砂土孔隙壓力影響因素的試驗(yàn)研究

李一凡，王俊剛，徐仁宇，姚鑫，王朝陽(yáng)

(青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 青島 266033)

土是由固、液、氣三相組成的體系，土的飽和過(guò)程就是地下水位上升并逐漸填滿土體孔隙，將孔隙中的氣體擠出的過(guò)程。土體在飽和狀態(tài)與非飽和狀態(tài)下均會(huì)產(chǎn)生孔隙壓力，且當(dāng)土體處于地下水位不同高度時(shí)表現(xiàn)出的孔隙壓力大小也不同，同時(shí)對(duì)于不同土質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生大小不同的孔隙壓力。在實(shí)際工程中軟基處理問(wèn)題已經(jīng)非常常見(jiàn)，孔隙壓力在其中扮演著重要角色，堆載預(yù)壓技術(shù)[1]和真空預(yù)壓法[2]就是分別利用孔隙正壓和負(fù)壓來(lái)達(dá)到加固地基的目的。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于土體孔隙壓力的形成機(jī)理、應(yīng)力特性、影響因素等方面做了一系列研究，發(fā)現(xiàn)粒徑和級(jí)配與土的力學(xué)性能有關(guān)[3-4]。汪聞韶[5]通過(guò)三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)驗(yàn)證了飽和土在振動(dòng)作用下的孔隙壓力與砂土性狀有關(guān)。Finn等[6]對(duì)于飽和砂土液化勢(shì)與平均粒徑的關(guān)系給出了修正數(shù)據(jù)。魏代偉等[7]通過(guò)滲透試驗(yàn)得出泥漿與地層代表粒徑的比值是影響開(kāi)挖面超孔隙水壓力的主要因素。王海東等[8]通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)分析了含水率與粒徑對(duì)非飽和砂土動(dòng)力特性的影響規(guī)律。朱建國(guó)等[9]試驗(yàn)分析了不同尾砂的沉降。但是目前給出的理論主要是粒徑和級(jí)配與土的固結(jié)、沉降、液化等力學(xué)性能的關(guān)系，并未指出粒徑和級(jí)配對(duì)孔隙壓力的直接影響；且試驗(yàn)研究大多在試驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行，采用的都是粒徑大小較為統(tǒng)一的砂土配制而成的土樣[10]，忽略了自然環(huán)境下砂土的特性?；诖?，本文利用課題組自行設(shè)計(jì)制作的裝置，通過(guò)室內(nèi)外三次土體孔隙壓力監(jiān)測(cè)試驗(yàn)來(lái)證明不同粒徑和級(jí)配對(duì)非飽和土體孔隙壓力的影響。

1 試驗(yàn)裝置

1.1 試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)介

目前對(duì)于非飽和土的力學(xué)特性試驗(yàn)研究，常規(guī)的三軸壓縮試驗(yàn)誤差較大，而非飽和土真三軸儀[11]的研制進(jìn)展緩慢且不能直接準(zhǔn)確測(cè)出非飽和土體中的孔隙壓力。本次試驗(yàn)采用課題組自行設(shè)計(jì)制作的裝置來(lái)同時(shí)監(jiān)測(cè)飽和土與非飽和土體的孔隙壓力，其裝置系統(tǒng)如圖1所示。

1.孔隙壓力管；2.大氣壓力管；3.走線管；4.水位管；5.位移傳感器；6.拉繩；7.浮子與重物；8.滑輪。圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the test device

