随着我国西部大开发的深入和“一带一路”倡议的实施，湿陷性黄土地区的工程建设越来越多，逐渐从黄土低阶地、湿陷性土层埋深较浅的场地向黄土高阶地、湿陷性土层埋深较深的场地发展，以往人们对黄土地基湿陷变形的评价方法是否仍然满足实际工程值得思考^[1]。不少场地^[2-3]地层结构由浅层非湿陷性、轻微湿陷性的上更新统（Q₃）黄土与下伏轻微、中等湿陷性的中更新统（Q₂）黄土组成，这种深层黄土湿陷会对地下综合管廊^[4]、地铁隧道^[5]的安全构成威胁，甚至会引起地裂缝^[6]。Weng等^[7]通过物理模拟、理论推导和数值模拟的方法研究了黄土地层的湿陷对隧道结构的影响，结果表明非均匀浸湿引起的隧道基底不均匀沉降是隧道结构倒塌和变形的主要原因。深层黄土的湿陷性评价对高铁、地铁等工程的影响至关重要^[8]，因此有必要对深层黄土湿陷性评价进行有针对性的专门研究。

黄土湿陷性评价结果对地基处理深度^[9]、桩基负摩阻力设计深度^[10]、地基防排水宽度^[11]等至关重要，很多学者对黄土的湿陷性进行了深入研究。如，魏亚妮等^[12]、Wang等^[13]、范文等^[14]探讨了马兰黄土的湿陷机理，回答了黄土“为何湿陷”和“如何湿陷”的问题，认为黄土的湿陷主要由土中大孔隙和中等孔隙的破坏引起，其中孔径在3～60 μm区间的粒间孔隙为湿陷提供主要空间。现行黄土规范《湿陷性黄土地区建筑标准》（GB 50025—2018）^[15]中室内试验湿陷性评价结果存在误差较大的问题，现场试坑浸水试验是评价场地湿陷类型较为准确的方法。杨校辉等^[16]、苏忍等^[17]、Xu等^[18]、屈宏录等^[19]、An等^[20]分别进行了现场浸水试验，研究了黄土地层的湿陷变形特性；王立新等^[21]建立了计算浸水饱和黄土湿陷系数的“浸水结构破坏湿陷性”评价方法，并与现场试坑浸水试验结果进行比较，验证了评价方法的可靠性；针对无法进行现场试验的黄土场地，由于黄土湿陷系数与基本物性指标之间具有一定的相关性^[22]，Wang等^[13]提出了一种考虑黄土初始结构特性的评价黄土湿陷性的新方法，研究表明该方法比室内试验更接近现场试验的实测值。现有的研究主要针对黄土的湿陷机理和自重湿陷量^[23-24]，而地基湿陷量的测试方法和理论研究相对较少，特别是穿越深层黄土的地下工程，湿陷量计算值和基底地层实际湿陷量的差异有待进一步研究，因此有必要探索一种适宜测试深层地基湿陷变形的试验方法。

基于邵生俊等^[25]、李骏等^[26]、王永鑫等^[27]提出的砂井浸水试验方法，提出了砂井载荷浸水试验的方法（以下简称“砂井试验”），可测得一定埋深地层在给定基底压力下变形稳定后在浸水饱和作用下的变形量。依托西北水电及新能源科技产业中心常宁基地建设项目，在神禾塬湿陷性黄土场地内进行了2个不同深度的原位砂井试验，通过观测不同深度黄土含水率和沉降的变化，对比分析场地室内试验结果，研究深层黄土的浸水湿陷特性，论证将其应用于深层黄土湿陷评价的优势。

1.   试验概况

1.1   场地条件

项目场地位于西安市长安区，东邻城南大道，西临常祥街，北接神禾五路，南连神禾四路。场地地面标高约为473 m，整体地势较为平坦，地貌单元属一级黄土台塬（神禾塬）。地质勘察揭示地下水埋深30～33 m，试验场地25 m深度范围内地层见表1。

