压实黄土场地湿陷沉降机理与黄土高原平山造城适宜性_祁生文.pdf
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1、压实黄土场地湿陷沉降机理与黄土高原平山造城适宜性祁生文1,2,3*,侯晓坤1,2,3,于永堂4,张亚国5,胡燮6,张琳鑫1,2,3,李志清1,2,3,郭松峰1,2,3,张帆宇7,李同录8,彭建兵81.中国科学院地质与地球物理研究所,中国科学院页岩气与地质工程重点实验室,北京 100029;2.中国科学院地球科学研究院,北京 100029;3.中国科学院大学地球与行星科学学院,北京 100049;4.机械工业勘察设计研究院有限公司,西安 710043;5.长安大学建筑工程学院,西安 710061;6.北京大学城市与环境学院,北京 100871;7.兰州大学土木工程与力学学院,兰州 730000;
2、8.长安大学地质工程与测绘学院,西安 710054*联系人,E-mail:2022-06-22 收稿,2022-10-14 修回,2022-10-17 接受,2022-11-16 网络版发表国家自然科学基金(41790442)资助摘要黄土高原城市用地紧张与用地需求日益增大的矛盾使得平山造城工程应运而生,大规模平山造城工程会引起场地水文环境变化,诱发填土地基失稳、建筑物破坏等,其工程长期适宜性是人们最关切的问题.通过现场调研、原位监测、室内试验、模型试验、数值模拟和InSAR分析等工作,探究了压实黄土场地湿陷沉降机理及黄土高原平山造城工程适宜性.研究结果发现,场地压实黄土的物理力学性质和微观结构
3、同天然黄土差异较大,其力学性质差、孔隙连通性差、空间变异性大;湿陷变形本质为含水率增大引起土体刚度降低而发生的压密变形,湿陷过程中压实黄土的结构变化整体上表现为颗粒间孔隙的局部压密,颗粒及孔隙形态基本不变;非饱和压实黄土的蠕变特性同屈服应力与上覆荷载的大小密切相关,增大压实土体的干密度可提高屈服应力,缩短蠕变稳定时间,还可显著降低土体的渗透特性;典型平山造城场地厚层压实黄土中的含水状态基本能维持长期稳定,有缓慢的向下水流补给地下水;场地累积变形量随填方土厚度增大而增大,地表变形减缓,沉降速率递减,预测工后15年场地变形可达稳定;增大压实土体干密度和合理设置地下水排水设施可有效减小地表总变形量、
4、变形稳定期和局部破坏.研究结果论证了整体地基的长期稳定性和局部灾害的工程可控性,从理论和实践上证实平山造城工程基本可行,提出了黄土高原平山造城工程的适宜性原则,为未来的平山造城工程提供科学指导.关键词黄土高原,平山造城,水分迁移,湿陷机理,沉降规律黄土高原是地球上分布最集中且面积最大的黄土区,总面积为6.4105km2,横跨青、甘、宁、内蒙古、陕、晋、豫7省区,地势由西北向东南倾斜,大部分为厚层松散黄土覆盖,经流水长期强烈侵蚀,逐渐形成千沟万壑、支离破碎的地貌.城镇多沿河谷地带分布,适宜人生活居住的面积有限1.近年来,随着城市化进程快速发展和人口快速增长,黄土高原城市空间不足的问题日益突出.为
5、了推进城市发展和现代化进程,平山引用格式:祁生文,侯晓坤,于永堂,等.压实黄土场地湿陷沉降机理与黄土高原平山造城适宜性.科学通报,2023,68:18441860Qi S W,Hou X K,Yu Y T,et al.Collapse and subsidence mechanism of compacted loess and suitability of mountain bulldozing and city creation projects inthe Loess Plateau of China(in Chinese).Chin Sci Bull,2023,68:18441860,
6、doi:10.1360/TB-2022-0686 2022中国科学杂志社2023 年第 68 卷第 14 期:1844 1860论 文造城工程应运而生.兰州和延安是两座典型的河谷城市,地处黄土丘陵沟壑区的河谷两岸,呈条带状展布,空间狭窄,城市空间亟待拓展,因此它们也成为目前平山造城工程数量最多、规模最大的城市.平山造地虽然有效缓解了城市用地压力,但它重塑了场地的地貌形态,扰动了黄土的原始结构,改变了地下水径流、补给和排泄条件,打破了工程地质和水文地质平衡,自然杂志(Nature)发表评论文章讨论该类工程可能诱发的环境工程问题,引起了国际关注24.大规模平山造城工程带来的工程风险主要表现为过量的
