排灌水引起砂土層沉降的宏細(xì)觀試驗分析

李玉岐，張嘯地，翁天泉，胡再樂

（上海大學(xué)土木工程系，上海 200072）

排灌水引起砂土層沉降的宏細(xì)觀試驗分析

李玉岐，張嘯地，翁天泉，胡再樂

（上海大學(xué)土木工程系，上海 200072）

利用自行設(shè)計的砂土排灌水試驗裝置，分析地下水排灌引起的砂樣宏觀豎向變形及細(xì)觀移動.通過試驗測量了反復(fù)排水和回灌時砂樣的豎向變形，采集了局部土顆粒圖片并采用GeoDIP（geotechnical digital image processing）軟件對顆粒位移及定向性進(jìn)行了分析.結(jié)果表明：在砂樣排灌水的初期階段，砂樣的結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯重組，砂樣沉降不僅發(fā)生在排水時，而且回灌時砂樣沉降繼續(xù)增加，砂樣產(chǎn)生了較大的、不可恢復(fù)的塑性和黏性變形；砂樣結(jié)構(gòu)達(dá)到相對穩(wěn)定后，排水時產(chǎn)生的豎向變形變小，而回灌時砂樣發(fā)生較大的回彈；土顆粒的長軸方向在第一次排水時轉(zhuǎn)動不大，在第三次排水時轉(zhuǎn)動較大，而在第六次排水時轉(zhuǎn)動又變得不明顯.試驗結(jié)果可為控制地面沉降提供參考.

宏細(xì)觀試驗；沉降；回彈；排水；回灌

地面沉降及其所引起的次生災(zāi)害已引起學(xué)術(shù)界的普遍關(guān)注.實踐表明，通過調(diào)整開挖層次、分散地面荷載以及地下水回灌等措施對地面沉降進(jìn)行治理，已取得了不錯的效果.目前的研究工作主要偏重于基坑開挖引起的地面沉降［1-4］以及軟土地基沉降［5-7］.對于承壓含水砂層地基的沉降問題也取得了一些研究成果［8-10］，但大多是基于長期的監(jiān)測結(jié)果.Avil′es等［11］采用經(jīng)驗方法研究了墨西哥城在地震期間地下水抽取對地面沉降的影響；Tomas等［12］則基于合成孔徑雷達(dá)技術(shù)獲得的沉降數(shù)據(jù)對西班牙的Orihuela地面沉降進(jìn)行了研究.基坑開挖引起的地面沉降和軟土地基沉降的研究相對較多且較成熟，而通過長期監(jiān)測研究地面沉降則需要大量的人力和財力.因此本工作以地下水滲流引起砂土層豎向變形為切入點，通過室內(nèi)模型試驗，分析砂土沉降的變形規(guī)律，研究其宏觀變形特征，并通過體視顯微鏡采集圖片，分析地下水反復(fù)抽取和回灌引起土顆粒的細(xì)觀移動規(guī)律.通過研究砂樣的宏細(xì)觀變形，進(jìn)一步認(rèn)識地面沉降的特征，所得結(jié)果能夠?qū)Φ孛娉两档闹卫砉ぷ魈峁┮欢ǖ膮⒖純r值.

1　試驗

1.1試驗裝置

試驗裝置包括模型箱、數(shù)據(jù)采集裝置以及局部土顆粒位移圖片采集裝置等.

模型箱的幾何尺寸L（長）×B（寬）×H（高）為1 000 mm×600 mm×892 mm（見圖1）.模型箱前后兩面采用玻璃面板制成，以便觀測砂樣的豎向變形，其他各面為鋼板材料.在模型箱內(nèi)部的入水口和出水口放置鐵絲網(wǎng)，防止排水時把砂顆粒排出，并在鐵絲網(wǎng)前鋪設(shè)一層30～50 mm粒徑的鵝卵石緩沖層，防止水流直沖破壞砂樣.排水試驗將模型箱中的水從一側(cè)水管中排出，回灌試驗則通過水泵將水從模型箱另一側(cè)水管泵入箱體.

數(shù)據(jù)采集的內(nèi)容主要是排水及回灌試驗過程中土體的豎向變形和水位高度，通過貼在模型箱正面玻璃面板上的直尺來測量數(shù)據(jù).這里為了降低肉眼直接讀數(shù)的誤差，采用照相機(jī)平視照相，然后放大照片進(jìn)行讀數(shù)的方法.

局部土顆粒位移圖片的采集裝置由CCD體視顯微鏡（在模型箱背面）、碘鎢燈光源和記錄計算機(jī)等構(gòu)成.在試驗過程中，體視顯微鏡的位置不能移動，而圖片采集通過CCD連續(xù)自動拍攝圖片并自動存儲在記錄計算機(jī)內(nèi)來實現(xiàn).