表  1  试验场地地层

Table  1.  Lithology of the test site

地层	深度/m	土壤类型
$全新统人工填土（{\text{Qh} }^{ml} ）$	0～1.0	填土
$上更新统风积土（ {\text{Qp} }_{\text{3} }^{eol} ）$	1.0～9.5	黄土
$上更新统残积土 （{\text{Qp} }_{\text{3} }^{el}）$	9.5～12.6	古土壤
$中更新统风积土 （{\text{Qp} }_{\text{2} }^{eol}）$	12.6～22.8	黄土
$中更新统残积土 （{\text{Qp} }_{\text{2} }^{el}）$	22.8～25.0	古土壤

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1.2   试验方案

为了研究不同埋深黄土的湿陷性，在场地内设置了2个砂井，编号分别为1号、2号，2个砂井中心间距约20 m，试验方案见表2。通过控制井底试验压力，可以模拟深层地基在荷载压力作用下沉降变形和浸水饱和后的湿陷变形发展规律。在砂井开挖过程中采取原状土样进行室内湿陷性试验。

表  2  砂井试验整体方案布置

Table  2.  Overall scheme of sand-well tests

试验 名称	砂井编号	深度/m	底面 位置	试验压力/kPa
砂井载荷 浸水试验	1号	5	${\text{Qp} }_{\text{3} }^{eol}$	190
	2号	15	${\text{Qp} }_{\text{2} }^{eol}$	380

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1号砂井共布设沉降观测标点11个：深标点4个（S1—S4），浅标点6个（Q1—Q6），中心标点1个（C），各标点的位置及埋深见图1。2号砂井共布设沉降观测标点14个：深标点7个（S1’—S7’），浅标点6个（Q1’—Q6’），中心标点1个（C’），各标点的位置及埋深见图2。

图  1  1号砂井监测点布置图（单位：m）

Figure  1.  Layout of the monitoring points for No. 1 sand well （unit: m）

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图  2  2号砂井监测点布置图（单位: m）

Figure  2.  Layout of the monitoring points for No. 2 sand well （unit: m）

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2个砂井的深标点用于量测不同埋深土层的变形量，浅标点量测地表以下地层的总变形量。浅标点埋深均为0.5 m。1号砂井Q1和Q2位于砂井储水试坑内，距砂井中心0.8 m，用于量测试坑表面土层的湿陷量；Q3—Q6间距1.2 m，最远距砂井中心4.8 m，量测砂井径向上的地表沉降。2号砂井浅标点的布置与1号砂井一致。

中心标点监测井底以下地层的变形。水分计（W）埋设在钻孔里，位于深标点的同一圆周上。此次采用湖南亿测物联传感技术研发有限公司生产的土壤水分计，型号为YTDY0101，采集到的数据为体积含水率，量程为0～100%。图3为2个砂井的现场试验照片。试验历时47 d，共观测31次。浸水试坑周边未见明显由试验荷载和湿陷引起的裂缝。

图  3  砂井试验现场

Figure  3.  Photos of the sand-well test

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1.3   试验过程

砂井试验全过程的流程图见图4，结合图1和图2说明实施步骤。试验中所有沉降观测标点沉降杆出露地表的顶端均焊接钢片，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。

图  4  砂井试验全过程流程图

Figure  4.  Flowchart for the sand-well testing process

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步骤1：开挖砂井和试坑。机械开挖直径0.5 m的探井，开挖至试验深度，去除井底浮土、整平。以探井为中心，人工开挖直径2 m、深度0.8 m的试坑，用于储水和增加砂井的渗透范围。在试坑侧壁和试坑边缘铺设防水塑料布，并在试坑及试坑边缘的塑料布上铺设10 cm厚的砾石，防止侧壁在浸水过程中坍塌。

步骤2：安放承重台。清除砂井底的开挖虚土，铺设10 cm厚的透水砂垫层并夯实；在探井内吊装安放焊接好的沉降杆，沉降杆下端固定圆形沉降板、上端固定方形承重台、外部套上PVC护筒，保证沉降杆不受侧限，可随地层变形自由升降；均匀灌入20 cm厚的中细砂，起缓冲作用，回填砾石至井口处，保证承重台水平、沉降杆竖直。

