黄土浸水试验设计方案

1、湿陷性黄土现场试坑浸水试验设计方案1 试验背景及目的大西铁路客运专线是国家中长期铁路网规划的重要组成部分，建设大西铁路客运专线，既可以缓解陇海铁路运输状况，又能大大缩短西北、川渝地区与中南、华东地区各大城市间的时空距离，进一步密切东、中、西部地区的经济联系，对推动西部大开发和实施中部崛起战略具有重要意义。大西铁路客运专线全长859km,设计时速250km/h,是铁道部在“十一五”期间建设的重要客运专线，也是我国在湿陷性黄土地区建设的又一条重要高速铁路。全线控制工程主要是路基、长大隧道和重点桥梁。对于大西客运专线，必须要有一个强度高、刚度大的路基基床，沉降很小或没有沉降的地基，才能满足铺设无磴轨

2、道的要求。因此，容许的路基工后沉降量为15mm,这是国内对路基工程提出的最高标准。线路从南到北经过山西大同、朔州、忻州、太原、晋中、临汾 、 运城及陕西渭南，经临潼至西安；穿越平原、丘陵、山地等不同地貌单元；黄土分布于山麓洪积台丘、洪积扇、山间盆地、台地、山间宽谷等处，一般厚度3050m如前所述，此客运专线路径长，沿线黄土分部广泛，工程性质非常复 杂，湿陷程度从轻微（I级）到很严重（IV级）在整个专线路段均有分布，涵盖 了我国湿陷性黄土的全部类型。我国以往的研究重点多集中在关中及以西，如陇西黄土、关中黄土等性质典型的地域。对大西客运专线，尤其是山西的黄土研究资料比较欠缺，有关资料显示在这一区域

3、很少进行过现场试坑浸水试验。当地建筑及已修建的高速公路等工程中对黄土设计的一些参数大都根据经验取用。因此， 对大西客运专线经过的湿陷性黄土地区的研究是不充分的，在勘察中作中对黄土湿陷等级的判定也感到有不少不确定因素，尤其是浸水后的变形性质更是缺乏现场试验研究资料，而湿陷性黄土场地的湿陷类型和湿陷等级，是湿陷性黄土最基本的工程属性，它决定着地基处理方案的合理选择和设计，影响着工程投资与施工进度。所以， 鉴于沿线湿陷性黄土的特殊性和复杂性，高速铁路客运专线对地基的特殊要求以及可供借鉴的研究成果及工程经验不多，在大西客运专线进行现场试坑浸水试验，研究湿陷性黄土场地对浸水的响应规律，客观判定沿线黄土场

4、地的湿陷类型及地基湿陷等级是大西客运专线湿陷性黄土地基处理前必须要准确查明的关键技术问题，在此基础上，提出湿陷性黄土地基处理措施建议，为设计参数的优化提供技术支持。2 试验设计2.1 试坑设计和测点布设2.1.1 试坑设计和测点布设原则在现场采用试坑浸水试验确定自重湿陷量的实测值，试坑设计和测点布设符合湿陷性黄土地区建筑规范（GB50025-2004）的要求：（ 1） 浸水试坑宜挖成圆形，其直径不小于湿陷性黄土层的厚度，并不应小于10m， 试坑深度宜为0.5m， 最深不大于0.8m， 在试坑底部铺设10cm 厚的砂砾石。（ 2） 在坑底中部及其它部位，对称设置观测自重湿陷的深标点，设置深度及数

5、量按照各湿陷性黄土层顶面深度及分层数确定。在试坑底部，由中心向坑边以3 个方向均匀布设观测自重湿陷的浅标点；在试坑外沿浅标点方向10-20m 范围内设置地面观测标点，观测精度为± 0.10mm。 浅标点和深标点的布设分别满足地表自重湿陷量和分层自重湿陷测量的需要，能够准确捕捉到试坑浸水总湿陷量和湿陷土层下陷深度。（3）试坑内的水头高度不宜小于 300mm,在浸水过程中，应观测湿陷量、耗水量、浸湿范围和地面裂缝。湿陷稳定可停止浸水，其稳定标准为最后5d 的平均湿陷量小于1mm/d。（ 4） 设置观测标点前，为了保证湿陷性黄土地基充分受水浸湿饱和，使黄土地基的湿陷性充分发挥，在坑底打一定

