¹中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安

²西京学院土木工程学院，陕西 西安

收稿日期：2023年9月25日；录用日期：2023年10月16日；发布日期：2023年10月26日

摘要

西北地区黄土主要以湿陷性为主，给工程建筑造成了极大的破坏。本文以工程实例地质勘察为对象，通过对湿陷性黄土的湿陷性物理数据，对湿陷性黄土是否为自重湿陷黄土，以及湿陷黄土等级分类进行了分析，并根据实验结论对地基处理方案进行了补充。

关键词

黄土，湿陷性，地基，实验数据

Experimental Study and Analysis of Collapsibility of Loess in a Foundation Project in Xi’an

Cheng Zhao¹, Le Zhao¹, Hui Wu¹, Dengli Pan¹, Chengxiang Zhang^2*

¹Power China Northwest Engineering Corporation Limited, Xi’an Shaanxi

²School of Civil Engineering, Xijing University, Xi’an Shaanxi

Received: Sep. 25^th, 2023; accepted: Oct. 16^th, 2023; published: Oct. 26^th, 2023

ABSTRACT

The loess in the northwest region is mainly collapsible, causing great damage to engineering buildings. This article takes geological survey of engineering examples as the object, analyzes whether collapsible loess is self weight collapsible loess and its classification based on the physical data of collapsible loess, and supplements the foundation treatment plan based on experimental conclusions.

Keywords:Loess, Collapsibility, Foundation, Experimental Data

Copyright © 2023 by author(s) and Hans Publishers Inc.

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1. 概述

黄土湿陷性，是西安地区主要问题之一，由于其特殊性质给工程建筑造成了极大得破坏，主要是因湿陷引起得附加下沉，使建筑物发生不均匀沉降，地基土受水侵泡造成地基土软化，承载力降低，导致地基失稳，造成建筑物变形破坏；因此掌握黄土湿陷性结构特征和破坏规律，根据建筑物的类别和所在场地湿陷类型及地基湿陷等级的不同分别采取对策，对工程建设和规划都有重要意义。 ‎[1] 黄土类土在一定压力条件下，土体受水渗透后，原有的土体结构会迅速遭到破坏而使地基显著下沉。近年来，我国陕西经济建设步伐明显加快，随着国家“一带一路”发展战略的提出和实施，我国西北湿陷性黄土地区的铁路、公路以及其他基础建设活动越来越多，因此，准确客观的研究黄土的湿陷特性以及物理力学特性具有重要的科学意义和工程价值。

2. 土样来源与试验方案

研究区域位于西北水电及新能源科技产业中心(二期)工程项目位于西安市长安区常宁新区，东邻城南大道，南邻神禾四路，西邻常祥街，北邻神禾五路。东边与西京学院、幸驾坡村隔路相望，南面与中航工业园隔路相望，西侧与杜永村社区隔路相望，北侧相邻地块暂未规划。

2.1. 地形地貌

工程场地位于西安市长安区，附近地形最低处为场地东北侧的潏河河床，场地位于潏河左岸，地貌单元属一级黄土台塬。场地原为农业用地，地势较为平坦，场地地形略呈南高北低、东高西低之势，地面高程介于470.75 m~477.45 m之间。

场地现状为东侧是东配楼，北侧是绿化地，西侧水电为三局项目部，南侧是神禾四路。场地内除一期部分水泥地表及草坪外，均有厚度约0.5 m~3.5 m的人工填土覆盖，其中南部地表有一期建设工程中倾倒的高约1 m~3 m不等的建筑垃圾堆。

2.2. 地层岩性

根据现场勘探揭露的地层资料分析，拟建场地65 m深度范围内地基土按其沉积年代、成因类型及其物理力学性质自上而下可划分为①~⑯层16个地层。各地层岩性描述如下：

1) 第四纪全新世(Q₄)

