水位波動作用下軟土的變形強度特性研究

陳能遠 孟慶山

摘要：在我國沿海地區(qū)，過量抽取利用地下水引發(fā)了明顯的地面沉降，限制開采量、人工回灌地下水對減輕地面沉降具有顯著效果。開采與回灌地下水促成了地下水位的大幅波動，使得沿海地區(qū)廣泛分布的軟土層發(fā)生了明顯的沉降與回彈變形。為了研究軟土在水位波動作用下的變形和強度特性，利用沉降柱試驗裝置模擬地下水位波動，對不同水位波動次數作用后的軟土試樣進行了高壓固結試驗、直剪試驗和三軸試驗，研究了水位波動次數對軟土變形性狀的影響，給出了用初始強度指標和含水量表示的、不同水位波動次數作用后的軟土殘余強度表達式。試驗結果表明：隨著水位波動次數的增加，軟土的變形特性增強而強度特性降低，黏聚力和內摩擦角隨波動次數的增加呈近似線性降低；相同水位波動次數下軟土試樣的強度指標隨含水量的增加呈明顯下降趨勢。研究成果對于探索城市地下水位波動對地面沉降和承載力變化的作用機理，提高科學決策水平及減輕環(huán)境地質災害有著重要實際意義和應用價值。

關鍵詞：軟土；水位波動；強度指標；含水量；衰減系數

中圖分類號：TV223 文獻標志碼：A 文章編號：

16721683（2018）05016506

Study on deformation and strength of soft soil under water level fluctuation

CHEN Nengyuan1，2，3，MENG Qingshan3

（

1.School of Highway，Chang′an University，Xi′an 710054，China；2.Electric Comprehensive Survey Institute of Information Industry Department，Shaanxi Province Soil Engineering Technology Research Center，Xi′an 710054，China；3.State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering，Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430071，China）

Abstract：

The excessive extraction of groundwater caused obvious ground subsidence in the southeastern coastal areas of China.Exploitation restriction and artificial recharge of groundwater have significant effects on mitigating the ground subsidence.These measures lead to drastic fluctuations of water level and significant settlement and rebound deformation of the widespread soft soil in the coastal areas.In order to investigate the deformation and strength of soft soil under water level fluctuation，by using the cylinder model experiment device to simulate water level fluctuation，we conducted highpressure consolidation test，direct shear test，and triaxial test on the soft soil after different times of water level fluctuation.Based on the analysis of the influence degree of water level fluctuation on the deformation behavior and strength characteristics of soft soil，we presented a relational expression of the residual strength of soft soil after different times of water level fluctuation using initial strength and water content.The test results showed that as the frequency of water level fluctuation increased，the deformation properties of the soft soil were enhanced and the strength was reduced.The cohesion and internal friction angle decreased linearly with the increase of water level fluctuations.The strength index of the soft soil under the same times of water level fluctuation declined significantly with the increase of water content.The results have important practical significance and application value on exploring the action mechanism of water level fluctuation on ground subsidence and bearing capacity changes，improving the level of scientific decisionmaking，and mitigating environmental geological disasters in coastal cities.

Key words：

soft soil；water level fluctuation；strength index；water content；attenuation coefficient

目前，我國東部沿海地區(qū)地面沉降和海平面上升已成為科學界和政府決策部門共同關注的重要環(huán)境問題。我國16個?。▍^(qū)、市）有96個城市和地區(qū)發(fā)生了不同程度的地面沉降，其中80%分布在東部沿海地區(qū)[1]。地面沉降在長三角地區(qū)造成了巨大的經濟損失，上海地面每沉降1 mm，就會造成經濟損失1 000萬元[2]。全球范圍內還有60多個國家和地區(qū)發(fā)生了地面沉降。日本1981年有59個地區(qū)沉降明顯，美國1995年在全部50個州都發(fā)現有地面沉降[34]。過量抽取地下水進而引發(fā)土體壓縮變形是產生地面沉降的最主要原因。限制開采量、人工回灌地下水對減輕地面沉降具有顯著效果[5]。大量開采與回灌地下水會促成地下水位的反復下降與回升，形成地下水位的大幅波動。而沿海地區(qū)的第四紀地層中分布著大量軟土，在地下水位大幅波動作用下會發(fā)生明顯的沉降與回彈變形。因此，進行地下水人工回灌時需要分析地下水位波動帶內軟土的變形強度特性，進而確定科學的地下水開采與回灌方案。

