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大厚度自重湿陷性黄土地基处理深度和湿陷性评价试验研究

第33卷 第5期 岩石力学与工程学报 Vol.33 No.5

2014年5月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering May ,2014

收稿日期:2013–08–03;修回日期:2013–10–30

基金项目:国家电网公司科学技术项目(SGKJJSKF[2008]656);教育部创新团队支持计划项目(2013IRT13068)

作者简介:杨校辉(1986–),男,2010年毕业于榆林学院土木工程专业,现为博士研究生,主要从事非饱和土与特殊土地基处理、支挡结构等

大厚度自重湿陷性黄土地基处理深度和

湿陷性评价试验研究

杨校辉1,黄雪峰

1,2

,朱彦鹏1,姚志华2,张世径1

(1. 兰州理工大学 土木工程学院,甘肃 兰州 730050;2. 后勤工程学院 建筑工程系,重庆 401311)

摘要:为解决大厚度自重湿陷性黄土地区地基处理深度和湿陷性评价等难题,在湿陷性黄土厚度大于36.5 m 的场地进行以下浸水试验:不同深度的挤密桩处理地基深层浸水载荷试验,不同深度的孔内深层强夯处理地基载荷浸水试验,不打注水孔、埋设TDR 水分计的原位浸水试验。研究结果表明:(1) 大厚度自重湿陷性黄土地基处理6~12 m 、深层浸水时,发生显著地基下沉;15~20 m 时,地基沉降较小;处理深度大于20 m 时,地基沉降基本可忽略。(2) 浸水试坑22.5~25.0 m 以上土体含水率增加较快,甚至达到饱和,以下土体含水率增加缓慢,基本没有发生湿陷。建议22.5~25.0 m 作为大厚度自重湿陷性黄土地基处理和湿陷性评价的临界深度。(3) 大厚度自重湿陷性黄土地基在采取有效的综合处理措施之后,甲类建筑可以不全部消除湿陷量,乙、丙类建筑可以根据控制建议适当放宽对剩余湿陷量的要求。(4) 不同地区、不同微结构类型土的湿陷性应当采用不同的湿陷系数s δ来判定,即“湿陷系数s δ= 0.015”在自基础底面至基底下15 m 的范围内可继续使用;15 m 以下适当放宽,按不同深度对zs δ进行修正,可使大厚度自重湿陷性黄土湿陷性评价趋于合理,有效节约大量地基处理费用。

关键词:土力学;大厚度自重湿陷性黄土;地基处理深度;浸水试验;剩余湿陷量;湿陷变形规律;湿陷系数 中图分类号:TU 43 文献标识码:A 文章编号:1000–6915(2014)05–1063–12

EXPERIMENTAL STUDY ON COLLAPSIBILITY EV ALUATION AND TREATMENT DEPTHS OF COLLAPSIBLE LOESS UPON SELF WEIGHT

WITH THICK DEPTH

YANG Xiaohui 1,HUANG Xuefeng 1,

2,ZHU Yanpeng 1,Y AO Zhihua 2,ZHANG Shijing 1

(1. School of Civil Engineering ,Lanzhou University of Technology ,Lanzhou ,Gansu 730050,China ; 2. Department of Architectural Engineering ,Logistical Engineering University of PLA ,Chongqing 401311,China )

Abstract :The in-situ soaking tests on loess collapsibility upon deadweight with the thickness greater than 36.6 m were carried out including a deep layer soaking test on a foundation treated with compaction piles of different lengths ,a soaking test on a foundation treated with the deep dynamic compaction inside holes and a soaking test on a foundation buried with TDR moisture meters without water injection holes. The significant foundation subsidence occurred due to deep soaking when the thick deadweight collapsible loess foundation was treated 6 to 12 m in depths upon. When the depths of treatment were from 15 to 20 m ,the ground settlement upon deep soaking was small. When the treatment depth was more than 20 m ,the settlements of the foundation can be ignored. When the water pit of soaking test was 22.5 to 25.0 m in depth ,the soil moisture content increased rapidly and even reached saturation ,while if the water pit was deeper ,the moisture content increased slowly with little collapse of loess. So 22.5 to 25 m can be viewed as the critical depth of foundation treatment and collapsibility

? 1064 ? 岩石力学与工程学报 2014年

evaluation for thick deadweight collapsible loess. The collapsibility in different regions and soil microstructures should be evaluated adopting different coefficients of collapsibility.

