振動排水條件下軟黏土的滲透特性試驗研究

摘 要：為研究振動排水條件下軟黏土的滲透特性，采用振動排水固結(jié)儀和變水頭滲透試驗裝置，對軟黏土進行振動排水條件下的滲透試驗，分析了荷載幅值、頻率以及孔隙比對軟黏土滲透性的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：軟黏土的滲透系數(shù)隨著加載時間的增加呈現(xiàn)先減小后增大再減小的趨勢；隨著載荷幅值的增大，滲透系數(shù)的增幅亦相應(yīng)增大；不同頻率下的滲透系數(shù)在加載中期增幅不同，1 Hz 時對應(yīng)的增幅最高；提出了適用于振動排水條件下e-k 非線性表達式，滲透系數(shù)隨著孔隙比的減小而減小。研究結(jié)論可為振動排水固結(jié)法的設(shè)計及應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：振動排水；軟黏土；載荷幅值；頻率；孔隙比；滲透系數(shù)

中圖分類號：TU 447 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1008-0562（2024）01-0048-06

0 引言

軟黏土區(qū)域的土地資源隨著軌道交通、機場、港口等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)而凸顯緊張，這些區(qū)域的地基處理面臨巨大的挑戰(zhàn)[1]。軟黏土的滲透特性對基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和運營影響較大，在排水固結(jié)、滲透破壞等方面起著主導(dǎo)作用，充分認(rèn)識滲透過程中軟黏土的工程性質(zhì)變化對工程的設(shè)計、施工、安全分析具有重要的意義。

軟黏土的滲透特性受諸多因素影響，為此，學(xué)者們開展了大量的研究。杜怡韓等[2]進行了一系列粉質(zhì)黏土滲透試驗，研究表明滲透系數(shù)隨液性指數(shù)、含水率、孔隙比的增大而增大。史恬[3]研究了微細(xì)觀參數(shù)對軟土滲流特性的影響，認(rèn)為土顆粒與孔隙液之間的微觀作用力是影響土體滲透特性的主要因素之一。梁健偉等[4]通過對人工和天然軟土進行滲透試驗，認(rèn)為微電場作用和微尺度效應(yīng)是影響?zhàn)ね翝B流特性的重要因素。王剛等[5]對高壩心墻黏土進行了三軸壓縮過程的滲透試驗，發(fā)現(xiàn)黏土壓縮過程中滲透系數(shù)的變化趨勢與圍壓及其壓實度有關(guān)。目前，國內(nèi)外對軟黏土滲透性的研究大多集中于原狀土或重塑土在靜力條件下的滲透規(guī)律。陳信升等[6]對鈣質(zhì)軟泥進行了系列固結(jié)滲透試驗，發(fā)現(xiàn)鈣質(zhì)軟泥的滲透系數(shù)隨固結(jié)壓力的增大而減小，未經(jīng)固結(jié)樣呈現(xiàn)出更低的滲透性。ZHOU 等[7]研究了軟土在固結(jié)時垂直和水平向滲透系數(shù)的變化規(guī)律并提出了相應(yīng)的固結(jié)微分方程。SAMARASINGHE等[8]、TAVENAS 等[9]分別提出了適用于一般軟黏土的非線性滲透模型。黎志輝等[10]研究了軟黏土在不同固結(jié)壓力和滲透壓力下的滲透特性，并歸納出考慮初始孔隙比的滲透模型。