步骤3：埋置深标点。向深标点钻孔内下放沉降板及逐节连接的沉降杆至井底，孔口出露2 m。沉降杆外套上PVC护筒，保证其不受侧壁摩擦影响，自由沉降；PVC护筒出露孔口1 m，护筒外围空隙用砂砾石回填密实，加强渗水。

步骤4：埋置浅标点。在浅标点埋设位置开挖直径40 cm、深50 cm的圆坑，整平坑底。将组合好的沉降杆放于坑内，地表出露2 m，杆外套上PVC护筒，出露地表1 m，确保沉降杆竖直，分层回填素土并夯实。

步骤5：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，分层回填素土、夯实并利用素混凝土进行止水，避免钻孔内渗流速度的增大，加快水分计的变化速率。不断用测绳测量回填高度，待回填夯实到下一设计深度时埋设下一个水分计，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6：施加荷载。在砂井内灌入砂砾石，并在安置的承重台上放置混凝土配重，砂井底部单位面积承受的重力等于试验设计荷载。

步骤7：观测记录。对各沉降标点及水分计进行连续监测，待沉降完全稳定后开始向砂井和试坑内注水，保证试坑内的水头高度不小于30 cm。持续观测记录各类监测数据、注水量及地表裂缝发展情况，直到变形稳定后停止注水，继续观测，试验终止。

2.   试验结果

2.1   地层含水率变化

开始注水时，水通过砾石间隙自上而下快速到达井底，此时水主要由井底面和侧壁进入砂井下部周围地层；当水面上升到试坑里时，入渗面多了试坑侧壁和试坑底面，试验过程中水平渗透和垂直渗透同时进行。图5为1号、2号砂井水分计监测数据随时间的变化曲线。从图5可以看出，不同埋深水分计的读数突变时间不同。注水开始后，在浸水入渗影响深度范围内，顶部和底部的地层较中部地层更晚发生含水率突变，即浸水前锋线先到达井底埋深附近的地层，后到达浸水入渗影响深度范围顶部和底部的地层。例如，2号砂井10，13 ，18 m处的含水率在注水后第2天（即试验开始后第9 天）就产生突变，而3，7 ，23 m处含水率在注水后第8天产生突变。

图  5  水分计随时间变化关系曲线

Figure  5.  Variation curves for moisture sensors with time

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2.2   沉降监测数据

2.2.1   中心标点

根据监测数据绘制了1号和2号砂井中心标点的累计变形量和单日变形量随时间的变化关系（图6），图6中变形量为负值代表标点沉降，正值代表标点抬升，下文相同。

图  6  中心标点的累计变形及单日变形随时间变化曲线

Figure  6.  Variation curves of the cumulative deformation and single day deformation of the center mark with time

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由图6可知，标点的总变形量包括加载变形量和浸水变形量两部分。1号砂井的总变形量为−46 mm，其中加载累计变形量为−18 mm，单日最大加载变形量为−17 mm；浸水累计变形量为−28 mm，单日最大浸水变形量为−9 mm。2号砂井的总变形量为−181 mm，其中加载累计变形量为−85 mm，单日最大加载变形量为−82 mm；浸水累计变形量为−96 mm，单日最大浸水变形量为−75 mm。1号砂井井底沉降板埋置于Q₃黄土中，2号砂井井底沉降板埋置于Q₂黄土中，但由于2号砂井的试验荷载较1号砂井大，加载变形量和浸水变形量均增加。

2.2.2   浅标点

根据测量结果，对浅标点的变形量进行分析。图3为试验开始第32天1号砂井和2号砂井浸水过程中的现场实景图。1号和2号砂井实测浅标点累计变形量随时间变化曲线见图7。

图  7  浅标点累计变形随时间变化曲线

Figure  7.  Variation curves for settlement at the shallow marked points with time

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加载期：浅标点变形量在−1.5～1 mm之间波动，没有明显的升降变化，说明承重台加载对砂井周围地层没有显著影响。