7、场地工后沉降变形,包括水文环境改变引起的增湿变形以及上覆应力条件下的压缩蠕变变形两个方面.增湿变形指土体在一定外荷载或自重荷载作用下变形稳定后,由于含水率的增加而产生的附加变形.当含水率增加至饱和时,增湿变形又称为湿陷变形5.增湿变形的大小与试样的干密度、初始含水率和上覆压力的大小有关6,7.通常干密度越大,初始含水率越大,湿陷变形越小.此外,湿陷变形随上覆压力的增大一般先增大后减小8,9,但当上覆压力小于饱和土体的屈服应力时,增湿不会发生湿陷变形10.关于增湿(湿陷)变形的内在机制,根据其研究方法可分为三类:传统法、微结构法和基于土力学的方法9.传统方法多将湿陷机理归因于假说和猜想,如毛细假
8、说、盐溶解假说、水膜楔入假说和黏粒膨胀假说等1113;微结构法主要基于扫描电子显微镜、X射线衍射和压汞试验等技术手段获取的微结构信息,认为黄土中存在的架空结构是湿陷发生的先决条件14,15;基于土力学的方法包括非饱和土力学和损伤力学,前者认为基质吸力的改变是湿陷发生的力学原因16,17,后者将湿陷归因于颗粒胶结处的结构损伤18,19.上述方法从定性解释和定量分析的角度阐明湿陷发生的条件和力学机制,但湿陷过程中微结构演化及其对宏观变形的影响鲜有涉及,湿陷机理尚未完全明晰.从非饱和土力学角度,任何非饱和土在一定外力(大于饱和土的屈服应力)条件下增湿均会产生增湿变形8,20.厚层黄土中的增湿变形是随
9、水分在土中运移逐渐累积的一个过程,其本质是非饱和土的渗流和变形耦合问题.工程上通常用湿陷系数法计算场地湿陷变形,然而该方法假设整个土层完全饱和,同场地实际水分状态不符,其预测值和实际值也差距甚大21.目前,水分在厚层非饱和黄土中的分布及运移规律是水循环研究的前沿科学问题22,适用于场地的增湿(湿陷)变形定量刻画的方法仍有待探究.蠕变变形是高填方区工后沉降变形的主要因子,厘清黄土蠕变规律是准确预测工后沉降稳定期的关键.大量不同含水率黄土的三轴剪切蠕变试验结果表明,蠕变变形分为减速蠕变、稳定蠕变和加速蠕变(破坏阶段)3个阶段,通常初始干密度越小,含水率越大,土体的蠕变变形越大,且加速蠕变阶段出现的
10、时间越早23.侧限压缩蠕变试验结果表明,土体的蠕变变形速率随时间递减,初始干密度越小,含水率越大,蠕变变形越大24,25.微结构观测结果显示蠕变过程中土体孔隙变小,存在一定的颗粒和孔隙的定向分布23.从微观机理上,干密度和含水率对压实黄土长期蠕变的影响同土体中弱结合水厚度有关,干密度越大,含水率越小,水膜厚度越小,土颗粒间静电引力越大,土颗粒相互作用越强,蠕变效应越弱24.现有描述土体蠕变行为的模型包括双曲线模型26、类双曲模型27、Burgers模型及其改进模型25等.上述模型多为实验数据的数学拟合模型,且多针对饱和土体的蠕变行为,不能系统反映干密度和含水率对蠕变特性的影响.平山造城工程无先
11、例可循,尚缺乏系统成果,因此亟须开展压实黄土湿陷沉降机理及平山造城工程的长期适宜性研究.基于此,通过现场调研、原位监测、室内试验、模型试验、数值模拟和InSAR分析等工作,揭示压实黄土物理力学性质、微结构特征和非饱和渗透特性,刻画压实黄土中水分迁移过程、湿陷机理、增湿变形和蠕变特性,在此基础上分析延安这一典型平山造城场地水文演化、场地沉降变形规律和局部宏观变形破坏特征,论证场地地基的整体稳定性和局部破坏的工程可控性,总结了平山造城工程适宜性的一般原则.1压实黄土取样及制备平山造城场地填方规模巨大,填方土体多就地取材,为附近山体的黄土和古土壤,其成分混杂,不同深度样品的古土壤和黄土含量无明显规律
12、性,无法区分明显层位.平山造城场地存在填方区和挖方区两种类型的场地.挖方区天然沉积黄土性质均匀,工程地质条件良好.相比之下,由于填方厚度、土质、夯实质量、含水率等方面的差异,填方区压实黄土具有不同程度的压缩性和湿陷性.在延安平山造城典型场地的填方区和挖方区开挖探井内,以1 m为间隔取样测试土体的干密度、液塑论 文1845限、压缩模量、含水率、黏粒含量和粉粒含量等物理力学指标,对比分析场地压实黄土和天然黄土之间的性质差异.填方区探井深25 m,挖方区探井深29 m,挖方区探井剖面上的黄土主要为离石黄土,探井及取样地点见图1(c).此外,在山体开挖出露剖面上的易取样位置(图1(b),取天然黄土(时