6、数量及深度的渗水孔，孔内填满砂砾。（5）试坑内停止浸水后，应继续观测不少于10d,且连续5d的平均下沉量不大于1mm/d,试验终止。（ 6）各试验场地具体按下述方法布设测点：浅标点浅标点是用来测量试坑内、外地表的自重湿陷变形量。以试坑中心为起点，由内而外沿半径方向呈放射状布置坑内、外标点， 在平面上布置3 条夹角为120°的测线。 其布设在试坑内为等间距布设，试坑外则为变间距布设，距离试坑边较近的标点间距较小，往外间距逐渐增大，坑外最远的浅标点在试坑外1倍试坑直 径处。浅标点由一根直杆和与其垂直焊接的底板组成。标杆上部固定一根钢卷尺， 钢卷尺的最小刻度为1mm。浅标点埋深为0.5m。

7、深标点为测量不同深度的湿陷变形量，布设浅标点的同时布置3条与浅标点测线夹 角为30°的测线，具布设间距与试坑内浅标点的布设间距相同。在深度方向上， 分为10m以内、10-20m和20m以下3个部分布设，每组布设2个相同深度的深 标点。深标点由多跟机械式连接的镀锌管和与其垂直焊接的底板组成，深标点的重量与埋设位置处原上覆土自重大致相同。 标杆上部固定一根钢卷尺，作为沉降观 测的标尺，钢卷尺的最小刻度为 1mm,标杆外面套一根塑料管，以确保沉降板 能够自由沉降，长度与深部沉降板埋深相当。塑料管外回填中粗砂，使深标点客 观上也起到了加强渗水的作用。深标点钻孔的垂直度、孔底浮渣厚度等因素将会

8、 影响量测的精度。深标点埋设流程见图 2-1 o为确保深标点安装质量，制定“渗 水试验钻孔技术要求”，见表21,供试验场地参照执行。图2-1深标点埋设流程图表2-1湿陷性黄土现场试坑浸水试验钻孔技术要求序号项目技术要求备注1钻孔位置偏差不人丁 5cm2钻孔深度偏差+5cm, -5cm-"'表示超标3垂直度钻孔中心位移不大于 4cm4孔径108mm（取样钻孔 120mm）5浮渣厚度不大丁 10cm应尽可能清除孔底浮渣6取样钻孔用静压法取样，进行湿陷性试验、 含水率试验和密度试验。湿陷性试样在送检前，应保 存在现场有遮盖的坑中。7地质编录详细记录地层变化，提出钻孔地质 编录资料。

9、渗水孔为了加强渗水强度，加快地基土层的浸水饱和，在浸水坑内由深标点测线组成的每个扇形区内都布置了 1-2个渗水孔（孔径127mm）,孔内充填砂砾石。2.1.2 传感器类型及布设本次浸水试验埋设的传感器包括土压力传感器、孔隙水压力传感器、土壤水 分传感器以及试坑外围的张力计。这主要是针对黄土湿陷机理而设计的，土压力 及孔隙水压力传感器是观测试坑浸水过程黄土压力变化情况，根据现场变形监 测，建立黄土湿陷与压力之间的关系，土壤水分传感器可以实时反馈试坑下部土 体的含水量变化，不仅可以直观了解黄土的浸润情况，还可以建立黄土湿陷与含 水量定量关系。张力计是测量黄土内部的基质吸力（毛细力），实际上就是孔隙

