【摘要】湿陷变形是黄土地区工程建设,特别是像渠道工程这样的行水建筑物必须面对的问题｡我国目前实行的《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB50025—2004)在工程等级标准､上覆压力选择和湿陷等级标准等方面存在不适合渠道工程的缺陷｡本文依托新疆一大型引水渠道工程(设计流量215.9 m3/s,黄土深度达到30 m),从渠道工程的特点出发,提出了基于增湿变形的渠道工程渠基黄土场地的湿陷性评价方法,以弥补现有规范的不足｡实例应用表明,该方法按照实际上覆压力和增湿变形等方面进行分析,具有既符合渠道工程实际,又可以充分考虑渠道工程防渗层作用的优势｡
【关键词】渠道工程;黄土;湿陷性;评价方法
1 研究背景
    黄土具有大孔隙､欠压密和水敏感性等特点,特别是湿陷性黄土,遇水后在自重或者非自重荷载作用下会发生除压缩变形以外的突然的大幅沉降,即发生湿陷变形[1-2]｡黄土湿陷具有突变性､非连续性和不可逆性,浸水(或者增湿)以及上覆压力作用这两个因素是黄土湿陷发生的必要条件,二者缺一不可｡黄土湿陷是除正常压缩变形以外,突发的附加变形,是一种塑性变形｡黄土湿陷将会对其上的工程造成严重的危害,是黄土地区工程建设,特别是像渠道工程这样的行水建筑物必须面对的问题,需要慎重对待｡我国现行的关于湿陷性黄土的规范是《湿陷性黄土地区建筑规范GB50025—2004》(以下简称黄土规范)｡该规范在我国国民经济建设中发挥了重要作用｡但是在实际应用中,由于渠道工程本身具有卸荷､行水等特点,黄土规范存在对渠道工程适用性稍差等问题[3]｡同时规范仅适用于厚度15m以内湿陷性黄土层的处理,而明确规定对深厚湿陷性黄土地基评价和处理需要进行专题的研究｡邵生俊等[4]总结了几十个现场载荷试验的结果,研究了大厚度黄土自重湿陷量地区系数和湿陷门槛值的选取,为大厚度湿陷性黄土场地的评价提供了重要参考,同时针对黄土隧洞工程的湿陷性评价给出了分析方法[5-6]｡黄雪峰[7],姚志华[8]结合现场浸水试验给出了对大厚度黄土湿陷性评价方法的建议｡刘保健等[9],刘金禹等[10]从增湿的角度分析了黄土的湿陷变形｡罗宇生[11]､王国烈[12]分别对黄土场地湿陷性评价方法和深厚湿陷性黄土场地评价方法进行了论述,是目前工程建设中最为常用的方法｡但是针对渠道工程进行的湿陷性评价研究鲜有报道｡本文依托新疆一大型引水渠道工程[3] (设计流量215.9 m3/s,黄土深度达到30m),从渠道工程的特点出发,采用增湿变形的思路,从工程等级标准､湿陷等级划分标准､上覆压力取值等方面,提出了基于增湿变形的渠道工程渠基黄土的湿陷性评价方法,以期为黄土地区大型渠道工程渠基黄土湿陷性处理提供设计参考｡
2 黄土规范对渠道工程的适应性分析
    从20世纪60年代开始,我国的湿陷性黄土地区建筑规范已制订､实施到了第五代,分别为BJG20—66､TJ25—78､GBJ25—90,GBJ50025—01和GBJ50025—04,目前实施的规范为《湿陷性黄土地区建筑规范》(GBJ50025—04)｡这部规范是现行唯一涉及黄土湿陷性场地评价的规程,各个行业均在依据这个规范开展黄土场地的湿陷性评价工作｡此系列规范融合了近几十年内我国广大黄土工程科技工作者的心血与成果,以及广大黄土地区建设者的汗水与智慧的结晶,为我国黄土地区工程建设做出了巨大的贡献｡然而,由于各个行业的特点和建筑物的结构形式各有不同,使得本规范在应用于不同行业时存在一定的局限性｡谢定义[2]总结了黄土规范的主要特点如下:
