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1、目 录1弓I言12试验概况22.1场地条件22.2浸水试坑布置和仪器埋设32.3 DDC处理区域布置42.4挤密桩区域布置43试验成果分析53.1湿陷变形特性研究53.2水分入渗规律研究63.3地基处理合理方法研究74结论9参考文献10大厚度自重湿陷性黄土湿陷变形特性水分入渗规律及地基处理方法研究摘 要：为研究大厚度自重湿陷性黄土的湿陷变形特性、水分入渗规律以及地基处理合理 方法等问题，选择典型大厚度自重湿陷性黄土场地，进行了布置沉降观测点和埋设水分计的 浸水试验以及挤密桩、DDC （孔内深层强夯）桩地基处理试验。试验结果表明，在水分入渗 过程中，深度22.525.0 m以上土体易发生湿陷，该
2、深度以下土体则含水率增加缓慢，达 不到湿陷起始含水率，不易发生湿陷，因此该深度考虑可作为现场湿陷性评价的临界深度， 也可作为大厚度湿陷性黄土地区进行地基处理时可参考的地基处理下限深度。DDC桩间距 为1.01.4 m时，无论从挤密系数还是湿陷系数都能满足规范要求；挤密桩15 m试验区 域沉降量较小，但其剩余湿陷量任未满足要求，这也佐证了关于22.525.0 m深度难于发 生湿陷的结论。试验成果可作为今后大厚度自重湿陷性黄土地区工程建设以及黄土规范进一 步修订的参考。关 键词：大厚度自重湿陷性黄土；浸水试验；地基处理；湿陷变形；入渗；剩余 湿陷量1引言黄土的湿陷性对工程建设的危害很大，修建在黄土
3、地基上的大量工业与民用建筑发生破 环，公路路面开裂，水利设施失效，经济损失很大。黄土湿陷主要由于水分进入土体从而引 起的结构破坏。随着国家经济的发展和西部大开发战略的实施，越来越多的工业和民用工 程修建于大厚度自重湿陷性黄土上，这给研究人员提出了一系列挑战性的课题。如何避免由 于水分入渗导致的工程结构破坏，迫在眉睫。黄土湿陷变形特性研究主要有室内和现场两种 手段。室内试验2-5 主要研究黄土的湿陷机理和定量描述的数学模型，许多学者在这方面 做了很多有益的工作。现场试验6-8 直接得出地基的湿陷变形量（特别是自重湿陷量）和 湿陷变形的时空分布，据此判定场地的湿陷类型比较准确可靠，但费用高，且费工
4、费时。采 用预浸水法处理湿陷性黄土区域地基的一种常用方法，可以节约建设成本，且能够完全消除 黄土的湿陷性，因而被广泛采用。此项技术广泛应用到一些重点建设工程中也屡见不鲜，如 陕西宝鸡第二电厂、蒲城电厂、宁夏扶贫扬黄灌溉工程等。然而，前人在研究浸水方面的工 作浸水试坑尺寸小，不能反映实际工程情况，或者是浸水处理中打渗水孔以达到加速渗水的 作用，不能彻底地反映水分缓慢入渗如何对自重湿陷的影响。本次试验设置在典型黄土层上， 试坑尺寸大，对场地黄土没有预打渗水孔，在国内外也属罕见。对进一步深入研究大厚度自 重湿陷性黄土湿陷变形特性起到推动作用，使其理论研究、试验方法以及工程应用更进一步 的提升。黄土的
5、渗透性是黄土的重要工程性质之一，许多工程如湿陷性黄土地基的湿陷变形大小 和湿陷变形速度等都与黄土的渗透性密切相关。渗透性主要体现在水分运移规律上，到目前 为止对黄土中水分运移规律的研究远远不够，国内学者如刘颖、刘保健等做了一些有益的尝 试，但对非饱和原状黄土中水如何渗透和运移规律的研究还很少，黄雪峰等通过现场试验得 出非饱和黄土中渗流范围是一个闭合的近似椭圆形区域的结论。通过大型浸水试坑来研究非 饱和黄土入渗规律鲜有报道，本次试验通过人工挖设探井，埋设水分计来研究黄土中水分运 移规律。孔内深层强夯法近年来得到广泛的应用，但其理论和试验研究却滞后于实际工程， 关于DDC （孔内深层强夯）合理控制
