 表水入滲規律

根據試坑外水分計監測結果和浸水完成后鉆探取樣測試結果，繪制浸水后不同時間浸潤線如圖8所示。由圖8可知，浸水初期表水以豎直滲透為主，浸水1 d后，水的入滲深度即達8.5 m，平均豎向入滲速率為0.35 m/h（即9.72×10-3 cm/s），水平入滲距離為1.9 m，平均水平滲透速率為0.079 m/h（即1.31×10-3 cm/s）。但表水入滲至④層砂泥巖頂部時，由于其相對隔水作用，水的優勢滲透逐漸變為水平滲透，浸水10 d后最終浸潤線與水平線的夾角約為24.4°。

試驗過程中試坑內外水分計表現出相同的變化規律，鑒于文章篇幅，本節主要介紹試坑內水分計變化規律，繪制試坑內水分計隨時間變化曲線如圖9所示。由圖9可知，浸水后試坑內不同深度水分計的變化時間隨深度增加而相對滯后，濕潤鋒到達后，水分計均為陡然增加，表明地層含水率增加速率較快，其在30 min內即增加至總量的80%。浸水后試坑內外②層紅砂的最大含水率約為18%，對應飽和度約為79%，③-1和③-2層紅砂的最大含水率為16%，對應飽和度分別約為78%和80%，表明紅砂表水入滲為非飽和入滲。②層紅砂上部（深度4 m）含水率變化曲線為鋸齒形，表明試坑內間斷供水對其影響較大，而③-1層紅砂（深度8 m）和③-2層紅砂（深度12 m）含水率受試坑內間斷供水的影響較小。停水后試坑內不同深度紅砂含水率變化曲線相對滯后，②層紅砂上部（深度4 m）含水率在停水后兩天即開始迅速減小，并長期維持在8%左右，③-1層紅砂（深度8 m）含水率在停水后20 d開始下降，但下降速率小于②層紅砂，③-2層紅砂含水率變化曲線較平緩，含水率長期維持在14%左右。據此推測試驗場地紅砂地層上部地層持水性較差，浸水或強降雨期間表水在紅砂地層中迅速下滲，導致紅砂地層含水率迅速增加;但浸水或強降雨過后，上部紅砂地層水分持續下滲導致其含水率也迅速降低。

浸水后，試坑外不同位置水分計發生變化的順序為：距試坑越近，埋深越大，含水率越先發生變化（增加）;與試坑內水分計一樣，試坑外水分計也表現為陡然增加，表明含水率增加較快。停水后，含水率降低的先后順序為：距試坑越遠，埋深越淺，含水率越先發生變化（減小），與試坑內水分計一樣，停水后水分計變化較快，表明含水率降低也較快。

2.4 水位變化規律

試驗過程中，試坑外水位監測孔表現出相同的變化規律，繪制S1～S5水位監測結果如圖10所示。由圖10可知，試坑內水位監測孔的水位均先后抬高，表現出與試坑距離越近，水位越早變化且水位越高的趨勢。停水后，監測孔的水位先后降低并趨于一致，且長期位于③-2層紅砂中形成上層滯水。

2.5 浸水前后標貫擊數變化特征

繪制浸水前后試驗場地標貫擊數隨深度變化曲線如圖11所示。由圖11可知，天然狀態下紅砂地基標貫擊數隨深度增加而增加，②層紅砂的標貫擊數平均值為5.7擊，③-1層紅砂標貫擊數平均值為13擊，③-2層紅砂標貫擊數平均值為28擊;浸水后紅砂地基標貫擊數仍隨深度增加而增加，但相同深度標貫擊數均相對減小，②層紅砂的標貫擊數平均值降低為4擊，③-1層紅砂標貫擊數平均值降低為9擊，③-2層紅砂標貫擊數平均值為22.6擊。對比浸水前后標貫擊數，發現紅砂地基具有明顯的軟化特性，特別是②層紅砂浸水后標貫擊數平均值僅為4擊，表明其浸水后力學性質較差;而③-2層紅砂浸水標貫擊數平均值為22.6擊，表明其仍具有較好的力學性質。