注水期：各浅标点变形量都很小，但是出现了明显的抬升情况，最大变形量近4 mm。

停水期：各浅标点基本处于稳定状态，变化量很小。

2.2.3   深标点

根据测量数据，绘制了各深标点的累计变形曲线（图8）。2号砂井S5’深标点的钻孔倾斜，不满足下放沉降杆的条件，未能完成埋设，故此处不讨论S5’标点。根据图8，深标点变形大致有如下特征：

图  8  深标点累计变形随时间变化曲线

Figure  8.  Deformation curves for the deep marked points

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加载期：深标点变形量的变化与浅标点类似，在−1～1 mm之间不断波动，没有明显的升降变化，说明承重台加载对砂井周围地层没有显著影响。

注水期：注水期间各深标点变形量都很小，处于缓慢抬升状态，最大变形量不超过4 mm。

停水期：各深标点基本处于稳定状态，变化量很小，直至观测结束，其最大变化量不超过1 mm。

2.3   室内湿陷性试验

在本场地2个24 m的探井里取不扰动土样进行室内湿陷性试验，场地黄土的湿陷系数、自重湿陷系数和湿陷起始压力沿深度变化如图9所示。由图9可知，场地地层结构特点是：埋深5 m以上为中等湿陷性${\text{Q}}_{\text{3}}^{eol}$黄土；5 m以下，${\text{Q}}_{\text{3}}^{eol}$黄土和${\text{Q}}_{\text{3}}^{el}$古土壤呈无湿陷性，而大厚度深埋${\text{Q}}_{\text{2}}^{eol}$黄土普遍呈轻微、中等湿陷性。

图  9  室内试验结果

Figure  9.  Indoor test results

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3.   分析与讨论

3.1   含水率变化分析

2个砂井的所有水分计在浸水期间均产生变化并能维持在某一稳定值上，说明深度5 m的1号砂井、15 m的2号砂井的浸水影响深度至少为18 m和23 m。砂井试验中的深部土层可以在较短时间内受到浸水影响达到饱和，这表明砂井试验对于深层黄土的湿陷性研究具有一定的优势。赵金刚等^[28]在典型黄土-古土壤系列场地进行的大型试坑浸水试验研究中指出，古土壤层在浸水及停水阶段对水分运移有阻碍、限制作用。而砂井试验在浸水阶段通过井中砾石将水直接导入井底，继而水分在井底以上土层进行水平方向的渗透，使砂井深度范围内的土层同时浸水，缩短黄土和古土壤达到饱和湿陷的时间差。这是因为黄土层易先达到饱和而发生沉降变形，而古土壤层由于力学强度较黄土层大，其透水性弱，后发生湿陷变形。因此砂井试验在一定程度上削弱了土拱效应^[29]，确保浸水影响深度内土的湿陷变形完全释放出来。

图5中1号砂井18 m和2号砂井18 m、23 m处水分计注水后含水率激增，停水后含水率骤降，特别是1号砂井18 m处水分计峰值含水率与停水后最小含水率差值高达37%，浸水期最大体积含水率达到78.1%。造成这种情况的原因主要是埋设水分计时素土回填不密实，土体中大孔隙发育，浸水时自由水能快速充满孔隙，停水时也能快速消散。

3.2   沉降数据分析

在试验荷载作用下，中心标点在加载1 d之后，加载变形量达到稳定，直到注水开始，均保持在稳定值左右。浸水开始后，水分通过砾石孔隙直接导入砂井底部，沉降标点迅速发生变化。浸水变形发生在浸水前期，单日变形量大，变形速率大，随后逐渐降低至稳定值不变，反映出黄土湿陷突变性的特点。

2个砂井试验地面浅标点的变形规律类似，在浸水过程中浅标点均有几毫米的抬升。尽管1号砂井和2号砂井的试验荷载不同，但其地面浅标点的变形结果说明砂井中心沉降板承受的荷载对砂井周围地层没有影响。也就是说，砂井试验的地面浅标点变形量反映的是砂井周围浸水影响范围土体的自重湿陷量。2个砂井试验的地面浅标点均呈抬升状态，该现象与西安财经学院大型现场试坑浸水试验^[2]结果比较相似，财经学院场地的试坑范围内的地层在浸水过程中也有几毫米的抬升。本试验场地距财经学院直线距离仅2 km，场地属同一地貌单元，具有可比性。砂井试验的地表变形量与邻近场地的试坑浸水试验结果接近，这说明砂井试验可用于测试场地自重湿陷量。

