天津10,m深粉質(zhì)粘土釋水模型試驗(yàn)研究

劉文浩，張淑朝

(天津城建大學(xué)土木工程學(xué)院 天津300384)

天津10,m深粉質(zhì)粘土釋水模型試驗(yàn)研究

劉文浩，張淑朝

(天津城建大學(xué)土木工程學(xué)院 天津300384)

土的給水度是基坑工程降水設(shè)計(jì)的基本參數(shù)，其精度直接影響著基坑降水量、降水井的數(shù)量和降水時間等的計(jì)算。取天津市埋深 10,m的粉質(zhì)粘土為代表性土樣，經(jīng)室內(nèi)兩次模型槽釋水試驗(yàn)，揭示了含水層釋水過程和給水度變化過程的內(nèi)在機(jī)理，得出過程給水度與釋水時間存在著雙曲線的變化規(guī)律，進(jìn)而推出過程給水度與釋水時間的關(guān)系式，可為今后天津市的基坑降水設(shè)計(jì)及施工提供一定的參考。

給水度 基坑降水 釋水時間 粉質(zhì)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(biāo)，是地下水資源評價中最主要的參數(shù)。

為準(zhǔn)確測定給水度值，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)。劉俊民等[2]以原狀黃土為研究對象進(jìn)行了室內(nèi)飽水、釋水試驗(yàn)，得出過程給水度與釋水時間呈雙曲線關(guān)系變化，且過程給水度隨釋水時間的延長而增大，當(dāng)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(jié)論。張蔚榛等[3]提出無論土壤的質(zhì)地如何，水位下降時給水度的數(shù)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(jié)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(jìn)行連續(xù)監(jiān)測來估算積水度的方法。王玉紅等[6]通過風(fēng)積砂的室內(nèi)排水實(shí)驗(yàn)，研究了淺層地下水給水度與水位埋深的關(guān)系，并用不同的公式計(jì)算給水度。趙延風(fēng)等[7]用介質(zhì)和滲透液的物理性質(zhì)指標(biāo)來表述給水度計(jì)算公式。劉學(xué)軍等[8]在給水度測定方法研究中用原狀土筒測法，在室內(nèi)進(jìn)行安裝、充水并模擬地下水位變化，進(jìn)行釋水試驗(yàn)。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(xué)和水文地質(zhì)學(xué)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(zhì)粘土為代表性土樣，開展室內(nèi)模型降水試驗(yàn)，模擬基坑降水土體釋水的真實(shí)狀態(tài)，得到的過程給水度和最終給水度可以為基坑降水設(shè)計(jì)和施工過程控制提供一定的參考。

1 試驗(yàn)簡介

1.1 試驗(yàn)裝置

為有效測出土樣過程給水度與釋水時間之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)裝置(見圖1)，采取試驗(yàn)裝置四周夾層注水的方式使土樣飽水，通過觀察側(cè)面開孔的PVC管中水位高度與模型箱周圍水體高度的關(guān)系來判定土體的飽水情況。飽水時，夾層中的水通過內(nèi)夾壁的小孔滲入土層，待土層充分飽水后進(jìn)行釋水。釋水過程排出模型箱的外圍水和監(jiān)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(yàn)?zāi)Ｐ脱b置Fig.1 Test model

1.2 試驗(yàn)過程

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

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

首先，將取回土樣風(fēng)干后過 2,mm篩，均勻密實(shí)地填入實(shí)驗(yàn)槽，然后將土樣進(jìn)行飽水，即將水注入到裝置四周的夾層，水經(jīng)通水孔滲入到土層中，當(dāng)夾層與監(jiān)測管中的水位達(dá)到一致后，取不同深度的土樣，采取烘干法進(jìn)行測定，當(dāng)不同土樣含水率誤差不超過±0.2%,[2]時，則認(rèn)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(nèi)將模型箱中的外圍水和監(jiān)測管中的水全部排出，開始進(jìn)行釋水試驗(yàn)。試驗(yàn)開始時，每隔 2,h觀察夾層和監(jiān)測管中水位上升的高度，進(jìn)而得出在這一時間段內(nèi)土層在重力作用下排出的水的體積。隨著排水時間的延續(xù)，土層的釋水速度會逐步減緩，觀察時間的間隔也相應(yīng)拉長。直至夾層中和監(jiān)測管中水位高度相同，且高度不再增加時，認(rèn)為釋水階段結(jié)束。