(1)以工业民用建筑的湿陷性黄土地基为主要对象,不涉及到水工及道路建筑中湿陷性黄土的边坡与洞室,并且以湿陷性土层充分浸水的情况为基础;
(2)把对建筑场地黄土湿陷等级评定的结果与建筑物重要性相结合作为地基适宜性评判和地基湿陷性处理的根本依据;
(3)将黄土场地湿陷等级的划分以地基的计算自重湿陷量和地基的总湿陷量为依据,并在它们的计算中分别引入考虑土质地区差异和地基侧向挤出与浸水几率的修正系数｡计算自重湿陷量为全部湿陷性土层各点在其上黄土饱和自重压力作用下饱和浸水时的湿陷量;总湿陷量为一定范围内的湿陷性黄土层各点在自重压力和附加压力共同作用下饱和浸水时的湿陷量,其计算范围视地基土的湿陷类型和建筑物等级而定;
(4)提出黄土地基是否需要处理主要应考虑低湿度黄土地基的湿陷变形量(压缩变形量很小,一般可忽略)和高湿度(大于25%)黄土地基的压缩变形量是否能满足建筑物的要求｡低湿度黄土地基指般可忽略)和高湿度(大于25%)黄土地基的压缩变形量是否能满足建筑物的要求｡低湿度黄土地基指它的含水率小于塑限的黄土;高湿度黄土地基指它的含水率大于25%的黄土｡当低湿度黄土地基在塑限含水率下的承载力,或高湿度黄土地基在饱和含水率下的承载力不能满足工程要求时,需要对地基进行处理;
(5)地基处理原则是对于甲类建筑全部消除地基的湿陷量,对于乙､丙类建筑部分消除地基的湿陷量｡在部分消除地基湿陷量时,需要限定地基的剩余湿陷量值和处理厚度(对不同类建筑分别提出),并要求采取相应的排水措施和结构措施｡渠道工程,特别是大型渠道工程本身是行水建筑物,并且水量巨大,地基受到渗水浸湿的几率极大｡目前常用的板膜结构(混凝土板与复合土工膜联合使用)不能避免水对渠道地基的浸湿作用,且一旦板膜结构破坏浸入地基的水量会猛增｡很多渠道开始在板膜结构下层设置翻夯垫层､水泥土､灰土垫层或者防渗毯等防渗措施,如何考虑这些防渗措施对地基湿陷的影响是需要解决的问题｡另外,大型渠道工程线路较长,工作面也较大,不可避免地会遭遇各种地形,往往各处高差较大,存在挖方､半挖半填和填方三种类型的渠道形式｡特别是挖方渠道,地基的上覆荷载是先卸荷(挖方时)再加荷(行水和浸湿时),由于再加荷的是水体,它较土体轻,因此总体是卸荷状态,这与一般建筑处于加荷状态明显不同｡同时,未设置衬砌的渠道对地基不均沉降有较强的适应能力,只要沉降不大于渠道的超高,渠道的坡比不会发生大的改变即可｡但是对于设置板膜结构的渠道,为了防止板膜的破坏一般要求渠道沉降,特别是不均匀沉降控制在30-50mm之间｡
    鉴于以上分析认为,黄土规范在应用于渠道工程时存在以下几点问题:
(1)挖方渠道上覆荷载是卸荷状态,黄土规范以加荷为主编制,两者不相符合;即使是填方渠道其基底压力会随着填筑高度的不同而不同,与黄土规范规定的200 kPa或者300kPa相差较大｡
(2)黄土规范以整个黄土层完全饱和湿陷量为评价标准,但实际上渠基很多部位处于非饱和增湿状态,特别是在设置防渗层时,会造成对场地湿陷程度的大幅度高估,因此,应该从可能增湿的角度考虑才能符合实际｡
(3)防渗层是渠道工程的重要设施,渠道工程防渗层对渠基湿陷有重要影响,不能简单地将之当作安全措施考虑｡如何在湿陷性评价中考虑防渗层的作用是需要解决的问题｡
(4)大型渠道的重要性等级与其输水流量有关,重要性的等级标准应该与黄土规范规定的思路不同｡
(5)计算自重湿陷量时起算高程是一个需要解决的问题,是从原始地面､渠道顶部还是渠道底部算起?同时整个渠道断面上,从渠道左岸到右岸边界之间宽度较大,地面高程变化一般较大,以哪个位置的高程为准也是一个需要解决的问题｡
3 基于增湿变形的黄土渠基湿陷性评价方法
