一种基于原位测试技术的黄土湿陷敏感性评价方法

摘要

一种基于原位测试技术的黄土湿陷敏感性评价方法，开挖浸水试验试坑；坑底做三条相交直线；各直线上设多个标点；相邻标点间的距离不小于1m；同一标点组中的两个标点处的埋设孔深相同；第二条直线上最浅埋设孔深度比第一条直线上最深埋设孔的深度深，第三条直线上最浅埋设孔的深度比第二条直线上最深埋设孔的深度深；同一条直线的埋设孔内间隔埋设TRD土壤水分计探头和沉降板，埋设孔内均设标杆，标杆上均安装观测尺；试坑外设两个固定观测点；测得所有沉降板初始高程，测得试坑内各深度处的初始含水率；试坑内浸水；得土体受水浸湿时间和土体湿陷起始时间；两者之差为定量评价黄土地基湿陷敏感性的指标。

说明书

技术领域

本发明属于黄土湿陷性评价技术领域，涉及一种基于原位测试技术的黄土湿陷敏感性评价方法，通过原位浸水试验方法取得相关技术参数，评价黄土湿陷敏感性。

背景技术

黄土的湿陷敏感性是反映黄土受水浸湿后发生湿陷变形的难易和快慢程度的指标。湿陷敏感性越强，黄土遇水浸湿后发生事故的风险就越大，反之亦然。因此，在评价黄土湿陷性时，除了考虑湿陷量大小，还应评价其湿陷敏感性，以便选择更加合理的地基处理措施或设计方案。目前，国内学术界和工程实际中对如何评价黄土湿陷敏感性尚未形成统一的标准，其中定量判定黄土湿陷敏感性的方法主要有K´值法（上覆土体的饱和自重压力/湿陷起始压力）、K₀值法（β₀Δ^，_zs>zs）等等，概括起来其原理主要是通过室内试验测得的某些参数，然后求得湿陷敏感性指标，进而按一定标准将湿陷敏感性划分为若干个等级。国外则鲜见类似文献报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于原位测试技术的黄土湿陷敏感性评价方法，通过现场浸水试验的方法取得相关技术参数，进而评价黄土湿陷敏感性。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于原位测试技术的黄土湿陷敏感性评价方法，具体按以下步骤进行：

1）在试验区开挖浸水试验试坑；

2）在浸水试验试坑坑底面所在水平面上做三条直线，该三条直线相交于浸水试验试坑坑底面所在水平面与该浸水试验试坑中心轴的交点，该三条直线形成的六个圆心角相等；

3）在每条直线上均设置多个标点，同一条直线上的标点均布于交点的两侧，且同一条直线上标点的数量为偶数；同一条直线上位于交点同一侧的多个标点中相邻两个标点之间的距离不小于1m；同一条直线上交点和与交点相邻的标点之间的距离与该直线上相邻两个标点之间的距离相等；同一条直线上、从该直线一端的第一个标点起相邻的两个标点为一个标点组；

4）在每个标点所在的位置钻孔，得到多个埋设孔；同一标点组中的两个标点处钻出的埋设孔的深度相同，且同一条直线上相邻两个标点组的标点处钻出的埋设孔的深度相差1～2m；第二条直线上最浅的埋设孔的深度比第一条直线上最深的埋设孔的深度深1～2m，第三条直线上最浅的埋设孔的深度比第二条直线上最深的埋设孔的深度深1～2m；

5）在同一条直线的同一标点组中的两个埋设孔内分别埋设TRD土壤水分计探头和沉降板，且同一直线上所埋设的TRD土壤水分计探头间隔设置，该直线上所埋设的沉降板也间隔设置；然后，在每个埋设孔内均设置一根标杆，每根标杆上均安装一根观测尺；