Key words:soil mechanics;self-weight collapse loess;foundation treatment depth;soaking test;remnant collapse amount;law of collapse deformation;coefficient of collapsibility

1 引言

湿陷性黄土地基处理和湿陷性评价问题一直是非饱和土与特殊土领域学术界及工程界关注的热点与难点[1-3]。从20世纪60年代开始,四代湿陷性黄土地区建筑规范(1966年版,1978年版,1990年版,2004年版)的制定与实施在我国黄土地区大规模经

济建设中所起的作用是不言而喻的。但是近年来,黄土地区的建设规模和建设场地的自重湿陷性黄土层厚度越来越大,在理论研究尚不完善的今天,处理如此深厚的湿陷性黄土地基经验仍不丰富,标准难以把握。如:兰州西固张家台330 kV变电所湿陷性黄土厚29.5 m,陕西蒲城电厂湿陷性黄土厚35 m,宁夏扬黄11号泵站的湿陷性黄土厚36 m等。同时,在按现行规范[4]进行大量地基处理时发现,依靠国内外现有的常规工程手段,很难满足规范所规定的剩余湿陷量的要求。有的工程如果严格执行规范所规定的剩余湿陷量,则难以保证工程技术经济的合理性。特别是伴随着越来越多的处理后的地基下沉事故的发生[5],目前大厚度湿陷性黄土地基中存在的问题不断挑战着广大黄土力学与工程工作者。

因此,对于大厚度自重湿陷性黄土,主要存在如下问题:如何较为准确地掌握其湿陷变形规律,甲类建筑是否必须完全消除地基土的湿陷性或采用桩基础穿透全部湿陷性黄土层[4],乙类和丙类建筑消除地基部分湿陷量的度是多少,如何把握剩余湿陷量与地基处理深度、自重湿陷性黄土层厚度的关系,计算自重湿陷量的修正系数

β与规范的差异如

何解决,“湿陷系数

s

δ= 0.015”是否是黄土“湿陷”与“非湿陷”评价的“永恒”界限。本文针对这些问题展开试验研究。

2 试验概述

2.1 试验目的

目前,大厚度湿陷性黄土地基的处理方法有很多[1,4],应用较多的是预浸水法、垫层法(处理深度较浅,本文暂不研究)、挤密法和孔内深层强夯法(DDC法)等。考虑乙、丙类建筑,上部地基处理15~20,10~15 m的土体基本承担了附加荷载。处理地基以下地层,主要是承担自重荷载。在上述的大厚度自重湿陷性黄土地基处理所存在问题的基础上,有必要在进行深入的试验研究前,了解不同地基处理深度常用的地基处理方法研究的不足,以下分别对其进行简要说明。

挤密法在我国自20世纪60年代起得到了广泛应用,并取得了有益的成果[6-7],但其均未对自重湿陷黄土层厚大于15 m时剩余湿陷量的评价问题,进行有效的现场研究。本文进行不同深度的挤密桩地基处理与深层浸水试验,目的是为了研究湿陷变形特征、剩余湿陷量评价与控制。将实测沉降结果和理论计算值对比,研究打深层注水孔时,水对地基处理深度及土体湿陷变形的影响,给出乙、丙类建筑地基处理深度的合理建议。

通过近20 a DDC法的研究与实践,发现其经济效益可观,且发展前景广阔[8-9];但是关于合理控制其桩长和桩心距等方面,理论研究尚远远滞后于工程实践。本文采用DDC法处理地基,并进行浸水载荷试验,研究水分入渗对地基沉降的影响及甲、乙类建筑地基处理临界深度等问题。

与挤密桩研究时间同步,对于预浸水法处理湿陷性黄土地基,目前进行了许多有益研究[10-15],取得了多项成果,详见黄雪峰和杨校辉[15]。陈正汉等[16-18]在黄土湿陷变形机制方面进行的室内试验,也使黄土湿陷变形研究及预浸水法的理论研究得到了提升。本文进行的现场浸水试验,采用TDR水分计实时监测水分的时空分布及含水量大小,准确测得不同深度土层水分入渗规律和土体湿陷变形规律,针对类似场地上不同重要性等级建筑的地基处理深度、剩余湿陷量控制及湿陷性评价给出了新的研究结论。

2.2 试验场地

场地选择在兰州和平金川科技园内,地貌单元属于黄河南岸的IV级阶地,地势相对平坦,湿陷性

第33卷第5期杨校辉等:大厚度自重湿陷性黄土地基处理深度和湿陷性评价试验研究 ? 1065 ?