    湿陷性评价是在勘察和设计阶段对黄土地基湿陷性给上部建筑物造成的危害程度进行的评估工作｡通过评估确定黄土地基的湿陷性等级,根据湿陷等级确定是否对地基进行处理,以及确定地基处理的措施和程度｡湿陷性评价是黄土地基设计的基础,对保证工程安全具有重要意义｡湿陷性评价方法的要素有评价量､评价量的计算方法与参数､评价标准(也就是等级划分标准),以及不同等级地基的地基处理措施和程度,总计4个因子｡
3.1黄土规范评价方法的要点
(1)评价量｡黄土规范中用于进行的评价量有两个,即:自重湿陷量和湿陷量｡前者为从天然地面(挖填方大时采用设计地面)到其下的非湿陷黄土层顶面之间,各黄土层在饱和自重压力作用下的饱和湿陷量值总和｡而后者为从基础基面到10m或者非湿陷黄土层顶面之间,各黄土层在规定的上覆压力(10 m以内为200 kPa,10 m以下为饱和自重压力但应该小于等于300 kPa;基底压力大于300 kPa时用实际压力)作用下的饱和湿陷量值总和｡两种湿陷量均是土层完全饱和浸水所发生的附加变形量｡湿陷与非湿陷的界限为湿陷系数为0.015｡
(2)评价量的计算方法｡自重湿陷量可用现场浸水试验实测得到,也可以采用室内自重湿陷试验得到各层土的自重湿陷系数6w,再采用分层总和法求出｡
(3)评价标准｡采用两个评价量的不同组合确定地基湿陷性的等级｡等级划分标准见表1所示｡
(4)不同等级地基处理程度｡按照建筑物的高度和浸水可能性将地基上的建筑物划分为甲乙丙丁四类,规定甲类建筑物地基应该消除全部湿陷量或者采用桩基穿透整个湿陷性地层,乙丙类建筑物应该消除地基的部分湿陷量,丁类建筑物可以不进行处理｡其中:乙类建筑物剩余湿陷量不能超过150mm,丙类建筑物不能超过200 mm｡同时提出处理湿陷性黄土地基的三种方法为:地基处理措施､防水措施和结构措施,且将防水和结构措施作为安全储备和构造措施使用｡
3.2本文提出的评价方法
    考虑到渠道地基存在饱和区域和非饱和区域,本文基于“可能增湿变形量”的思路,结合渠道工程的特点,提出了渠基黄土湿陷性评价方法｡
3.2.1 评价量
    以实际压力下渠基的“可能增湿变形量”△为评价量｡可能增湿变形量是黄土在实际压力作用下,发生实际程度的最大浸湿到一定含水率或者饱和度时,产生的湿陷变形量值｡其要素有两个,即:实际压力和最大可能的实际浸湿程度,也就是实际上最大可能发生的浸湿含水率或者饱和度｡该值与黄土规范规定的饱和湿陷量有所不同,是渠基在运行期间最大可能发生的湿陷变形,小于等于饱和湿陷量,当最大可能浸湿含水率等于饱和含水率时两者一致｡用它来进行黄土湿陷性评价将减小湿陷性被高估的可能,必将更符合实际且节省地基处理成本｡另外,可能增湿变形量采用实际压力作为上覆压力,就不再需要区分自重湿陷和非自重湿陷｡
3.2.2评价量的计算方法
    基本方法是:现场取样开展系列室内试验,取得增湿变形系数､土水特征曲线和渗透等计算参数;进行非饱和渗流场数值计算,得到地基的可能湿度场;由湿度场和增湿变形系数仍采用分层总和法计算可能增湿变形量｡具体方法为:
(1)采用人工探坑开挖的方法进行取样,取样深度为整个黄土层厚度,每1m取得土样1组,分层开展以下室内试验工作,以取得湿陷评价基本参数｡试验工作主要有:含水率､密度､比重､颗粒分析､界限含水率等基本物理性质试验;黄土水特征曲线;黄土饱和渗透系数,对于冻土地区,表层受冻融影响的土层和防渗层应该测定受到多次冻融循环的土样的饱和渗透系数;采用单线法或者双线法进行各层黄土压缩试验,测定各层黄土达到饱和时的湿陷系数,最大上覆荷载根据黄土层上覆荷载确定,最小达到400 kPa以上｡