第①层，人工填土( ${\text{Q}}_4^{\text{ml}}$ )：该层包括素填土和杂填土。素填土：黄褐色，稍湿~湿，土质不均，以粉质粘土为主，含植物根系等。杂填土：杂色，以建筑垃圾及生活垃圾为主，粉质粘土充填。该层一般厚度0.5 m~3.5 m，层底高程469.68 m~474.89 m。

2) 第四纪上更新世(Q₃)

马兰黄土上部(${\text{Q}}_3^2$ )

第②层，黄土( ${\text{Q}}_3^{\text{2eol}}$ )：风积黄土，黄褐色，硬塑，具虫孔及大孔，含少量蜗牛壳碎片、植物根系及铁锰质斑点。层底埋深8.70 m~12.30 m，层厚6.30 m~10.30 m，层底高程461.07 m~466.59 m。

马兰黄土下部( ${\text{Q}}_3^1$ )

第③层，古土壤( ${\text{Q}}_3^{1\text{el}}$ )：残积，红褐色，硬塑，团块状结构，针状孔隙发育，含菌丝、钙质条纹，该层底部钙质结核局部富集成层(厚度约0.3 m)。层底埋深12.30 m~16.00 m，层厚2.50 m~3.90 m，层底高程457.57 m~462.99 m。

3) 第四纪中更新世(Q₂)

离石黄土上部(${\text{Q}}_2^2$)

第④层，黄土( ${\text{Q}}_2^{2\text{eol}}$ )：风积黄土，黄褐~褐黄色，硬塑。针状孔隙及大孔发育，偶见蜗牛壳。该层层厚8.60 m~11.4 m，层底深度21.90 m~25.30 m，层底高程447.56 m~453.19 m。

第⑤层，古土壤( ${\text{Q}}_2^{2\text{el}}$ )：残积，棕红色，坚硬，局部硬塑。具团块状结构，含白色钙质条纹。该层层厚3.1 m~5.0 m，层底深度25.6 m~27.8 m，层底高程444.25 m~448.41 m。中间夹约0.5 m~1.5 m厚的薄层黄土，为红二条。

第⑥层，黄土( ${\text{Q}}_2^{2\text{eol}}$ )：风积黄土，黄褐~褐黄色，硬塑~可塑。针状孔隙及大孔发育，偶见蜗牛壳。层底深度31.0 m~33.2 m，层底高程438.94 m~442.46 m。

第⑦层，古土壤( ${\text{Q}}_2^{2\text{el}}$ )：残积，棕红色，坚硬，局部硬塑。具团块状结构，含白色钙质条纹。该层层厚2.3 m~4.2 m，层底深度33.5 m~36.7 m，层底高程435.86 m~439.46 m。

第⑧层，黄土( ${\text{Q}}_2^{2\text{eol}}$ )：风积黄土，黄褐~褐黄色，硬塑~可塑。针状孔隙及大孔发育，偶见蜗牛壳。该层层厚3.00 m~4.90 m，层底深度38.1 m~39.8 m，层底高程432.45 m~435.11 m。

第⑨层，古土壤( ${\text{Q}}_2^{2\text{el}}$ )：残积，棕红色，坚硬，局部硬塑。具团块状结构，含白色钙质条纹。该层层厚2.0 m~3.1 m，层底深度41.4 m~42 m，层底高程431.47 m~432.66 m。

第⑩层，黄土( ${\text{Q}}_2^{2\text{eol}}$ )：风积黄土，黄褐~褐黄色，硬塑~可塑。针状孔隙及大孔发育，偶见蜗牛壳。该层层厚4.0 m~5.6 m，层底深度45.8 m~47.6 m，层底高程426.41 m~428.66 m。

离石黄土下部( ${\text{Q}}_2^1$ )

第⑪层，古土壤( ${\text{Q}}_2^{\text{1el}}$ )：残积，棕红色，颜色较深，坚硬，局部硬塑。具团块状结构，含白色钙质条纹。该层层厚1.9 m~2.5 m，层底深度48.2 m~49.5 m，层底高程424.51 m~426.26 m。中间夹两条薄层黄土，为红三条。