10、水压力和孔隙气压力的差值。据前人研究，当黄土浸水后，孔隙被水占据，基质 吸力丧失，从而产生湿陷，设计张力计就是进一步探讨黄土湿陷毛细力假说。土压力传感器拟采用JDTYJ系列振弦式土压力计，埋置深度110m, 2台 /m,共十个层位。假定黄土密度为1.52.0g/cm3,则10m处压力为0.150.20MPa, 考虑测量等外在因素，选用 0.20MPa量程的10台，0.30 MPa量程的10台；孔 隙水压力传感器拟采用JDTYJ系列振弦式孔隙水压力计，埋置深度 110m, 2 台/m,共十个层位。水的密度为10g/cm3,则10m处水压力为0.10MPa,考虑测 量等外在因素，选用0.10MPa

11、量程的10台，0.20 MPa量程的10台；土壤水分 传感器选用DBT-1 土壤水分传感器，埋置深度110m, 1台/m,共十个层位。 因为要测到10m深度，所以需要把电缆长度加到 10m以上，需和厂家沟通；张 力计选用指针式土壤张力仪，埋在试坑周围（距试坑边界不大于0.3m）,量程为100kPa,管长 0.15m、0.30m、0.60m、0.90m、1.20m 共 5 种规格,每个规格的 5台。数据采集器拟选用福禄克2635便携式数据采集器，用来接受传感器输出信 号。接受事项包括电压、电阻和频率，量程满足接收需要。2.1.3 各试验场地试坑设计与测点布设（1） DK230+200试验场地依据

12、铁三院的勘察资料，将该试验场地黄土自重湿陷最大深度初步确定为25m,按照湿陷性黄土地区建筑规范(GB50025-2004)的要求，试坑的设计为 直径25m的圆形，共布设测点105个，其中试坑内地表设浅标点21个，试坑外的 地表浅标点42个，最远的浅标点设计在坑外 25m处；试坑内设深标点42个，最 深的深标点设置26m。在试坑内均匀布设12个渗水孔，孔深25m。-ux， n E Rd r !1 P图例. 深标点/ 浅标点渗水孔.i 探井编号0 20 . 3 3固定观测点中 1 1 基准点各测点基本参数如表2-2所示。表2-2试坑1标点参数表测线编号标点编号(标点底深度/ m)标点性质AZ0(0

13、.5) , A1-A21(0.5)浅标点BB1-B21(0.5)浅标点CC1-C21(0.5)浅标点E- E'E2(2), E8(8), E12(12), E15(15), E18(18), E21.5(21.5), E26(26)E'2(2), E'8(8), E'12(12), E'15(15), E'18(18), E'21.5(21.5) , E'26(26)深标点F-F'F4(4), F10(10), F13(13) , F16(16), F19(19), F23(23), F27.5(27.5)F'4(

14、4), F'10(10), F'13(13), F'16(16), F'19(19), F'23(23) , F'27.5(27.5)深标点G- G'G2(2), G8(8), G12(12) , G15(15) , G18(18), G21.5(21.5), G26(26)G'2(2), G'8(8), G'12(12), G'15(15) , G'18(18), G'21.5(21.5) , G'26(26)深标点(2)灰土改良试验场地在上述场地旁边，设计一个坑底经过灰土改良处理

15、的试坑，进行浸水试验。试坑直径为15m的圆形，坑底灰土垫层处理厚度0.5m,共布设测点51个，其中 试坑内地表设浅标点12个，试坑外的地表浅标点15个，最远的浅标点设计在坑 外5m处；试坑内设深标点24个，最深的深标点设置15m。图例10.0-深层标点测线1 10.2) 深标点< 浅标点心渗水孔I 1 1探井编号 "200反3固定观测点1基准点|31表2-3试坑2标点参数表测线编号标点编号(标点底深度/ m)标点性质AZ0(0.5), A1-A9(0.5)浅标点BB1-B9(0.5)浅标点CC1-C9(0.5)浅标点EE2(2), E5(5), E8(8), E11(11)E&

