赵金刚，吕远强，晁 军，杨 喆，夏 蒙

典型黄土–古土壤系列浸水渗透及湿陷变形规律

赵金刚，吕远强，晁 军，杨 喆，夏 蒙

(中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054)

为查明典型黄土–古土壤系列地层结构的水分运移及湿陷变形规律，依托西安北至机场城际轨道项目于渭北黄土塬区所进行的大型试坑浸水试验，采用现场实时观测的方法，跟踪测试了无渗水孔条件下的湿陷性土层浸水渗透及湿陷变形。结果表明：在浸水前期，渗透水流以垂直运动为主，整体形态似一不断加大的“秤砣”形，随着水分运移至埋深较大土层时(约15.0 m)，水平运动开始加大，直至达到水分入渗扩散角界限，最终，浸润区及饱和区均呈现形似倒置“漏斗”的形态；受水分扩散的影响，沉降过程可划分为：初始浸水段–剧烈湿陷段–湿陷稳定段–停水孔压消散段–固结沉降段–沉降稳定段；古土壤层阻碍了水分的垂直渗透速度，并对其上土层的侧向扩散起到一定促进作用，停水后，则起到隔绝水分向下快速扩散的作用。研究结果为认识典型黄土–古土壤系列场地水分运移及湿陷变形规律提供了参考，也可为该地区未来工程建设提供指导及借鉴。

黄土–古土壤系列；试坑浸水试验；水分扩散；湿陷变形；渭北黄土塬区

湿陷性和渗透性是黄土类土最主要的工程地质特征[1]。自重湿陷性黄土场地的湿陷变形是工程建设中的难点问题，也是工程建设中必须解决的关键问题，不仅决定着工程地基处理方案的合理选择和设计，而且严重影响着工程投资与施工进度。解决这些问题的根源在于查清黄土的工程地质特征，关键在于查清黄土的湿陷变形和渗透(水分运移)规律。

国内许多学者在此方面进行了大量的相关研究，在黄土地区先后开展了不同规模的大型原位浸水试验[2-7]，研究浸水条件下的湿陷变形；罗奇斌等[8]对浸水过程中的含水量及土压力变化进行了测试；刘春龙等[9]对巴基斯坦地区的湿陷性黄土进行了专门研究；韩琳等[10]通过桩基浸水加载试验，得出湿陷对桩体变形和受力均有较大影响；叶万军等[11]对温度变化条件下重塑黄土的水分迁移规律进行研究，为黄土场地湿陷性的研究做出了贡献。近年来，苏立海等[12]通过大型浸水试验，研究浸水场地的水分运移规律，得出浸润区及饱和区呈“椭圆形”的规律；黄雪峰等[13]则得出水分运移形态近似“梨”状分布；马闫等[14]、尚银生等[15]在设注水孔条件下进行浸水试验，得出水分从上下向中间运移的结论；李佳等[16]、姚志华等[17]、罗晓锋等[18]、康宁等[19]通过现场浸水试验，分别得出水分运移形态呈“竖直向椭圆形”“水平向椭圆形”“开口喇叭形”分布的规律。

从前人研究认识可以看出，水是诱发黄土产生湿陷的关键外因，因此，研究黄土的渗透性是进行湿陷性研究的前提和基础。早期科研手段较为落后，多数研究成果主要以测试各试验点的自重湿陷量为主；目前，现场浸水试验加大了对场地水分运移规律的研究力度，但试验结果多限于浸水后的水分扩散形态、入渗角及其与最终湿陷范围的关系等方面；对水分运移过程及其与湿陷变形发展相关性，以及对水分扩散产生影响的地层结构方面有待进一步研究。

黄雪峰等[2]指出，现场浸水试验可以真实地反映土体实际的入渗场状态。鉴于此，笔者在西安北至机场轨道跨越渭北黄土塬的自重湿陷性场地进行大型试坑浸水试验，跟踪测试整个入渗场地的浸水渗透和湿陷变形过程，旨在为认识典型黄土–古土壤系列地层结构的水分运移及湿陷变形规律提供一定的试验基础，以期为湿陷性黄土地基处理方案的合理选择和设计提供依据，为该地区未来工程建设提供指导和借鉴。