第⑫，黄土( ${\text{Q}}_2^{\text{1eol}}$ )：风积黄土，黄褐~褐黄色，硬塑~可塑。针状孔隙及大孔发育，偶见蜗牛壳。该层层厚1.7 m~2.4 m，层底深度50.2 m~51.5 m，层底高程422.51 m~424.26 m。

第⑬层，古土壤( ${\text{Q}}_2^{\text{1el}}$ )：残积，棕红色，坚硬，局部硬塑。具团块状结构，含白色钙质条纹。该层层厚2.0 m~2.6 m，层底深度52.6 m~53.7 m，层底高程420.31 m~421.76 m。

第⑭层，黄土( ${\text{Q}}_2^{\text{1eol}}$ )：风积黄土，黄褐~褐黄色，硬塑~可塑。针状孔隙及大孔发育，偶见蜗牛壳。该层层厚4.6 m~4.9 m，层底深度57.3 m~57.8 m，层底高程415.57 m~417.06 m。

第⑮层，古土壤( ${\text{Q}}_2^{\text{1el}}$ ：残积，棕红色，坚硬，局部硬塑。具团块状结构，含白色钙质条纹。该层层厚4.8 m~5.1 m，层底深度62.2 m~62.9 m，层底高程410.47 m~412.16 m。

第⑯层，黄土( ${\text{Q}}_2^{\text{1eol}}$ )：风积黄土，黄褐~褐黄色，硬塑~可塑。针状孔隙及大孔发育，偶见蜗牛壳。此次勘探未穿透该层。

2.3. 室内土工试验结果统计值

为查明场地地基土的基本特性，本次勘察对各层地基土取了一定数量的原状土进行了室内物理力学性质试验。根据《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001) (2009年版) 14.2条，各地层的物理力学性质指标按岩土分层进行统计。统计时，对由于岩土层的不均匀性或夹层造成的明显离散的个别数据予以剔除。主要参数的统计计算采用下列公式：

平均值： $f_m=\frac{{\displaystyle \underset{i=1}{\overset{n}{\sum }}{f}_i}}{n}$

标准差： ${\sigma }_f=\sqrt{\frac{1}{n-1}\left[{\displaystyle \underset{i=1}{\overset{n}{\sum }}{f}_i^2-\frac{{\left({\displaystyle \underset{i=1}{\overset{n}{\sum }}{f}_i}\right)}^2}{n}}\right]}$

变异系数： $\delta =\frac{{\sigma }_f}{f_m}$

标准值： $f_k=r_s\times f_m$

修正系数： ${\gamma }_s=1\pm \{\frac{1.704}{\sqrt{n}}+\frac{4.678}{n^2}\}$

根据室内试验、现场原位测试，结合地区经验给出地基土主要物理力学参数建议值如表1所示。

表1. 各层岩土物理力学参数建议值表

2.4. 深层黄土湿陷性试验

根据《湿陷性黄土地区土工试验规程》(DBJ61/T134-2017)，在场地内进行了现场深层黄土湿陷性试验。

2.4.1. 研究目的

根据西北水电及新能源科技产业中心(二期)项目详细勘察的室内试验结果，场地分布有大厚度自重湿陷性黄土，湿陷性黄土层最大厚度达24 m，计算最大湿陷量近0.4 m，按照现行《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB50025-2018)判断，拟建工程区场地为自重湿陷性场地，地基的湿陷等级为Ⅱ级(中等)。

通过收集资料得知，距离场地不远且属同一地貌单元的西安财经大学，在建设前期勘察过程中同样做了室内的湿陷性实验，得出的结论与场地相同，湿陷性等级均为Ⅱ级(中等)。西安财经又做了现场大型浸水试验，结果为Ⅰ级(轻微)，后来将地基湿陷等级调整为Ⅰ级(轻微)，这一调整改变了整个工程地基处理方向，既由原先需要深层挤密地基处理或长桩方案，转而变为浅层处理和短桩方案，指导了整个校区的建设。