黄土层厚约36.5 m,勘探深度内土层主要为晚更新世Q3马兰黄土:(1) 耕表土层(Q3ml),厚约0.5 m;

(2) 粉土层(Q3fl),厚约4.5 m;(3) 粉质黏土层(Q3fl),厚约31.5 m;(4) 卵石层,勘探深度内卵石层未揭穿(大于38 m)。地下稳定水位大于70 m,地勘报告评价黄土层具有IV级自重湿陷性。

2.3 试验方案

(1) 挤密桩试验

场地平整后,根据试验场地最优含水率指标对土体进行增湿。挤密桩试验包括2个灰土桩区(桩长分别为6,12 m)和2个素土桩区(桩长分别为10,15 m),每个试验小区面积均为10×10 m2。桩径为0.4 m,桩间距为0.9 m;桩体、桩间挤密系数分别不小于0.97,0.95。如图1所示,每个试验小区中心开挖,浇筑2×2 m2钢筋混凝土承台(承台荷载直接传至桩上),采用编织袋称土加荷,最终加荷量为80 ×103 kg(压力为200 kPa)。

在离承台中心外4 m区域,按3 m×3 m间距布置注水孔,孔深为处理区域挤密桩长加1 m(内插相应深度的PVC管),孔径为0.1 m,人工将水源注入PVC管。如图1,2所示,共设置承台沉降观测点4个(位于承台中心),分层沉降观测点(地面沉降观测点)30个,深层沉降观测点7个。图1中,CP10S2表示挤密桩10 m区正南方向第2个地面沉降观测点;CP6–12表示挤密桩6 m区与12 m区之间的地面沉降观测点;CPSH15E表示挤密桩15 m区正东方向的深层沉降观测点;其余类推。承台、地面及深层沉降观测采用高精度水准仪,浸水初期每天定时观测一次,浸水2个月后放宽为每2 d一次。试验现场实景见图3所示。

(2) DDC桩试验

DDC桩试验包括不同桩长和不同桩间距2种试验区。其中,不同桩长试验区分3个试验小区,每个小区面积为10×10 m2,桩长分别为15,20和25 m,

图1 挤密桩试验区平面布置图

Fig.1 Plane arrangement chart of compaction pile test area 2

5

1

5

1

2

5

3

2 500 10 000 5 000 10 000 2 500

30 000 单位:mm

? 1066 ? 岩石力学与工程学报 2014年

图2 挤密桩试验区剖面图 Fig.2 Profile of compaction pile test area

图3 挤密桩试验区实景图

Fig.3 Realistic terrain scene of compaction pile test area

等边三角形布置,桩间距为1.1 m ;不同桩心距试验区桩长均为10 m ,桩心距为1.0,1.1,1.2,1.3和1.5 m ,如图4所示。图4中,DDC15–25表示孔内深层强夯15 m 区与25 m 区之间的地面沉降观测点,DDC15N2孔内深层强夯15 m 区正北方向的深层沉降观测点;其余类推。预成孔直径为0.4 m ,成桩后直径为0.55~0.60 m 。试验布置剖面图和实景图分别如图5,6所示。

在DDC 法处理后的地基上,承台上方称土加荷,其下浸水观测沉降,最终加荷量为80×103 kg(压力为200 kPa),浸水试坑深0.5 m ,水头为0.3~

0.5 m 。监测内容与频率同挤密桩试验。DDC 区承台

沉降观测点共3个,地面沉降观测点共23个,点号编设类似挤密桩区。

(3) 预浸水试验 结合规范和经验[4

,15]

,浸水试坑定为圆形,浸

水坑直径为40 m ,深约0.5 m 。在距离浸水坑边50 m 远处设置2个水准基点,1个用于日常观测,另外1个用于监测校核。

如图7所示,沿浸水坑圆心假设3个夹角互为120°的监测轴,即轴1、轴2和轴3,沿轴布置编号依次为1–1~1–9,2–2~2–9,3–2~3–9的地面沉降观测点,其中坑外12个、坑内13个。深层沉降观测点共布置11个,其中,编号2–9表示轴2上第9个地面沉降观测点,S –17表示深度为17 m 的沉降观测点,其余类推。

试验区布置6个埋设水分计的探井,试坑内3个(1#,2#和3#),试坑外3个(4#,5#和6#),探井位置见图7。探井采用人工开挖,1#和2#探井挖至持力层, 深35 m ;3#,4#,5#和6#探井的深度分别为9,29,25,25 m 。6个探井共埋设50个水分计,沿轴1埋设位置如图8所示。预浸水试验实景图如图9所示。 500 500 500 500

