预浸水消除深厚黄土自重湿陷性试验实录

摘   要：本文结合新疆某场道工程自重湿陷性黄土场地地基处理项目试验阶段的工作，主要分两个阶段，第一阶段为预浸水试验方案设计，探讨了预浸水试验工作量的布置、 t—s曲线的总体形态、总湿陷量与耗水量的估算等试验中的技术问题。第二阶段为预浸水试验的实施，确定预浸水施工时的耗水量、沉降与时间关系、晾晒时间、浸水后各项物理力学指标。通过观测湿陷量与计算湿陷量的对比，验证湿陷量计算结果，同时估算地区经验值β0，为本地区湿陷性黄土研究积累地区经验。

关键词：浸水试验；湿陷性黄土；湿陷量；修正系数β0

新疆地处我国西北部，这里远离海洋，气候异常干燥，雨量少，风速大，风的地质作用盛行，发育着我国和世界上比较典型的风蚀地貌和大面积的风力堆积物—沙漠和黄土。随着国家西部大开发政策的实施，新疆成为研究我国干早、半干早地区地质地貌现象的重点地区。近半个世纪以来，尽管新疆风的地质作用及其荒漠的调查较早，但作为风的地质作用的最终产物—黄土的研究比起黄河中游地区却起步较晚，落后于西北其他省区[1]，这主要是由于新疆黄土无论从分布面积、堆积厚度或地层完整性上均远不及黄河中游地区，故研究范围较小，程度较低，资料也有限。

新疆黄土的分布特征基本类同于黄河中游黄土。严格受地理纬度、气候带及地貌环境的控制。新疆黄土主要分布在北纬35°～45°、东经75°～90°之间的广大地区，主体范围位于天山和昆仑山之北麓，大致可以划分为三个分区。北部分区：包括北天山的北麓，如乌鲁木齐、奇台、木垒等地及塔城一带的黄土，黄土（包括部分黄土状土）分布面积约为45920平方公里；南部分区：主要指昆仑山北麓及塔克拉玛干沙漠南缘的弧形地带，如自西部的喀什往东经泽普到于田以东均有黄土分布，分布面积近69300平方公里；西部分区：该区黄土主要分布在西天山所构成的向西开口的半环状闭风区内，即伊犁河流域的伊宁及新源等地，面积约为27000平方公里。

本次预浸水消除深厚黄土自重湿陷性试验，为满足新疆伊犁新源县某场道工程地基处理阶段的要求，进行的大型浸水试验，同时也是疆内首次进行的湿陷性黄土场地浸水试验。内容涉及预浸水试验方案设计、预浸水试验的实施。试验取得一些关键性的数据，填补了新疆伊犁地区湿陷性黄土研究的空白。

1 项目概况

新疆伊犁新源县某场道工程，位于新源县东部别斯托别克乡，距离新源县城约12km。道面厚度28cm，长2000m，宽45m，两侧各设1.5m宽道肩，总宽为48m。经勘察场地以Ⅱ～Ⅳ级自重湿陷性黄土场地为主。根据工程的重要性等级，设计确定要求消除15m内全部自重湿陷性并消除上部6m以内的非自重湿陷性，提高6m内地基承载力。经研究地基处理采用预浸水法+强夯法，为满足设计及施工的要求，开辟60m×60m试验区进行预浸水试验。

试验目的为：1）验证预浸水强夯法地基处理方案的有效性，同时提出最终地基处理方法建议。2）为初步设计提供必要的参数。3）确定预浸水强夯法设计所需的各项参数，为地基处理施工图设计提供依据。4）为确定施工后的检测方法及合格标准提供基础资料与建议。

2 预浸水试验方案设计

由于新疆黄土仅分布在局部地区，同时受建设规模的限制，针对本工程特点可借鉴的工程经验少，因此严谨地做好试验阶段各项工作意义十分突出，试验方案的设计是工作开展的第一步，要求制定出试验实施的步骤、重点观测项目、特殊问题的处理等技术细节，通过设计形成指导试验全过程的技术大纲。试验阶段的重点工作大致包括：通过浸水前后的数据对比，评价和判定消除自重湿陷的效果；通过对耗水量的记录，计算施工阶段的用水量；通过浸水试验 t—s曲线，确定施工时的浸水天数、晾晒时间；通过浸水过程中对浸润区、开裂区的观察，指导施工图设计确定平面处理范围。