6）在浸水试验试坑外设立两个固定观测点，每个固定观测点与浸水试验试坑坑边的距离不小于50m；

7）将所有的TDR土壤水分计探头通过同轴电缆线与放置在地面的TDR土壤水分计的读数仪相连；

8）用水准仪测得所有沉降板的初始高程，并用TDR土壤水分仪测得浸水试验试坑内各深度处的初始含水率；

9）对浸水试验试坑进行浸水，实时观测各点沉降变形及体积含水率数值的变化，得到浸水试验试坑内土体受水浸湿时间T1和该土体湿陷起始时间T2；

10）把土体受水浸湿时间T1和该土体湿陷起始时间T2之间的时间差作为定量评价黄土地基湿陷敏感性的指标；越大，黄土自重湿陷敏感性越弱，越小，黄土自重湿陷敏感性越强。

本发明评价方法是通过在现场试坑浸水试验中分层布设沉降观测系统和水分原位测试系统，用现场实测的黄土受水浸湿时间和湿陷起始时间之间的时间差定量评价黄土湿陷敏感性。黄土受水浸湿时间和湿陷起始时间之间的间隔时间越短，表明黄土自重湿陷敏感性越强，两者间隔时间越长，表明黄土湿陷敏感性越弱。

附图说明

图1是本发明评价方法中在浸水试验试坑内所做的相交于O点的三条直线的示意图。

图2是在图1中的第一直线上钻成的埋设孔深度的示意图。

图3是第一种典型的体积含水率随浸水时间变化曲线。

图4是第二种典型的体积含水率随浸水时间变化曲线。

图5是浸水试验试坑中水分竖向扩散速率随深度的变化曲线图。

图中：1.第一直线，2.第二直线，3.第三直线，4.标点，5.TRD土壤水分计探头，6.沉降板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

黄土在一定压力作用下下沉稳定后，受水浸湿结构迅速破坏并产生显著附加下沉的性质，称为湿陷性。湿陷性是黄土最典型的特殊工程性质之一，对建筑在其上的工程具有重要影响。但实际工程中常可看到，具有相同湿陷类型和湿陷等级的黄土地基，有的场地遇湿后迅速湿陷，而有的场地需浸水很长时间才能产生湿陷，其原因是黄土的湿陷敏感性不同，黄土的湿陷敏感性反映了黄土受水浸湿后发生湿陷变形的难易和快慢程度，是评价黄土湿陷危害大小的重要指标之一。湿陷敏感性越强，黄土遇水浸湿后发生事故的风险就越大，反之亦然。因此，在评价黄土湿陷性时，除了考虑湿陷量的大小外，还应评价其湿陷敏感性，以便选择更加合理的地基处理措施或设计方案。

目前，评价黄土湿陷敏感性主要是通过室内试验测得的某些参数，然后求得湿陷敏感性指标，进而按一定标准将湿陷敏感性划分为若干个等级。国外则鲜见类似文献报道。但室内试验由于受浸水条件、变形条件与现场实际存在客观差异的影响，其评价结果不够准确可靠。过去由于受水分原位测试技术以及各种客观因素的制约，仅在甘肃、陕西、山西等地开展过零星的黄土地基浸水入渗规律方面的现场原位测试试验，且试验目的、规模、场地条件各不相同，积累的资料比较有限。通过浸润锋到达时间和自重湿陷发生时间之间的关系评价黄土湿陷敏感性方面尚未见相关文献报道。

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种通过现场浸水试验的方法取得相关技术参数，进而评价黄土湿陷敏感性的方法，该评价方法具体按以下步骤进行：

1）在试验区开挖浸水试验试坑，浸水试验试坑底面与原地面之间的距离为0.5m，浸水试验试坑的直径不小于10m且不小于湿陷性黄土层厚度；

2）在浸水试坑底面所在水平面上做三条直线，即第一直线1、第二直线2和第三直线3；该三条直线相交于试坑中心O，该三条直线形成的六个圆心角相等；如图1所示；

3）在每条直线上均设置多个分层沉降观测标点4，每个深度同时设置两个沉降观测标点，对称分布于同一条直线上交点O的两侧；同一条直线上位于交点O同一侧的多个标点4中相邻两个标点4之间的距离L不小于1m；同一条直线上交点O和与交点O相邻的标点4之间的距离与该直线上相邻两个标点4之间的距离相等；同一条直线上、从该直线一端的第一个标点4起相邻的两个标点4为一个标点组；