1 试 验

1.1 场地条件

表1 研究区土层主要物理力学指标

注：表中10.4~11.0数据表示厚度最小值~最大值；各地层主要物理力学指标均为平均值；参考试坑邻近勘探点测试指标给出。

1.2 浸水试坑设计

现场整平后，开挖直径为25.0 m、深度0.5 m的圆形浸水试坑；坑底铺设一层厚度10 cm的碎石，粒径为1~3 cm。地面沉降观测浅标点以试坑圆心为中心，在互成120°的、、共3个方向轴布设沉降观测浅标点43个，其中，试坑内地表设浅标点19个(水平间距1.0~2.0 m)；试坑外设浅标点24个(水平间距1.0~5.0 m)，最远距试坑外20.0 m。深部沉降观测标点布置在试坑内、、轴上，分别与、、轴呈夹角30°，每条测线交错布置8个深标点，埋设深度2.0~24.0 m，共计24个深标点。试坑设计如图1所示。

1.3 水分计布置

水分传感器可以实时记录测点的含水率变化情况，分别在浸水试坑内外不同位置及深度处埋设水分传感器，实时记录各传感器的变化时间及过程，即可得出水分运移及时空变化规律。在浸水试坑内西东两侧开挖探井TJ1、TJ2(图1)，深度为25.0 m，在垂向上均按5.0 m间距刻槽安装水分传感器共计10个，其中编号SJ1—SJ5安装在西侧TJ1探井中，SJ6—SJ10安装在东侧TJ2探井中。确定水分计工作正常后，利用预先筛好的素土回填探井并分层夯实。浸水试坑外采用预钻孔方式布置2排水分计，每排3个，编号SJ11—SJ13埋深均为8.0 m，距试坑边分别为2.0、4.0、6.0 m；SJ14—SJ16埋深均为16.0 m，距试边3.0、6.0、9.0 m。水分计布置剖面如图2所示。

1.4 水位观测孔布置

为进一步监测试验期间水分在浸水试坑外侧土层内的运移情况，在试坑外侧布置SW1、SW2两个水位观测孔，采用钻机成孔，过滤器采用孔眼PVC管，孔周围用砂砾石填充，孔深均为25.0 m，第1个水位观测孔距试坑边3.0 m，两孔间距3.0 m(图1)。

1.5 试验过程

于2014年11月28日开始往浸水试坑内注水，2015年1月14日停水，历时48 d，总注水量为14 011 m3。每天使用精密水准仪对各沉降标点进行观测，并测量水位，水分计数据采用仪器进行自动采集，频率为1次/h；同时，对试坑周围裂缝出现的时间、扩展延伸情况，裂缝与试坑边距离、裂隙宽度和间距、错台高差等进行观测。停水后，在试坑外东侧完成zk1—zk5钻孔5个(图1)，并按间隔0.5 m采取土样进行含水率及饱和度测试，以确定浸水影响范围。

图1 浸水试坑设计及观测点布置方案

图2 水分计布置剖面

2 浸水试验成果分析

2.1 水分扩散规律

2.1.1 水分垂直运动(试坑内)

以试坑内SJ1、SJ6及SJ10为例，绘制含水率历时变化情况，如图3所示，其他相同深度内水分传感器变化规律类似，在此不再赘述；图中拐点表明湿润锋达到该传感器深度的时间，并迅速达到饱和状态。

图3 试坑内含水率随浸水时间变化曲线

从图3中可以看出以下规律。

a. 浸水期间 水分垂直运移至试坑西侧SJ1耗时3 d，出现拐点，曲线激增；至东侧SJ6耗时4 d，随后土体含水量并未产生较大变化，整体较为平稳。

浸水期间，水分运移至SJ10处耗时19 d，在随后过程中，土体含水量经历第1次陡降再回升、第2次陡降再平稳的阶段，且试坑内10.0 m以下水分传感器均产生类似现象，究其原因认为：3-1-1新黄土的湿陷变形及3-2-1、4-2-1古土壤层的相对隔水作用，共同导致此类现象的发生。在浸水前期，3-1-1新黄土层逐渐发生湿陷，土体密度增加，水分向下挤出，导致下部土体含水量短期内增大，产生第1次峰值；此外，湿陷变形使该土层渗透系数降低，加之3-2-1古土壤层的相对隔水作用，使其下土层水分短期内无法自上部补给，土体含水率下降，产生第1次陡降；随着注水的持续进行，上下土层之间水力逐渐连通，下部土体含水率再次回升，产生第2次回升；在浸水后期，水分的水平向扩散开始加大，向下补给减小，使深部土体含水量再次减小，形成第2次陡降。

b. 停水后 因浅部地层水分在大气影响条件下较易扩散，5.0 m深度处土体含水量均逐渐减小，而25.0 m深度土体含水量未发生较大变化。

2.1.2 水分侧向运动(试坑外)