各深标点的累计变形量在试验全过程都很小，整体呈抬升状态，最大变形量不超过4 mm。由于黄土层渗透性较古土壤好，因此在水体渗透过程中，黄土层先达到饱和而发生变形，而古土壤层由于力学强度较黄土层大，其透水性弱，此时尚未发生变形，并在此对上部土层提供支撑力；而且古土壤层具有弱膨胀性，在其浸水达到饱和时会产生轻微膨胀。所以深标点这种不降反升的特征可能与厚度较大的古土壤有关。

3.3   湿陷性评价方法对比

将常宁基地和西安财经学院新校区2个场地的室内试验、砂井试验及邻近场地试坑浸水试验的结果进行对比分析，如表3所示。

表  3  2个场地不同湿陷性评价方法对比

Table  3.  Comparison of different evaluation methods for two sites

评价方法	常宁基地			西安财经学院新校区[2]
	室内试验	砂井试验		室内试验	试坑浸水试验
自重湿陷量/mm	−255	4		−216	9
湿陷量/mm	−247	−28		−140	−140
场地湿陷类型	自重	非自重		自重	非自重
地基湿陷等级	Ⅱ（中等）	Ⅰ（轻微）		Ⅱ（中等）	Ⅰ（轻微）
注：表中数值为变形量，负值表示湿陷，正值表示抬升。

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砂井试验判定地基湿陷等级的方法为：砂井周围地层由于井中砂砾石的强透水性能够快速浸水饱和，并在饱和自重压力作用下产生沉降变形，因此以该变形量作为黄土场地的自重湿陷量，判断场地的湿陷类型；井底地层在试验压力作用下沉降稳定后，浸水饱和产生附加变形，因此以此附加变形量作为黄土地基的湿陷量，判定地基的湿陷等级。砂井试验的自重湿陷量取2个砂井地面浅标点变形量的最大值，湿陷量取深度为5 m的1号砂井由于浸水产生的附加沉降量，即浸水累计变形量。

由表3可以看出：

（1）常宁基地：室内试验湿陷类型判定结果为自重湿陷性场地，而砂井试验判定结果为非自重湿陷性场地。通过砂井试验测得的地表沉降量和浸水附加变形量判定地基湿陷等级为Ⅰ级，小于室内试验得到的湿陷等级。

（2）西安财经学院新校区：室内试验的自重湿陷量较大，而试坑浸水试验的结果却是抬升。根据现场试验判定场地类型为非自重湿陷性场地，结合湿陷量计算值，可知湿陷等级为Ⅰ级；与常宁基地相同，湿陷等级也小于室内试验的湿陷评价结果。

（3）对比这2个相邻场地发现，砂井试验与大型现场试坑浸水试验的判定结果一致，湿陷等级均为Ⅰ级，初步论证了砂井试验在深层黄土湿陷性评价方面的合理性和可行性。

4.   结论

（1）砂井试验利用井内砾石间的空隙将水直接导入井底，使深部土层可以在较短时间内受到浸水影响达到饱和，这说明砂井试验对于深层黄土的湿陷性研究具有一定的优势。

（2）砂井试验通过测得井底地层在试验压力作用下沉降稳定后浸水饱和产生的湿陷量，可以模拟在基底压力和浸水饱和作用下地基土的压密变形，即湿陷性黄土地基受水浸湿饱和的湿陷量。

（3）砂井试验的地表变形量与邻近场地的试坑浸水试验结果接近，说明砂井试验可用于场地自重湿陷量测试。

（4）评价方法对比结果表明，常宁基地的砂井试验与西安财经学院的大型现场试坑浸水试验的湿陷性评价结果一致，初步论证了砂井试验在深层黄土湿陷性评价方面的合理性和可行性，尤其对于穿越黄土的地下工程更能体现其优越性。