6、桩长以及合理选择桩间距等问题鲜有报道。桩长和桩间 距的合理控制直接关系到地基承载能力的提高和工程造价的降低等问题。桩长过长以及桩间 距过小，基础承载能力会显著增加，但同时也会提高相应的工程造价。另外，黄土地基处理 后，遇水情况下地基仍然发生破坏，也就是对地基的影响很大。因此有必要就合理选择桩长 问题以及荷载作用下水分对地基沉降的影响进行深入探讨，本次针对以上问题进行大规模浸 水载荷试验。国内许多研究人员，如罗宇生等调查表明在土性基本相同的场地，剩余湿陷量 的大小与地基处理厚度有关。张豫川等研究表明，挤密桩选择12 m作为地基处理的合理深 度，在安全和经济上是可行的，但该文献只是进行了数值模拟而
7、未进行深入系统的试验研究 来证实模拟的合理性。本文针对剩余湿陷量的合理控制问题而展开系统研究。2试验概况2.1场地条件试验场地位于兰州市和平镇。场地地势较平坦，经勘察场地地貌单元属黄河南岸W级阶 地，地貌单元单一。据当地资料可知，该场地地下稳定水位大于70.0 m，由室内试验可知场 地黄土层总厚度大于38.0 m，其中湿陷性土层厚度约36.6 m，全厚度黄土层均有湿陷性。 黄土由第四系马兰黄土组成，由室内试验测得土层含水率为 4.4%24.6%之和干密度在 1.251.61 g/cm3之间变化。最大干密度为1.671.69 g/cm3，最优含水率为15.3%15.5%。 垂直方向的渗透系数最大
8、值为6.42X10-4 cm/s，最小值为9.18X10-6 cm/s。水平方向的 渗透系数最大值为9.29 X10-4 cm/s，最小值为5.35 X 10 - 6 cm/s。图1浸水试验现场2.2浸水试坑布置和仪器埋设现场试验试坑为圆形，直径为40 m,超过自重湿陷性土层厚度，如图1所示。在距离 试坑50.0 m处设置后视基点2个，以校核沉降数据。地面沉降观测点25个，坑内13个， 坑外12个。沿试坑圆心分为3个轴，将地面25个沉降观测点平分在3个轴上，沉降观 测点的编号见图2，沿圆心依次编号A1-1、A1-2、A1-3、A1-4、A1-5、A1-6、A1-7、A1-8、 A1-9。在轴2
9、和轴3上也是沿圆心编号，但A2-1和A3-1以及A1-1只代表一个点。深层 沉降观测点共 11 个，其编号分别是 S-5、S-8、S-11、S-14、S-17、S-20、S-22、S-24、S-26、 S-28、S-30，其中S-5代表深度为5.0m的沉降观测点，余比依次类推。每个沉降观测点上 捆扎黑白颜色标尺，以提高观察时的精确度，标尺采用仿线条式钢制标尺，刻划间隔0.5 cm。 体积含水率测试采用锦州阳光科技有限公司TDR-3水分计。TDR-3型水分计是一款高精 度、高灵敏度的测量土壤水分的传感器。土壤水分传感器与数采，远距离传输设备可以构成 遥测系统。试坑中以及试坑外共挖设6个探井：浸水
10、试坑中心点5.0 m处挖设2个平行探 井；试坑边缘以及距离试坑5.0、8.0、11.0 m处挖设4个探井；6个探井处于同一条直线 剖面上，如图3所示。水分计埋设前先对其进行标定。1#探井和2#探井各埋设水分计13个， 每个水分计之间距离为2.5 m，两个探井中的第一个水分计离浸水试坑坑底平面2.5 m。3# 探井位于试坑边缘，共埋置6个水分计，4#6#探井分别埋设了 75个水分计。探井中 自上而下按图3中所示距离埋设TDR水分计，沿探井垂直方向挖设长度为1.5 m，直径为 350 mm的探槽；探槽尽头埋设水分计，水分计探头安放与探井垂线呈45角，这样可以 减少土壤不良特性造成的影响。2.3 D