國內外學者就軟土的力學性質進行了大量研究，但針對水位波動作用下軟土的變形強度特性的研究尚不多見。Duncan[6]論述了傳統(tǒng)固結理論的局限性，認為預測軟土的固結沉降量及速率是一項重要工作。Akagi、鄧永鋒、徐建平、牟春梅等分析了擾動、含水量、有機質含量對軟土力學性質的影響[710]。孟慶山等[11]就沖擊荷載下飽和軟黏土的孔壓和變形特性進行了卓有成效的研究。戚國鋒[12]綜合分析了室內直剪試驗、三軸試驗數據及現場原位測試結果，提出了東南沿海地區(qū)合理的強度計算方法。陳能遠等[13]設計了新的滲透固結試驗儀器，分析了上海軟土在不同荷載和水頭作用下的變形、滲透特性。在地下水位與地面沉降關系的研究方面，張云、郭拴寧、駱祖江等分析了上海地下水位的五種變化模式下土層的變形特征[14]，研究了地下水位升降帶中的地基土含水量的變化規(guī)律和特征[15]，初步建立了地下水位升降與地面沉降變形的三維數學模型[16]，但其計算參數的獲取仍然是困難的。

本文利用沉降柱試驗裝置模擬水位波動，對不同水位波動次數作用后的軟土試樣進行高壓固結試驗、直剪試驗和三軸試驗，分析水位波動對軟土變形強度特性的影響規(guī)律，為濱海地區(qū)采灌水過程中軟土的早期強度預測及地面沉降分析提供可靠依據。

1 試驗方案

1.1 試驗裝置及方法

采用圖1所示的沉降柱試驗裝置，試驗筒材料為有機玻璃，結構為圓柱狀，由4個直徑400 mm×540 mm的圓筒對接而成，用法蘭盤連接，每節(jié)試驗筒中部側壁處設有直徑為8 mm的小孔，通過橡皮管與玻璃量管相連，用于觀察試驗筒內的水位變化情況。試驗筒底部支架上設置有透水石和多層土工布，用于隔離泥漿，防止土顆粒大量流失。支架中心設有直徑為20 mm的圓孔，通過水管與水箱相連，利用電機實施增壓降水補給，從而實現試驗筒內水位的反復波動。

采用3個沉降柱試驗裝置，在無上部荷載作用的條件下讓筒內水位在50～150 cm范圍內循環(huán)波動，讓筒內試樣在不同水位波動次數作用下自由固結，分別控制水位波動1、4、7次，靜置一段時間待筒內土樣固結穩(wěn)定后，在水位波動帶中部不同深度處取樣進行固結試驗、直剪試驗和三軸試驗，分析水位波動次數對軟土變形特性及殘余強度的影響規(guī)律。

1.2 試樣的物理性質指標

本次試驗所用軟土試樣取自上海五號溝地區(qū)，取樣深度為3～4 m，將現場取回的散土料風干過5 mm篩后裝入沉降柱試驗裝置中，模擬水位波動進行試驗。試驗用料的物理性質指標及填裝密度見表1。

2 波動次數對變形強度特性的影響

2.1 水位波動次數對固結變形特性的影響

控制3個試驗筒內水位在50～150 cm范圍內分別循環(huán)波動1、4、7次后，在水位波動帶中部100 cm處取3個含水量相近的試樣，進行高壓固結試驗，得到不同水位波動次數下軟土試樣的壓縮模量Es和壓縮系數α1-2見表2。

從表2可以看出，隨著水位波動次數的增加，軟土試樣的孔隙比、 壓縮系數均相應的增加，壓縮模量下降。在水位波動過程中，土體反復經歷著增飽和-減飽和循環(huán)過程，土體中的孔隙被水和氣體輪換交替填充。水位上升過程中，土顆粒受到浮力作用，使得土顆粒之間的聯(lián)結力降低，破壞了土體原有的穩(wěn)定結構。當水位突然下降時，土顆粒受到的浮力消失，土顆粒重新排列組合，形成新的松散結構。同時，在水位波動引起的孔隙水滲流作用下，土顆粒會受到孔隙水流的沖刷和拖拽，導致土體中的微小顆粒不斷遷移流失，在水位波動反復多次循環(huán)作用下，軟土試樣的孔隙比不斷增大，從而導致其壓縮變形特性增強。