地面沉降观测点

地面沉降观测点

5 000

5 000

5 000 5 000 3 500 8 000 3 500 3 500 8 000 3 500

5 000 5 000 5 000 5 000

5 000 5 000 3 500 8 000 3 500 3 500 8 000 3 500

5 000 5 000

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图4 DDC 桩试验区平面布置图

Fig.4 Plane arrangement chart of DDC pile test area

图5 DDC 桩试验区剖面图 5 000

5 000

5 000 3 500

8 000 3 500

8 000

5 000

5 000

500

2 500

10 000

2 500

5 000

2 500

10 000

5 000 10 000

2 500

30 000

单位:mm

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图6 DDC 桩试验区实景图

Fig. 6 Realistic terrain scene of DDC pile test area

图7 预浸水试验区平面布置图

Fig.7 Plane arrangement chart of pre-inundation test area

图8 预浸水试验区剖面图 尺寸单位:mm

5 000 5 000 5 000 5 000 4 750 5 000

5 000

5 000 5 000 5 000 5 000 4 750 5 000 5 000 5 000

5 000

250 250

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图9 预浸水试验区实景图

Fig.9 Realistic terrain scene of pre-inundation test area

3 挤密桩试验结果分析

3.1 承台沉降量分析

挤密桩试验历时共171 d,承台总沉降量随时间变化曲线如图10所示。

图10 挤密桩区承台总沉降量随时间变化曲线

Fig. 10 Variation curves between total settlement of pile cap and time in compaction pile test area

分析图10可知,浸水试验前60 d,4个承台均未发生显著沉降,之后111 d承台发生的沉降量占总沉降量的70%以上;且同样施加200 kPa的荷载,承载桩越长,承台沉降量越小。由此可知,浸水前期,由于地基挤密,土体基本没有湿陷,达到了地基处理的第一个作用,即消除地基处理范围内的湿陷性、提高地基承载力、降低压缩性、提高水稳性;同时,起到了防止上部及某些侧向水源浸入的作用,很好地保护了处理地基以下的剩余湿陷性土层,这也正是地基处理的第二个作用。但是,随着浸水时间延长,水分不断下渗,处理区下方土体遇水后开始湿陷,沉降量显著增大。

由图10可知,地基处理深度在6~12 m范围进行深层浸水时,6,10和12 m试验区承台累积沉降分别为244,217和196 mm;处理深度为15 m时,计算剩余湿陷量远大于300 mm,如表1所示,地基

表1 挤密桩试验区承台沉降及深层沉降量Table 1 Deep settlements and pile cap settlements in

compaction pile test area

试验小区域

承台沉

降/mm

承台东侧深

层沉降/mm

承台西侧深

层沉降/mm

深层沉降

平均值/mm 灰土6 m区244 157 244 200.5

素土10 m区217 83 107 95.0

灰土12 m区196 –83 83.0

素土15 m区162 66 72 69.0

了乙类建筑控制剩余湿陷量不大于150 mm的要求。

3.2 地表沉降量和深层沉降量分析

分别以灰土挤密桩6 m区和素土挤密桩10 m区地表沉降和深层沉降的典型观测点为例,对沉降结果进行分析。

由图11(a)可以看出,同为地表沉降观测点,但是未经过挤密处理的区域在受水浸湿后比经过处理的区域沉降量大,如CP6–15和CP6–12总沉降量明显较大。又CP6–12累计沉降为245 mm,CP6N1为37 mm,CP6N2为90 mm,说明被注水孔包围越多的沉降点比被注水孔包围较少的沉降量大。这在所测得的深层沉降观测点数据图中更为明显,如图11(b)所示,CPSH6E总沉降量为221 mm,CPSH6W总沉降量却为157 mm。

(a) 挤密桩6 m区地表沉降时程曲线

(b) 挤密桩6 m区深层沉降时程曲线

图11 挤密桩6 m区地表沉降和深层沉降变化曲线

Fig. 11 Variation curves of ground settlement and deep

200

160

120

80

40

50

100

150

200

250

300

CP6–15地表沉降

CP6–12地表沉降

CP6S地表沉降

CP6W2地表沉降

CP6N2地表沉降

时间/d

量/

m

m

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从图12也可看出,水分较充足区域的观测点的湿陷量大于水分较少区域的观测点。对比图11,12可以看出,10 m 区地表总沉降量和深层总沉降量均小于6 m 区,说明了大厚度湿陷性黄土地基处理效果随处理深度增加而显著增强。由节2.1可知,对于乙、丙类建筑不应不考虑经济性而一味增加处理深度。