同时计算各层黄土的湿陷起始压力;选择典型土层,测定从初始饱和度增湿到不同饱和度(从非饱和到饱和含水率)各级压力下的黄土压缩试验,得到增湿到不同饱和度时的增湿变形系数｡定义不同地层的从初始含水率(由取样测定得出)增湿到不同饱和度时的增湿变形系数与完全饱和湿陷系数的比值称为折算比值a,其计算公式为:湿陷和非湿陷的界限标准仍以湿陷系数达到0.015为准｡绘制完全饱和下湿陷系数与上覆压力的关系曲线,以及折算比值与饱和度､上覆压力的关系曲线｡该部分内容与黄土规范规定的方法思路一致,但是补充了士水特征曲线试验､饱和渗透系数试验和增湿变形试验三部分内容,并定义了折算比,较规范规定的方法更能反映黄土的非饱和特性｡
(2)采用非饱和渗流有限元方法计算渠道渗流场,得出渠道在校核水位下渠基黄土层的饱和度分布场｡计算中考虑防渗系统的影响(不考虑板膜结构的防渗作用)｡这部分是新增加的内容,主要是为了得到渠基黄土层的体积含水率或者饱和度的分布场(也就是湿度场),为增湿变形计算提供基础｡
(3)由湿度场并根据增湿试验结果选择折算比值Od,采用实际上覆压力,用分层总和法计算出地基的“可能增湿变形量”,用之评价地基的湿陷性｡可能增湿变形量△｡的计算公式如下:对于挖方渠道直接按照以上方法进行计算即可｡对于填方渠道而言,计算实际上覆压力时应该考虑上部填土的作用荷载引起的地基内的附加应力,将自重和附加应力之和作为计算面的上覆压力,同时计算渗流场时考虑填土的影响,计算起算面从填筑基面算起｡对于半挖半填渠道应该按照填方进行计算,计算基面应该从渠道水面算起,且考虑填方部位填土的增湿湿陷变形｡对于自重湿陷性黄土渠基,直接按照以上方法进行｡对于非自重湿陷性渠基而言,若是挖方渠道,由于渠道各个部位上覆压力均小于湿陷起始压力,而湿陷发生的两个必要条件是水的作用和压力的影响,压力小于湿陷起始压力黄土将不会发生湿陷,按照非湿陷地基考虑;若是填方渠道和半挖半填渠道,考虑填土的附加应力,根据实际上覆压力与相应位置黄土的湿陷起始压力对比判断是否湿陷,并按照实际上覆压力和考虑填土影响的渗流场进行增湿湿陷变形的计算｡以上公式计算的要点在于:(1)上覆压力采用实际压力,也就是每一层土均按照实际承受的压力计算,这个压力包括自重和附加荷载在该层位置的值;(2)折算比值的选取,折算比值需要根据实际计算的渗流场得到的不同位置的饱和度值和实际压力,在试验得出的折算比值曲线上用内插值法得到;(3)地区修正系数主要是室内试验与现场试验的差异､侧向挤出的影响等综合修正,依据黄土规范规定的方法进行｡该部分计算方法与黄土规范不同,虽仍然是分层总和法,但参数不同,结果是可能增湿变形量,而不是饱和湿陷量｡这样做避免了黄土规范认为整个黄土层均饱和的缺陷,更为符合实际｡
3.2.3评价标准(等级划分标准)

    参照渠道防渗工程技术规范和渠道抗冻胀设计规范的要求,考虑当前渠道工程普遍采用板膜结构的实际,以及板膜结构最大允许沉降在30-50 mm的实际情况,确定基于“可能增湿变形量”的渠道工程黄土地基等级评价标准见表2｡说明:△p为地基可能增湿变形量的计算值,单位mm｡等级划分不再区分自重与非自重湿陷,而 ,以实际荷载作用下的可能增湿变形量为评价标准,这样更为符合实际｡同时起算高程从渠道顶部高程算起,计算中考虑渠顶开挖卸荷作用,按照渠顶最小的开挖高度计算,这样偏于安全｡该部分依据渠道工程实际允许的变形量划分湿陷性等级评价的界限值,而黄土规范是依据房屋建筑一般允许的变形量作为界限值,两者不同｡本方法的规定更为适合渠道工程的实际｡
3.2.4 不同等级地基处理程度