圖1　試驗裝置Fig.1 Test equipment

1.2試驗用砂

試驗用砂樣為福建平潭標(biāo)準(zhǔn)砂，其物理性質(zhì)指標(biāo)如下：顆粒直徑小于0.25 mm的占6%，0.25～0.40 mm的占51%±5%，0.45～0.65 mm的占40%±5%，大于0.65 mm的占3%；最大干密度與最小干密度分別為；顆粒比重為Gs=2.643；最大與最小孔隙比分別為；粒徑組成特征參數(shù)為Cc=1.104.

1.3試驗步驟

本試驗中砂樣的制備采用落雨法，分別根據(jù)不同的置樣方法制備松砂、中密砂和密砂試樣，并以中密砂試樣的制備及試驗結(jié)果為例進(jìn)行分析.

（1）制備砂樣.采用落距為40 cm的方法制備，所得砂樣的孔隙比為0.731，相對密實度為0.356，密度為1 527 kg/m3.在砂樣配置完成后，靜置12 h使砂樣內(nèi)部不平衡力基本消除，再進(jìn)行試樣飽和.將水從模型箱右側(cè)的入水口（見圖1）緩慢泵入箱體中，使砂樣中的氣體充分排出，待砂樣全部浸在水中后，靜置24 h使砂樣完全飽和.同時，調(diào)整顯微鏡的位置，使其可以獲得比較清晰的圖片，然后進(jìn)行自動拍攝.

（2）排水試驗.在排水試驗的過程中，土體的豎向變形和水位高度通過貼在模型箱玻璃面板上的直尺來測量.當(dāng)水位高度下降到約200 mm時停止排水，并靜置24 h，使水位和砂樣沉降達(dá)到穩(wěn)定.

（3）回灌試驗.通過模型箱左側(cè)的閥門向模型箱內(nèi)緩慢灌水，待水位高度稍超過砂樣高度后停止，靜置24 h，使水位和砂樣沉降達(dá)到穩(wěn)定.

重復(fù)進(jìn)行6次排水試驗和5次回灌試驗.

2　反復(fù)排灌水條件下砂樣的宏觀變形特征

2.1砂樣豎向變形隨水位的變化規(guī)律

試驗過程中水位高度變化及砂樣豎向變形結(jié)果如下：試驗開始時飽和砂樣高度為714.0 mm，第一次排水后水位高度下降為170.0 mm，沉降量為0.4 mm；第一次回灌后水位高度為714.0 mm，沉降增加了0.7 mm，總的沉降量為1.1 mm；第二次排水后水位高度為160.0 mm，沉降增加了0.6 mm，總的沉降量為1.7 mm；第二次回灌后水位高度為714.0 mm，沉降增加了0.8 mm，總的沉降量為2.5 mm；第三次排水后水位高度為180.0 mm，沉降增加了0.5 mm，總的沉降量為3.0 mm；第三次回灌后水位高度為710.0 mm，沉降減少了0.3 mm，總的沉降量為2.7 mm；第四次排水后水位高度為170.0 mm，沉降增加了0.8 mm，總的沉降量為3.5 mm；第四次回灌后水位高度為711.3 mm，沉降減少了0.4 mm，總的沉降量為3.1 mm；第五次排水后水位高度為280.0 mm，沉降增加了0.5 mm，總的沉降量為3.6 mm；第五次回灌后水位高度為712.0 mm，沉降減少了0.5 mm，總的沉降量為3.1 mm；第六次排水后水位高度為170.0 mm，沉降增加了1.0 mm，總的沉降量為4.1 mm.

圖2為砂樣在排灌水反復(fù)作用下的水位變化及豎向變形，其中沉降用正的豎向變形來表示.在正常情況下，排水時砂樣的有效應(yīng)力增大，沉降增加；回灌時有效應(yīng)力減小，沉降減少（產(chǎn)生回彈）.但從圖2可以看出，在第二次和第三次回灌時，盡管砂樣的有效應(yīng)力減小，但在試驗過程中試樣的沉降卻是繼續(xù)增加的.這說明在排水時，砂樣的結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大的重組，不僅產(chǎn)生了彈性變形和塑性變形（使得砂樣即使在進(jìn)行回灌時發(fā)生了回彈變形，也不足以使豎向變形恢復(fù)為0），還產(chǎn)生了蠕變變形.因為蠕變變形量遠(yuǎn)大于回灌時產(chǎn)生的回彈變形量，所以在進(jìn)行回灌時砂樣的豎向沉降量進(jìn)一步增大.這一現(xiàn)象與已有的研究成果［9］一致，進(jìn)一步表明了砂土為黏彈塑性材料.因此，傳統(tǒng)的認(rèn)為砂土的蠕變變形不大的觀點值得進(jìn)一步推究.