16、#39;2(2), E'5(5), E'8(8), E'11(11)深标点FF3(3), F6(6), F9(9), F13(13)F'3(3), F'6(6), F'9(9), F'13(13)深标点GG4(4), G7(7), G10(10), G15(15)G'4(4), G'7(7), G'10(10), G'15(15)深标点2.2观测项目与现场测试浸水过程中及停止浸水后一段时间内需对试验场地不同位置的沉降量，裂缝，注水量以及浸水影响范围进行观测和测量。2.2.1 沉降观测情况沉降观测精度本次浸水

17、试验，根据试验要求及工程特点，为了能达到精确检测各个观测点沉降变化的目的，观测工作按二级变形测量精度要求进行观测。基准网的建立及观测根据本项工程的特点，每个浸水试验场地建立一个基准网，采用相对高程基准。基准网有3-4 个基准点及若干个工作基点组成，布设呈闭合、附合水准路线等形式， 铁道部科技司组织专家审评通过的湿陷性黄土地基现场浸水试验研究大纲 ，原则上要求每个基准点布设在距试坑边缘2 倍试坑直径以外，当场地条件受限制不能完全满足这一要求时，则保证至少有一个基准点满足要求。基准点埋设按地面下4m控制，采用108mm现浇混凝土标石，地表周围 600mm范围内换填30cm 厚的 3:7 灰土并夯密

18、，使其周围地面略凸以避免积水。基准点在沉降观测开始之前7 天进行埋设并设置保护标志，试验值班人员做好对基准点的保护工作。基准网是监测观测点沉降点变化的依据，监测网中基准点的稳定性如何，直接关系到沉降观测的精度。为了保证观测的精度，按照二级变形测量的精度要求，采用几何水准测量方法，定期的对沉降观测基准网进行复测，检查基准点的高差变化， 分析基准点的稳定性，保证观测成果的真实可靠。复测期间尽量保持网形、观测线路不变，使用同一仪器及设备，固定专人观测。沉降观测沉降观测浅标点和深标点埋设完成后，每天测读一次高程，待初值稳定后，作为初读数，正式浸水前再测一次，并与上述初读数进行校核。此外，还要采用不同的

19、水准基点，进行多次校核。按二级水准观测的技术要求进行观测，采用几何水准，固定测站的测量方法，检测各浅标点和深标点的沉降量。浸水过程中，每天固定时间对各观测点进行定时观测，每天观测一次，对前期变形发展较快的浸水试验场地适当的加密观测频率。每次观测时保持观测方法、观测线路、测站数不变，使用同一仪器和设备严格按要求进行观测，保证测量精度。2.2.2 注水量观测试验中，在试坑中设置水位深度观测杆，保证水深30cm-40cmi同时，用精度为±0.1m3的水表量测注入试坑的水量，浸水前后记录注水时间、停水时间、 水表读数及水头高度。2.2.3 土层含水率对比测试浸水前后场地不同深度和位置处含水率

20、的变化情况反映出浸湿影响深度和 径向浸湿范围。采用在场地特定位置打孔测定含水率， 根据浸水前后含水率的变 化来确定浸湿范围的方法。具体布设如下：浸水前，在试坑内利用渗水孔和部分深标点孔，另外在试坑一侧打5个深 孔，各孔含水率作为浸水前场地的初始含水率。试验过程中级湿陷变形稳定后停止之前， 在试坑周围及试坑一侧前述打好 的5个钻孔旁再打孔，取样进行含水率试验，以了解浸湿范围和土体含水率变化 情况。停止进水后，在试坑内沿轴线均匀打孔，测定浸水后各层土的含水率变化 情况，并进行浸水前后土层含水率对比。2.2.4 裂缝观测裂隙是黄土湿陷性的直观反映，其发生发展规律研究是本次试验的重要内容 之一。试验中