11、DC处理区域布置DDC处置区域共包括两个试验内容，包括不同桩长和不同桩间距对地基处理效果的影 a响。现场试验区域如图4所示。采用DDC法处理的地基进行试验，不同桩心距试验区域， 桩距为1.11.5 m,桩长均为10 m,并对该区域挖设探井检测挤密效果（图5）。另外，再布置3个 相同桩心距，不同桩长的试验区（图6），在地表和不同的深度设置变形沉降观测点，对处 理后的地基进行大面积压板载荷试验，载荷为20 t/m2。试验浸水试坑深度为0.5 m,浸水 保持0.30.5 m的水头，分别对载荷台、地表及深层变形进行沉降观测，沉降观测1次/日。图4 DDC地基处理区域2.4挤密桩区域布置挤密桩区域选择不
12、同的处理深度和不同的剩余湿陷量进行深层浸水试验，挤密桩桩心距 为0.9 m。对处理后的地基进行大面积压板载荷试验，加荷量为20t/m2。选择一定的间距 打孔下注水管，进行深层浸水；布置沉降观测点分别对载荷台、地表及深层变形进行沉降观 测，如图7所示。挤密桩处理包括2个灰土区域（分别为6.0 m和12.0 m）和2个素土区 域（分别为10 m和15 m）。图8为挤密桩区域所有设施完善后的实景图，处理区域中心开 挖，埋设承台，承台下方挖掉多余的土体。挤密桩区域设置深层沉降观测点和地表沉降观测 点，沉降观测点的做法如前文一样。处置区域按照一定距离钻注水孔，注水孔的直径为10 cm，长度超过所在区域挤
13、密桩桩长1.0 m；深层注水孔用PVC管相互连接插入设计土层。图8挤密桩区域现场3试验成果分析3.1湿陷变形特性研究本次试验实施前，首先勘察场地6个探井，从室内试验得到自重湿陷量计算值为1 228 mm,浸水试坑中实测自重湿陷量平均值为2 315 mm,则0B为1.89，该值超过了黄土规范 中1.5的修正系数。图9为A1-1总沉降量随浸水时间的变化曲线。由图可见，沉降曲线随着浸水的开始， 先期没有发生任何沉降，这与浸水量直接关系，水分入渗量的大小直接决定了地表发生沉降 的速率。浸水初始仅有13 mm的沉降，从第9天开始出现13 mm的沉降，此后一直保 持这种趋势。发生沉降后曲线图下降很快，第6
14、0天左右又进入一个缓降阶段，缓降阶段。 其余轴各点与该图变化规律相似。总体来看，总湿陷量变化曲线呈现先期快速下降，这与饱 和自重压力作用下土体结构迅速破坏，地表沉降发生突然有关，接着进入平稳缓降，这个阶 段水分入渗缓慢，逐渐由浅入深，深层土体湿陷发生缓慢，曲线表现平稳缓降；接着进入快 速沉降阶段，该阶段持续时间较短，大面积整体沉降湿陷，再次平稳，这个阶段沉降逐渐稳 定，缓慢达到稳定标准；停水后迅速沉降，这与固结沉降发生了 2次湿陷有关；接着进入 平稳发展阶段，该阶段沉降趋于稳定。图10为深层沉降S-5湿陷变化规律。深层沉降观测点湿陷变化曲线与前文中地表沉降 观测点湿陷规律相似，前期由于水分未达
15、到土层，没有引起湿陷。水分一旦到达埋设土层时， 湿陷量变化曲线会出现一次较大的陡降；陡降之后即进入一个缓慢的增加阶段，该阶段比较 短暂；随即又一次出现了下降，之后进入平稳阶段，该平稳阶段即为湿陷稳定阶段；停水后 土体再次出现的湿陷，表现在曲线上为陡降，随着水分没有外在的补充以及原有水分的消散， 土体沉降也进入了一个长期的稳定阶段。3.2水分入渗规律研究水分计的应用很好地解决水分在黄土中运移规律，实时无损地测量土壤中体积含水率的 变化情况。1#探井距离试坑中心点5.0 m，从试坑底面算起每隔2.5 m埋设一个水分计，总 计埋设13个。下文中罗列1#探井部分点位体积含水变化情况，图中用不同粗细曲线