為確保最終數(shù)據(jù)的可靠性，同時采用烘干法對上述試驗(yàn)進(jìn)行校核，以保證數(shù)據(jù)的可靠性。為減小水分蒸發(fā)對試驗(yàn)結(jié)果的影響，在試驗(yàn)裝置上附一層塑料薄膜。

2 原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理

2.1 試驗(yàn)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(jì)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(zhǔn)確性，給水度u還可與過程含水率差Δw相互驗(yàn)證。過程含水率差Δw可由下式計(jì)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(guān)系Tab.2 Relationship between release time and process specific yield

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

將取得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)填入表2、表3中，表2為釋水時間與過程給水度的關(guān)系表，且根據(jù)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(guān)系表，且根據(jù)(2)式算出過程含水率差。

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

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 土層排出水量與釋水時間關(guān)系

試驗(yàn)取得的排水量和釋水時間關(guān)系如圖2所示，結(jié)合表2中所得出的數(shù)據(jù)可知，單位時間內(nèi)的排出水量隨著時間的增加而減小。而累計(jì)排水量隨時間不斷的累計(jì)而不斷增加，且增長幅度隨釋水時間的累計(jì)而不斷減小，26,h前增長迅速，達(dá)到總排出水量的86%,；大致68.5,h時，排出水量達(dá)到穩(wěn)定值。

圖2 排水量與釋水時間的關(guān)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(guān)系

試驗(yàn)取得的含水率和釋水時間關(guān)系如圖3所示，結(jié)合表3中所得出的數(shù)據(jù)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(guān)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(guān)系

試驗(yàn)取得的過程給水度和釋水時間關(guān)系如圖 4所示，結(jié)合表 2中數(shù)據(jù)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(xù)趨于平緩，68.5,h時給水度不再變化，最終給水度穩(wěn)定為0.013,7。這與釋水時間與排水總量、過程含水率的關(guān)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(nèi)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(dāng)減少水泵數(shù)量，3,d后要隨時觀測抽水井內(nèi)水位，防止抽干水后水泵空轉(zhuǎn)而損壞。

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

3.4 經(jīng)驗(yàn)公式的建立

當(dāng)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(wěn)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(guān)系變化，其表達(dá)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(guān)系式。

由試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)可以得出 a＝562，b＝64.8，結(jié)合本次試驗(yàn)可得給水度u與釋水時間t的關(guān)系為：

由表 4可知，當(dāng)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(yàn)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(guān)系式能較好地反映天津市10,m深粉質(zhì)粘土的給水度隨釋水時間的變化規(guī)律。

表4 由式(3)算出的給水度值與真實(shí)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(jié) 論

①通過試驗(yàn)得出，降水過程中天津市 10,m深灰色粉質(zhì)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(zhì)粘土給水度與釋水時間呈現(xiàn)雙曲線的關(guān)系，并可用關(guān)系式 u＝t/(a＋bt)表示給水度與釋水時間二者的關(guān)系。當(dāng) a＝562，b＝64.8時，關(guān)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(guān)系。③通過過程給水度，可準(zhǔn)確計(jì)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(zhì)粘土進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(nèi)的多層土進(jìn)行進(jìn)一步研究?！?/p>

［1］ 鄒立芝，楊昌，兵侯杰. 關(guān)于給水度的定義[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)，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(yàn)研究[J]. 人民黃河，2007，29(3)：18-20.

［3］ 張蔚榛，蔡美娟. 均質(zhì)土壤給水度的空間試驗(yàn)和數(shù)值模擬[J]. 武漢水利電力學(xué)院學(xué)報(bào)，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(guān)系的試驗(yàn)研究[J]. 人民長江，2013，45(5)：60-65.

［7］ 趙延風(fēng)，王正中，劉計(jì)良. 給水度測定儀設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，42(9)：69-72.

［8］ 劉學(xué)軍，揚(yáng)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(xué)報(bào)，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(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目——天津地鐵工程減壓降水對周邊環(huán)境的影響分析(201410792025)。

2016-01-15