裝置主體由PVC管制作的孔隙壓力管、大氣壓力管和走線管組成。三根管底部連通，符合連通器原理；另有水位管搭配使用，其直接埋入土體之中，用來(lái)監(jiān)測(cè)土體中水位變化。拉繩一端連接管內(nèi)浮子，一端連接位移傳感器。每個(gè)浮子配有相應(yīng)的重物以消除位移傳感器拉力對(duì)浮子所受浮力的影響。當(dāng)管內(nèi)水位發(fā)生變化時(shí)，浮子與拉線會(huì)隨之上下移動(dòng)，傳感器終端將記錄下數(shù)據(jù)。大氣壓力管始終與大氣相通，管內(nèi)水位測(cè)量導(dǎo)線直接從管口穿出與傳感器相連。孔隙壓力管內(nèi)水位測(cè)量導(dǎo)線由走線管穿出。使用時(shí)將孔隙壓力管端部完全埋于被測(cè)土體中，大氣壓力管、走線管露出土體與大氣相通。水位管打孔并在外面包裹上透水鐵絲網(wǎng)，在防止砂土進(jìn)入管內(nèi)的同時(shí)保證裝置與土體內(nèi)水位保持一致，用以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地下水位的變化。

1.2 試驗(yàn)原理

裝置采用連通器原理，即當(dāng)液面穩(wěn)定時(shí)，各管內(nèi)液面等高處壓力值相同。試驗(yàn)開(kāi)始前，通過(guò)注水方式使孔隙壓力管端部與大氣壓力管內(nèi)水位相平，此為初始條件。當(dāng)孔隙壓力管端部土體出現(xiàn)孔隙壓力時(shí)，大氣壓力管內(nèi)水位會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，以此便可測(cè)得孔隙壓力管端部土體的孔隙壓力水頭為

μ=ρg(z1-z2)，

(1)

式中：μ為孔隙水壓力；ρ為水的密度；z1為孔隙壓力管水位；z2為大氣壓力管水位。

2 室外試驗(yàn)

2.1 場(chǎng)地概況

分別選取青島市仰口和團(tuán)島某近海灘涂進(jìn)行試驗(yàn)，仰口海岸堆積物以細(xì)砂為主，團(tuán)島海岸上層土體為3 cm厚的細(xì)砂，下層土體粒徑變大，以礫、砂為主，混有大顆粒石子和貝殼碎屑等。試驗(yàn)占地約2 m×2 m×2 m，兩地測(cè)點(diǎn)的砂土平均粒徑和級(jí)配通過(guò)室內(nèi)篩分法[12]測(cè)得，其參數(shù)見(jiàn)表1，砂土類別分別屬于細(xì)砂和粗砂。

表1 室外試驗(yàn)砂土粒度參數(shù)Tab. 1 Particle size parameters of sand in outdoor test

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

在試驗(yàn)地點(diǎn)開(kāi)挖一個(gè)2 m×1.5 m×2 m的試坑，將裝置放入后填埋，孔隙壓力管上埋填約20 cm的砂土，調(diào)試好傳感器等設(shè)備后記錄自然潮汐環(huán)境下各管水位變化。仰口試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)水位管、孔隙壓力管、大氣壓力管傳感器初始讀數(shù)分別為1 880、915、532 mm。團(tuán)島試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)水位管、孔隙壓力管、大氣壓力管傳感器讀數(shù)分別為1 480、915、971 mm。因試驗(yàn)數(shù)據(jù)較多，仰口試驗(yàn)選取7月10日9:00至21:00的數(shù)據(jù)，團(tuán)島試驗(yàn)選取8月3日00:00到8月4日12:00的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。兩次試驗(yàn)各管內(nèi)的水位變化時(shí)程曲線如圖2所示，圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間歷程，縱坐標(biāo)以孔隙壓力管初始水位為零點(diǎn)，三根管內(nèi)與其相應(yīng)的水位為坐標(biāo)數(shù)值。

(a)仰口水位時(shí)程曲線

2.3 結(jié)果分析

由水位管水位變化可知，當(dāng)日仰口地區(qū)漲潮時(shí)間為12:00-17:00，落潮起始時(shí)間為17:00；當(dāng)日?qǐng)F(tuán)島地區(qū)漲潮時(shí)間為9:30-14:30，落潮時(shí)間為14:30-23:00，這與兩地水文局提供的當(dāng)日潮汐記錄一致，證明試驗(yàn)裝置數(shù)據(jù)記錄無(wú)誤。兩地試驗(yàn)過(guò)程中孔隙壓力管水位基本保持不變，所以大氣壓力管的水位變化就成了試驗(yàn)結(jié)果分析的重點(diǎn)。