2.6 紅砂場地工程特性討論

分析以上試驗結果，可以得出浸水后僅②層紅砂表現出濕陷沉降，但自重濕陷沉降量僅為5.6 mm，遠小于根據室內試驗獲得的紅砂自重濕陷沉降量計算值132 mm和140 mm，根據中國《濕陷性黃土地區建筑規范》可將試驗場地定為非自重濕陷性紅砂場地。浸水過程中紅砂滲透速率較快且持水性差，導致紅砂地層飽和度均不足80%，未達到飽和狀態;而我國濕陷性黃土浸水后試坑下部一定深度黃土層的最大飽和度均大于90%［19-20］，達到了飽和狀態。據此推測浸水過程中紅砂地層未達到飽和狀態是導致紅砂場地自重濕陷沉降量實測值與室內試驗計算值存在差異的因素之一。室內試驗時紅砂土樣可達到飽和狀態，土樣能產生充分的濕陷變形，現場浸水試驗紅砂地層未達到飽和狀態，導致地層不能產生充分的濕陷變形。浸水前后紅砂場地標貫擊數存在顯著差異，表明紅砂地基具有顯著的軟化特性。

夏玉云等［9］通過室內試驗和浸水載荷試驗揭示了安哥拉紅砂地基的濕陷系數，發現浸水載荷試驗獲得的濕陷系數是室內試驗的0.59倍，具有濕陷性。喬建偉等［21］通過室內試驗認為紅砂黏土礦物的存在是紅砂具有濕陷性的內在因素，含水率增加后黏土礦物聯結作用的減弱是產生濕陷變形的主要原因。現場試坑浸水試驗結果表明紅砂為非自重濕陷性紅砂，但具有顯著的軟化特性，據此本文推測紅砂的濕陷變形主要由浸水后承載力顯著降低，地基失穩破壞引起的，與于永堂等［5］通過直剪試驗發現含水率增加后抗剪強度顯著降低吻合，與彭友君等［3］通過現場試驗發現浸水后紅砂地基承載力顯著降低吻合。

綜上，本文推測紅砂地基的濕陷變形主要由浸水后承載力降低導致的地基失穩、變形引起的，建議一般工程建設可不考慮紅砂地基的濕陷特性，而將其按軟化特性進行設計。

3 結論

（1） 紅砂場地浸水后表現為膨脹抬升變形，變形曲線由4段組成，變形速率隨時間增加逐漸減小;試坑內抬升變形量整體大于試坑外，但相鄰標點差異變形量小，地表最大傾斜率為1.03‰。

（2） 紅砂地基抬升變形主要由下覆砂泥巖的膨脹抬升變形導致，僅②層紅砂出現濕陷沉降，但濕陷沉降量遠小于室內試驗計算值，因此判定紅砂地基為非自重濕陷性紅砂場地。

（3） 紅砂豎向滲透速率和水平滲透速率均較大，浸水和停水后紅砂含水率變化較快，紅砂持水性較差，紅砂最終浸潤線與水平面夾角為24.4°;浸水過程中紅砂地層的飽和度小于80%，為非飽和滲透。

（4） 紅砂標貫擊數隨深度增加而增加，浸水前后紅砂標貫擊數變化較大，具有顯著的軟化特性。

（5） 紅砂地基的濕陷變形主要是由浸水后承載力降低導致的地基失穩變形引起的，建議一般工程建設可不考慮紅砂地基的濕陷特性，而將其按軟化特性進行設計。

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（本文編輯：賈源源）

基金項目：陜西省創新能力支撐計劃項目（2022-KJXX-05，2023-CX-TD-34，2023-CX-PT-46）;自然資源部陜西西安地裂縫與地面沉降野外科學觀測研究站開放課題（2022-02）;國機集團青年科技基金重點項目（QNJJ-PY-2022-41，QNJJ-ZD-2022-17）;西安市英才計劃青年項目（2022XAYC-03）;CMEC科技孵化項目（CMEC-KJFH-2018-02）;自然資源部中國地質調查局項目（ZD20220203）

第一作者簡介：喬建偉（1990-），男，博士，高級工程師，主要從事工程地質和特殊巖土工程特性方面的研究工作。E-mail：15029207728@163.com。

通信作者：劉爭宏（1980-），男，碩士，教授級高級工程師，長期從事特殊巖土工程性質與地基處理的研究工作。E-mail：liu_zh2004@163.com。

喬建偉，劉爭宏，夏玉云，等.安哥拉紅砂現場試坑浸水試驗研究［J］.地震工程學報，2024，46（3）：521-528.DOI：10.20000/j.1000-0844.20220915002

QIAO Jianwei，LIU Zhenghong，XIA Yuyung，et al.Field immersion test on the Angora red sand［J］.China Earthquake Engineering Journal，2024，46（3）：521-528.DOI：10.20000/j.1000-0844.20220915002