2.1 试验区的确定

根据《地基处理试验方案》，结合岩土工程勘察报告，试验场地选择在具有代表性的地段（中心点西侧430m处）。该地段湿陷性土层厚度15m左右，湿陷等级III～IV级，地下水位在15m以下，在整个场地中所占面积较大，是今后地基处理的重点区域，据此评价其它地段是偏于安全的。

考虑浸水面积对浸水效果的影响[2]，当浸水范围的折算圆直径等于或大于湿陷性土层的下限深度，自重湿陷可以完全产生，将达到最大的自重湿陷量[3]，取两倍湿陷性土层厚度作为浸水区域宽度，由此将试验区分成30m×30m的四个区块，编号为1区、2区、3区、4区。

2.2 测试工作布置

2.2.1预浸水前后测试工作布置的原则

预浸水前后的试验工作量主要为标贯测试、取样分析，试验内容除常规项以外，偏重于湿陷性和渗透性评价。测试深度超过湿陷性土层厚度，每米的各项测试与试验数据均大于 6件（组）。

预浸水前后分别布置试验工作量，主要是为了采集浸水前后的对比数据，评价消除自重湿陷的效果，并在试验阶段取得试验指标与湿陷性的对比关系，用于指导施工阶段的检测，因此十分强调数据的可比性。其一要保证前后阶段测试点布置在同一坐标点或临近点，其二要求竖向取样及标贯等试验位置相同。试验设计中要求严格控制勘探点标高及进尺深度，达到各阶段取样点在同一标高，取样点与标准贯入试验点在同一标高。

这样的布置原则确保了试验工作：竖向—深度满足、平面—密度满足、测试—精度满足。

2.2.2测试工作量布置

依据上述原则，本次试验取样及原位测试工作量布置如下，每个分区布置探井及钻孔各2个，取样及标贯试验最大深度为15m。

2.3 预浸水试验方法

1）试验前推除表层植被，整平场地，分区内高差不超过20cm，施工时用水准仪进行抄平，控制场地高差。

2）为加快浸水试验时竖向渗透速度，在每个试验区内布设三个10m深透水砂井。

3）浸水时保持50～80cm水头。

4）为进行耗水量控制，浸水后期（耗水量达到计算耗水量70%以后）保持20cm水头。

5）浸水期间每天记录耗水量1～2次。

6）浸水同时进行沉降量观测。浸水前进行初次观测，浸水后2～3天，每天观测1次，有明显湿陷量后每天2次观测，趋于稳定时按每天1次观测。

7）在浸水期间进行地面反应的观测与记录。按以最后五天的平均湿陷量小于5mm作为稳定标准。

8）按照前后对应的原则，在晾晒后进行现场取样与测试。

2.4 耗水量的估算

为控制预浸水的耗水量，在试验前进行耗水量估算。依据自重湿陷性黄土的特性及研究资料[4]，当湿陷性黄土的饱和度达到70%以上时，就会产生湿陷，在饱和度小于80%，以前，土体湿陷量不大，湿陷发展较慢，而一旦土体的饱和度大于80%，湿陷将大幅度增加。因此浸水量的计算按饱和度控制。计算步骤如下：

按上述计算步骤，采用以下两种计算方法：1）根据土工试验结果分别对四个分区进行耗水量估算。2）按每一标高土样的统计平均值估算整个试验场区的耗水量。按上述方法取控制饱和度为80%进行浸水量估算。两种方法计算总耗水量相差177m3，可以按平均耗水量或分区耗水量作为控制耗水量。

上述两种计算方法未考虑水平渗透的影响，把试验区范围作为被浸润土体进行计算，而实际上被浸润土体在竖向上大致按梯形分布而不是计算时的矩形分布。实际耗水量应大于计算耗水量。