由圖2可知，兩地的大氣壓力管水位都有一段時(shí)間不隨環(huán)境水位的改變而改變，此時(shí)環(huán)境水位還未上升到孔隙壓力管端部開(kāi)始產(chǎn)生孔隙壓力的范圍，或者已經(jīng)下降出該范圍，因此孔隙壓力沒(méi)有變化。其余時(shí)段大氣壓力管水位均會(huì)隨著環(huán)境水位的變化而改變，從而產(chǎn)生具有一定規(guī)律的孔隙壓力。

由大氣壓力管與孔隙壓力管的水位差計(jì)算得到的兩地孔隙壓力管端口處的孔隙壓力時(shí)程曲線如圖3所示。

(a)仰口孔隙壓力時(shí)程曲線

由圖2及圖3可知當(dāng)?shù)叵滤惶幱诘臀粫r(shí)，兩次試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)處都表現(xiàn)為孔隙負(fù)壓；在水位逐漸上漲的過(guò)程中，孔隙負(fù)壓逐漸減小。當(dāng)環(huán)境水位升至孔隙管端部附近時(shí)，負(fù)壓降為0，并開(kāi)始轉(zhuǎn)為正壓。隨后隨著水位的繼續(xù)上升，孔隙正壓繼續(xù)增大，當(dāng)水位升至最高點(diǎn)時(shí)，孔隙正壓亦達(dá)到最大值。當(dāng)水位下降時(shí)，孔隙正壓隨之減小，直至水位下降至孔隙管端部附近時(shí)，孔隙正壓降為0。隨后出現(xiàn)孔隙負(fù)壓，并隨著水位下降開(kāi)始增大，最終穩(wěn)定在某一負(fù)壓值。由此可見(jiàn)，非飽和土的孔隙負(fù)壓是一直存在的，當(dāng)非飽和土逐漸變成飽和土?xí)r，孔隙壓力也逐漸由正負(fù)壓向正壓變化。仰口試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)處孔隙負(fù)壓最大值為-146 mm水柱，孔隙正壓最大值為220 mm水柱；團(tuán)島試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)處孔隙負(fù)壓最大值為-67 mm水柱，孔隙正壓最大值為123 mm水柱。由此可得出結(jié)論：自然環(huán)境下，土體粒徑對(duì)于孔隙壓力確實(shí)有一定的影響，即粒徑越大，孔隙正壓和負(fù)壓的峰值越小。

3 室內(nèi)試驗(yàn)

通過(guò)兩次室外試驗(yàn)已實(shí)際監(jiān)測(cè)到非飽和土中的孔隙負(fù)壓和飽和土中的孔隙正壓，且當(dāng)環(huán)境水位發(fā)生變化時(shí)，其孔隙壓力也會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變。而兩地因土體粒徑不同，產(chǎn)生的孔隙負(fù)壓峰值也有所差異。為進(jìn)一步總結(jié)與驗(yàn)證土體孔隙壓力與粒徑和級(jí)配之間的關(guān)系，改變?cè)囼?yàn)用砂的土體粒徑和級(jí)配關(guān)系，再次利用本試驗(yàn)裝置進(jìn)行一次室內(nèi)試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)概況

為保證室內(nèi)試驗(yàn)環(huán)境與室外盡可能相同，室內(nèi)選用試驗(yàn)箱進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)箱規(guī)格與室外試驗(yàn)占地相近，在1.5 m×1.2 m×0.8 m試驗(yàn)箱內(nèi)填砂來(lái)模擬實(shí)際的工況。

室內(nèi)試驗(yàn)砂樣選取中砂，其平均粒徑和各類沉積物所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表2。