2.2 水位波動次數對強度特性的影響

考慮地下水開采與回灌過程中水位快速反復波動的特性，控制3個試驗筒內水位在50～150 cm范圍內分別波動1、4、7次后，在水位波動帶中部90 cm處取出7個含水量相近的試樣，進行固結快剪試驗和三軸固結排水剪試驗，得到不同水位波動次數下軟土的強度指標如表3所示。

表3中的試驗結果表明，隨著水位波動次數的增加，軟土試樣的強度值和強度指標均有所下降。軟土具有高壓縮性和觸變性，在水位波動作用下，土樣原有結構受到反復多次擾動并重組，使其強度特性明顯被削弱、降低。三軸試驗能更好模擬試樣的應力狀態(tài)和軟弱破壞面，固結排水剪試驗下的強度指標Cd、φd和有效強度指標很接近，并稍大于固結快剪強度指標。直剪試驗雖然簡單，破壞面單一，但由其求得的強度指標是偏于保守和安全的。

3 含水量對軟土變形強度特性的影響

3.1 含水量對軟土固結變形特性的影響

土體的固結過程實質是孔隙水被排出，孔隙水壓力逐漸消散的過程。在水位快速波動過程中，部分水分會殘留于土體孔隙中，無法及時排出，從而使得土體含水量升高，同時影響其固結變形特性。為分析含水量對軟土變形特性的影響規(guī)律，分別在不同水位波動次數作用后，于不同深度處取出含水量不同的6個軟土試樣進行高壓固結試驗。圖2、圖3給出了1、4、7次水位波動次數下軟土壓縮系數和壓縮模量隨含水量的變化關系曲線。

從圖2、圖3可以看出：隨著水位波動次數的增加，相近含水量的軟土試樣的壓縮系數和壓縮模量的衰減 速率也相應的增大；隨著含水量的升高，壓縮系數并非嚴格線性增加，個別試樣存在明顯突變效應，說明軟土試樣靈敏性高。對比圖2、圖3還可以發(fā)現，隨著壓縮系數的增加，壓縮模量的變化存在一緩降帶，說明含水量影響了軟土試樣釋水固結過程中的孔隙變化情況，隨著孔隙水不斷擠壓排出，試樣的孔隙比迅速減小。高含水量提高了土體的變形特性，加快了軟土試樣的孔隙閉合進程和固結變形速率。

含水量的增加使得軟土在相同荷載條件下的壓縮變形增大，做好軟土地基使用期間內的含水量控制工作，根據土體實際含水量的變化情況預先進行土體安全評價，對實際工程是十分有意義的。

3.2 含水量對軟土強度特性的影響

為分析地下水位波動帶內軟土強度隨含水量的變化規(guī)律，對水位波動1次后不同含水量的軟土試 樣進行了固結快剪試驗。圖4、圖5分別給出了不同含水量試樣的黏聚力C和內摩擦角φcu的變化曲線。

從圖4、圖5可以看出：隨著含水量的增加，軟土的黏聚力和內摩擦角均呈明顯的下降趨勢。低含水量試樣具有較高的黏聚力和內摩擦角，隨著含水量的增加，軟土試樣的黏聚力迅速降低，其衰減幅度較內摩擦角明顯，進而導致其抗剪強度也相應降低。

4 水位波動下軟土強度衰減規(guī)律

水位波動的反復作用會破壞軟土試樣原有的穩(wěn)定結構，使其強度被削弱。為分析水位反復波動作用下，軟土試樣的殘余強度衰減規(guī)律，對水位波動次數N為1、4、7次后的軟土試樣，進行了大量室內固結快剪試驗，并制備了含水量和干密度相近的重塑土樣進行對比分析。整理室內固結快剪試驗的成果，圖6和圖7分別給出了不同水位波動次數作用下，不同含水量軟土試樣的黏聚力和內摩擦角衰減曲線。從中可以看出，在水位波動作用下，軟土試樣的黏聚力Cr和內摩擦角φr隨水位波動次數N的增加呈線性降低。相同水位波動次數作用下，軟土試樣的強度指標均隨含水量的升高而降低。