(a) 挤密桩10 m 区地表沉降时程曲线

(b) 挤密桩10 m 区深层沉降时程曲线

图12 挤密桩10 m 区地表沉降和深层沉降变化曲线 Fig. 12 Variation curves of ground settlement and deep

settlement in compaction pile 10 m area

图11和12中,沉降量与时间关系曲线呈多段近似折线形变化,说明深层湿陷的发生不是一次完成的。这是由于水分下渗不是一步到位的,其主要受初始含水率和上部水土自重压力等影响。即随着水分下渗,结合水膜增厚,嵌入颗粒之间,可溶性盐类逐渐溶解,土体骨架强度降低,当上覆土层的自重压力或附加压力与自重压力之和大于土骨架的承载力时,土粒滑向大孔,粒间孔隙减小,此时沉降量突然增大;随着水分不断下渗,即出现了图11,12中多段近似折线的现象。但是最终随着上部土体湿陷,土体压密,粒间气体压力增大,水分入渗变缓,即随着观测日期延长,沉降量不再增大,沉降曲线末端呈现水平向发展趋势。 3.3 剩余湿陷量分析

减去被处理湿陷性黄土层的湿陷量[1]。为将理论计算和试验实测值进行对比,试验前共挖探井6个,平面位置见图7,计算得不同探井总湿陷量和剩余湿陷量,见表2。

表2 探井总湿陷量计算值和计算剩余湿陷量

Table 2 Overall collapsible calculated values and surplus

collapsible values of exploration wells

探井编号

地基处理 深度/m 总湿陷量计算值/mm 总湿陷量平均值/mm 处理区湿陷量计算值/mm 剩余湿陷 量/mm

1# 6 1 740.5 1 842.2

621.3 1 220.9 2# 10 1 452.0 849.9 992.3 3#

12 1 656.0 1 012.7 829.5 4# 15 1 738.0 1 245.9 596.3 5# 20 2 233.0 1 540.6 301.6 6# 25 2 233.5 1 715.6

126.6

由表2可以看出,地基处理后的剩余湿陷量随着处理深度的增加而减小,处理深度为25 m 时,剩余湿陷量已达到规范[4]要求;处理深度为6~20 m 时,剩余湿陷量均远大于300 mm ,不满足要求,但从实际观测来看,深层浸水情况下,整个处理区域仍能够承受200 kPa 的压力,且沉降较小。

表1所示为挤密桩试验区承台、承台东西侧深层沉降观测数据,可反映未处理深度范围内的湿陷

量。由表1可知,深层沉降量随着地基处理深度的增加而减小。与表2对比可知,素土挤密桩10 m 区计算剩余湿陷量为992.3 mm ,远超出了规范要求,但事实上,承台在200 kPa 的压力作用下总沉降仅有217 mm ,深层沉降也仅为95 mm 。因此,按现行规范,由室内试验得出的剩余湿陷量和现场实测深层沉降矛盾如此之大,充分证明现行规范对我国涉及面较广的乙、丙类建筑的地基处理要求过于保守,导致地基处理费用昂贵,不符合湿陷性黄土地区现有的经济技术发展水平。

结合已往对大厚度自重湿陷性黄土的工程实践和理论研究[5

,15]

,发现很多建(构)筑物基础以下的

地基处理深度并不深、计算剩余湿陷量仍较大,但是在没有水的作用下,已运行多年也未发生地基湿陷事故。根据试验结果,建议在采取有效的综合处理措施(包括地基处理、防水措施、结构措施)之后,可以适当放宽对剩余湿陷量的要求。即甲类建筑可以不全部消除湿陷量,但须通过专家论证采取专门措施;乙、丙类建筑可以对剩余湿陷量(15,20 cm)有所放松,具体地基处理厚度与剩余湿陷量控制建0 160

120

80

40

0 20 40 60 80

100

CP10S3地表沉降点

CP10E1地表沉降点 CP10S2地表沉降点

CP10W 地表沉降点

时间/d

总沉降量/m m

200

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表3 地基处理厚度与剩余湿陷量控制建议

Table 3 Controlling suggestions for foundation treatment

thickness and surplus collapsible values

湿陷性黄土层厚度/m 地基处理深度/m

剩余湿陷量/mm

乙类建筑丙类建筑

0~10 3~5 0 100 6~8 100 150

10~20 8~12 150 200 12~15 200 300

>20 15~20 300 400 >20 >300 >400

4 DDC桩区试验沉降结果分析

本试验各小区域浸水观测71 d,停水观测66 d。对比沉降观测数据发现,类似挤密桩试验,同样承受200 kPa压力的承台,其下承载桩越长,则承台沉降量越小。由图13可知,DDC桩15 m区承台最终沉降87 mm,20 m区承台最终沉降62 mm,而25 m区承台最终仅沉降44 mm。对比发现,浸水前期的30 d,承台沉降较快,此部分沉降量约占总沉降量的75%;浸水后期的40 d,承台沉降较慢、沉降量较小,此部分沉降量小于总沉降量的25%。停