在經(jīng)歷了較大的塑性和黏性變形后，砂樣結(jié)構(gòu)達(dá)到了相對的穩(wěn)定，排水引起的沉降變形量相對減小，回彈變形量相對增大，蠕變變形較第二次和第三次排水和回灌時要小.以第四次排水和第四次回灌為例，砂樣排水產(chǎn)生的沉降量為0.8 mm，總沉降量為3.5 mm，而回彈量為0.4 mm.

圖2　水位變化與砂土試樣的豎向變形Fig.2 Variations of water level and vertical deformation of sand sample

掌握試驗中砂樣的變形特點，可以為地面沉降問題的治理工作提供幫助.當(dāng)前，進(jìn)行城市地面沉降治理時，除了采取減少地下水開采量、調(diào)整開采層次等措施外，還采取了“冬灌夏用”的措施.但對于地下水的季節(jié)性反復(fù)排水，砂樣結(jié)構(gòu)會發(fā)生明顯的重組，從而產(chǎn)生較大的黏性和塑性變形，在進(jìn)行回灌時效果并不理想.當(dāng)砂樣的結(jié)構(gòu)經(jīng)歷反復(fù)的重組達(dá)到相對穩(wěn)定后，排水產(chǎn)生的沉降量才相對減小，塑性變形和蠕變變形也顯著減小，回灌時的回彈變形量相對增大，這時采取回灌措施的效果較好.

2.2應(yīng)變隨時間的變化規(guī)律

為了進(jìn)一步了解砂土的變形特性，砂樣應(yīng)變隨時間的變化如圖3所示.由于試驗時排水和回灌速度有時會比較慢，這就造成每次排水和回灌時間不一致.從圖3中可以看出，應(yīng)變基本上隨著時間逐漸增大.但是在第一次和第二次回灌后（大約試驗開始后50 h和100 h），砂樣的應(yīng)變并沒有恢復(fù)為0，反而進(jìn)一步增大.第一次回灌后的應(yīng)變由第一次排水后的0.056%增大為0.154%，第二次回灌后的應(yīng)變則由第二次排水后的0.238%增大為0.350%.這說明試樣不僅發(fā)生了塑性變形，而且發(fā)生了蠕變變形.隨著反復(fù)排灌水次數(shù)的增加（第三次排灌水后），雖然砂樣應(yīng)變繼續(xù)增大，但增大的速率相對減小，基本上應(yīng)變呈現(xiàn)排水增大、回灌減小的趨勢.例如，第三次回灌后的應(yīng)變由第三次排水后的0.420%減小為0.378%，第五次回灌后的應(yīng)變則由第五次排水后的0.504%減小為0.434%，試驗結(jié)束時（第六次排水后）應(yīng)變最終達(dá)到0.570%.這說明經(jīng)過一段時間的反復(fù)排灌水后，砂樣結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，砂樣主要發(fā)生的是彈性變形，塑性變形較小而黏性變形不太明顯.

圖3　砂樣的應(yīng)變隨時間的變化Fig.3 Strain curve of sand sample with time

3　反復(fù)排灌水條件下砂土顆粒移動的細(xì)觀變形特征

余榮傳［13］依據(jù)數(shù)字圖像土體細(xì)觀機(jī)構(gòu)量測技術(shù)編制的GeoDIP細(xì)觀分析后處理軟件，可以根據(jù)顯微鏡采集的局部土樣照片判定砂土顆粒的定向性、平均配位數(shù)以及土體孔隙率等細(xì)觀參數(shù)的變化.本工作利用該軟件對砂樣試驗采集的局部土樣照片進(jìn)行了土顆粒的定向性分析和細(xì)觀移動規(guī)律分析.

由于砂樣試驗的周期較長，并且顯微鏡圖片在試樣含水時不太清楚，需要微調(diào)顯微鏡，所以取每次排水或每次回灌作為顯微鏡的一個觀測過程.圖4為第一次排水前后的砂土顆粒位置，其中A，B為豎向位移測量目標(biāo)，C，D，E為轉(zhuǎn)動測量目標(biāo).由圖4可以看出，在第一次排水前，A的最高點到圖片邊緣的距離為L；在排水結(jié)束后，L的大小沒有較大的變化，B略微向下移動.這說明在排水的初期，沉降量并不大.另外，C，D，E的轉(zhuǎn)動基本上不明顯.通過圖5可以看出，在排水前，砂土顆粒長軸主要分布在90?（豎向）方向附近，0?（長軸方向在第一象限接近水平）和180?（長軸方向在第二象限接近水平）方向的分布較少；在排水結(jié)束后，90?方向的分布略微減少，0?方向附近略微增加，而其他方向變化不明顯.