13、代为Q2,第六层黄土L6)原状样和散土,开展室内微结构、水力特性、增湿和蠕变试验等.该天然黄土的干密度为1.54 g/cm3,含水率为10%.室内制备不同干密度(1.50、1.60、1.70、1.80 g/cm3)压实样探究压实度对土体水力学性质的影响,制样依据土工试验方法标准GB/T 50123-2019进行.2压实黄土物理力学性质及微结构特征2.1物理力学性质通过对延安平山造城典型场地挖方区和填方区开挖探井取样测试土体物理力学性质发现,场地压实黄土在水平方向上的异质性大于天然黄土(Q2),在垂直方向上的异质性小于天然黄土(Q2)28(图2).天然黄土的干密度随着深度的增加而增加,但压实黄土
14、干密度随深度增加不明显,且同一深度上干密度波动范围大;天然黄土的含水率变化范围要大于压实黄土.此外,与天然黄土相比,场地压实黄土的液限、塑限、塑性指数、黏粒和粉粒含量均较小.这是由于不同历史时期黄土的颗粒组分不同,干燥和寒冷环境中黄土含有更多的砂粒和粉粒,而炎热和潮湿环境中有更多的黏粒,且黄土形成年代越早,细粒含量越多;在实际施工中,用来填筑原有沟道的黄土取自原山体顶部,黄土形成年代较新,而挖方区黄土为原山体下部土体,形成年代较早,因此填方区黄土的黏粒和粉粒含量较小,土体液塑限和塑性指数也较小.整体上看,压实黄土的压缩模量较天然黄土小,这说明场地压实黄土更容易变形.此外,增大压实土体的干密度至
15、1.70 g/cm3可使得压实土体的压缩特性接近干密度为1.54 g/cm3的天然黄土(Q2)28.2.2微结构特征微观结构与土体宏观水力性质密切相关29,30.基于三维微米CT无损高精度扫描,获取了压实黄土和天然黄土(Q2)高分辨率(1 m)微观结构,发现干密度为1.70 g/cm3的压实黄土多见大孔隙镶嵌结构,小颗粒多包裹大颗粒的团聚体,颗粒轮廓不清晰;而天然黄土图 1(网络版彩色)取样位置图Figure 1(Color online)Sampling location2023 年 5 月第 68 卷第 14 期1846(Q2)多架空结构,柱状颗粒较多,团聚体粒径均匀且颗粒轮廓清晰(图3(
16、a),(b).此外,基于高分辨率(1 m)微观结构,提取其三维孔隙结构,统计分析孔隙的等效孔径、孤立孔隙度和连通孔隙度等参数(图3(c).可以发现,天然黄土(Q2)连通孔隙体积占比较大,孤立孔隙较少.对于压实黄土,随着干密度的增大,连通孔隙所占比例逐渐减小并渐趋稳定31.土体孔径分布曲线的差异一定程度上代表了土体微观结构的差异.从图3(d)可知,压实黄土试样中体积占比最大的孔隙(优势孔隙)的孔径随着干密度增大而减小,小孔或者微孔基本保持不变,压实过程中黄土大孔隙逐渐被压缩变为小孔隙 3 1,3 2.天然样(d=1.54 g/cm3)孔径分布曲线与干密度为1.70和1.80 g/cm3压实样的孔
17、径分布曲线相似,优势孔的孔径基本相同31,32.上述结果表明,压实黄土具有不同于天然黄土的孔隙结构,这决定了其具有不同于天然黄土的渗透特性与变形强度特性.3压实黄土中水分迁移过程及特征3.1压实黄土的渗透特性渗透特性对水分在土体中的运移至关重要.土水特征曲线(soil water characteristic curve,SWCC)和非饱和渗透性函数(hydraulic conductivity function,HCF)是描述土体非饱和渗透特性的两个参数,也是探究水文环境变化的关键参数.基于自行研制的小土柱试验方法33,34,测试得到了不同干密度压实黄土和天然黄土的SWCC与HCF(图4(a
18、),(b).现有的非饱和渗透系数测试方法中,基质吸力测试探头(水平入渗法和瞬态剖面法)或轴平移技术(溢出法)所能监测或控制的基质吸力范围有限,非饱和渗 透 系 数 的 测 试 多 集 中 在 低 基 质 吸 力 范 围 内(500 kPa),尚未见全吸力范围内非饱和渗透系数测试方法的报道.此小土柱试验方法可实现全吸力(0106kPa)范围内非饱和渗透系数的测试,并可同时获得SWCC33,34.测试结果表明,天然黄土的饱和渗透系数为5.5106m/s,干密度为1.60、1.70和1.80 g/cm3的压实黄土饱和渗透系数分别为1.01106、5.62106和0.98107m/s,土体饱和渗透系数
19、随干密度增大而增大.由图4(a),(b)可知,干密度对HCF和SWCC的影响主要集中在低基质吸力(高含水率)段,高基质吸力(低含水率)段基本落在同一条曲线上.在相同基质吸力下,干密度越小,土体的持水性能越好(含水率越高),其非饱和渗透系数也越大.值得注意的是,天然黄土和压实图 2(网络版彩色)场地压实黄土和场地天然黄土基本物理力学指标.该含水率为质量含水率.修改自文献28Figure 2(Color online)Basic physical and mechanical indexes of compacted and intact loess at the engineering site