表2 室內(nèi)試驗(yàn)砂土粒度參數(shù)Tab.2 Particle size parameters of sand in laboratory test

3.2 試驗(yàn)過(guò)程

室內(nèi)試驗(yàn)在試驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行，將裝置埋于土樣中，孔隙壓力管上填20 cm左右的砂土作為覆土。試驗(yàn)前對(duì)大氣壓力管進(jìn)行注水，直至孔隙壓力管端部有水溢出，此時(shí)大氣壓力管內(nèi)與孔隙壓力管端部水位相同，此為初始條件。調(diào)試好設(shè)備后由試驗(yàn)箱上部開(kāi)始進(jìn)行注水，并通過(guò)傳感器終端觀察記錄各管水位變化。室內(nèi)試驗(yàn)裝置布置如圖4所示。

(a)室內(nèi)試驗(yàn)裝置布置

(b)注水過(guò)程圖4 室內(nèi)試驗(yàn)裝置布置圖Fig. 4 Layout of indoor test device

向試驗(yàn)箱內(nèi)注水至水面超過(guò)砂土表面一定高度，來(lái)模擬非飽和土變?yōu)轱柡屯恋倪^(guò)程。傳感器讀數(shù)不再變化時(shí)，證明水位已達(dá)到穩(wěn)定。打開(kāi)箱底的排水口閥門，開(kāi)始進(jìn)行排水過(guò)程，模擬土體由飽和土變成非飽和土的過(guò)程。

圖5 室內(nèi)試驗(yàn)水位時(shí)程曲線Fig. 5 Water level time history curve of laboratory test

整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程的各管水位時(shí)程曲線和孔隙壓力時(shí)程曲線如圖5、圖6所示。

圖6 室內(nèi)試驗(yàn)孔隙壓力時(shí)程曲線Fig. 6 Time history curve of pore pressure in laboratory test

3.3 結(jié)果分析

由圖5可知，孔隙壓力管端部水位依舊保持不變，大氣壓力管和水位之間的變化關(guān)系和規(guī)律與室外試驗(yàn)基本一致。大氣壓力管水位首先隨著水位管水位的上升而逐漸下降，當(dāng)環(huán)境水位上升到孔隙壓力管端部附近時(shí)，孔隙負(fù)壓降為最小。隨著水位管水位繼續(xù)上升，負(fù)壓迅速變?yōu)檎龎?，并逐漸增大，直至環(huán)境水位不再變化時(shí)，大氣壓力管水位也保持穩(wěn)定，孔隙正壓達(dá)到峰值不再變化。當(dāng)環(huán)境水位下降時(shí)，大氣壓力管水位也由最高水位處逐漸下降直至環(huán)境水位到達(dá)孔隙壓力管端部附近時(shí)，孔隙正壓也由最大值降為0并轉(zhuǎn)為負(fù)壓，隨后水位繼續(xù)下降，負(fù)壓逐漸達(dá)到最大值。

由圖6可知，在水位上升過(guò)程中，孔隙壓力管端部土體逐漸由非飽和狀態(tài)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)，先是表現(xiàn)為孔隙負(fù)壓，達(dá)到最大值-380 mm水柱后，負(fù)壓逐漸變?yōu)檎龎?。?dāng)試驗(yàn)箱內(nèi)水位到達(dá)最大值時(shí)，孔隙正壓亦到達(dá)峰值204 mm水柱，在隨后的排水過(guò)程中，飽和土?xí)饾u變?yōu)榉秋柡屯?，孔隙正壓逐漸減小并轉(zhuǎn)為負(fù)壓，最終達(dá)到負(fù)壓最大值-488 mm水柱。