在測得原狀土樣的初始強度指標C0，φ0后，可用式（6）分析和預測土體在地下水位快速反復下降與回升作用下的殘余強度發(fā)展規(guī)律，這對分析沿海地區(qū)地下水位波動帶內軟土的變形強度特性有著重要的現實意義和應用價值。若考慮不同含水量對軟土強度特性的影響，可用式（7）來分析水位波動作用后不同含水量試樣的殘余強度衰減規(guī)律。實際應用中，只需測定土樣的含水量或飽和度指標，同時結合歷史地下水位監(jiān)測資料，對強度指標進行修正，從而分析和預測土體在地下水位波動作用下的強度發(fā)展規(guī)律，為沿海濱海相沉積軟土地區(qū)的早期強度預測提供了可靠依據。式（7）還可同時用于地下水位下降引起的地面沉降分析和預測，具有很好的工程應用價值。

5 結論

利用沉降柱試驗裝置模擬地下水位波動，對不同波動次數作用后的軟土試樣進行高壓固結試驗、固結快剪試驗和三軸固結排水剪試驗，分析了水位波動下軟土的變形和強度特性，主要結論如下。

（1）隨著水位波動次數的增加，軟土孔隙比增大，壓縮系數增加、壓縮模量下降，壓縮變形特性增強。相近含水量試樣的壓縮系數和壓縮模量的衰減速率隨著水位波動次數的增多而逐漸增大。

（2）含水量影響了軟土試樣釋水固結過程中的孔隙變化情況。隨著含水量的升高，壓縮系數的增大存在突變效應，而壓縮模量的變化存在一緩降帶。高含水量加快了軟土試樣的孔隙閉合進程和固結變形速率，增強了土體的變形特性。

（3）軟土的黏聚力隨著含水量的增加迅速降低，其衰減幅度較內摩擦角明顯。用冪函數可較好擬合黏聚力和內摩擦角與含水量的變化曲線，得到的強度公式（3）可用于分析特定地區(qū)軟土的強度與含水量的關系，對于軟土地基安全的早期預測較有實際意義。

（4）在水位波動作用下，軟土的黏聚力和內摩擦角隨波動次數的增加呈線性降低。以相近含水量和干密度的重塑土樣的強度指標為初始強度指標，建立了黏聚力和內摩擦角的衰減系數與波動次數之間的關系表達式，給出了用初始強度指標和含水量表示的水位波動作用下軟土的殘余強度衰減公式。

（5）在實際應用中，只需測定土樣的含水量、飽和度或初始強度指標，結合歷史地下水位監(jiān)測資料，對初始強度指標進行修正，通過本文給出的殘余強度衰減公式即可分析和預測地下水位波動作用下軟土的抗剪強度，這對沿海濱海相沉積軟土地區(qū)的早期強度預測及地面沉降分析有著重要實際意義和應用價值。

參考文獻（References）：

[1] 劉昌明.建設節(jié)水型社會，緩解地下水危機[J].中國水利，2007（15）：1013.（LIU C M，Building watersaving society and alleviating groundwater crisis[J].China Water Resources，2007（15）：1013.（in Chinese））DOI：10.3969/j.issn.10001123.2007.15.005.

[2] CHAI J C，HEN S L，ZHU H H.Land subsidence due to groundwater drawdown in Shanghai[J].Geotechnique，2004，54（2）：143147.

[3] HIROSHI P SATO，KAORU ABE，OSAMU OTAKI.GPS measured land subsidence in Ojiya city[J].Niigata Prefecture，Japan.Engineering Geology，2003，（67）：379390.

[4] TEATINI P，FERRONATO M，GAMBOLATI G.A century of land subsidence in Ravenna[J].Italy.Environ.Geol，2005，（47）：831846.

[5] 孟慶山，陳能遠，楊超.地下水位波動帶內濱海軟土性狀研究進展[J].人民長江，2011，42（4）：2932.（MENG Q S，CHEN N Y，YANG C.Research progress review of characters of marine soft clay in underground water fluctuating zone[J].Yangtze River，2011，42（4）：2932 （in Chinese））DOI：10.16232/j.cnki.10014179.2011.04.024.