图4为试坑外侧2.0、3.0 m位置不同深度含水率历时变化情况，表2为试坑内外各测点水分传感器拐点日期统计数据。

图4 试坑外含水率随浸水时间变化曲线

表2 水分初次到达水分计的耗时

从图4和表2可以看出：

水分侧向扩散至试坑外侧2.0 m处耗时10 d，此时，试坑内垂直向入渗深度已至15.0 m；水分扩散至试坑外侧3.0 m耗时14 d，相同时间内，试坑内垂向入渗深度已至21.0 m；由此说明，在浸水入渗前期，渗透水流以垂直运动为主，侧向扩散较小。

停水后，试坑外侧各水分计均未出现较大变化，曲线较为平缓；说明停水开始至观测结束，试坑内土体水分仍在产生向外的侧向扩散。

2.1.3 试验过程中水分扩散形态

以表2中各拐点获取的湿润锋到达测点时间综合确定试验过程中水分扩散形态(图5)。在此基础上，通过试坑内传感器埋深、试坑外各测点距坑边水平距离与耗时之比得出试坑内外各测点的渗透系数，以此绘制竖直向、水平向渗透系数的变化曲线(图6、图7)；为便于分析，引入竖径比概念，即同一时间点试坑内垂直入渗深度与试坑外水平扩散距离之比，表征水分在竖直向及水平向的扩散关系(图8)。

图5 试验过程中水分渗流形态示意

图6 竖直向渗透系数随深度变化曲线

图7 水平向渗透系数变化曲线

从表2及图5—图8可以看出，虽然试坑内外同一土层或同一层位中渗透系数因土性、垂直节理分布不均匀等原因而存在一定差异，但其总体分布及变化仍呈现一定规律。

①从表2、图5可知：浸水15 d后，试坑内平均入渗深度已至25.0 m，而试坑外侧水平扩散距离仅3.0~4.0 m，水平向渗透系数(平均值0.265 m/d)远低于垂直向(1.49 m/d)，浸润线整体形态似一不断加大的“秤砣”形，再次说明了试坑浸水前期，渗透水流以垂直运动为主。

图8 不同深度竖径比历时变化曲线

②从图6可知，在3-1-1黄土层中，渗透系数随着深度的增加逐渐减小，受3-2-1古土壤层相对隔水作用的影响，该层上下渗透系数均较小；水分进入4-1-1老黄土层中后，渗透系数增大，在4-2-1古土壤层隔水作用的影响下，渗透系数再次降低。

⑤图6及图8表现出类似的规律，由此表明，相对隔水的古土壤层阻碍了水分垂直渗透速度，体现出典型黄土–古土壤系列地层的渗透规律。

2.1.4 试验结束时水分扩散形态

a. 竖向影响范围确定 根据试坑内水分计测试结果，注水15 d时，25.0 m位置的水分计读数已开始变化，浸水试验实际注水48 d，期间水文观测孔(SW1、SW2)在22 d、25 d依次出现稳定水位(11.0 m、13.5 m)，表明25.0 m以上的地基土达到充分饱和。

b.水平向影响范围确定 依据停水后试坑外东侧完成的5个钻孔(编号zk1-zk5，如图1所示)所采取浸水后土样的含水率及饱和度测试结果，与TJ2探井所测浸水前的初始含水率进行对比，得出各钻孔偏离浸水前含水率的深度，结合试坑外水分计读数，由此确定最终浸润线的范围；进而，统计各钻孔测试所得饱和度大于85%的土样深度，绘制饱和范围，最终浸润区、饱和区范围如图9所示。

图9 试验结束时浸润区及饱和区范围

从图9可以看出：

①浸水试验结束后，浸水影响范围形状类似一个倒置的漏斗，浸润区与饱和区的影响范围随深度的增加而逐渐增大；最终，3-2-1古土壤层以上(湿陷土层厚度内)浸润区与试坑边缘垂直线约50°，饱和区与试坑边缘垂直线约42°，古土壤以下分别为41°及27°。