2.5 观测与计量装置布设

试验区内布设的沉降观测点，按10m×10m布置。试验区外，考虑水平渗透的影响，适当控制，在对角线及中心线方向共布置12个观测点。

沉降观测点采用水泥桩，埋深0.8m，直径0.4m。地面以上部分采用木桩，主要是考虑木桩较轻，在温度变化和浸水情况下竖向变形很小。

在各区注水处安装普通水表，进行耗水量计量。

3试验区岩土特性

浸水前开挖探井8井，取不扰动样59组进行土工试验；钻孔8孔，标准贯入测试59点。根据试验区土工试验结果，试验区内表现出一定的差异，自重湿陷性土层厚度7m～14m。计算自重湿陷量为11.1cm～28.8cm，计算浸水后总湿陷量为50.3cm～71.4cm，同层位土样的湿陷系数表现出较大的差异。不均匀性还表现在含水量的差异。3m～4m以上土层含水量大多在10%以上，3m～4m以下土层含水量大多在3.2%～8.7%之间，比塑限含水量低很多，呈硬塑～坚硬状态。表现出上部土体稍湿，下部土体更趋干燥，干湿变化较大。

自然地面下10m范围内垂直渗透系数在6.41E-5～ 3.18E-4cm/s之间，属于弱透水层，如果不采用辅助透水措施，仅靠土层自身的透水能力，在较短的时间内要求浸透15m厚度地层是不现实的。

4预浸水试验结果与分析评价

4.1 预浸水试验结果

预浸水试验时由于供水量较小，仅能同时满足两个分区的耗水量，预浸水试验基本分两阶段进行。第一阶段对1、3分区进行浸水，第二阶段对2、4分区进行浸水。从第一阶段开始浸水至第二阶段达到沉降稳定标准，结束沉降测量共计用时70天。

为观察和评价地基湿陷在竖向与水平的影响程度，试验中在发生裂缝处开挖了探井，在试验区外可能发生裂缝的地方也预先开挖了探井，目的之一是观测裂缝开展的时间、深度、平面分布，其次是观测非浸水区受浸润影响的时间、范围、水平渗透情况。

浸水后3天，在坝体上产生裂缝，10天后在浸水坑外产生第一道裂缝，15天后产生第二道裂缝，30天后局部出现第三道裂缝。裂缝间距离一般在2～3m，裂缝开裂范围一般在6m左右，最大8.5m。由于浸水后观测探井浸湿，下部坍塌，裂缝开展深度只记录5m。

地表裂缝宽度一般在10cm左右，最大为15cm；裂缝两侧高差10～20cm，最大为40cm。裂缝间地形呈台阶状，并向浸水坑微倾。

4.2 预浸水试验分析评价

预浸水结果分析与评价主要工作有两点，一是通过土工试验及标准贯入试验，主要对浸水后自重湿陷消除情况、含水量及标贯击数的变化进行分析，得出浸水深度及消除自重湿陷的结论，即验证预浸水方法的可行性。同时根据裂缝的观测，进行浸水水平影响评价。二是通过观测湿陷量与计算湿陷量的对比，验证计算结果，同时估算地区经验值β0，积累地区经验。

4.2.1湿陷性

根据沉降观测结果，实测自重湿陷量按停水时计，自重湿陷量为335～863mm。与计算自重湿陷量相差较大，综合分析主要为三方面原因导致。一是由于新疆湿陷性黄土的认识和研究，落后于西北其他省区，在计算自重湿陷量时β0取0.5，导致自重湿陷量计算值偏小；二是沉降观测标有一定重量，在土层饱水软化后，产生一定的固结变形，导致自重湿陷量实测值偏大；三是土层湿陷程度存在较大差异，即使在同一区域内，浸水后的沉降差值也较大，所取样品代表性较低。尤其是1区、3区取样点应该是湿陷程度偏低的位置。

为了积累地区经验，根据试验结果返算β0，考虑实测时伴随着非自重湿陷的发生及部分土体固结，推算的β0会偏大，个人认为新疆新源县的黄土β0取1.0更接近实际情况。

根据土工试验数据统计结果，自重湿陷系数在0.000～0.011之间，全部小于0.015。浸水后土层的湿陷系数在0.000～0.053之间，大于0.015的土层全部分布在3m以上。由此可以判定通过浸水可以有效的消除地基的自重湿陷性，非自重湿陷性也有不同程度的降低。

4.2.2孔隙比、压缩性

浸水后大孔隙的性状改变不明显，孔隙比在0.681～1.352之间，3.0m以上孔隙比大多大于0.900，与浸水前相比无明显变化。仅3.0m以下孔隙比略有减小，由此判定大孔隙的性质并没有改变。

