地下水?dāng)_動(dòng)作用下地基土體滲透破壞試驗(yàn)研究

陳國慶，李天斌，賀宇航，周治剛，韋 璐

（1.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059；2.江蘇省水利工程科技咨詢有限公司，南京 210003）

近年來，在中國西南各地不斷出現(xiàn)“天坑”地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了人們正常的生產(chǎn)生活，以及道路交通安全秩序。因此，“天坑”地表塌陷問題的形成原因備受關(guān)注［1］。地表塌陷類型主要分為2種：構(gòu)造性塌陷［2－3］、外界動(dòng)力作 用［4－5］和土體工程性塌陷［6－8］。構(gòu)造性塌陷主要為下覆碳酸鹽巖層遭地下水侵蝕后形成隱伏洞穴，進(jìn)而導(dǎo)致上覆土體缺乏有效承載力使地表塌陷。土體工程性塌陷主要從土力學(xué)角度出發(fā)，強(qiáng)調(diào)土體本身結(jié)構(gòu)特性和地下水位變動(dòng)導(dǎo)致的地表塌陷。

在眾多地表塌陷原因中，地下水?dāng)_動(dòng)是影響地基土體穩(wěn)定性的重要因素［9－15］。如萬志清［11］認(rèn)為超靜孔隙水壓力或真空吸力使土的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。隋旺華［12］在突砂模型試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，一旦抽冒或形成水砂突涌后，含水層內(nèi)孔隙水壓力表現(xiàn)為劇烈下降并形成瞬時(shí)負(fù)壓。謝忠球［13］研究了人工抽水引起的巖溶地面塌陷機(jī)理，認(rèn)為剝落力大于土體抗拉強(qiáng)度是土洞的擴(kuò)展條件。覃羨安［14］認(rèn)為大氣降水滲入土層后產(chǎn)生超靜孔隙水壓力和動(dòng)水壓力，使得土洞形成和擴(kuò)大。

上述研究較好地解釋了地下水對土體塌陷的影響，但關(guān)于地下水?dāng)_動(dòng)對土體變形破壞的物理模型試驗(yàn)仍較少。為更好地研究地下水?dāng)_動(dòng)對地基土體的變形破壞機(jī)制，對四川大邑新場與崇州懷遠(yuǎn)2處“天坑”進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)研和取樣，在自主設(shè)計(jì)的滲透試驗(yàn)裝置上進(jìn)行了地下水?dāng)_動(dòng)滲透破壞試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，在地下水循環(huán)擾動(dòng)作用下土體產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變化與級配改變，從而引起地基土體的塌陷，試驗(yàn)揭示了該地區(qū)“天坑”災(zāi)害的形成原因。

1 土樣物理化學(xué)性質(zhì)

1.1 土樣物理性質(zhì)

土樣取自大邑新場（1號土樣）和崇州懷遠(yuǎn)（2號土樣）“天坑”處，現(xiàn)場和室內(nèi)試驗(yàn)獲得的土樣物理性質(zhì)見表1和表2。從表1中可以得出，2組土樣的平均比重分別為2.60、2.61，液限分別為48.3%、47.2%，塑限分別為28.2%、22.8%，塑性指標(biāo)分別為20.1、24.4；表2為土樣粒徑成分，2組土樣均以粉粒為主，含量分別為65.4%、58.2%，均為低塑性無機(jī)黏性土，兩組土樣的物理性質(zhì)相近。

表1 試驗(yàn)土樣物理性質(zhì)指標(biāo)

表2 試驗(yàn)土樣粒徑成分 （%）

土樣的級配曲線如圖1所示，由圖1可以看出，兩地土樣的顆粒級配曲線線型非常相近，細(xì)顆粒比重較大，粒徑小于0.01的細(xì)顆粒含量達(dá)到40%左右。

圖1 土樣級配曲線

根據(jù)以上分析可以得出：兩處“天坑”土樣的物理性質(zhì)相近，顆粒組成也相類似，表明“天坑”形成與土體本身的工程物理性質(zhì)有較大聯(lián)系。

1.2 土樣化學(xué)性質(zhì)

通過礦物X射線粉晶衍射分析獲得土樣化學(xué)性質(zhì)，見表3和表4。

表3 試驗(yàn)土樣粘土礦物物質(zhì)組成 （%）

表4 試驗(yàn)土樣非粘土礦物物質(zhì)組成 （%）

從表3和表4中可以看到2種土樣的黏土礦物均為綠泥石，其含量分別占19.4%和18.8%，其次含有少量伊利石；非黏土礦物主要含有石英，含量分別為56.8%和45.0%，其次含有少量長石及閃石。土樣化學(xué)組成中碳酸鹽含量較少，故，排除由碳酸鹽溶洞導(dǎo)致上覆土體缺乏承載力而形成地表塌陷的可能性。