16、代表浸 水期以及停水期水分计的变化。图11为1#探井中2.5m体积含水率变化曲线。图中可见浸水第7天，2.5 m处体积含 水率发生了突变增大，之前7d几乎维持8%没有变化，说明浸水7d后水分入渗到2.5m处； 第17天时体积含水率增大到峰值43.1%。之后又逐渐下降，达到一个平稳状态，维持在32% 左右；浸水104 d时，体积含水率又有一个较大的突降；停水时，该点处体积含水率逐渐地 平稳减小。从图中可以清楚地发现体积含水率随着浸水时间的增长，其变化大致有以下规律： 有3个平稳发展阶段（包括1个渐增，2个渐减），2个陡降阶段，还有一个急速增加过程。图12为1#探井15.0m处体积含水率变化曲线。
17、由增加的趋势，一直延续到峰值，之 后有一个小幅陡降，再次保持平稳减小的趋势。15.0、17.5、20.0m处体积含水率曲线变化 趋势较相似，文中未全列出。图可见，15.0m处浸水35 d时突增到35.6%，之后，随着水分 的入渗一直到103 d时才达到峰值3.8%，这与前面图形所描述的趋势是完全不一样的15.0m 处没有出现缓降阶段，亦没有平稳发展阶段中的渐减阶段，而是含水率突增后一直延续着增 加的趋势，一直延续到峰值，之后有一个小幅陡降，再次保持平稳减小的趋势。15.0、17.5、 20.0 m处体积含水率曲线变化趋势较相似，文中未全列出。图13、14分别为1#探井25.0 m和32.5 m
18、处体积含水率变化曲线。从曲线变化趋势 上看两图有着极为相似的地方，浸水开始到结束，没有出现前文叙述的那种陡降及突增，曲 线变化都比较平滑，大致由3个渐增阶段组成：第1个阶段是浸水初期由于水分还没有渗 透到该层，造成体积含水率变化不大，近乎一条直线；第2阶段是浸水中期以及停水初期， 体积含水率平稳增加阶段，该阶段含水率增量明显增大，其渐增的趋势要大于第1个渐增 阶段；第3个阶段为停水后期含水率稳定阶段，该段含水率有所增大，但始终保持一种特 别缓慢的渐增趋势，此种渐增趋势十分小。总体来看，12.5m之前图形基本存在6段，包括3个平稳发展阶段；1个突增阶段；1 个缓降阶 段和1个陡降阶段。15.02
19、0.0 m之间图形可以由5段组成，没有缓降这个阶段， 突增和陡降不是很明显；22.5 m之前的图形在停止记录之前最后都是以含水率降低为标志; 25.0m以下土层体积含水率变化基本呈现3段式发展：（1）前期平稳渐增阶段；（2）中期 持续增加阶段；（3）试验后期渐增阶段，停水后且停止记录时含水率都有一个缓增。22.5m 以下土层没有出现突增也没有陡降，浸水时间之久，含水率一直保持渐增的趋势，说明该点 的土体还没有达到饱和状态，也在另一个侧面反映了大厚度自重湿陷性黄土层随着土体自身 深度的增加，水分不是一成不变地渗入，而是有一个深度的界限。浅层土体水分入渗较快， 较深的土体中水分入渗非常缓慢。这与上
