天津10,m深粉質粘土釋水模型試驗研究

劉文浩，張淑朝

(天津城建大學土木工程學院 天津300384)

天津10,m深粉質粘土釋水模型試驗研究

劉文浩，張淑朝

(天津城建大學土木工程學院 天津300384)

土的給水度是基坑工程降水設計的基本參數，其精度直接影響著基坑降水量、降水井的數量和降水時間等的計算。取天津市埋深 10,m的粉質粘土為代表性土樣，經室內兩次模型槽釋水試驗，揭示了含水層釋水過程和給水度變化過程的內在機理，得出過程給水度與釋水時間存在著雙曲線的變化規律，進而推出過程給水度與釋水時間的關系式，可為今后天津市的基坑降水設計及施工提供一定的參考。

給水度 基坑降水 釋水時間 粉質粘土

飽和土在重力作用下通過自由流出方式排出水分的能力一般常稱為土的釋水性。從單位體積的飽和土中可以釋放出來的水的體積稱為土的給水度，[1]是表征土釋水性的主要指標，是地下水資源評價中最主要的參數。

為準確測定給水度值，國內外學者進行了大量實驗。劉俊民等[2]以原狀黃土為研究對象進行了室內飽水、釋水試驗，得出過程給水度與釋水時間呈雙曲線關系變化，且過程給水度隨釋水時間的延長而增大，當時間無窮大時得到的給水度才是理論上的真正給水度等結論。張蔚榛等[3]提出無論土壤的質地如何，水位下降時給水度的數值都隨水位降深的加大而增大，以及在降深相等的情況下，水位下降速度越來越大的結論。Nachabe[4]提出了水位在淺埋深情況下，排水過程中給水度隨時間和水位埋深變化的公式。Said等[5]等提出了在水位淺埋深情況下，用土壤水分探針對土壤剖面水分進行連續監測來估算積水度的方法。王玉紅等[6]通過風積砂的室內排水實驗，研究了淺層地下水給水度與水位埋深的關系，并用不同的公式計算給水度。趙延風等[7]用介質和滲透液的物理性質指標來表述給水度計算公式。劉學軍等[8]在給水度測定方法研究中用原狀土筒測法，在室內進行安裝、充水并模擬地下水位變化，進行釋水試驗。在測得不同地下水位降幅時的釋水量后，推求給水度。前期研究主要基于土壤學和水文地質學角度，很少從基坑降水的角度去考慮給水度對基坑降水的影響。

本文以天津市埋深為10,m的灰色粉質粘土為代表性土樣，開展室內模型降水試驗，模擬基坑降水土體釋水的真實狀態，得到的過程給水度和最終給水度可以為基坑降水設計和施工過程控制提供一定的參考。

1 試驗簡介

1.1 試驗裝置

為有效測出土樣過程給水度與釋水時間之間的關系，設計了試驗裝置(見圖1)，采取試驗裝置四周夾層注水的方式使土樣飽水，通過觀察側面開孔的PVC管中水位高度與模型箱周圍水體高度的關系來判定土體的飽水情況。飽水時，夾層中的水通過內夾壁的小孔滲入土層，待土層充分飽水后進行釋水。釋水過程排出模型箱的外圍水和監測管中的水，即使土層中的水在重力作用下由通水孔流出。

圖1 試驗模型裝置Fig.1 Test model

1.2 試驗過程

取天津市地鐵6號線宜賓里站10,m深灰色粉質粘土作為土樣，土樣基本物理性質見表1。

表1 土樣物理性質Tab.1 Physical properties of the soil

首先，將取回土樣風干后過 2,mm篩，均勻密實地填入實驗槽，然后將土樣進行飽水，即將水注入到裝置四周的夾層，水經通水孔滲入到土層中，當夾層與監測管中的水位達到一致后，取不同深度的土樣，采取烘干法進行測定，當不同土樣含水率誤差不超過±0.2%,[2]時，則認定土層飽水完成。然后打開測定裝置下方的水龍頭，同時使用水管在 30,s內將模型箱中的外圍水和監測管中的水全部排出，開始進行釋水試驗。試驗開始時，每隔 2,h觀察夾層和監測管中水位上升的高度，進而得出在這一時間段內土層在重力作用下排出的水的體積。隨著排水時間的延續，土層的釋水速度會逐步減緩，觀察時間的間隔也相應拉長。直至夾層中和監測管中水位高度相同，且高度不再增加時，認為釋水階段結束。