隨著地下空間開發(fā)力度的不斷加大，軟黏土往往承受動滲聯(lián)合作用，如地鐵隧道在行車載荷作用下面臨的地下水滲流作用、路基工程面臨的行車載荷和地下水滲流聯(lián)合作用等。動載荷作用下的軟黏土滲透過程與靜載荷作用下的滲透過程區(qū)別較大。SUN 等[11]通過系列動三軸試驗，揭示了滲透系數(shù)隨動應(yīng)力比增加逐漸減小的規(guī)律。ZHOU 等[12]對經(jīng)歷循環(huán)加載后的重塑高嶺土開展?jié)B透測試，得出滲透系數(shù)隨累積塑性變形發(fā)展逐漸降低的規(guī)律。賈敏才等[13]對沖擊載荷作用下的滲透性開展試驗研究，認(rèn)為沖擊能量、沖擊遍數(shù)、夯后時間等因素對土樣的滲透性有重要影響。單紅仙等[14]利用原位和室內(nèi)振動試驗，研究了黃河口海床土滲透系數(shù)隨振動能量的變化，發(fā)現(xiàn)其滲透系數(shù)先小后大，最大幅值為最小幅值的4 倍多。外部載荷是影響軟黏土滲透系數(shù)的重要因素[15]，載荷幅值和頻率是工程中動載荷作用的兩個主要特征參數(shù)，對振動排水固結(jié)法處理軟黏土地基的效果影響顯著。此外，軟黏土的滲透特性與孔隙比密切相關(guān)，目前多數(shù)滲透系數(shù)預(yù)測公式都與該參數(shù)相關(guān)[16]，而振動載荷作用下滲透系數(shù)隨孔隙比的變化情況鮮有研究。

基于此，本文對軟黏土在振動排水條件下的滲透特性進行試驗研究，主要探究載荷幅值、頻率和孔隙比對滲透特性的影響。該研究有助于深入理解軟黏土滲透系數(shù)在振動排水過程中的變化規(guī)律，也為軟黏土地基處理提供依據(jù)。

1 試驗設(shè)備及方法

1.1 試驗設(shè)備

采用自主研制的振動排水固結(jié)儀進行試驗，該設(shè)備可同時對軟土施加靜壓載荷和振動載荷，并能夠?qū)崟r監(jiān)測和存儲接觸應(yīng)力、軸向位移、排水量等指標(biāo)，可對振動載荷作用下軟黏土滲透特性進行研究。試驗時可設(shè)置圍壓、振動載荷、頻率來模擬相應(yīng)工況，該儀器施加最大圍壓為400 kPa，最大靜載荷為2 kN，最大振動載荷為2 kN，頻率范圍為1～10 Hz。圖1 為振動排水固結(jié)儀示意圖。

滲透試驗采用變水頭方法，通過測算排水過程中某段時間的起始和終了水頭獲得相應(yīng)的滲透系數(shù)。為避免水分流失，在滲透儀排水口加裝密封圈，在底座上纏繞多層防漏水布，在進水管與銅管連接處加一道套箍，這樣可以降低因水分蒸發(fā)、流失而產(chǎn)生的誤差。

1.2 試驗土樣

試驗用土取自江蘇鎮(zhèn)江長江段某工程建設(shè)項目，取土深度為3～5 m。場地內(nèi)主要分布飽和軟黏土，具有高壓縮性（孔隙比e 為1.60）、高含水量（含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)ω 為60.31%）、低承載力、低滲透性等工程特性。依照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123—2019）[17]進行基本物理性質(zhì)指標(biāo)測試，結(jié)果表明其天然密度ρ 為1.67 g/cm3，液限ωL 為41.48%，塑限ωP 為22.25%。

試樣直徑為61.8 mm、高度為128 mm，見圖2。為實現(xiàn)排水條件，在軟黏土樣四周設(shè)置豎向排水通道。在進行振動排水試驗之前，需對土樣進行抽氣飽和。

1.3 試驗方法

直接對試樣施加正弦式振動載荷會引起土體結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致試驗失敗。為防止這種現(xiàn)象，試驗時采用先靜后動、分4 級加靜載的模式，控制最大靜載荷為0.2 kN。其加載函數(shù)可表示為

F（t） = 0.2 + F0 sin[2πfv （t ? t0 ）]， （1）

式中： F0為振動載荷，kN；" fv為振動頻率，Hz；t為加載時間，min；"t0 為靜載加載時間，min。

對不同加載時間的軟黏土進行振動排水試驗，先在圍壓70 kPa 下對土樣進行24 h 固結(jié)以模擬初始應(yīng)力狀態(tài)，振動排水過程中保持圍壓不變。文獻[18]研究表明，載荷幅值和頻率對排水效果有重要影響，載荷過大可能引發(fā)軟土結(jié)構(gòu)破壞，故設(shè)置的載荷幅值為0.05～0.15 kN。借鑒文獻[19]的成果，在頻率為1～3 Hz 開展試驗，方案見表1。

