軟土在固結(jié)過(guò)程中滲透性變化的試驗(yàn)研究

張吉慶，李晶晶，鄭偉鋒，陳小月，趙志孟，鄭先昌

(1.廣州大學(xué)，廣東 廣州 510006;2.廣州市地質(zhì)調(diào)查研究院，廣東 廣州 510000;3.五廣(上海)基礎(chǔ)工程有限公司，上海 200438)

1 引 言

當(dāng)今社會(huì)，地面沉降現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮，地面沉降引發(fā)了一系列的生活不便甚至工程災(zāi)害。地面沉降主要是在軟土的地質(zhì)條件下，而產(chǎn)生沉降的過(guò)程與軟土的固結(jié)密切相關(guān)。軟土的固結(jié)其實(shí)是軟土孔隙水消散，有效應(yīng)力增加的過(guò)程。在孔隙水的消散過(guò)程中與軟土的滲透性密不可分。滲透系數(shù)k 是一個(gè)代表土的滲透性強(qiáng)弱的定量指標(biāo)，也是滲流計(jì)算時(shí)必須用到的一個(gè)基本參數(shù)。不同種類(lèi)的土，k 值差別很大。因此，準(zhǔn)確的測(cè)定土的滲透系數(shù)是一項(xiàng)十分重要的工作。而當(dāng)今大多數(shù)研究是集中在正常條件下測(cè)得的滲透系數(shù)。實(shí)際工程中軟土上往往有荷載，此時(shí)的滲透系數(shù)的取值就不能用無(wú)荷條件下的滲透系數(shù)。

黎志輝［1］研究了飽和黏性土滲透特性，孔令榮［2］對(duì)軟黏土的滲透系數(shù)進(jìn)行了研究，苗明臣［3］以某黏土為研究對(duì)象，通過(guò)改進(jìn)的滲透試驗(yàn)方法，量測(cè)固結(jié)發(fā)生過(guò)程中不同時(shí)間的滲透系數(shù)。付宏淵［4］通過(guò)測(cè)定砂土在加載與卸載過(guò)程下，不同壓實(shí)度(與初始孔隙比對(duì)應(yīng))土樣的滲透系數(shù)變化特點(diǎn)。顧中華［5］研究上海軟土結(jié)構(gòu)性對(duì)滲透系數(shù)的影響。孫德安［6］對(duì)原狀軟土和重塑軟土進(jìn)行滲透特性試驗(yàn)，考察了飽和軟土的滲透特性。李又云［7］基于原狀土與重塑土的一維固結(jié)及滲透試驗(yàn)分析，得到土體結(jié)構(gòu)性對(duì)滲透的影響特征，并提出土體的滲透系數(shù)與孔隙比的計(jì)算公式。曾玲玲［8］研究了壓縮過(guò)程中重塑黏土滲透系數(shù)的變化規(guī)律。張明鳴［9］以深圳大鏟灣吹填淤泥為樣本進(jìn)行了微觀試驗(yàn)研究。葉正強(qiáng)［10］對(duì)黏性土的滲透規(guī)律性進(jìn)行了研究。董志良［11］利用ABAQUS 軟件，將滲透系數(shù)隨固結(jié)應(yīng)力的變化關(guān)系應(yīng)用于真空預(yù)壓下單井的三維有限元計(jì)算。還有很多研究者對(duì)土的滲透系數(shù)做了很多研究，但很少對(duì)原狀軟土的不同壓力下的滲透系數(shù)進(jìn)行研究。研究不同圍壓作用下軟土滲透系數(shù)成為一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容。在香港理工大學(xué)的支持下，做了三軸固結(jié)滲透聯(lián)合試驗(yàn)，．本文將對(duì)這一試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)取得的結(jié)果和結(jié)論做一總結(jié)，為后續(xù)研究者提供一些幫助。

2 滲透——三軸固結(jié)聯(lián)合試驗(yàn)

2.1 取樣與編號(hào)

此次測(cè)試的土樣選取廣州市南沙區(qū)某花園四個(gè)區(qū)域的不同深度的原狀土，相應(yīng)的測(cè)試參數(shù)可以反映不同深度的規(guī)律。所以要求在專(zhuān)門(mén)技術(shù)人員的指導(dǎo)下，以薄壁取土器在淤泥土層中取樣，采用少錘重?fù)舴ǎ劝讶悠鞣湃肟椎祝龊脴?biāo)記，用標(biāo)貫錘重?fù)簦炄?.0 m，用鋼珠密閉鉆桿后提出，樣品雙面封好，正向豎直放置，不可擾動(dòng)。