為確保最終數據的可靠性，同時采用烘干法對上述試驗進行校核，以保證數據的可靠性。為減小水分蒸發對試驗結果的影響，在試驗裝置上附一層塑料薄膜。

2 原始試驗數據整理

2.1 試驗原理

給水度 u是單位土體在重力作用下所能排出水的體積占土體體積的體積份額，其計算公式為：

式中：VW——土體所排出水的體積；A——含水層的面積；Δ——土層上表面距離水面的高度。

為校核給水度的準確性，給水度u還可與過程含水率差Δw相互驗證。過程含水率差Δw可由下式計算[9]得到：

式中：Wn——飽和土層的含水率；Wt——土層過程含水率，即某個任意時刻的含水率。

表2 釋水時間與過程給水度的關系Tab.2 Relationship between release time and process specific yield

2.2 試驗數據

將取得的試驗數據填入表2、表3中，表2為釋水時間與過程給水度的關系表，且根據式(1)算出過程給水度。

表3 為釋水時間與過程含水率之間的關系表，且根據(2)式算出過程含水率差。

表3 釋水時間與過程含水率的關系Tab.3 Relationship between release time and process moisture content

3 試驗結果分析

3.1 土層排出水量與釋水時間關系

試驗取得的排水量和釋水時間關系如圖2所示，結合表2中所得出的數據可知，單位時間內的排出水量隨著時間的增加而減小。而累計排水量隨時間不斷的累計而不斷增加，且增長幅度隨釋水時間的累計而不斷減小，26,h前增長迅速，達到總排出水量的86%,；大致68.5,h時，排出水量達到穩定值。

圖2 排水量與釋水時間的關系曲線Fig.2 Relationship curve between discharged water and release time

3.2 過程含水率與釋水時間關系

試驗取得的含水率和釋水時間關系如圖3所示，結合表3中所得出的數據和圖2可知，含水率隨著時間的增加而減小，且變化幅度隨著時間的增加而逐漸減小，26,h前降速很快，26,h后降速趨緩。

圖3 過程含水率與釋水時間的關系曲線Fig.3 Relationship curve between process moisture content and release time

3.3 過程給水度與釋水時間關系

試驗取得的過程給水度和釋水時間關系如圖 4所示，結合表 2中數據可知，給水度隨著釋水時間的不斷累積逐漸增大，26,h前增長迅速，隨后變化幅度隨時間延續趨于平緩，68.5,h時給水度不再變化，最終給水度穩定為0.013,7。這與釋水時間與排水總量、過程含水率的關系大致吻合，且由兩種方法算出的最終給水度分別為0.013,7和0.013,9，僅相差0.000,2，近似視為一致。

以上分析表明，基坑降水施工過程中，26,h內土層釋水速度較快，釋水量大，需安排較多的水泵抽水，后期隨著排水量變化可適當減少水泵數量，3,d后要隨時觀測抽水井內水位，防止抽干水后水泵空轉而損壞。

圖4 過程給水度與釋水時間的關系曲線Fig.4 Relationship curve between process specific yield content and release time

3.4 經驗公式的建立

當時間趨向于無窮大時，排出水量趨向于零，由給水度定義可知，給水度也趨向于一個穩定值。由李佩成[6]教授提出的給水度u值與釋水時間t呈雙曲線關系變化，其表達式為：

u＝t/(a＋bt)