20、.The soil water content refers tothe gravimetric water content.Adapted from Ref.28论 文1847黄土SWCC和HCF的差异也主要集中在高含水率(或低基质吸力)段,低含水率(或高基质吸力)段基本一致.上述结果表明,干密度对土体的饱和/非饱和渗透特性影响较大,增大土体的干密度可降低土体的渗透性.为阐明微结构对土体水力特性的控制作用,利用压汞法测试得到试样的孔径-孔隙分布密度曲线(图4(c)和累积进汞曲线(图4(d),可清楚观察到不同干密度试样的小孔隙(60 m)压实黄土场地设立一个水文观测站,观察不同埋深处土体含水率
21、图 3(网络版彩色)天然和压实黄土的微观结构.(a)天然黄土微结构;(b)压实黄土微结构;(c)连通孔隙度和孤立孔隙度;(d)孔径分布曲线.修改自文献31Figure 3(Color online)Microstructure of intact and compacted loess.(a)Microstructure of intact loess;(b)microstructure of compacted loess;(c)connected porosity and isolated porosity;(d)pore size distribution curve distribut
22、ion histogram.Adapted from Ref.312023 年 5 月第 68 卷第 14 期1848变化的情况.观测数据表明降雨仅引起表层土体含水率变化(02 m),下层土体含水率基本不变(图S1(a),(b).此外,甘肃正宁黄土塬上97.5 m厚非饱和天然黄土层的观测结果也表明,降雨和蒸发仅引起表层土体含水状态发生变化(04 m)35.上述监测结果证实,在非饱和厚层压实黄土与天然黄土层中均存在含水率稳定带.为厘清水分在非饱和黄土中的迁移过程及驱动机制,我们设计了室内大型土柱渗流模型试验36,开展了考虑大气与土相互作用的数值模拟试验10,研发了非饱和土中水分运移规律的水动力模
23、型37(图S1(c),(d),从试验规律、物理现象和理论机制角度阐明了水分在非饱和黄土中的迁移过程与驱动机制.根据土体含水率的大小,水在非饱和土中的状态可分为残余态、过渡态和毛细饱和态38,分别对应于土水特征曲线的残余段、过渡段和平缓段(图5(a).(1)在残余态,较小的含水率变化会引起基质吸力的显著改变,水分以结合水形式赋存在土颗粒周围或以独立小水珠的形式存在于土中的小孔隙或小角落中,不存在连续水流,水分多以薄膜的形式进行迁移34.(2)在过渡态,基质吸力的较小改变会引起含水率的显著改变,土中存在连续的自由水流,同时也存在连续的气流通道.(3)在毛细饱和态,土体近似饱和,不存在连续的气流通道
24、,土体渗透特性也接近于饱和时的渗透性.自然界中的水文状态总是处于平衡状态或向平衡状态转化阶段.根据有无地下水、地下水位埋深或非饱和黄土层厚度,Hou等人36可将黄土高原上的水分分布概括为3种情况(图5(b).第1种情况:当黄土层中不存在稳定地下水位时,大气降雨基本不会补给地下水,黄土中含水率极低,多处于残余态,基本不会有连续的水流(图5(b),(i);第2种情况,当黄土层中有稳定地下水位时,大气入渗、非饱和黄土中水分迁移、地下水的径流和排泄三者基本处于动态平衡状态(图5(b),(ii);第3种情况,当地下水位埋深很浅或黄土层较薄时,图 4压实和天然黄土的非饱和渗透特性参数与孔径特征.(a)土水
25、特征曲线SWCC;(b)非饱和渗透性函数HCF;(c)孔径分布曲线;(d)累积进汞曲线.(a,c)修改自文献32Figure 4Unsaturated permeability coefficients and pore size characteristics of compacted and natural loess.(a)Soil water characteristic curve(SWCC);(b)unsaturated hydraulic conductivity function(HCF);(c)pore size distribution curve;(d)cumulativ
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