其中ZK1 取樣在某花園二期附近，ZK2 取樣在某花園三期附近，ZK3 取樣在未經(jīng)施工的原始蕉田里，ZK4 在某花園一期。試驗(yàn)測(cè)試將土樣根據(jù)取樣區(qū)域和不同深度進(jìn)行相應(yīng)的編號(hào)，土樣的基本參數(shù)如表1 所示。

土樣的基本參數(shù) 表1

續(xù)表1

2.2 試驗(yàn)制樣與安裝

試驗(yàn)采用三軸固結(jié)滲透剪切儀，如圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)儀器

將切取好的試樣安放到三軸體腔內(nèi)，步驟如下:

(1)在底座圓形槽中依次安放透水石、濾紙、利用72 mm的金屬套模將土樣從塑料管中取出，并用鋼絲刀削平頂部和底部、將土樣垂直放好后，薄膜套在土樣表面并安置頂部濾紙和透水石，如圖1 所示，在操作時(shí)，確保整個(gè)過(guò)程的密封性與固定性，并盡量減少對(duì)試樣的擾動(dòng)。

(2)然后在三軸腔內(nèi)充滿(mǎn)水，然后打開(kāi)底座，頂部孔壓和圍壓的閥門(mén)，將圍壓設(shè)定為55 kPa，底部壓力設(shè)定為50 kPa，使得底部的水逐漸從土樣底部進(jìn)入土體，并將土樣中的氣體從頂部閥門(mén)排出。此過(guò)程中一般持續(xù)1 天以上，通過(guò)檢查試樣底部孔壓增量△u 來(lái)判斷試樣是否飽和，當(dāng)△u 達(dá)到93%以上的反壓增量，可認(rèn)為土體已經(jīng)飽和。

(3)在土體飽和后，將頂部閥門(mén)打開(kāi)，讓頂部的水壓消散，兩個(gè)小時(shí)后，開(kāi)始記錄通過(guò)與頂部閥門(mén)聯(lián)通的試管測(cè)量排水的體積和相應(yīng)的時(shí)間(min)，同時(shí)，也記錄底壓中水體積變化儀顯示的進(jìn)水量大小和相應(yīng)時(shí)間(min)的關(guān)系。根據(jù)滲透試驗(yàn)原理可以利用一定時(shí)間的滲透量測(cè)算出不同圍壓下土樣的滲透系數(shù)。測(cè)量的圍壓分別為10 kPa，20 kPa，50 kPa，100 kPa，200 kPa，以考察不同圍壓下滲透系數(shù)的變化。

3 滲透——三軸固結(jié)聯(lián)合測(cè)試結(jié)果

三軸固結(jié)滲透試驗(yàn)如圖2 所示。在示意圖中，當(dāng)圍壓保持恒定p1 時(shí):土樣的底部保持p2=100 kPa，頂部保持打開(kāi)閥門(mén)，即p3=0 kPa。在一定時(shí)間內(nèi)，相應(yīng)的水量可以通過(guò)體積計(jì)量器和頂部排出水量的方式確定。一個(gè)固結(jié)壓力測(cè)定后，將圍壓增加到另一個(gè)恒定值，重復(fù)操作，從而可以得到不同圍壓作用下，土樣滲透性的變化。試驗(yàn)中在100 kPa底部壓力作用下，固結(jié)滲透壓力差選取10 kPa，20 kPa，50 kPa，100 kPa，150 kPa，200 kPa作用下，以測(cè)試不同圍壓作用下滲透性的變化。

圖2 試驗(yàn)示意圖

根據(jù)達(dá)西定律，滲透試驗(yàn)所測(cè)定的滲透系數(shù)可通過(guò)下式計(jì)算:

其中，γw為水的重度;Q 為一定時(shí)間內(nèi)通過(guò)土體的流量;A=π(D/2)2為試樣的面積;D 為試樣的直徑;H 為試樣的高度;q=Q/t 為水的流速。

根據(jù)上述的固結(jié)滲透示意圖及計(jì)算公式，將實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并分析在表2 中。隨著固結(jié)壓力的不同，滲透系數(shù)整體呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，然而，由于原土樣所處深度和地理位置的不同，滲透系數(shù)變化的趨勢(shì)也呈現(xiàn)不同的趨勢(shì)，圖3 總結(jié)了各土樣在不同圍壓作用下，滲透系數(shù)的變化。