所以，只要確定a、b值，則可得到給水度與釋水時間的關系式。

由試驗所得數據可以得出 a＝562，b＝64.8，結合本次試驗可得給水度u與釋水時間t的關系為：

由表 4可知，當時間趨向于無窮大時，給水度值u＝t/64.8,t，u＝0.015,4，與試驗最終給水度值相差0.001,7。所以最終得出的 u＝t/(562＋64.8,t)關系式能較好地反映天津市10,m深粉質粘土的給水度隨釋水時間的變化規律。

表4 由式(3)算出的給水度值與真實給水度值對比Tab.4 A comparison between the specific yield value and the real value of specific yield by formula(3)

4 結 論

①通過試驗得出，降水過程中天津市 10,m深灰色粉質粘土的過程給水度隨著時間的增加而增大，26,h前增長迅速，隨后增長幅度隨著時間的增加而逐漸減小，68.5,h時給水度不再變化，最終給水度值為0.013,7。②天津市 10,m深灰色粉質粘土給水度與釋水時間呈現雙曲線的關系，并可用關系式 u＝t/(a＋bt)表示給水度與釋水時間二者的關系。當 a＝562，b＝64.8時，關系式 u＝t/(562＋64.8,t)能較好地反映該土層的給水度與釋水時間之間的關系。③通過過程給水度，可準確計算不同時間段的基坑降水量，合理安排工期，精確控制基坑降水施工過程。④受時間限制，本文只對 10,m深粉質粘土進行了實驗研究，要想為天津市基坑降水工程提供整體參考，還需對基坑降水深度范圍內的多層土進行進一步研究。■

［1］ 鄒立芝，楊昌，兵侯杰. 關于給水度的定義[J]. 水文地質工程地質，1994(1)：31-33.

［2］ 劉俊民，楊平，陳艷霞. 黃土新含水層釋水過程和給水度試驗研究[J]. 人民黃河，2007，29(3)：18-20.

［3］ 張蔚榛，蔡美娟. 均質土壤給水度的空間試驗和數值模擬[J]. 武漢水利電力學院學報，1988(2)：1-11.

［4］ Nachabe M H. Analytical expressions for transient specific yiele and shallow water table drainage [J]. Water Resources Research，2002，38(10)：1193-1198.

［5］ Said A，Nachabe M，Ross M，et al. Methodology for estimating specific yield in shallow water environment using continuous soil moisture data [J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering，2005，131(6)：533-538.

［6］ 王玉紅，程東會，段吉波. 淺層地下水給水度與水位埋深關系的試驗研究[J]. 人民長江，2013，45(5)：60-65.

［7］ 趙延風，王正中，劉計良. 給水度測定儀設計[J]. 農業機械學報，2011，42(9)：69-72.

［8］ 劉學軍，揚維仁. 給水度測定方法研究[J]. 地下水，2003，25(4)：221-229.

［9］ 李佩成. 給水度合理取值的研究[J]. 地下水，2000(22)：21-44.

［10］ 李佩成. 黃土含水層給水度合理取值的研究[J]. 水利學報，1999(11)：38-41.

A Model Test of the Water Release of 10 m Deep Silty Clay in Tianjin

LIU Wenhao，ZHANG Shuchao
(School of Civil Engineering，Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China)

Specific yield of soil is the basic parameter for the engineering design of foundation pit precipitation. Its precision directly affects the calculation of foundation pit precipitation, precipitation well number and precipitation time etc. In this paper, silty clay in Tianjin, with a depth of 10 m was taken as a representative sample to carry out water releasing tests for two times. According to test results, internal mechanics of the water releasing process and the change of specific yield of aquifer were shown, namely, the relationship between specific yield and water releasing time is hyperbolic type. Then, the formula indicating the relationship between the two was obtained, which can be used as a reference to foundation pit dewatering design and construction in Tianjin.

specific yield；foundation pit precipitation；water release time；silty clay

TU46+3

A

1006-8945(2016)02-0039-04

大學生創新創業訓練計劃項目——天津地鐵工程減壓降水對周邊環境的影響分析(201410792025)。

2016-01-15