2 地下水?dāng)_動(dòng)滲透實(shí)驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為揭示地下水?dāng)_動(dòng)形成地基塌陷的原因，自行設(shè)計(jì)了變壓型常水頭滲透試驗(yàn)裝置。裝置由2部分組成：土體滲透裝置（如圖2）和自動(dòng)抽壓裝置（如圖3）。土體滲透裝置主要由滲透筒、溢水孔、出水孔、止水夾、兩個(gè)水頭管、金屬隔板、以及加壓管道組成。滲透筒材料選用有機(jī)玻璃，其透明特性可直觀地觀察試驗(yàn)現(xiàn)象。滲透筒半徑r＝15cm，高h(yuǎn)＝25cm，滲透筒下層鋪筑10cm厚的卵礫石層，上層土樣高度為10cm，土樣與卵礫石層間加金屬隔板作為濾層。

自動(dòng)抽壓裝置主要由抽壓水槽、金屬框架、兩個(gè)水箱、微型抽水泵、出水管、進(jìn)水管以及電子壓力開關(guān)組成。下部水箱通過微型抽水泵將水抽入上部水箱，上部水箱通過電子壓力開關(guān)感應(yīng)水壓力的變化，控制水的回流。

由于土樣采集時(shí)受到了較大擾動(dòng)，其整體結(jié)構(gòu)遭到了一定程度的破壞，裝入滲透筒時(shí)會(huì)產(chǎn)生較多空隙，為恢復(fù)土樣結(jié)構(gòu)的完整性，試驗(yàn)前對土樣進(jìn)行了固結(jié)排水壓實(shí)。

圖2 滲透裝置及土樣布置

圖3 自動(dòng)抽壓裝置

2.2 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為30d，分3階段進(jìn)行，每階段10d，分別采用不同的抽壓周期，前10d和最后10d周期為1min／次，中間10d周期為0.5min／次。抽壓試驗(yàn)步驟為：

1）活塞對抽壓水槽進(jìn)行擠壓，使礫石層內(nèi)充滿水，但不漫過金屬隔板；

2）勻速加水至金屬架內(nèi)的水箱，使框架下沉對活塞加壓，使?jié)B透裝置里礫石層中的水進(jìn)入上覆土樣并對其進(jìn)行擠壓；

3）打開微型抽水泵，調(diào)整其單位時(shí)間抽水量（用于調(diào)整抽壓周期），將水從金屬架內(nèi)水箱抽至上水箱，活塞向上提拉，對抽壓水槽和礫石層中的水形成負(fù)壓，土體內(nèi)水位下降；

4）隨著上水箱水量不斷增大，電子壓力開關(guān)自動(dòng)打開，上水箱中的水又通過出水管回流至金屬架內(nèi)的水箱；

5）重復(fù)步驟2），實(shí)現(xiàn)水壓力的正負(fù)循環(huán)，模擬地下水循環(huán)擾動(dòng)對上覆土層的影響。

試驗(yàn)結(jié)束后，取出試驗(yàn)土樣，按上中下均勻分為A、B、C 3層（如圖2所示），在各層土體中取土樣進(jìn)行顆粒級配試驗(yàn)，對3層土樣的顆粒級配曲線進(jìn)行對比分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 土體孔隙水壓力分析

為分析孔隙水壓力與地下水?dāng)_動(dòng)之間的關(guān)系，在地下水?dāng)_動(dòng)抽壓實(shí)驗(yàn)過程中，對土體孔隙水壓力進(jìn)行了分析（如圖4）。

圖4 水頭變化規(guī)律

圖4中，每隔5s時(shí)間記錄水頭高度，兩水頭管差值代表的水壓力P為縱坐標(biāo)：

式中：Pc為水頭管代表的實(shí)時(shí)水壓力；Pz為土體未擾動(dòng)前水頭管代表的自重壓力。

當(dāng)?shù)叵滤幌陆递^劇烈時(shí)，土體還將產(chǎn)生較大的超靜孔隙水壓力，超靜孔隙水壓力并呈上升趨勢［11］。從圖4可以看出，隨著地下水位的快速下降，P值呈正負(fù)周期變化，地下水水面與上覆蓋層之間會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓，對上覆蓋層土顆粒產(chǎn)生較大吸力。

圖5為水頭差變化與試驗(yàn)時(shí)間的對應(yīng)關(guān)系，由圖5可得，隨著地下水?dāng)_動(dòng)次數(shù)增加，兩水頭管之間的水頭差逐漸變小，表明土體在地下水循環(huán)擾動(dòng)作用下，超靜孔隙水壓力和負(fù)壓吸蝕作用引起土體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，土體中微小裂隙不斷擴(kuò)展貫通，造成土體產(chǎn)生滲透變形破壞。