标点数量根据湿陷性黄土层厚度（即需测试的深度）确定，标点数量为需测试的深度的两倍，每个测试深度设置两个标点，且所有的标点平均分布于三条相交的直线上。

4）在每个标点4所在的位置钻孔，得到多个埋设孔；同一标点组中的两个标点4处钻出的埋设孔的深度相同，且同一条直线上相邻两个标点组的标点4处钻出的埋设孔的深度相差1～2m，即同一条直线上第二个标点组的标点4处钻成的埋设孔的深度比第一个标点组的标点4处钻成的埋设孔的深度深1～2m，该直线上第三个标点组的标点4处钻成的埋设孔的深度比第二个标点组的标点4处钻成的埋设孔的深度深1～2m，如图2所示；第二条直线上最浅的埋设孔的深度比第一条直线上最深的埋设孔的深度深1～2m，第三条直线上最浅的埋设孔的深度比第二条直线上最深的埋设孔的深度深1～2m；

5）在同一条直线的同一标点组中的两个埋设孔内分别埋设TRD土壤水分计探头5和沉降板6，即同一标点组中的两个埋设孔中的一个埋设孔内埋设TRD土壤水分计探头5，则另一个埋设孔内埋设沉降板6；且同一直线上所埋设的TRD土壤水分计探头5间隔设置，该直线上所埋设的沉降板6也间隔设置，见图1；在每个埋设孔内均设置一根标杆，每根标杆上均安装一根观测尺；

6）在浸水试验试坑外设立两个固定观测点（这两个固定观测点是随意设立的，该两个观测点的位置以能观测到所有标杆上的观测尺为准则），每个固定观测点与浸水试验试坑坑边的距离不小于50m；

7）将所有的TDR土壤水分计探头5通过同轴电缆线与放置在地面的TDR土壤水分计的读数仪相连；

8）用水准仪测得所有沉降板6的初始高程，并用TDR土壤水分仪测得浸水试验试坑内各深度处的初始含水率；

9）开始浸水，随时观测各点沉降变形及体积含水率数值的变化，获得体积含水率变化时间和湿陷变形开始时间，得到浸水试验试坑内土体受水浸湿时间T1和该土体湿陷起始时间T2；

10）把土体受水浸湿时间T1和该土体湿陷起始时间T2之间的时间差（= T2－T1，单位：天）作为定量评价黄土地基湿陷敏感性的指标。

越大，表明黄土自重湿陷敏感性越弱，越小，表明黄土自重湿陷敏感性越强。

TDR土壤水分计探头5能够动态记录测点处土壤体积含水率的变化情况，据此可以分析黄土地基水分入渗过程。图3和图4是两种典型的体积含水率随浸水时间变化曲线。从图3可以看出，浸水过程中自重湿陷性黄土体积含水率随浸水时间的变化曲线一般会经历稳定不变-陡增-继续缓慢增加-迅速减小-缓慢减小五个阶段。其中稳定不变阶段代表浸润锋面尚未到达测点所在位置，土体含水率尚未发生变化处于天然状态；曲线陡增代表浸润锋面到达测试点，土体含水率迅速增大（但尚未饱和）；含水率继续缓慢增大反映出土体由含水率开始增大到达到饱和的过程；而体积含水量急速减小，意味着土体结构遭到破坏，黄土开始发生自重湿陷变形，因此该时间点可看着是黄土的湿陷起始时间。含水率继续缓慢减小，代表土体逐渐固结压密，孔隙比进一步减小直至稳定的过程。图4所示的体积含水率随浸水时间变化曲线与图3不同的是，浸水使土体体积含水率增大到最大值后，在整个浸水过程中始终稳定在这一状态，没有出现由于土体压密、孔隙比减小而导致土体体积含水率减小的阶段，表明土壤水分计探头所在位置处的土体没有发生自重湿陷变形，也就是说该点黄土没有自重湿陷性。因此，通过体积含水率随时间变化曲线，不但可以判断土体含水率的变化过程，得到地基内土体受水浸湿时间T1，也可间接判断土体是否发生自重湿陷变形以及该土体湿陷起始时间T2。据此得出的水分入渗到不同深度所需的时间，见表1。