所以，西北水电及新能源科技产业中心(二期)拟建场地黄土的湿陷性评价是目前亟待解决的问题，有必要进行有针对性的专门研究，通过室内压缩试验、现场砂井浸水试验和搜集临近场地的现场试坑浸水试验资料综合准确判断场地湿陷类型和湿陷等级，为“二期工程”提出技术可行、经济合理的地基处理方案。“二期工程”建筑物多为乙、丙级建筑，如果能通过浸水试验将地基湿陷等级调整为Ⅰ级(轻微)，可在地基处理上可以节省不少投资，亦可指导三期建设。因此，为了充分查明场地的湿陷类型开展现场深层黄土湿陷性试验研究。

2.4.2. 方案布置

3个砂井(SJ01、SJ02和SJ03)试验点位置如图1所示，三个砂井大致呈等边三角形分布，位于建筑物的外轮廓线之内和主体结构范围之外，水源和电源相对较近，满足试验过程对水量的需求，而且试验场地位置平坦、开阔，地表无硬化。选取离试验场地较近的探井TJ02和TJ10的室内试验资料，并结合现场砂井浸水试验结果，为项目工程黄土湿陷性评价提供依据。其中SJ03砂井用于测定场地自重湿陷量，判断场地的湿陷类型，SJ01、SJ02砂井用于同步开展科研试验。

试验的总体开展情况如表2所示。其中SJ01砂井载荷浸水试验的监测点布置如图2、图3所示。SJ01砂井共布设沉降观测标点11个：深标点4个，浅标点6个，中心标点1个。深标点编号为S1~S4，浅标点编号为Q1~Q6，中心标点编号为C，监测井底以下地层的变形规律。其余两个砂井的监测点布置与砂井SJ01类似，不再赘述。

图1. 砂井位置图

表2. 试验总体情况表

图2. SJ01砂井监测点平面布置图

图3. SJ01砂井监测点剖面布置图

2.4.3. 试验步骤

步骤1：将注水砂井和储水试坑的大小及位置，在深标点及水分计埋深位置进行预钻孔，孔径直径108 mm，确保钻孔竖直，人工开挖过程中取原状土做室内试验，砂井底清除开挖虚土，铺设透水砂垫层厚10 cm，夯实井底砂垫层。

步骤2：清除钻孔底浮土，向深标点钻孔内逐节连接下放深标点沉降板及沉降杆至井底，孔口出露2米，出露地表的顶端焊接钢片，在钢片上粘接水准条码尺贴纸，方便后期采用电子水准仪读数。

步骤3：在浅标点埋设位置开挖直径40 cm、深50 cm的圆坑，整平坑底。浅标点沉降板和沉降杆焊接在一起，将组合好的沉降杆放于坑内，地表出露2米，出露地表的顶端焊接钢片，在钢片上粘接水准条码尺贴纸，方便后期采用电子水准仪读数。

步骤4：下放埋设水分计，经埋设前及埋设后的读数校值，确定水分计正常工作后，利用探槽取得并预先碾压好的素土进行回填，分层夯实，并不断用测绳测量回填高度，待回填夯实到下一设计深度时下放埋设下一个水分计，直至设计的水分计全部埋设完毕且素土回填密实至孔口。

步骤5：清理试坑底面浮土，在试坑侧壁和试坑边缘铺设防水塑料布，试坑及试坑边缘在塑料布上铺设10 cm厚度的砾石，防止侧壁在浸水过程中坍塌。

步骤6：依据不同工程条件确定井底测试湿陷性黄土地层的上覆压力。

步骤7：砂井试验准备工作完成后，对各沉降标点及水分计进行连续监测，待完全稳定后开始注水，浸水过程中保证试坑内的水头高度大于30 cm，并持续观测记录各类监测数据、注水量及地表裂缝发展情况，直到土层变形稳定后可以停止注水。