②通过与试验过程中水分渗流形态(图5)对比可知，水分的扩散并不是一开始就按照固定的入渗角向下入渗，该入渗角随着入渗时间及深度的不断增加而逐渐扩大。

③结合图6及图8可以得出，古土壤层降低水分的垂直渗透速度，对其上土层的水平向扩散起到一定的促进作用，因此，试验结束时，浸润线和饱和区在古土壤层处略微向外突出。

2.2 水分扩散与湿陷变形关系探讨

2.2.1 地表湿陷变形特征

限于篇幅，本次挑选轴位于试坑内的1、5标点和试坑外7、11共4个浅标点为代表(图10)，分析水分扩散与湿陷变形的关系，其余标点规律类似，不再赘述。可以得出，受水分扩散过程的影响，整个浸水试验沉降过程可分为6个阶段。

a. 初始浸水ab段 自注水开始，该阶段持续时间4 d，湿润锋入渗深度可达5.0 m，因上部土层未达到湿陷起始含水率，日平均沉降约0.7 mm/d。

b. 剧烈湿陷bc段 随着湿润锋向下扩散，上部土层达到饱和并随即发生剧烈湿陷，单日最大湿陷量53.6 mm，发生于注水开始第7 天，此时湿润锋下渗深度达10 m(接近全部湿陷土层厚度)，随后单日湿陷量逐渐降低，日湿陷量介于3.4~26.8 mm，该阶段持续时间为6 d。

c. 湿陷稳定cd段 经剧烈湿陷变形后，大部湿陷性土层已完成自重湿陷，此阶段沉降包括2部分：随着饱和区向下扩散，剩余湿陷性土层产生的自重湿陷量；因上部饱和土体自重压力作用而产生的少量固结；该阶段持续时间38 d，日平均沉降约5.0 mm/d。

d. 停水孔压消散de段 该阶段平均沉降变化很小，持续时间约2 d，受下部多层古土壤隔水作用的影响，水分无法快速自下部扩散，其主要扩散途径为自然蒸发及侧向扩散。

图10 地表累计沉降过程曲线

e. 固结沉降ef段 随着表层土体孔压的逐渐消散，土体逐层产生固结沉降，该阶段持续时间7 d，单日最大沉降量18.0 mm。

f. 沉降稳定fg段 日均沉降约2 mm/d，沉降变形区域稳定。

2.2.2 水分扩散与湿陷影响范围的关系

以—轴沉降过程曲线为例(图11)，结合前述分析结果，探讨水分扩散与湿陷影响范围的关系。

①地面沉降在试坑中心附近最为剧烈，在浸水起始阶段，湿陷在轴率先开始沉降，随着时间推移，逐步扩展至整个试坑，最终呈较为规则的“U”字形对称分布。经过分析，因试坑内不同部位土性、垂直节理分布不均匀，土层达到饱和的时间不一致，进而导致起始段沉降不均匀，后期在湿陷性土层均完成自重湿陷后，沉降逐步过渡至对称分布。

②在12月2日(浸水第5 天)，轴南侧距试坑边1.0~3.0 m开始出现第一道裂缝，从前文分析可知，此时湿润锋侧向扩散较小(不到1.0 m)，因此，该处裂缝的出现主要因试坑内湿陷沉降而产生的侧向拉伸所致。

③随着水分水平向渗透运动的不断进行，试坑外侧土体逐步产生自重湿陷，受入渗扩散角影响，该部分湿陷仅发生于下部地层，其影响范围及裂缝出现的位置不断外扩。

④试验终止前，入渗扩散角基本达到试验阶段最大值，此时，下部饱和区土层湿陷基本结束，湿陷变形趋于稳定，且试坑外侧不再出现新的裂隙。

图11 A—C轴地表沉降历时曲线

3 水分扩散、湿陷变形及地层结构关系探讨

试验区位于渭北黄土塬区典型的黄土–古土壤系列地层上，特殊的地层结构致使该地区渗透及湿陷规律与其他黄土地区存在一些差异。

①水分的垂向扩散(尤指饱和区的扩散)直接影响着湿陷变形的发展，湿润锋扩展较浅时，沉降也较小，最大单日湿陷量产生于湿润锋垂直渗透至10 m深度(接近全部湿陷土层厚度)的时间；主要湿陷土层均达到饱和状态后，湿陷变形进入稳定阶段。