(1)鉴于黄土规范对建筑物的等级划分不适合渠道工程的实际,根据GB/T50600—2010((渠道防渗工程技术规范》规定的渠道等级标准来划分渠道重要性的等级｡考虑到渠道是行水建筑物受水浸湿的可能性较大,在湿陷评价类别中只设甲乙丙三级,不设丁级次要建筑物｡其等级划分见表3所示｡以上等级划分标准较黄土规范不同,以输水流量为标准进行工程等级划分,更能体现渠基黄土浸湿的可能性,更能反映渠道失事对下游的影响程度,更为符合渠道工程的实际,也符合渠道工程规范｡
(2)根据渠道的等级和地基湿陷性等级确定是否需要进行地基处理｡特大型和大型渠道要进行专门的论证,以处理后消除全部湿陷量为标准确定地基处理方法;在考虑防渗措施的影响后,渠道地基湿陷性等级为I级,可以不做处理;在考虑防渗措施的影响后,中型和中小型渠道,且湿陷等级为Ⅱ､Ⅲ､Ⅳ级时,需要进行消除湿陷性的处理,处理后剩余湿陷量控制在50 mm之内;在考虑防渗措施的影响后,小型渠道湿陷等级为Ⅱ､Ⅲ､Ⅳ级时,处理后剩余湿陷量控制在150 mm之内｡鉴于板膜结构防渗性能可靠度差,不能考虑板膜结构的防渗作用,只是考虑除板膜结构以外的垫层和防渗毯等防渗措施的防渗效果｡此外,箱涵渠道处理后的剩余湿陷量可以适当放宽到150 mm｡该部分内容与黄土规范有所不同,更为适合于渠道工程,对剩余湿陷量控制在渠道板膜结构允许的变形量之内更有利于渠道的安全｡并适当放宽了对小型渠道的处理要求,有利于节省工程投资｡
3.2.5 本文评价方法特点
    本文的评价方法考虑到渠道工程为行水建筑物,水的作用极为强烈,剩余湿陷量从严控制;按照实际上覆荷载下的可能增湿变形量进行评价,不再区分自重和非自重湿陷,避免了黄土规范按照固定的上覆压力(200 kPa或300 kPa)进行地基湿陷性评价的缺陷;从渠道顶部起算,并考虑渠道顶部的开挖卸载作用;考虑了增湿变形的影响,有利于充分考虑防渗措施消除渠基黄土湿陷的影响,较黄土规范规定的完全按照饱和湿陷进行评价的方法更为有效,解决了黄土规范不适合于渠道工程的缺陷问题;同时该方法可以充分考虑防渗层的作用,不仅仅将之作为安全储备｡评价方法的基本框架见图1｡
4 渠基黄土湿陷性评价实例分析
    以新疆伊犁一大型渠道工程为实例进行分析｡该渠道工程设计输水流量为215.9m3/s,渠道设计断面为梯形,纵坡1/4500,底宽4.0m,边坡1:2,渠深7.4m,设计水深为6.2m,渠道左岸堤宽4.0 m,右岸堤台与渠道检修道路结合宽7.0m,路面净宽5m｡渠道衬砌结构为现浇混凝土板(渠底12cm､渠坡10cm)+0.6mm两布一膜+10cm水稳层+70 cm砂砾石防冻层+纵横向排水管+2 m厚原土翻夯防渗层或者水泥土防渗层｡按照表3分类可知,属于大型渠道,其建筑物属于甲类工程｡从渠底部算起黄土深度为30 m,鉴于该渠道的黄土质地均匀,从渠道底部开始算起将30 m深度的黄土层划分为0-lm､2-7 m､8-22 m和23-30 m总计4层,通过取样试验得出各个土层基本性质见表4所示｡
4.1饱和湿陷系数的试验测定

    通过对2个探坑､3家单位的平行试验,得出本渠基在各种压力下的饱和湿陷系数值,试验采用双线法进行｡对试验数据进行统计分析,依据取样深度､含水率和密度相近,以及试验结果相近的原则,剔除离差超过30"的数据后,取最大值包络线得出各个地层的湿陷系数随压力变化的曲线,见表5和图2所示｡在实际湿陷量的计算中,可以根据实际上覆压力值在图中曲线上查得其湿陷系数值｡
4.2增湿变形系数和折算比的增湿试验测定