2.4.4. 试验过程

砂井SJ01和SJ02载荷浸水试验的各个阶段是同步进行的，如图4所示，从2021年6月1日上午开始加载，变形稳定后开始注水，即从2021年6月9日上午12点开始，2021年7月9日终止注水，2021年7月18日停止观测，共历时47天，每天注水量以能让试坑内水头高度保持在30 cm左右为准，并安排固定人员定时测读注水量以保证数据的准确。开始阶段6月9日~6月16日采用水管供水，水量不能满足要求。6月17日以后同时采用水管与水车供水，可以维持砂井试坑内的水位保持不变。砂井SJ01共向井内注水1207 m³，砂井SJ02共向井内注水2807 m³。

砂井SJ03浸水试验从2021年5月19日上午12点开始注水，2021年7月9日终止注水，2021年7月18日停止观测，共历时60天。试验前期以水管供水为主，水车供水为辅，由于砂井深度较大，这种间歇性的方式不能保证试坑里有稳定的水头，中后期采用水带供水，可以维持砂井试坑内的水位保持不变。如图5所示，砂井SJ03共向井内注水8044 m³。

图4. 砂井SJ01载荷浸水试验

图5. 砂井SJ03浸水试验

2.4.5. 试验结果

根据监测数据统计各砂井中心标点、浅标点和深标点的沉降变形量。中心标点监测井底以下土层在浸水条件下的变形，浅标点变形量反映的是地表面以下地层的总变形量，深标点变形量反映地面以下各深度土层的湿陷量。

砂井SJ01的中心标点C的浸水累计变形量为28 mm；各浅标点变形量都很小，但是出现了明显的抬升情况，最大抬升量近3 mm；各深标点变形量都很小，处于缓慢抬升状态，最大抬升量不超过4 mm。

砂井SJ02的中心标点C的浸水累计变形量为96 mm；浅标点的变形规律与砂井SJ01类似，在浸水过程中均有几毫米的上升；各深标点也与砂井SJ01类似，整体呈抬升状态，最大抬升量不超过4 mm。

砂井SJ03的中心标点C的累计自重湿陷量为38 mm；Q₂、Q₄、Q₆浅标点在浸水期和停水期变化量都非常小，截止停止观测，最终沉降量不超过1 mm，Q₅浅标点沉降变化量较大，为6.2 mm；各深标点的累计湿陷量在试验全过程都很小，基本呈抬升状态，变形量在−1.5 mm~1.5 mm之间波动。

对比本场地和西安财经学院新校区两个场地的室内试验和现场试验结果，如表3所示。

表3. 两个场地对比结果

注：表中^*代表抬升。

根据现场深层黄土湿陷性试验结果，自重湿陷量为6 mm，根据《湿陷性黄土地区建筑标准》(GB500 25-2018)场地为非自重湿陷性黄土场地。

3. 室内的湿陷性试验

本次勘察在探井内取原状样，进行了湿陷性试验，为了验证试验结果的准确性，部分探井取的样做了平行试验，地基自重湿陷量计算自天然地面算起。自重湿陷量计算如表4所示。

表4. 场地自重湿陷量计算成果表

根据室内试验结果，自重湿陷量计算值111 mm~362 mm之间，根据《湿陷性黄土地区建筑标准》(GB 50025-2018)场地为自重湿陷性黄土场地。

3.1. 场地湿陷性类型的判定

根据由5.1.1和5.1.2，现场深层黄土湿陷性试验的自重湿陷量实测值为6 mm，室内试验自重湿陷量计算值111 mm~362 mm，两者存在较大差异。根据《湿陷性黄土地区建筑标准》(GB50025-2018) 4.4.2第三条规定：按自重湿陷量实测值和自重湿陷量计算值判定出现矛盾时，应按照自重湿陷量实测值判定。因此，拟建场地自重湿陷量按照深层黄土湿陷性试验的自重湿陷量实测值6 mm为准，判定拟建场地为非自重湿陷性黄土场地。 ‎[2] ‎[3] ‎[4] ‎[5]