20、部土体发生自重湿陷密切相关，湿陷导致上部土层 压密，空隙变小这也进一步阻滞了水分的进一步扩散和渗入，下部土体的水分持续的增加一 方面有上部水分的缓慢入渗，另一方面是由于土体自身的吸力作用导致。随着土层深度的增加，水分渗透到该点所需的时间越久。浅层的体积含水率曲线出现了 两个陡降段，随着深度的增加第一个陡降段发生不太明显。两个陡降段的出现与土体湿陷密 切相关。土体湿陷造成黄土中结构破坏，原有空隙被压密，体积含水率减小。出现两个陡降 段，说明浅层土体在土体自重以及上部承压水作用下发生了两次湿陷。随着土体深度的增加 第一次湿陷将越来越不明显。整个试坑以20.025.0 m为界限，该段以上土层水分容易
21、渗入，而以下水分很难渗入， 土体不容易达到饱和。本次浸水场地没有预先打渗水孔，这也更好模拟了水分由浅入深的渐 变过程。从试验图形分析来看，20.0 m以下很难湿陷，因此在地基处理方面是否只考虑处 理20.0 m，可以大大节约建设成成本，并带来可观的经济效益。此次试验结果这可以为下一 步修订黄土规范提供参考。3.3地基处理合理方法研究3.3.1 DDC处理区域承台沉降观测分析图15为15.025.0m DDC区域承台沉降观测点数据变化图。同样施加80 t荷载，桩 长越长，承台沉降越小。15.0 m区域承台累计下沉87mm； 20.0m区域累计下沉62mm， 而25.0m区域累计下沉44mm。3个
22、承台沉降主要发生在浸水前20d，其沉降占整个沉降量 的70%左右，后期50d浸水发生沉降较小，仅占20%。停水后，观测中3个承台沉降逐渐区 域稳定，但桩长较短的区域如15m区域，沉降稳定所需的时间较其他稍长25m承台浸水 40d后，沉降逐渐稳定，一直维持到试验结束。3.3.2 DDC不同桩间距区域分析从室内试验结果来看，每延米挤密系数平均值随着探井深度的加大而减小。桩间距越小， 每延米平均挤密系数变化越规律，反之则较离散。桩间距越小，挤密夯实的功效越好，土体 之间挤密效果越好，表现在每延米上的挤密系数变化则较规律；桩间距较大，相同夯实能量 下，即使桩身夯实效果较好，但3桩间和2桩间这些薄弱区域
23、夯实效能则欠缺，这也导致 了桩间距较大区域的每延米挤平均挤密系数下降。将不同桩间距区域挤密系数进行平均处理，代表整个探井挤密夯实情况，如图16所示。 由图可见，1.0 m桩间距平均挤密系数最大，达到0.97。随着处理桩间距的增加，挤密系数 是随之减小，1.4 m平均挤密系数达到0.89,而1.5 m桩间距挤密系数仅为0.85,可见1.5m 桩间距不能很好满足规范要求。对不同桩间距区域的平均挤密系数和桩间距进行了拟合，由图16可知两者满足：入=ln(a + bln x) (1)式中：入为整个桩间距区域平均挤密系数；a、b为试验常数；x为桩间距。通过MATLAB7.0对式(1)进行拟合，得a =3
24、.24，b=-0.59，相关系数R2 = 0.98。1.01.4 m桩间距的挤密系数都能满足规范要求，除了桩间距为1.5 m区域。以往的 施工过程中常采用1.01.1 m桩间距。然而，1.0 m和1.1 m的施工桩体过密，影响到施 工的成本的增加。而1.21.4 m从挤密系数、压缩模量以及压缩系数(3桩间和2桩间) 都全面满足规范要求。如果选用较大的桩间距，可以有效降低工程地基处理费用30%左右， 因此有必要对较大桩间距区域的湿陷性进行进一步的研究，以验证整个区域是否所有项目都 能满足设计以及施工要求。图16平均挤密系数与桩间距的变化曲线3.3.3挤密桩区域剩余湿陷量分析试验实施前对现场周边勘