圖4　第一次排水前后砂土顆粒位置對比Fig.4 Comparison of sand particle position before and after the first withdrawing water

圖5　第一次排水前后砂土顆粒長軸方向演化玫瑰花圖Fig.5 Rose figures of sand particle long axis before and after the first withdrawing water

圖6和7分別為第三次和第六次排水前后的砂土顆粒位置的對比.從圖中可以看出，排水使得砂土顆粒下降.結(jié)合圖8和9的土顆粒長軸方向分布的玫瑰花圖可以看出，第三次排水前后，砂土顆粒的結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變動，砂土顆粒轉(zhuǎn)動較明顯且豎向位移量較大；在第六次排水過程中，砂土顆粒相對穩(wěn)定，豎向變形量較小，轉(zhuǎn)動也很不明顯.

圖10為第五次回灌前后的砂土顆粒位置對比.可以看出，在回灌結(jié)束后，A距離上邊緣的距離L略微減小，但是轉(zhuǎn)動并不明顯.這說明在回灌的過程中砂土顆粒出現(xiàn)了回升，但由于回灌時水流比較平穩(wěn)，并沒有引起砂土顆粒的較大轉(zhuǎn)動.

圖6　第三次排水前后砂土顆粒位置對比Fig.6 Comparison of sand particle position before and after the third withdrawing water

圖7　第六次排水前后砂土顆粒位置對比Fig.7 Comparison of sand particle position before and after the sixth withdrawing water

圖8　第三次排水前后砂土顆粒長軸方向演化玫瑰花圖Fig.8 Rose figures of sand particle long axis before and after the third withdrawing water

圖9　第六次排水前后砂土顆粒長軸方向演化玫瑰花圖Fig.9 Rose figures of sand particle long axis before and after the sixth withdrawing water

圖10　第五次回灌前后砂土顆粒位置對比Fig.10 Comparison of sand particle position before and after the fifth recharging water

4　結(jié)束語

本工作通過室內(nèi)模型試驗，分析了反復(fù)排灌水條件下砂樣的宏細(xì)觀變形特征，并得到了以下結(jié)論.

（1）砂土為黏彈塑性材料.在試驗初期階段，砂樣的黏性變形特征比較顯著，而經(jīng)過反復(fù)的排灌水使試樣結(jié)構(gòu)達(dá)到相對穩(wěn)定后，砂樣主要發(fā)生的是彈性變形，且應(yīng)變速率越來越小.

（2）根據(jù)局部砂土顆粒的位移分析結(jié)果可知：砂土顆粒在第一次排水時的豎向位移較小，長軸方向變化不大；在第三次排水時豎向位移較大，長軸方向轉(zhuǎn)動較大；而在第六次排水時豎向位移又變小，且長軸方向轉(zhuǎn)動又變得不太明顯（土體結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定）.這與宏觀的變形結(jié)論一致.

本工作對于城市地面沉降的治理具有一定的參考價值，但僅對單層的砂性土進(jìn)行了試驗研究，而具體區(qū)域的地質(zhì)條件通常是成層土，且包括多層黏性土，所以后續(xù)的工作應(yīng)進(jìn)一步結(jié)合已有的黏性土研究成果進(jìn)行綜合分析.

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本文彩色版可登陸本刊網(wǎng)站查詢：http：//www.journal.shu.edu.cn

Macro-meso test analysis of sand subsidence caused by withdrawing and recharging water

LI Yu-qi，ZHANG Xiao-di，WENG Tian-quan，HU Zai-le
（Department of Civil Engineering，Shanghai University，Shanghai 200072，China）

Using a self-designed apparatus for sand sample withdrawing and recharging water，macro vertical deformation of sand sample sand meso move of a sand particle induced by withdrawing and recharging water were analyzed.Vertical deformation of sand samples was measured in the test.Local soil particle pictures were taken and displacements and orientations of the soil particles were investigated with a geotechnical digital image processing（GeoDIP）software.Initially the sand was restructured.The sand settlement arose during withdrawing water and became larger during water recharging as a result of visco-elasto-plastic deformation of the sand sample.After the sand sample became stable，the settlement value became smaller than the initial stage during withdrawing water.The resilience value became larger than the initial stage during recharging water.Rotation of soil particles was small during the first withdrawal，became considerably large in the third withdrawal，and then became negligible during the sixth withdrawal.This work provides a reference for controlling city land subsidence.

macro-meso test；subsidence；resilience；withdrawing water；recharging water

TU 441

A

1007-2861（2015）06-0795-08

10.3969/j.issn.1007-2861.2015.02.022

2014-06-20

國家自然科學(xué)基金資助項目（50908139）；國家留學(xué)基金資助項目；上海大學(xué)優(yōu)秀青年教師科研基金資助項目

李玉岐（1977—），男，副教授，博士，研究方向為巖土工程和地質(zhì)災(zāi)害等. E-mail：liyuqi2000@shu.edu.cn