    根据不同土层的增湿试验结果,得到从初始饱和度增湿到不同饱和度渠基黄土的增湿变形系数,结合地层的平均上覆压力值,可以综合得出不同地层增湿到不同饱和度时增湿变形系数与完全饱和湿陷系数的比值,即折算比“,其值见表6和图3所示｡利用表中数值可以在已知饱和湿陷系数的情况下,乘以该比值计算出达到某种饱和度土体的增湿变形系数｡
4.3渠基非饱和渗流场数值计算

    在假定土体总应力不变､孔隙气压力始终保持恒定大气压的情况下,二维非饱和渗流的一般控制方程[13]为:当孔隙气压力恒定等于大气压时,吸力与孔隙水压力相等,这时可以表示为Kx(uw)和Ky､(uw｡);Q为施加的边界流量;mw为土水特征曲线的斜率,也就是体积含水率与吸力曲线各点的斜率,Yw为水的密度;t为时间｡式(5)中mw为土水特征曲线的斜率,也就是体积含水率与吸力曲线各点的斜率｡其意义为[13]:上式中由于土水特征曲线是一条变化的曲线,因此,mw值是随着孔隙水压力的变化而变化的值,mw值在孔隙水压力为负值时决定于土水特征曲线,而当孔隙水压力为正时决定于土体的一维固结系数,这时计为mv｡土水特征曲线的表示形态与相应的参数示意见图4所示,试验得到的本工程黄土的土水特征曲线见图5所示。非饱和渗流计算中，渗透系数Kx(uw)和Ky、(uw)值在饱和时固定不变，可由试验得出；非饱和时会随着吸力的变化而变化。该变化关系一般试验成本较高，试验耗时较长。本次计算采用由土水特征曲线估算的方法进行，即：非饱和渗透系数按照fredlund提出的公式计算得出，其他土料的非饱和渗透系数用Van Genuchten提出的方法估算得到，具体公式见文献[13]。施加边界条件后求解以上控制方程,求解时由于mw､kx(uw)和Ky,(uw)均随吸力的变化而变化需要迭代完成｡解控制方程可以求出土体各点的总水头H值;求得总水头H后,可用uw=yw(H—Y)求得孔隙水压力,再由式(4)采用增量法在给定初始条件的情况下得出土体的体积含水率θ,最后由体积含水率比饱和体积含水率得出土体各点的饱和度,从而得出土体内部的湿度场｡计算采用GeoStudio软件进行｡计算中黄土的土水特征曲线按照试验结果确定(图5,增湿曲线),并将曲线输入程序中,这样就可以得到不同吸力情况下的mw值;砂砾石和防渗层的土水特征曲线按照Van Genuchten提出的方法确定｡各种土料的饱和渗透系数均依据试验得到｡计算参数汇总见表7所示｡计算中考虑了不同防渗措施的影响,其中防渗层为2 m厚的翻夯层或者水泥土层｡计算得到不同防渗措施下,渠道的体积含水率分布和浸润线如图6所示｡
4.4可能增湿变形量计算

    该渠道建设以前开展了现场大型浸水试验[3,14],试验坑直径30 m,布设20 m深的加速注水孔,浸水试验得出全部30 m深的黄土层完全饱和情况下,渠基最大湿陷量为3.52 m,由此可以计算得出渠道湿陷计算中的地区修正系数为1.64,按照这个地区修正系数值用黄土规范规定的湿陷计算方法得出该渠基的饱和自重湿陷量也为3.52 m(见表8)｡根据前述数值计算得到的渠基黄土层的浸润线和体积含水率的分布图,可以得出在不同情况下黄土渠基的饱和度分布(计算体积含水率除以饱和体积含水率即为饱和度),结合前述折算比和饱和湿陷系数就可以计算出渠基的可能增湿变形量｡计算中采用分层总和法,地区系数仍然按照现场大型浸水试验得出的1.64选取,考虑到最不利情况,计算了渠道轴线处的可能增湿变形量(见表8)｡从表中可知,按照饱和湿陷量计算时,渠基自重湿陷量达到3520 mm,属于IV自重湿陷性黄土地基｡若采用实际上覆压力下的“可能增湿变形量”进行评价时,在不设防渗层的情况下,计算得到的可能增湿变形量值为3418 mm,该计算值较饱和湿陷量小,其原因是现场大型浸水试验中布设了20m深的注水孔,保证全部土层均处于饱和状态,而可能增湿变形量计算中由渗流计算中得出,在不设注水孔的情况下渠道渗水只能使得19.7 m深度范围内的黄土地层饱和,而其下土层由于底部砂砾石层的排渗效果较好,其饱和度达不到100%,因此变形量稍小｡