加載至某時間點后，停止加載并保存相關(guān)試驗數(shù)據(jù)，小心取出試樣。文獻[10]研究表明軟黏土在固結(jié)下的變形多為塑性變形，故在卸荷時滲透系數(shù)不易產(chǎn)生顯著變化。振動排水后被壓縮的試樣尺寸滿足滲透試驗的要求，因此，用內(nèi)側(cè)涂抹凡士林的環(huán)刀切取土樣并放入底座，對同一試樣進行6 次以上的滲透測試，計算標(biāo)準(zhǔn)溫度20 ℃下平均豎向滲透系數(shù)。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 載荷幅值對軟黏土滲透性的影響

圍壓為70 kPa，振動頻率為2 Hz，不同F(xiàn)0 下排水量隨加載時間的變化曲線見圖3。由圖3 可以看出，軟黏土振動排水過程分為3 個階段，初期排水量快速增長，中期排水速率降低且排水量緩慢增長，后期排水趨穩(wěn)。3 種載荷幅值下排水量隨著時間的增加均有明顯上升，且較大幅值對應(yīng)較大排水量增幅，0.15 kN 下的排水量增幅約為0.10 kN 下的1.2 倍、0.05 kN 下的1.4 倍。由此可見，3 種施加的載荷幅值均可避免滲透系數(shù)大幅變化導(dǎo)致試驗失敗的情況發(fā)生。

軟黏土在不同F(xiàn)0 下滲透系數(shù)隨時間的變化規(guī)律見圖4。由圖4 可以看出：滲透系數(shù)呈現(xiàn)3 階段變化特征，滲透系數(shù)的變化滯后于排水量的變化。初期，滲透系數(shù)由6.17×10-7～6.33×10-7 cm/s 迅速下降1.17×10-7～3.1×10-7 cm/s，減小50%～80%。中期，滲透系數(shù)有所上升，該階段滲透系數(shù)增加量約為0.5×10-7～0.9×10-7 cm/s，且隨著F0 的增大，滲透系數(shù)上升的幅度也會增大，如F0 為0.05 kN 時，滲透系數(shù)僅增大了18.4%；而當(dāng)F0 為0.15 kN 時，滲透系數(shù)增大了76.1%。后期，滲透系數(shù)再次下降并逐漸趨于穩(wěn)定，約為0.8×10-7～0.9×10-7 cm/s。

軟黏土的滲透系數(shù)初期快速下降主要是因為土體在固結(jié)過程中，排水的同時也損失了一部分孔隙體積，致使土體內(nèi)部有效滲流通道被擠壓或進一步減少，滲透性減弱。隨后，中期振動作用會對土體滲透性產(chǎn)生重要影響，振動波穿透性能強，振動能可以一定程度改善孔隙的連通性，促使?jié)B透系數(shù)增大。到了后期，隨著土體孔隙結(jié)構(gòu)逐漸趨于穩(wěn)定，滲透系數(shù)下降并趨于平穩(wěn)。文獻[14]表明在振動沖擊夯作用下滲透系數(shù)隨著振動能量的不斷增加基本呈現(xiàn)先減后增趨勢，這與本試驗得到的滲透性變化規(guī)律基本吻合。

2.2 頻率對軟黏土滲透性的影響

軟黏土在各頻率下的滲透規(guī)律見圖5。總體上，軟黏土的滲透系數(shù)隨加載時間的增加呈現(xiàn)與圖4相同的趨勢，但在100～150 min 時，不同頻率下滲透系數(shù)的增幅各有差異。具體表現(xiàn)為：f=1 Hz 時，滲透系數(shù)從2.03×10-7 cm/s 增至3.30×10-7 cm/s，增幅為63%；f=2 Hz 時，滲透系數(shù)增幅為33%；f=3 Hz 時，增幅為40%。在加載150 min、頻率為2 Hz 時，滲透系數(shù)小于3 Hz 對應(yīng)的滲透系數(shù)，這主要是因為頻率與軟黏土滲透性的影響與變形有關(guān)[20]，當(dāng)頻率較低時，產(chǎn)生的累積變形較大，結(jié)構(gòu)的壓密作用明顯，滲透系數(shù)較小。由此可見，振動頻率的設(shè)置不宜過高，高頻會削弱振動載荷對土體滲透性能的改善作用，甚至?xí)氐讛_動土體結(jié)構(gòu)，形成“橡皮土”。