(a) DDC桩15 m区

(b) DDC桩25 m区

图13 DDC桩15和25 m区沉降变化曲线Fig.13 Settlement variation curves of DDC pile in15 and 水后的观测发现,承台沉降随着观测时间的延长逐渐停止。承载桩越短的承台,其沉降达到稳定所需的时间越长,如,DDC桩15 m区承台,试验结束时承台沉降尚未稳定,而DDC桩25 m区承台在浸水40 d后,沉降逐渐趋于稳定。

在DDC桩15 m区的6个地面沉降观测点里,除了DDC桩处理15和20 m深区域中间的地面沉降观测点(DDC15–20)地表累计沉降稍大(为4 mm)外,剩余测点沉降量仅为2 mm。DDC桩20 m区和25 m区地面沉降曲线变化趋势几乎一致,累计沉降量也较小,如,DDC桩20 m区的最大沉降量发生点(DDC20W2)的沉降量仅有3 mm,而DDC25W2测点在46 d沉降观测中,没观测到任何沉降发生。说明DDC桩25 m区承台在200 kPa压力作用下,浸水对承台西侧8.5 m外土体的影响基本可以忽略。

综合分析DDC桩15,20和25 m区沉降观测结果可知:在200 kPa的压力作用下,地表浸水对承台影响不大,地基处理深度大于15 m深度时(剩余湿陷量远大于300 mm),地基沉降量显著减小,地基处理深度大于20 m时地基沉降基本可以忽略。

5 预浸水试验结果分析

5.1 体积含水率分析

预试验浸水观测140 d,停水观测157 d。1#~6#探井50个TDR水分计(埋设位置详见图7和8)测得了大量数据,限于篇幅,以下仅选1#探井部分典型点位的体积含水率变化情况,从地基处理的角度进行分析,其余类同。

探井2.5,12.5 m深处测得体积含水率变化曲线类似,如图14所示。在此以2.5 m处体积含水率变化曲线为例进行分析。由图14(a)可知,浸水第7 d,体积含水率骤增,到第18 d体积含水率渐增到峰值(43.1%),说明水分第7 d到达坑底2.5 m处,第17 d 基本达到饱和状态。随后体积含水率快速下降,并在浸水第30 d时达到一个平稳状态,维持在30%左右,体积含水率快速下降意味着该点土体的湿陷,

10

20

30

40

50

0 40 80 120 160 200

浸水时间/d

率/

%

浸水期

停水期

? 1072 ? 岩石力学与工程学报 2014年

(b) 12.5 m

图14 探井2.5,12.5 m 深处体积含水率变化 Fig. 14 Variation curves of volumetric water content in

exploration wells at depths of 2.5 and 12.5 m

孔隙变小,颗粒之间的水分被挤出。直到浸水第 103 d ,土体含水率再次发生突降,说明该点处土体再次发生湿陷,由此可以看出黄土湿陷性的充分发挥需要多次完成。

探井15.0,17.5和20.0 m 处体积含水率变化曲线与图15(a)的变化趋势类似。由此可以看出,浅层土体的体积含水率变化曲线约有2个速降阶段,且随着土体深度的增大,第一个速降阶段逐渐消失。究其原因为,随着湿陷性土层厚度增大,湿陷发生的时间滞后于水分入渗时间,上部已湿陷土体使下部土体相对密实,孔隙比减小,结构趋于稳定,形成相对隔水层,且水头压力降低,因此再次湿陷较前一次湿陷更为困难,这在20 m 以下的土体湿陷特征表现更为明显。

(a) 20.0 m

(b) 32.5 m

图15 探井20.0,32.5 m 深处体积含水率变化曲线 Fig. 15 Variation curves of volumetric water content in

exploration wells at depths of 20.0 and 32.5 m

探井22.5~32.5 m 段测点的体积含水率变化也基本一致,均与探井32.5 m 处体积含水率变化情况

(见图15(b))相同。由图15(b)知,在浸水试验观测的

200多天里,22.5 m 以下土体均没有出现像探井2.5~20.0 m 处的体积含水率变化曲线的速降或突增现象,其曲线变化均较为平缓,虽然最终土体含水率略微增大,但是远未达到湿陷起始含水率和湿陷起始压力。因此,土体基本不会发生湿陷。综上可充分认为大厚度自重湿陷性黄土随着土体深度的增加,水分入渗深度有一个临界值,即超过此深度土体湿陷缓慢或基本不再湿陷。通过本试验大量实测数据和以往浸水试验研究经验[15],建议22.5~25.0 m 作为大厚度自重湿陷性黄土地基处理和湿陷性评价的临界深度。