4 試驗(yàn)對(duì)比分析

圖7為三次試驗(yàn)土樣的粒徑分布曲線。由圖可知室內(nèi)試驗(yàn)土樣曲線坡度較緩，粒徑分布范圍廣，兩次室外試驗(yàn)土樣曲線坡度較陡，粒徑分布范圍較??；且曲線呈臺(tái)階形，即某粒徑范圍的土含量較少。根據(jù)我國(guó)相關(guān)規(guī)范規(guī)定由不均勻系數(shù)Cu以及曲率系數(shù)Cc兩個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)土的級(jí)配好壞。

圖7 三次試驗(yàn)土樣的粒徑分布曲線Fig. 7 The particle size distribution curve of the soil sample in the three trials

(2)

(3)

式中：d10，d30，d60分別為粒徑分布曲線中小于某粒徑的土粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10%、30%、60%所對(duì)應(yīng)的粒徑大小。只有當(dāng)土同時(shí)滿足不均勻系數(shù)Cu≥5，曲率系數(shù)Cc在1～3內(nèi)時(shí)，該土樣才被認(rèn)定為級(jí)配良好[13]。

三次試驗(yàn)的砂土各指標(biāo)與孔隙壓力峰值見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab. 3 Comparison of test results

由表3中可看出，仰口的砂土類型最細(xì)，其次是試驗(yàn)用砂，團(tuán)島的砂土粒徑最大；室內(nèi)試驗(yàn)土樣級(jí)配良好，室外試驗(yàn)兩地土樣的級(jí)配不良。仰口與團(tuán)島測(cè)點(diǎn)土樣并沒(méi)有人為加固過(guò)，處在自然狀態(tài)下，從兩地的試驗(yàn)結(jié)果看，土體粒徑越小，孔隙正壓和負(fù)壓的峰值越大；但是在室內(nèi)試驗(yàn)條件下測(cè)得的孔隙正壓符合上述規(guī)律，負(fù)壓峰值卻比粒徑更小的仰口試驗(yàn)測(cè)得的更大?？紫敦?fù)壓的產(chǎn)生是由于水、氣表面的張力以及毛彎液面的存在，使得水內(nèi)壓力小于大氣壓力；而室內(nèi)試驗(yàn)砂樣級(jí)配良好，大粒徑的土粒形成的孔隙有足夠的小粒徑土粒填充，土體較為密實(shí)；且試驗(yàn)箱四周封閉，非飽和土中孔隙里的水與空氣交換較為緩慢，會(huì)有部分的孔隙水滯留在孔隙中排出緩慢，因此室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得的孔隙負(fù)壓的峰值大于仰口試驗(yàn)測(cè)得的孔隙負(fù)壓峰值。當(dāng)土體完全浸泡變?yōu)轱柡屯習(xí)r，水氣界面上的彎液面也消失了，因此飽和土孔隙正壓符合粒徑越小，孔隙壓力峰值越大的規(guī)律。

5 結(jié)束語(yǔ)

1)通過(guò)兩次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)，實(shí)際測(cè)得了不同粒徑下非飽和砂土中的孔隙負(fù)壓與孔隙正壓，可以得出：在級(jí)配一定的自然條件下，土體粒徑越小，其非飽和狀態(tài)下的孔隙負(fù)壓峰值與飽和狀態(tài)的正壓峰值越大。這一發(fā)現(xiàn)可應(yīng)用于實(shí)際工程中，對(duì)于土體粒徑不同的地質(zhì)情況可采用不同程度上的軟基處理措施，從而更加有效地解決工程問(wèn)題。

2)通過(guò)室內(nèi)外試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可以得出：處在密閉性良好環(huán)境下，級(jí)配良好密實(shí)度高的砂土孔隙負(fù)壓的峰值大于級(jí)配不良的砂土，甚至密閉性影響因素比粒徑影響更大。得出的粒徑和級(jí)配與孔隙壓力的關(guān)系僅適用于砂土，而粉粘土由于毛細(xì)管水的大量存在其粒徑和級(jí)配與孔隙壓力的關(guān)系可能會(huì)更加復(fù)雜，還需進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證，這也是今后課題組研究的方向之一。