軟土在固結(jié)過程中滲透性變化的試驗研究

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

當今社會，地面沉降現(xiàn)象屢見不鮮，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)生沉降的過程與軟土的固結(jié)密切相關(guān)。軟土的固結(jié)其實是軟土孔隙水消散，有效應(yīng)力增加的過程。在孔隙水的消散過程中與軟土的滲透性密不可分。滲透系數(shù)k 是一個代表土的滲透性強弱的定量指標，也是滲流計算時必須用到的一個基本參數(shù)。不同種類的土，k 值差別很大。因此，準確的測定土的滲透系數(shù)是一項十分重要的工作。而當今大多數(shù)研究是集中在正常條件下測得的滲透系數(shù)。實際工程中軟土上往往有荷載，此時的滲透系數(shù)的取值就不能用無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］對軟黏土的滲透系數(shù)進行了研究，苗明臣［3］以某黏土為研究對象，通過改進的滲透試驗方法，量測固結(jié)發(fā)生過程中不同時間的滲透系數(shù)。付宏淵［4］通過測定砂土在加載與卸載過程下，不同壓實度(與初始孔隙比對應(yīng))土樣的滲透系數(shù)變化特點。顧中華［5］研究上海軟土結(jié)構(gòu)性對滲透系數(shù)的影響。孫德安［6］對原狀軟土和重塑軟土進行滲透特性試驗，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)及滲透試驗分析，得到土體結(jié)構(gòu)性對滲透的影響特征，并提出土體的滲透系數(shù)與孔隙比的計算公式。曾玲玲［8］研究了壓縮過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行了微觀試驗研究。葉正強［10］對黏性土的滲透規(guī)律性進行了研究。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算。還有很多研究者對土的滲透系數(shù)做了很多研究，但很少對原狀軟土的不同壓力下的滲透系數(shù)進行研究。研究不同圍壓作用下軟土滲透系數(shù)成為一項重要的研究內(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，．本文將對這一試驗，對試驗取得的結(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

2.1 取樣與編號

此次測試的土樣選取廣州市南沙區(qū)某花園四個區(qū)域的不同深度的原狀土，相應(yīng)的測試參數(shù)可以反映不同深度的規(guī)律。所以要求在專門技術(shù)人員的指導(dǎo)下，以薄壁取土器在淤泥土層中取樣，采用少錘重擊法，先把取樣器放入孔底，做好標記，用標貫錘重擊，貫入1.0 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。

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。試驗測試將土樣根據(jù)取樣區(qū)域和不同深度進行相應(yīng)的編號，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 試驗制樣與安裝

試驗采用三軸固結(jié)滲透剪切儀，如圖1 所示。

圖1 試驗儀器

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，確保整個過程的密封性與固定性，并盡量減少對試樣的擾動。

(2)然后在三軸腔內(nèi)充滿水，然后打開底座，頂部孔壓和圍壓的閥門，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入土體，并將土樣中的氣體從頂部閥門排出。此過程中一般持續(xù)1 天以上，通過檢查試樣底部孔壓增量△u 來判斷試樣是否飽和，當△u 達到93%以上的反壓增量，可認為土體已經(jīng)飽和。

(3)在土體飽和后，將頂部閥門打開，讓頂部的水壓消散，兩個小時后，開始記錄通過與頂部閥門聯(lián)通的試管測量排水的體積和相應(yīng)的時間(min)，同時，也記錄底壓中水體積變化儀顯示的進水量大小和相應(yīng)時間(min)的關(guān)系。根據(jù)滲透試驗原理可以利用一定時間的滲透量測算出不同圍壓下土樣的滲透系數(shù)。測量的圍壓分別為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)合測試結(jié)果

三軸固結(jié)滲透試驗如圖2 所示。在示意圖中，當圍壓保持恒定p1 時:土樣的底部保持p2=100 kPa，頂部保持打開閥門，即p3=0 kPa。在一定時間內(nèi)，相應(yīng)的水量可以通過體積計量器和頂部排出水量的方式確定。一個固結(jié)壓力測定后，將圍壓增加到另一個恒定值，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，以測試不同圍壓作用下滲透性的變化。

圖2 試驗示意圖

根據(jù)達西定律，滲透試驗所測定的滲透系數(shù)可通過下式計算:

其中，γw為水的重度;Q 為一定時間內(nèi)通過土體的流量;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)滲透示意圖及計算公式，將實測的數(shù)據(jù)進行整理并分析在表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，然而，由于原土樣所處深度和地理位置的不同，滲透系數(shù)變化的趨勢也呈現(xiàn)不同的趨勢，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)測試結(jié)果(10－7cm/s) 表2

圖3 三軸固結(jié)滲透試驗結(jié)果曲線圖

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:

(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性特征。且當有效應(yīng)力達到一定值時，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，通過查閱資料和場地類型發(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)線性遞減的關(guān)系，部分土樣的滲透系數(shù)呈現(xiàn)雙曲線型和S 型遞減的關(guān)系，不同的趨勢關(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)試驗和現(xiàn)場監(jiān)測都曾監(jiān)測到，由于蠕變模型的復(fù)雜及相應(yīng)研究的不成熟，在國內(nèi)相應(yīng)的沉降分析中，常常忽略掉蠕變沉降。為準確計算地面沉降，采用三軸剪切儀進行軟土的固結(jié)滲透聯(lián)合測試試驗，擬通過一系列試驗測定某花園現(xiàn)場土樣的壓縮性指標及滲透性指標，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)測未來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一維大變形固結(jié)影響［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，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，2011．12，7(2):1665～1682．

［3］苗明臣．固結(jié)對填土地基滲透系數(shù)影響的試驗研究［J］．遼寧科技學(xué)院學(xué)報，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研究［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009．12，30(12):3678～3681．

［5］顧中華，高廣遠，王結(jié)虎．結(jié)構(gòu)性對上海軟土滲透系數(shù)影響的試驗研究［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)性對滲透及固結(jié)沉降的影響［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2006，25(2):3588～3592．

［8］曾玲玲，洪振舜，陳福全．壓縮過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．

［9］張明鳴，李榮玉，張劍等．淤泥土細觀滲透固結(jié)實驗研究［J］．水運工程，2011，452(4):141～144．

［10］葉正強，李愛群，楊國華等．黏性土的滲透規(guī)律性研究［J］．東南大學(xué)學(xué)報，1999，29(5):122～125．

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