[6] DUNCAN.Limitations of conventional analysis of consolidation settlement[J].J of Geotechnical Engineering，Vol.119（9），1993.

[7] AKAGI T.Effect of mandreldriven Sand Drains on Strength[A].Proceeding of the 9th Internationgal Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering，Tokyo，1：36.

[8] 鄧永鋒，劉松玉.擾動對軟土強度影響規(guī)律研究[J].巖石力學與工程學報，2007，26（9）：19401944.（DENG Y F，LIU S Y.Effect of sample disturbance on soft soil strength[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26（9）：19401944 （in Chinese））DOI：10.3321/j.issn：10006915.2007.09.029.

[9] 徐建平，潘樹林.軟土力學性質隨含水量變化的試驗研究[J].華中科技大學學報（城市科學版），2002，19（2）：1012.（XU J P，PAN S L.Effect of sample disturbance on soft soil strength[J].J.of Huazhong Univ.of Sci.& Tech.（Urban Science Edition），2002，19（2）：1012 （in Chinese））DOI：10.3969/j.issn.20950985.2002.02.003.

[10] 牟春梅，李佰鋒.有機質含量對軟土力學性質影響效應分析[J].水文地質工程地質，2008（3）：4246.（MU C M，LI B F.Influence of organic matter on mechanical character of soft soil[J].Hydrogeology & Engineering Geology，2008（3）：4246 （in Chinese））DOI：10.3969/j.issn.10003665.2008.03.011.

[11] 孟慶山，汪稔，劉觀仕.沖擊荷載下飽和軟粘土的孔壓和變形特性[J].水利學報，2005，36（4）：467472.（MENG Q S，WANG R，LIU G S.Experimental study on pore water pressure and axial strain of saturated soft clay under impact load[J].Journal？of？Hydraulic？Engineering，2005，36（4）：467472 （in Chinese））DOI：10.13243/ j.cnki.slxb.2005.04.015.

[12] 戚國鋒.東南沿海地區(qū)軟土強度特性的探析[J].鐵道勘察，2008（1）：3032.（QI G F.Analysis on Strength Characteristics of Soft Earth around Southeast Coast Areas[J].Railway Investigation and Surveying，2008（1）：3032 （in Chinese））DOI：10.19630/j.cnki.tdkc.2008.01.013.

[13] 陳能遠，孟慶山，胡曉蘭.濱海相軟土固結滲透聯(lián)合測定試驗研究[J].工程勘察，2011，34（12）：444446.（CHEN N Y，MENG Q S，HU X L.Experimental study on combined determination of osmosis and consolidation on marine soft soil[J].Geotechnical Investigation & Surveying，2011，34（12）：444446 （in Chinese））

[14] 張云，薛禹群，葉淑君，等.地下水位變化模式下含水砂層變形特征及上海地面沉降特征分析[J].中國地質災害與防治學報，2006，17（3）：103109.（ZHANG Y，XUE Y Q，YE S J.Effect of sample disturbance on soft soil strength[J].Analysis of deformation of sand strata and land subsidence based on modes of groundwater level changes in Shanghai City，2006，17（3）：103109 （in Chinese））DOI：10.16031/j.cnki.issn.10038035.2006.03.025.

[15] 郭拴寧，翟曉林.利用飽和度對地下水位升降帶含水量變化的定量預測[J].電力建設，2000，（3）：3839.（GUO S N，ZHAI X L.Quantitative forecast about the change of water content in ground water level ascending and descending stripe by the saturation[J].Electric Power Construction，2000，（3）：3839 （in Chinese））DOI：10.3969/j.issn.10007229.2000.03.014.

[16] 駱祖江，劉金寶，李朗.第四紀松散沉積層地下水疏降與地面沉降三維全耦合數值模擬[J].巖土工程學報，2008，30（2）：193198.（LUO Z J，LIU J B，LI L.Threedimensional full coupling numerical simulation of groundwater dewatering and landsubsidence in quaternary loose sediments[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2008，30（2）：193198 （in Chinese））DOI：10.3321/j.issn：10004548.2008.02.007.