②水分的侧向扩散对湿陷平面影响范围起到关键作用，浸水前期，湿润锋侧向扩散较小，此时坑外变形为坑内湿陷而产生的侧向拉伸，随着侧向扩散的不断进行，入渗扩散角不断扩大，坑外下部饱和区土层不断湿陷，直至扩散角达到本次试验最大值，其平面影响范围趋于稳定。

③浸水阶段，起相对隔水作用的古土壤层阻碍了水分垂直渗透速度，并对其上土层的水平向扩散起到一定促进作用；停水阶段，下部多层古土壤层隔绝了水分向下扩散的通道，导致其上土层水分扩散主要依靠自然蒸发及侧向渗透。

④湿陷变形对水分的扩散存在一定影响，在注水过程中，上部土层不同阶段的湿陷变形导致土体压密，密度的增大使土体含水量减小；此外，上部土体水分的挤出可引起下部土体含水量增大。

4 结论

a. 水分扩散的入渗角随着入渗时间及深度的不断增加而逐渐扩大；在浸水前期，渗透水流以垂直运动为主，整体形态似一不断加大的“秤砣”形；水平运动在竖直渗透至15.0 m时开始加大，直至达到水分入渗扩散角最大值，最终，浸润区及饱和区均呈现形似倒置“漏斗”形态。

b. 受水分扩散的影响，整个浸水试验沉降过程可分为6个阶段：初始浸水段、剧烈湿陷段、湿陷稳定段、停水孔压消散段、固结沉降段和沉降稳定段。

c. 古土壤层的相对隔水作用，在浸水阶段阻碍水分在垂直方向的渗透，并在一定程度上增强其上土层的水平向扩散；在停水阶段则限制水分的向下扩散；由于古土壤层在浸水及停水阶段对水分运移的阻碍、限制作用，构成了典型黄土–古土壤系列地层结构特有的水分运移特征。

d. 黄土湿陷变形的产生、发展及最终形态，与水分的扩散及发展息息相关，自重湿陷性土层内饱和区的垂向扩散直接影响着湿陷变形的发展，其侧向扩散对湿陷平面影响范围起到关键作用。

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The law of soaking infiltration and collapse deformation in typical loess-paleosol series

ZHAO Jingang, LYU Yuanqiang, CHAO Jun, YANG Zhe, XIA Meng

(China Coal Xi’an Design Engineering Co. Ltd., China National Coal Group Corp., Xi’an 710054, China)

In order to investigate the law of moisture migration and collapse deformation of the typical loess-paleosol series, on the basis of water immersion test of the large test pits of Xi’an North-airport intercity rail transit in the loess tableland of Weibei, the real-time in-site observation was adopted, the soaking infiltration and collapse deformation of collapsible soil layer under conditions of non water seepage hole were traced and tested. The results show that: The movement of water immersion is dominated by vertical movement in the early stage. The whole form is like a continuous increase of “weight” shape. As the water moves to the deeper layer (about 15.0 m), the horizontal movement begins to increase until it reaches the boundary of water diffusion angle; The infiltrating and saturation area appear like inverted “funnel” form; secondly, under the influence of water diffusion, settlement can be divided into the following stages: the initial soaking stage-the drastic collapsible stage-the collapsible stable stage-the dewatering pressure dissipation stage-the consolidation settlement stage-the settlement stable stage; The paleosol layer hinders the vertical penetration rate of water and promotes the lateral diffusion of the upper layer . The research results provide a solid foundation for understanding the water migration and the law of collapsible deformation of the typical loess-paleosol series, also guidance and reference for the future project construction in this area.

loess-paleosol series; soaking test; water infiltration; collapsible deformation; loess tableland of Weibei

TU444

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.022

1001-1986(2020)03-0152-08

2019-12-05；

2020-04-26

赵金刚，1985年生，男，河南新密人，博士，工程师，从事地质工程研究工作. E-mail：276071760@qq.com

赵金刚，吕远强，晁军，等. 典型黄土–古土壤系列浸水渗透及湿陷变形规律[J]. 煤田地质与勘探，2020，48(3)：152–159.

ZHAO Jingang，LYU Yuanqiang，CHAO Jun，et al. The law of soaking infiltration and collapsible deformation in typical loess-paleosol series[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(3)：152–159.

(责任编辑 周建军)