25、探6个探井，通过室内试验计算自重湿陷量及总湿陷量，每 个探井具体总湿陷量计算值及6个探井的总湿陷量计算平均值见表2。剩余湿陷量是将湿陷 性黄土地基湿陷量计算值减去基地下拟处理区域土层的湿陷量。则各区域的剩余湿陷量容易 求的。试验中只有3个处理深度区域，为方便比较剩余湿陷量，将地基深度6.0、10.0、12.0、 15.0、20.0、25.0 m的剩余湿陷量列入表2。对挤密桩区域地表、深层和承台进行了长时间累计观测，部分数据列于表3。由表可以 看出，深层沉降随着处理深度的增加而减小；6.0 m灰土区剩余湿陷量按照室内计算为1 150.8 mm，而实际中承台在20 t/m2荷载作用下仅发生沉降24
26、4 mm，深层沉降也仅仅只有200.5 mm。首先，室内试验部分在模拟现场方面存在不足，不能完全反映整个湿陷过程。 现场6.0 m区深层注水孔离地面为7.0 m，超过处理深度为1.0 m，在水分的不断渗入下171 d整个试验过程中很难保证水分能够渗透整个湿陷性土层，这也无法保证整个湿陷性土层完 全发生湿陷，所以造成现场地表沉降以及深层沉降较小。湿陷性黄土地区建筑规范中规定：乙类建筑，在自重湿陷性黄土场地，消除地基部 分湿陷量的最小处理厚度，不应小于湿陷性土层深度的2/3,且下部未处理湿陷性黄土层的 剩余湿陷量不应大于150 mm；丙类建筑，在自重湿陷性黄土场地，地基处理厚度不应小于2.5 m，
27、且下部未处理湿陷性黄土层的剩余湿陷量不应大于200 mm。表2中，6.020.0 m处 理深度内无一能满足规范要求，只有25.0 m处理深度范围内能够达到，规范明显与本次试 验中15.0 m以及20.0 m区域沉降观测不符，对于大厚度自重湿陷性黄土场地处理中的乙类 和丙类建筑规范要求过于严格。剩余湿陷量也无法控制在150、200 mm的要求之内，处理 再加深无法体现其技术和经济的合理性。本次试验场地湿陷性黄土层厚度达到36 m，如果 按照规范来进行地基处理，乙类建筑地基处理达到24.0 m以上，从表2来看处理24.0 m以 上有其合理性，对于丙类建筑剩余湿陷量不应大于200 mm，地基处理在2
28、2.0 m左右。从 以上分析来度自重湿陷性黄土地基中将20.025.0 m作为处理深度的一个佐证。4结论(1) 场地中的地表沉降和深层沉降，两者变化规律几近相同；大厚度自重湿陷性黄土 地区现场湿陷变形规律分为浸水期和停水期两个阶段。(2) 在水入渗过程中，深度22.525.0 m以上土体易发生湿陷，以下土体则含水率增 加缓慢，达不到湿陷起始含水率，不易发生湿陷。因此，该深度考虑可作为现场湿陷性评价 的临界深度，也可作为大厚度湿陷性黄土地区进行地基处理时可参考的地基处理下限深度。(3) DDC桩间距为1.01.4 m时挤密系数和湿陷系数都能满足规范要求。如果选用 较大的桩间距，可以有效降低工程地
29、基处理费用30%左右。(4) 挤密桩区域桩长6.0、10.0、12.0m在深层注水情况以及20t/m2荷载作用下，承 台和场地周边发生沉降较大，而15.0m区域则沉降稍小，但其剩余湿陷量未能满足要求。 地基处理深度达到22.525.0m时，剩余湿陷量能够满足要求，这也佐证了关于20.025.0m 深度难于发生湿陷的结看，对以上剩余湿陷量的总结也恰好对前文中大厚论。参考文献1 张宗祜，张之一，王芸生.中国黄土M.北京：地质出版社,1989.2 陈正汉，刘祖典.黄土的湿陷变形机理J.岩土工程学报,1986,3 张苏民，张炜.减湿和增湿时黄土的湿陷性J.岩土工程学报，1992,4 陈正汉，许镇鸿,刘
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