滲透系數(shù)測(cè)試結(jié)果(10－7cm/s) 表2

圖3 三軸固結(jié)滲透試驗(yàn)結(jié)果曲線(xiàn)圖

4 結(jié)論與建議

從圖中可以總結(jié)出不同圍壓作用下土樣滲透系數(shù)的特點(diǎn):

(1)南沙區(qū)土樣滲透系數(shù)的值在0.433～14.235×10－7cm/s 之間，并且隨著固結(jié)壓力(有效應(yīng)力)的增加其滲透性在減小，這反映了土樣滲透性的非線(xiàn)性特征。且當(dāng)有效應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)，滲透性減小趨于平緩。

(2)ZK3 土樣的滲透系數(shù)較高，在0.517～14.235×10－7cm/s 之間，其隨著圍壓變化的比較明顯。而ZK2 土樣的滲透系數(shù)較低，在0.433～2.75×10－7cm/s之間。分析其原因，通過(guò)查閱資料和場(chǎng)地類(lèi)型發(fā)現(xiàn):ZK3 取樣在未經(jīng)施工的原始蕉田里，而ZK2 取樣在已經(jīng)建設(shè)完成的小區(qū)里，有堆填土覆蓋。這與加壓后軟土滲透系數(shù)減小的結(jié)論相吻合。

(3)在圖3 中，大部分土樣的滲透性呈現(xiàn)線(xiàn)性遞減的關(guān)系，部分土樣的滲透系數(shù)呈現(xiàn)雙曲線(xiàn)型和S 型遞減的關(guān)系，不同的趨勢(shì)關(guān)系不僅與原狀土樣的所處位置有關(guān)，也與土樣所處的深度有關(guān)。

雖然土體的蠕變現(xiàn)象在室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)都曾監(jiān)測(cè)到，由于蠕變模型的復(fù)雜及相應(yīng)研究的不成熟，在國(guó)內(nèi)相應(yīng)的沉降分析中，常常忽略掉蠕變沉降。為準(zhǔn)確計(jì)算地面沉降，采用三軸剪切儀進(jìn)行軟土的固結(jié)滲透聯(lián)合測(cè)試試驗(yàn)，擬通過(guò)一系列試驗(yàn)測(cè)定某花園現(xiàn)場(chǎng)土樣的壓縮性指標(biāo)及滲透性指標(biāo)，獲得土體的固結(jié)性狀，為深入研究廣州市某花園軟土的特性提供基本參數(shù)并將滲透系數(shù)應(yīng)用到EVP 模型沉降分析中，可以預(yù)測(cè)未來(lái)幾十年某花園的沉降量。

［1］黎志輝，陳曉平，周秋娟．飽和軟黏土滲透特性及對(duì)一維大變形固結(jié)影響［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28(2):3747～3752．

［2］孔令榮．不同固結(jié)壓力軟黏土的孔隙分布與滲透系數(shù)研究［J］．地下空間與工程學(xué)報(bào)，2011．12，7(2):1665～1682．

［3］苗明臣．固結(jié)對(duì)填土地基滲透系數(shù)影響的試驗(yàn)研究［J］．遼寧科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2010．12．15．13(1):40～55．

［4］付宏淵，吳勝軍，王桂堯．荷載作用引起砂土滲透性變化的試驗(yàn)研究［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009．12，30(12):3678～3681．

［5］顧中華，高廣遠(yuǎn)，王結(jié)虎．結(jié)構(gòu)性對(duì)上海軟土滲透系數(shù)影響的試驗(yàn)研究［J］．礦探工程(巖土鉆掘工程)，2004．5．

［6］孫德安，許志良．結(jié)構(gòu)性軟土滲透特性研究［J］．水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2012．39．

［7］李又云，劉保健，謝永利．軟土結(jié)構(gòu)性對(duì)滲透及固結(jié)沉降的影響［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25(2):3588～3592．

［8］曾玲玲，洪振舜，陳福全．壓縮過(guò)程中重塑黏土滲透系數(shù)的變化規(guī)律［J］．巖土力學(xué)，2012，33(5):1287～1292．

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［11］董志良，陳平山，莫海鴻等．真空預(yù)壓下軟土滲透系數(shù)對(duì)固結(jié)的影響［J］．巖土力學(xué)，2010，31(5)．