5.2 地表沉降和深层沉降分析

数据处理发现,25个地面沉降观测点的沉降量均较大,此处仅以轴1部分典型点位,从地基处理角度进行分析,其余类同。

由图16可知,地面沉降观测点(不论试坑内、外)的沉降均主要发生在浸水期,约占总沉降量的80%,且沿轴1随着离坑心距离的增大,发生大量沉降的时间也随之推后。与浸水期相比,停水期的沉降量较小且逐渐趋于稳定,沉降量约占总沉降量的20%,大于廖盛修[11]的停水期发生的湿陷量约占

(a) A1–1

(b) A1–5

0 10 20 30 40 50

40

80 120

160 200

浸水时间/d 体积含水率/%

浸水期 停水期

0 10 20 30 40 50 0

40

80 120

160 200

浸水时间/d

体积含水率/%

浸水期 停水期

0 10 20 30 40 50

40 80 120

160 200

浸水时间/d 体积含水率/% 浸水期 停水期

400

800 1 200

1 600

2 000

2 400

2 800

0 40 80 120 160 200 240 280 320 浸水时间/d

总湿陷量/m m

浸水期 停水期 浸水时间/d 总湿陷量/m m 浸水期 停水期

0 400 800

1 200

1 600

2 000

2 400

0 40 80 120 160 200 240 280 320

0 100

200 300

400

0 40 80 120 160 200 240 280 320 浸水时间/d 总湿陷量/m m 浸水期

停水期 500

第33卷 第5期 杨校辉等:大厚度自重湿陷性黄土地基处理深度和湿陷性评价试验研究 ? 1073 ?

(d) A1–9

图16 地表沉降观测点总湿陷量变化曲线

Fig.16 Variation curves of overall collapsible of ground

settlement observation points

总湿陷量5%~10%的研究结论。究其原因为,与晋西地区相比,本试验场地处于陇西地区,湿陷性土层厚度大,湿陷性与自重湿陷性强烈,自重湿陷迅速,湿陷等级高,湿陷敏感性大[1]。

11个深层沉降观测点测得的沉降变化曲线与图16的曲线变化趋势基本一致。分析原因为,深层土体沉降发生与否和发生大小均与水分入渗有关,即深层土体处水分入渗困难且缓慢,测点周围的土体遇水只产生了微量沉降;且随着土体深度的增加,沉降量大幅衰减。如深层沉降观测点S –5处总沉降为2 070 mm ;S –8处总沉降为2 021 mm ;S –22处总沉降却仅有191 mm ,且该点以下测点处的沉降量也不大于200 mm ,验证了前文22.5 m 以下的土体基本不会发生湿陷的观点。因此,22.5~25.0 m 可作为大厚度自重湿陷性黄土地区地基处理的下限深度。

5.3 自重湿陷量的室内试验与现场实测值差异分析

在浸水坑的25个地面沉降观测点中,位于坑心的1–1测点的沉降量最大为2 661 mm ,试坑内的13个地面沉降观测点的沉降量平均值为2 315 mm 。根据室内压缩试验得到6个探井的平均计算自重湿陷量为1 228 mm ,可求得实测地区土质差异修正系数0β为1.89,大于规范[4]中陇西地区取1.50的规定。

对国内部分现场浸水试验进行统计发现,计算自重湿陷量与现场实测自重湿陷量有较大的差异,见表4[15]。自重湿陷强烈的地区,计算值低于实测值;自重湿陷性低的地区,两者接近;非自重湿陷区计算值高于实测值。可见若严格按规范[4]计算自重湿陷量来进行湿陷性评价,则很可能造成误判,导致大量地基处理费用浪费。

基于上述试验研究,建议不同地区、不同微结构类型土的湿陷性应当采用不同的湿陷系数来替代

0β修正系数,这样可更好地反映湿陷性评价的特

色。即湿陷系数s δ随地区变化为:陇西地区0.010,陇东—陕北—晋西地区0.012,关中地区0.015,其[4]

表4 自重湿陷量的差异性统计[15] Table 4 Diversity statistics of self load collapse [15]