在考虑2 m后的翻夯层､和防渗层渗透系数在le-7 cm/s以上时,计算的增湿变形量进一步减小,但是仍然评价为IV地基,需要进一步处理｡当防渗层渗透系数达到1e-8 cm/s时,由于渠基大部分处于低饱和度的非饱和状态,其可能增湿变形量计算值只有134 mm,判定地基湿陷等级为II,湿陷等级有较大幅度的减小｡基于“最大湿陷势”的湿陷分析理论,也就是黄土规范规定的湿陷等级分析方法,不论土体是否会饱和,饱和度是多少,均按照完全饱和时的湿陷量来评价地基的湿陷性危害,无法分析含有防渗层时渠道的实际湿陷量值｡而以增湿理论为基础的“可能湿陷势”,基于非饱和渗流场分析和增湿试验,可以较为准确地分析各种情况下地基的可能湿陷量,对于比较各种处理措施施加后的地基实际湿陷量有较大的优势｡同时,本文的方法还可以结合非稳定渗流计算结果来分析湿陷的发展过程｡如上例工程中不设防渗措施中渠基黄土饱和区域与饱和度为80%区域随时间的分布见图7所示｡依据该图就可以得出不同时间的湿陷量值,也就可以反映湿陷的发展过程｡
5 讨论
    黄土湿陷性评价是在勘察阶段和设计阶段,对黄土湿陷性等级也就是湿陷性的危害程度进行的评估工作｡谢定义教授研究认为[1]:“以全部或部分湿陷性土层的饱和浸水湿陷量衡量场地优劣和采取工程对策的思想与实际常有过大差距,会在有些条件下造成不必要的浪费”,而“以可能湿陷势的设计思想逐渐取代最大湿陷势的设计思想”是今后湿陷性黄土地基设计的发展方向｡许多学者也对增湿湿陷变形开展了研究[6,8-10]｡用可能增湿变形量代替完全饱和湿陷量进行湿陷性场地评价是黄土力学发展的方向｡本文从渠道工程渠基黄土受水浸湿的可能性较大､上覆基底压力与黄土规范规定的200 kPa相差较大,甚至为卸荷状态,以及非饱和渗流计算已经发展到一定程度的实际出发,将实际上覆压力下的可能增湿变形量作为黄土渠基湿陷性评价的依据,更为符合渠道工程实际,并可以分析不同处理方式,特别是防渗对渠基湿陷性的减低程度,必将对节省工程建设成本具有积极的意义｡文中提出的评价方法以实际上覆压力下的增湿变形量的作为评价量,以增湿湿陷试验和非饱和渗流计算为基础,应用较为直观简单的分层总和法计算评价量量值,结合渠道工程实际允许沉降值作为评价标准(也就是等级划分标准),并提出了不同等级渠基的处理方式原则,较为完整可行｡该方法应该也适合于冻融地区,只要考虑渠基易冻结层和防渗层受到冻融影响渗透系数变大的实际即可｡
6 结论
(1)黄土规范在上覆压力取值､工程等级标准等方面存在不适合渠道工程,特别是不适合于处于卸荷状态的挖方渠道工程的缺陷｡同时,黄土规范以整个黄土层完全饱和的湿陷量为评价标准也不尽合理,而实际情况中渠基很多部位处于非饱和增湿状态,按完全饱和湿陷量评价会造成对场地湿陷程度的高估｡
(2)本文提出的基于增湿变形的渠道工程黄土渠基湿陷性评价方法,在黄土规范规定的黄土压缩试验和湿陷计算的基础上,增加了增湿变形试验和渠基湿度场计算两部分内容,结合渠道工程实际提出了湿陷等级的评价标准,引入土层实际压力下的折算比来计算渠基可能增湿变形量,用之进行场地湿陷性评价｡该方法具有符合渠道工程实际､可以考虑防渗层的影响等优势｡
(3)对新疆一大型渠道的黄土渠基湿陷性评价的应用表明,本文提出的方法合理､可行｡
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