表1 水分竖向入渗时间

从表1可以看出，对于非饱和的原状黄土，从地表浸水入渗，土体从浸润锋面到达（含水率开始增加）至含水率达到最大值需要一段时间，并且这个时间随着土体埋深的增加呈增加趋势。

浸水试验试坑内黄土地基在浸水过程中水分入渗与湿陷起始时间的关系，见表2。

表2 水分入渗与湿陷起始时间的关系

从表2可以看出，虽然不同深度黄土体积含水率变化和湿陷变形由于试验条件和土层不均匀性的影响表现出一定的差异，但总体而言，体积含水率的变化和自重湿陷变形的发生有密切的关系：浅部黄土层，在水分入渗很短时间之后土体就会发生湿陷变形，如埋深0.5m和2.5m的土层在水分到达当天就开始发生湿陷变形；但埋深4m以下各土层，湿陷起始时间总要滞后于浸润锋到达时间1～4d。总体趋势是湿陷性越强烈，自重湿陷敏感性也相对较大，说明黄土湿陷敏感性与湿陷程度具有一定的相关性。

综合比较表1和表2可以看出，自重湿陷性黄土并非完全达到饱和状态才开始发生变形，而是土体增湿到一定程度后，即产生相应的增湿变形，湿陷变形是增湿变形逐渐累加的结果，只是在某个浸湿阶段，含水率增大导致土结构迅速破坏，湿陷变形表现出一定的突发性。

实际工程中常可看到具有相同湿陷类型和湿陷等级的黄土地基。有的黄土地基遇湿后迅速湿陷，而有的黄土地基需浸水很长时间才能产生湿陷。究其原因是因为黄土的湿陷敏感性不同，黄土的湿陷敏感性反映了黄土受水浸湿后发生湿陷变形的难易和快慢程度，是评价黄土湿陷危害大小的重要指标之一。湿陷敏感性越强，黄土遇水浸湿后发生事故的风险就越大，反之亦然。因此，在评价黄土湿陷性时，除了考虑湿陷量的大小外，还应评价其湿陷敏感性，以便选择更加合理的地基处理措施或设计方案。

影响黄土湿陷敏感性的因素较多，主要包括胶结物类型、颗粒之间的接触排列结构、含水量、塑性指数、渗透系数等物理指标。就现有技术中评价黄土地基湿陷敏感性的方法来看，国内外尚没有通过现场浸水试验实测土体受水浸湿时间和湿陷起始时间之间的关系评价黄土湿陷敏感性的方法和评价标准方面的文献报道。

本发明评价方法能实时检测并客观反应黄土地基水分场和变形场的动态变化规律，其中黄土受水浸湿时间和湿陷起始时间两者之间的时间间隔直接反映了黄土遇水浸湿后发生湿陷的快慢和难易程度，两者间隔时间越短，表明黄土自重湿陷敏感性越强，两者间隔时间越长，表明黄土湿陷敏感性越弱，其物理意义明确，完全符合黄土湿陷敏感性的定义。因此，在现场实测得到黄土受水浸湿时间和湿陷起始时间的基础上，可以把黄土受水浸湿时间T₁和湿陷起始时间T₂之间的时间差（= T₂－T₁，单位：d）作为定量评价黄土地基湿陷敏感性的指标。越大，表明黄土自重湿陷敏感性越弱，越小，表明黄土自重湿陷敏感性越强。该方法物理意义明确，评价结果符合工程实际，对解决工程问题具有现实意义。