高压缩性的性质并没有改变。浸水后压缩系数在0.18～1.22MPa-1之间，大部分在0.3～0.5MPa-1之间，压缩模量在1.79～ 9.70MPa之间，大部分在2～7MPa之间，仍属于中高压缩性土。

4.2.3含水量

浸水后地层含水量得到较大改善，3m～4m以下土层含水量显著增加，通过检测浸水深度已达到或超过15m。同时也验证了所采用的浸水方法是切实可行的，低含水量的性质得到改善。

4.2.4标贯试验

根据标准贯入试验结果，受浸水作用，标贯击数明显减小，可以得出两个结论，其一，与浸水前相比强度下降，3m～4m以下标准贯入击数明显减小，由浸水前的9～32击，降低到浸水后的5～8击。由于含水量的增加，土层由硬塑～坚硬状态转变到可塑状态，土层的抗剪强度不断降低，力学性能不断恶化[5]。其二，根据浸水前后标贯击数的差异的对比与分析，可以通过标准贯入试验指导后期浸水效果的检验。

4.2.5水平影响

通过地面反应的观测，平面内一般出现2～3道裂缝，开裂范围6m左右，最大8.5m，可判定浸水后显著影响范围6～9m。

4.2.6浸水时间

土层的垂直渗透系数较小，仅靠土层自身的透水能力，在较短的时间内浸透15m厚度地层是较困难的。为了缩短浸水时间，采取辅助渗水措施，结果非常明显，积累了地区经验，为今后的类似工程工期计划具有借鉴意义。

4.2.7耗水量

试验中实际耗水量大于计算耗水量，分析主要两方面的原因导致。一是取控制饱和度80%进行耗水量估算，考虑饱和度大于80%，湿陷将大幅度增加，孔隙比随之减小，耗水量也会减小，但实际上浸水湿陷后孔隙比减小并不明显。二是计算时未考虑水平渗透影响增加的耗水量。

浸水试验时，会在四个方向上产生水平渗透，而在施工时，沿跑道方向的水平渗透是叠加的，即实际用水量要小于试验用水量，通过分析与计算，按饱和度为100%进行耗水量估算更接近实际耗水量。

5 结  语

本次预浸水消除深厚黄土自重湿陷性试验，为新疆境内首次进行的湿陷性黄土场地大型浸水试验。由此严谨地做好试验阶段各项工作意义十分突出，这是我院参与该项目所有技术人员的共识。鉴于试验方案的重要性，我们做了比较细致的工作，试验方案的设计是工作开展的第一步，要求制定出试验实施的步骤、重点观测项目、特殊问题的处理等等技术细节，通过设计形成指导试验全过程的技术大纲。

通过试验获得了大量翔实的数据，不仅满足了工程建设的需要，也为今后类似项目确定耗水量、浸水时间、晾晒时间等关键指标具有借鉴意义，同时对新疆黄土，尤其是伊犁新源县黄土的进一步研究，进行了有益的探索和补充。尤其通过浸水试验的自重湿陷量，返算地区经验修正系数β0意义重大。在此感谢本项目实施过程中所有帮助过我的领导、同事以及在本项目实施过程辛苦付出的伙伴们！

参考文献：

[1] 赵祖禄 新疆湿陷性黄土的分布与特性. 湿陷性黄土研究与工程[M]， 中国建筑工业出版社2001： 183-186.

[2] 郭鉴辉 牛建辉 王启泽等 湿陷性黄土浸水试坑尺寸对湿陷的影响研究[J]. 建筑结构， 2023（12）： 2351-2357.

[3] 汪国烈 名文山 湿陷性黄土的浸水、变形规律与工程对策. 湿陷性黄土研究与工程[M]， 中国建筑工业出版社2001： 21-32.

[4] 张爱军 邢义川 黄土非饱和增湿湿陷过程特性. 湿陷性黄土研究与工程[M]， 中国建筑工业出版社2001： 123-126.

[5] 秦龙 张晶 张静波 浸水湿化对黄土强度及路基边坡稳定性的影响研究[J].西部交通科技，2023（10）71-74