21、对试坑周围地裂缝的出现时间、平面位置、形状变化、裂缝宽度和 错台高度等进行测量及时绘制成图和以照片形式记录。为了了解裂缝在深度方向上的产状，对典型裂缝进行挖探。2.2.5 孔隙水压力观测在试坑内外不同深度埋设孔隙水压力传感器，通过数据采集器接收传感器 的数据，从而对孔隙水在浸水试验过程中的压力变化进行研究。2.3试验终止条件(1)湿陷稳定标准浸水过程中始终保持试坑内的水头高度在3040cm之间，至地层湿陷稳定后停水，湿陷稳定标准为最后5 天的平均湿陷量小于1mm/d。（ 2）停水后终止观测条件试坑停止浸水后，继续观测不少于10 天，当出现连续5 天的平均沉降量不大于 1mm/d 时，终止观测。

22、3 试验预期结果根据现场浸水试验获得的成果资料，包括浸水试坑内外地表沉降量、浸水试坑内深部沉降量、裂缝发生发展情况、浸水前后土体含水率变化及孔隙水压力变化等，结合室内土工试验结果，预期得到以下几方面结果：（ 1） 地表和深部地层湿陷沉降变形的大小及范围；（ 2） 浸水湿陷变形的时间特性；（ 3） 浸水黄土场地的湿陷敏感性评价，提出新的湿陷敏感性表述方法；（ 4） 浸水场地裂缝的发生发展规律和形态特征；（ 5） 浸湿范围及其与湿陷变形范围、地表裂缝范围之间的关系；（ 6） 场地黄土的渗透性；（ 7） 浸水过程中孔隙水压力的变化规律；（ 8） 湿陷性黄土浸水前后微结构的变化规律；（ 9） 对大西客

23、运专线沿线黄土湿陷性做总体性评价，并提出黄土湿陷性路基处理的措施及建议。湿陷性黄土现场试坑浸水试验预算编制说明材料费预算明细表：原材料为铺设坑底的砂砾石和钻孔塞填的中粗砂，坑底处理的灰土，制作观测标点基础的混凝土，观测标的钢筋（管）及钢尺、PVC护管；试坑浸水所用的水源。现场测试加工费明细表：主要为现场土压力、孔隙水压力等测试传感器，以及部分仪器租赁费，现场监测费等。室内试验费明细表： 本次大型浸水试验包括动三轴试验、常规实验及水质分析试验，各预算详见下表。燃料动力费明细表：主要是燃油、耗电等各种耗费，交通工具租赁费。用地补偿费明细表：临时性用地补偿费和青苗补偿费按照有关铁路补偿规定及当地实际

24、情况制定。详见下表。加工费明细表：主要包括挖坑费、钻探费、设备加工费、土样运输费、板房费、租赁费及试坑填埋处理等，本次研究拟设两直径分别为 25mffi 15m的圆形浸 水试验坑，其各项预算费用详见下表。现场管理费明细表：一方面是低值易耗品包括办公用品、野外工作用品、药品、光盘、复印纸、墨盒、纸笔等；另一方面是现场协调等各项费用，预算如下表。分析报告费明细表： 本次大型浸水试验分析包括数值模拟、试验结果的分析及报告的编写，各预算见下表。综上，此次大型浸水试验预算为1204219.3 万元。黄土湿陷现场试坑浸水试验预算表费用项目支出明细表预算（元）材料费砂砾石60元/方。00方6000中粗砂50元/方*15方750灰土300 元/t*24.552655PVC护管4 元/米*10504200钢筋5000 元/t*6.532500水费5.5 元/方*30000 方165000混凝土560元/方*4方2240钢尺10 元/个*2242240抽水辅助设备费包括水表、电缆、水管等20000现场测试加工费稳压器260/ 台 *102600示波器3800/ 台 *13800土壤水分传感器1440/ 台 *1014400土压力传感器200/ 台 *204000孔隙水压力传感器280/ 台*205600张力#450/ 台 *2511250其他仪器租赁费包括数据米集器，水准仪，GPS罗盘、相机等300