砂紋淤泥質土在不同試驗方法下的滲透特性相關研究

2018-04-11 09:09:00黃鳳娟

四川建筑 2018年5期

李懿，黃鳳娟，楊柏

(1.廣州市設計院，廣東廣州 510620； 2.西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

近年來，隨著國家大力發展洞庭湖生態經濟區，該地區會遇到諸如高速公路、鐵路、深基坑、市政工程等大量軟土地基問題。南縣-益陽高速公路北段位于洞庭湖淤積平原的核心區，南段跨過南洞庭湖后向臺地展布，在其初步設計勘察階段，發現了洞庭湖特有的軟土類型，即砂紋淤泥質土，該類土夾有微薄層狀粉細砂并呈“千層糕”狀，每層粉細砂厚度大約1～2 mm(圖1)；究其原因是洞庭湖所處地理位置比較特殊，歷史上長期受到地殼升降、氣候、流水、泥沙淤積等條件影響，形成了淤泥質土中夾有微薄層粉細砂，而其存在必將對砂紋淤泥質土的滲透特性產生較大影響。

圖1 砂紋淤泥質土

土體物理力學指標包括孔隙比、含水率、密度、比重、液限、塑限、塑性指數、液性指數、滲透系數、固結系數、粘聚力和內摩擦角等，并且各物理力學指標間存在一定的相關性。李鏡培等[1]、劉春等[2]和李小勇等[3]通過收集物理力學指標的數據，研究了軟土土性指標的相關距離性狀以及其分布特點；陳曉平等[4]收集了珠江三角洲地區近千個試樣的結果，分析了軟土參數的非線性特征；張榮堂等[5]基于近海軟土的工程特性，建立了統一測定土性指標的方法；尹利華等[6]通過不同試驗方法得到了天津軟土的物理力學指標，并建立了各指標間的相互關系以及概率分布模型；邵艷等[7]通過Matlab對合肥濱湖新區軟土的各物理力學指標之間的相關性進行了分析。

以上文獻主要研究內容是土體各物理力學指標間的相關性，但是不同試驗方法間同一物理力學指標的相關性涉及較少。因此，本文擬通過孔壓靜力觸探、室內滲透試驗和現場注水試驗等試驗手段研究確定洞庭湖砂紋淤泥質土的滲透特性的相關性，為該區域地基處理方案選擇提供依據。

1 試驗方法

目前滲透系數的測定方法一般分為兩種，一種是通過室內滲透試驗確定，該方法的優點在于可較好地在定義邊界條件，但試樣易受擾動且應力釋放嚴重，試樣尺寸小導致土體的非均質性無法完全體現；另一種方法是現場原位測試，可以較真實的反映土體的宏微觀結構，但試驗時邊界條件又不太好控制。因此，本文針對洞庭湖砂紋淤泥質土的滲透特性，分別對其進行室內滲透試驗、孔壓靜力觸探和現場注水試驗，研究不同試驗方法間滲透系數的相關性。

1.1 試驗對象

本次試驗為了研究砂紋淤泥質土的滲透特性，現將其基本的物理力學性質列于表1。

表1 砂紋淤泥質土物理力學性質

1.2 試驗方案

1.2.1 現場鉆孔降水頭注水試驗

由于砂紋淤泥質土位于洞庭湖地下水位以下且滲透系數較小，因此采用鉆孔降水頭注水試驗(圖2)，其主要設備是秒表、栓塞、水泵和電測水位計(圖3)。采用式(1)計算試驗土層的滲透系數：

(1)

式中：H1為在時間t1時的試驗水頭(cm)；H2為在時間t2時的試驗水頭(cm)；r為套管內徑(cm)；A為形狀系數(cm)。

圖2 鉆孔降水頭注水試驗

圖3 電測水位計

1.2.2 孔壓靜力觸探和室內滲透試驗

在孔壓靜力觸探(圖4)貫入停止時，探頭可以量測到超孔隙水壓力的消散過程，通過分析超孔隙水壓力隨時間的變化規律，估算砂紋淤泥質土的滲透特性。根據孔壓靜力觸探試驗結果，采用經驗公式計算砂紋淤泥質土的水平滲透系數kH：

kH=(251t50)-1.25

(2)

式中：kH為孔壓靜力觸探測定的水平滲透系數(cm/s)；t50為土樣固結度達50 %所需時間(s)。

室內滲透試驗(圖5)采用的是變水頭試驗滲透系數計算公式：

(3)

(4)

式中：kT為水溫T ℃時，試樣的滲透系數(cm/s)；a為變水頭管截面積(cm2)；L為滲徑，等于試樣高度(cm)；h1為開始時水頭(cm)；h2為終止時水頭(cm)；A為試樣斷面積(cm2)；t為時間(s)；2.3為ln與lg的換算系數；ηT為T ℃時，水的動力粘滯系數(kPa·s(10-6))；η20為20 ℃ 時，水的動力粘滯系數(kPa·s(10-6))。

其中，比值ηT/η20與溫度的關系，查表即可得。在測得的結果中取3～4個允許差值范圍以內的數值，求其平均值作為試樣在該孔隙比e時的滲透系數。

圖4 孔壓靜力觸探試驗

圖5 室內滲透試驗

2 試驗結果分析

從表2中可以看出，現場注水試驗得到的滲透系數最大，數量級集中于10-3～10-4cm/s之間，平均值為1.618×10-3cm/s；孔壓靜力觸探測定的kH值變化較大，從7.85×10-7cm/s～2.699×10-5cm/s，相差了兩個數量級，其平均值為9.908×10-6cm/s，可能是由于采用了經驗公式進行計算，造成了計算結果產生較大偏差。通過室內滲透試驗分別得到了垂直向滲透系數和水平滲透系數，垂直向滲透系數相對偏小，僅為3.352×10-7cm/s，而水平滲透系數的結果與孔壓靜力觸探相近，平均值為1.213×10-5cm/s，但其變化沒有孔壓靜力觸探結果離散。這是因為室內試驗較好地定義了邊界條件，使計算結果更加平均，并且由于砂紋淤泥質土垂直向和水平向主要為淤泥質土和粉細砂，直接導致了kV和kH之間的差異。

通過對三種試驗方法所求得的滲透系數進行相關性分析，統計分析的結果見圖6，孔壓靜力觸探、室內水平向和垂直向滲透試驗與現場注水試驗的回歸方程分別為kH孔壓=30.795+0.004k，kH=85.553+0.002k和kV=2.356+0.000 06k，R2=0.887 77、0.954 58、0.269 25；室內水平向和垂直向滲透試驗與孔壓靜力觸探的回歸方程分別為kH=75.552+0.492k孔壓和kV=1.629+0.017kH孔壓，R2=0.929 15、0.519 04；室內滲透試驗kV和kH之間的回歸方程為kV=-0.239+0.029 61kH，R2=0.345 17。從分析結果可知，大部分參數之間擬合程度較高，但室內試驗得到的kH值與現場注水試驗和孔壓靜力觸探求取的滲透系數擬合程度并不高，在使用時應增加更多數據對公式進行補充和完善，以期達到通過室內滲透試驗即可得到原位土體的滲透系數。