圖5 水頭差與試驗(yàn)進(jìn)行天數(shù)的關(guān)系

圖6為抽壓周期與水頭變化關(guān)系，在不同的抽壓周期T作用下，水頭差變化幅度各不相同，當(dāng)抽壓周期大，即地下水位波動(dòng)頻率較慢時(shí)，水頭差下降幅度較為緩慢；當(dāng)抽壓周期小時(shí)，即地下水位波動(dòng)頻率較快時(shí)，水頭差下降幅度較快。因此地下水波動(dòng)頻率對土體變形破壞有較大影響。

圖6 水頭差變化快慢與抽壓周期大小的關(guān)系

3.2 土樣級配分析

試驗(yàn)結(jié)束后，對不同高度土層的顆粒進(jìn)行了級配分析，采集的土樣位置見圖2中的A、B、C 3點(diǎn)，級配曲線分析如圖7所示。

圖7 土層高度與級配變化關(guān)系

從圖7可以發(fā)現(xiàn)，土層位置越低，土體中的細(xì)顆粒（粒徑0.001～0.01）的含量越少。表明在地下水循環(huán)對土體的擾動(dòng)過程中，孔隙水壓力和負(fù)壓帶走了土體中大量的細(xì)顆粒，土體中微小裂隙不斷擴(kuò)展貫通，最終導(dǎo)致了土體的結(jié)構(gòu)整體性遭到破壞。

圖8為C點(diǎn)土樣試驗(yàn)前后的級配曲線對比，從圖8可以分析，土樣在受擾動(dòng)之后的級配曲線細(xì)顆粒部分下移，地下水?dāng)_動(dòng)使土的細(xì)顆粒產(chǎn)生遷移，土體中細(xì)顆粒含量明顯減少，圖中曲線陡增表明細(xì)顆粒缺失，使土體微小裂隙不斷擴(kuò)大，并最終導(dǎo)致土體的結(jié)構(gòu)性貫通破壞。試驗(yàn)進(jìn)一步證明了土體顆粒的級配變化與地下水?dāng)_動(dòng)密切相關(guān)。

圖8 試驗(yàn)前后C點(diǎn)土樣級配對比

4 “天坑”災(zāi)害防治建議

“天坑”成為近年來多發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，不僅給當(dāng)?shù)厝嗣褙?cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失，更引起當(dāng)?shù)厣鐣?huì)恐慌，因此需要對“天坑”災(zāi)害進(jìn)行預(yù)防和治理。以下是“天坑”災(zāi)害的一些具體防治措施建議：

1）避免地下水的過渡開采。城鎮(zhèn)和企業(yè)集中開發(fā)的地下水水源地，盡可能遠(yuǎn)離城區(qū)和重點(diǎn)工程設(shè)施。實(shí)時(shí)進(jìn)行地下水監(jiān)測，控制地下水開采強(qiáng)度，防止地下水水位的突然下降和反復(fù)升降造成地表塌陷。

2）城市地表塌陷災(zāi)害，需進(jìn)行鉆孔灌漿、旋噴加固、回填混凝土、增設(shè)土工膜等方式進(jìn)行治理。將水泥、碎料和速凝劑等灌注材料通過鉆孔進(jìn)行注漿，強(qiáng)化土層或洞穴充填物，并加固建筑物地基。對重要建筑物需將坑底與基巖面的通道堵塞，采用回填混凝土進(jìn)行加固處理。

3）遠(yuǎn)離建筑物的地表塌陷災(zāi)害，采用清除填堵法、強(qiáng)夯法等方式進(jìn)行治理。清除松土，填入塊石、碎石形成反濾層，以防止地下水?dāng)_動(dòng)將細(xì)顆粒土帶走，上覆回填粘土并利用強(qiáng)夯法夯實(shí)回填地基。

4）加強(qiáng)地表水的疏、排、圍、改治理。在治理塌陷地基階段，不能忽視對地表水的治理，應(yīng)在預(yù)防措施基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善。如設(shè)置完善的場地排水系統(tǒng)，進(jìn)行地表河流的疏導(dǎo)或改道，填補(bǔ)河床漏水點(diǎn)或落水洞，調(diào)整抽水井孔布局和井距等處理措施。

5 結(jié) 論

1）當(dāng)?shù)叵滤豢焖傧陆禃r(shí)，土體顆粒會(huì)受到超靜孔隙水壓力和負(fù)壓作用，細(xì)小土顆粒被逐漸帶走，進(jìn)一步造成土塊體的剝落，使得土體中微裂隙逐漸擴(kuò)展。

2）當(dāng)?shù)叵滤徊▌?dòng)頻率越快，水頭差下降程度越快。表明地下水波動(dòng)頻率對土體變形破壞有較大的影響。

3）試驗(yàn)初步揭示了近年來發(fā)生的地基“天坑”的形成機(jī)制，地下水?dāng)_動(dòng)作用是地表塌陷的重要原因。地下水?dāng)_動(dòng)導(dǎo)致土體級配結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，土體的整體結(jié)構(gòu)遭到破壞。

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