试验场地 自重湿陷性 土层厚度/m 浸水试坑 尺寸/m 实测自重 湿陷量/mm 计算自重

湿陷量/mm

宁黄11号泵站 36.5 110×70

2 611 1 405 1.86 宁夏固原 30.0 φ15 1 288 1 034 1.25 兰州东岗 10.5 φ12 915 501 1.8

3 兰州连城铝厂 18.0 34×17 1 075 540 1.99 天水二十里铺 14.5 28×16 586 405 1.45 西宁大通 15.0 15×15 400 243 1.65 延安丝绸厂 10.0 9×9 357 229 1.56 陕西合阳 14.5 10×10 477 347 1.37 西安韩森寨 12.0 12×12 36

4 290 1.2

5 陕西张桥 9.4 10×10

207 212 0.98 西安北郊 8.5 φ12 90 137 0.66 西安冶院 8.0 10×10 5 17 0.29 山西铝厂 11.0 12×12

57 96 0.59 山西太原

12.0

φ10

36

186

0.19

或自重湿陷量计算值(zs ?)时,规定了湿陷系数(s δ)或自重湿陷系数(zs δ)小于0.015的土层不累计。综上,建议0.015这个界限在基础下15 m 以上结合规范继续使用;以下适当放宽,按不同深度规定小于不同zs δ值的土层不累计,土层每加深5 m 、zs δ放宽0.005,即zs δ= 0.015~0.030;针对有夹层(不连续)的土层,不必一味注重其湿陷系数的影响。

6 结 论

(1) 大厚度自重湿陷性黄土地基处理6~12 m 进行深层浸水时,发生显著地基下沉;处理15~20 m 时(剩余湿陷量远大于300 mm),地基沉降较小;处理深度大于20 m 时,地基沉降可忽略。

(2) 在试坑浸水时,深度大于22.5~25.0 m 以上土体含水率增加较快甚至达到饱和状态,以下土体含水率增加缓慢,根本达不到湿陷起始含水率和湿陷起始压力,基本没有发生湿陷。建议22.5~25.0 m 作为大厚度自重湿陷性黄土地基处理和湿陷性评价的临界深度。

(3) 按规范,由室内试验得出的剩余湿陷量和现场实测深层沉降差异较大,现行规范湿陷性评价偏严。建议大厚度自重湿陷性黄土地基在采取有效的综合处理措施(包括地基处理、防水措施、结构措施)之后,甲类建筑可以不全部消除湿陷量,乙、丙类建筑可以根据控制建议适当放宽对剩余湿陷量的0 100 200 300 400

40

80

120 160 200 240 280 320

浸水时间/d 总湿陷量/m m

浸水期 停水期

? 1074 ? 岩石力学与工程学报 2014年

(4) 不同地区、不同微结构类型土的湿陷性应当采用不同的湿陷系数来判定。0.015这个界限在基础下15 m以上结合规范继续使用;以下适当放宽,按不同深度规定小于不同

zs

δ值的土层不累计,土层每加深5 m、放宽0.005,可使大厚度自重湿陷性黄土湿陷性评价趋于合理,有效节约大量地基处理费用。

(5) 地基在深层注水及200 kPa荷载作用下,沉降量与时间关系呈多段近似折线形变化,表明大厚度自重湿陷性黄土的湿陷变形不是一次完成的,且湿陷具有一定的滞后性,从水分增加到基本饱和状态再到发生湿陷变形,需要一定的时间。

(6) 首次通过TDR水分计测定的土体水分入渗规律来研究黄土的湿陷变形规律,克服了传统试验研究的不足。

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大厚度自重湿陷性黄土地基处理深度和湿陷性评价试验研究

作者:杨校辉, 黄雪峰, 朱彦鹏, 姚志华, 张世径, YANG Xiaohui, HUANG Xuefeng, ZHU Yanpeng, YAO Zhihua, ZHANG Shijing

作者单位:杨校辉,朱彦鹏,张世径,YANG Xiaohui,ZHU Yanpeng,ZHANG Shijing(兰州理工大学 土木工程学院,甘肃 兰州,730050), 黄雪峰,HUANG Xuefeng(兰州理工大学 土木工程学院,甘肃 兰州 730050; 后勤工程学院 建筑

工程系,重庆 401311), 姚志华,YAO Zhihua(后勤工程学院 建筑工程系,重庆,401311)

刊名:

岩石力学与工程学报

英文刊名:Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering

年,卷(期):2014(5)

被引用次数:9次

参考文献(18条)

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引用本文格式:杨校辉.黄雪峰.朱彦鹏.姚志华.张世径.YANG Xiaohui.HUANG Xuefeng.ZHU Yanpeng.YAO Zhihua.ZHANG Shijing大厚度自重湿陷性黄土地基处理深度和湿陷性评价试验研究[期刊论文]-岩石力学与工程学报 2014(5)

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