3.2. 场地地基湿陷等级

地基湿陷量计算自建筑物基础底面算起，湿陷量计算成果如表5所示。

表5. 场地湿陷量计算表

根据室内试验结果，湿陷量计算值164 mm~273 mm之间，只有TJ03A组湿陷量计算值大于300 mm，根据《湿陷性黄土地区建筑标准》(GB50025-2018)建场地为非自重湿陷性黄土场地，地基湿陷等级为I级(轻微)。

结合现场试验自重湿陷量的实测值，最终判定拟建场地为非自重湿陷性黄土场地，地基湿陷等级为I级(轻微) ‎[6] ‎[7] ‎[8] 。

3.3. 自重湿陷系数、湿陷系数和湿陷起始压力随深度变化曲线

本阶段选定几个有代表性的探井，根据室内试验结果，绘制了以下自重湿陷系数、湿陷系数和湿陷起始压力随深度变化曲线，如图6所示。

图6. 自重湿陷系数、湿陷系数和湿陷起始压力随深度变化曲线

3.4. 小结

整个建筑场地为非自重湿陷性场地，湿陷等级为I级(轻微)。

湿陷性土层主要集中在第②层黄土和第④层黄土，并主要集中在第④层黄土中，下限深度介于18.0 m~24.0 m，下限位于第④层黄土底界。

① 湿陷起始压力随着深度增大而增大，深度15 m范围内，湿陷系数明显下降，这表明黄土的湿陷性将随增湿而减小，随减湿而增大 ‎[8] 。

② 随着初始含水量的增大，湿陷量减少，曲线逐渐降低平缓，最后在初始含水量达到预湿饱和状态时，曲线趋近于横坐标轴。峰值湿陷系数和峰值湿陷压力都将随着增湿而降低，随着减湿而增大。

③ 从图中可以看出0 m~15 m范围内黄土湿陷系数小于0.015，未达到湿陷指标，超过这个深度，黄土湿陷开始。

4. 结语

湿陷性试验中，土样受水浸泡后强度有明显的下降趋势，从实验结果中不难看出：

① 黄土的含水率随着深度的发展呈先增大后减小趋势，饱和度增大的趋势。

② 随着土体埋深的增加，黄土的干密度、压缩模量随呈增大的趋势，孔隙比则逐渐减小，土颗粒密实度越大，结构稳定性越强。

③ 黄土的湿陷系数随着土体埋深的增加呈由强湿陷性逐渐减弱，埋深较大的土体(10 m~20 m之间)湿陷起始压力大于浅层黄土。越是的浅层土质，且初始含水率较低，其湿陷性系数越大，该区出现湿陷性灾害的可能性就越高。 ‎ ‎[8] ‎[9] ‎[10] ‎[11] ‎[12]

因此，在湿陷性黄土地区的工程建设中，考虑含水量的影响是非常有必要的，防治措施应从地基处理、结构、防水措施，只要配合地基处理、才能收到良好的效果，西安地区对于湿陷性黄土常常采用的方法有：灰土桩挤密、强夯法、灰土换土垫层置换法等，最近几年，常用搅拌桩加固地基法，进而提高结构承载力，效果较好。

文章引用

赵 成,赵 乐,吴 辉,潘登丽,张程翔. 西安某地基工程黄土湿陷性试验研究分析
Experimental Study and Analysis of Collapsibility of Loess in a Foundation Project in Xi’an[J]. 土木工程, 2023, 12(10): 1272-1284. https://doi.org/10.12677/HJCE.2023.1210148

参考文献