頻率對軟土滲透特性的影響同微結(jié)構(gòu)的變化相關(guān)[21]。動載荷作用下，軟土微觀結(jié)構(gòu)處于動態(tài)變化過程，隨機性較強，不同頻率下動載荷對軟土滲透系數(shù)的影響規(guī)律難以確定。對比圖5 中3 種頻率的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：振動排水前期， f =1 Hz 時，產(chǎn)生的變形較大，微結(jié)構(gòu)的壓密作用明顯，滲透系數(shù)降低較多；振動排水的中期為上升期，在1 Hz 載荷作用下，滲透系數(shù)反而呈現(xiàn)較大幅度增加；振動排水后期，即200～250 min 階段，3 種頻率的滲透系數(shù)變化又開始呈現(xiàn)相同趨勢。

2.3 孔隙比對軟黏土滲透性的影響

對于同一種土，滲透系數(shù)大小主要由孔隙比決定，且滲透系數(shù)隨孔隙比的變化規(guī)律不受應(yīng)力歷史的影響[22]。振動排水條件下滲透性與孔隙比的關(guān)系可表示為

式中，ρs 為土粒密度，g/cm3。

不同加載時間的振動排水試驗得出的相關(guān)參數(shù)見表2，分析結(jié)果見圖6。

由表2 可知，滲透系數(shù)的變化情況與圖4、圖5 的規(guī)律一致，即先減小后略有增大再減小趨穩(wěn)；由于振動作用下軟黏土被壓縮，其密度不斷增大；而隨著土中水的持續(xù)排出，其含水率逐漸下降。從圖6 可以看到，隨著孔隙比的降低，滲透系數(shù)總體變化呈現(xiàn)逐漸減小趨勢。在振動載荷作用下，壓密作用不斷加大，孔隙比減小，導(dǎo)致滲透性下降，滲透系數(shù)也相應(yīng)減小。后期，軟黏土變形趨穩(wěn)，土體結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定，滲透系數(shù)減小趨勢變緩。常見的非線性滲透模型[8，23]與分析結(jié)果進行對比，表明本文得到的非線性表達式有較強實用性。

2.4 振動排水過程中的滲透性變化機制

振動作用于軟黏土后經(jīng)歷的過程見圖7。前期固結(jié)排水滲透性大幅下降，中期滲透性增強，大量微裂隙產(chǎn)生，后期滲透性下降趨穩(wěn)微裂隙逐漸閉合?？紫蹲兓c軟黏土的滲透特性密切相關(guān)[15]。前期，軟黏土顆粒團聚體間的大孔隙大幅度壓縮，孔隙總體數(shù)量下降，滲流通道大幅消減；中期，由于軟黏土顆粒細(xì)，在振動作用下孔隙中水壓力瞬間升高且難以及時消散，土樣顆粒間易產(chǎn)生剪切變形，使土體內(nèi)形成微裂隙而增大土體的滲透性；后期，由于微裂隙的逐漸閉合和持續(xù)排水，軟土的滲透性又開始逐漸降低。劉勇健等[24]研究表明，以微結(jié)構(gòu)不被破壞為前提的軟土的微孔隙排水和微裂隙排水起著非常重要的作用，過量擾動導(dǎo)致微結(jié)構(gòu)和排水通道被破壞，會造成大量自由水和弱結(jié)合水無法排出。因此，設(shè)置合適的載荷幅值及頻率，能夠有效控制微裂隙閉合的時間，促進孔隙水的排出。

3 結(jié)論

（1）振動排水條件下考慮載荷幅值和頻率的影響時，軟黏土的滲透系數(shù)變化呈現(xiàn)初期快速下降、中期上升、后期下降趨穩(wěn)3 階段特征；隨著幅值的增加，中期滲透系數(shù)上升的幅度亦增加，排水量增幅明顯；1 Hz 時，前期滲透系數(shù)降低多，中期滲透系數(shù)增幅較大，各頻率下后期滲透系數(shù)變化呈現(xiàn)相同趨勢。

（2）振動加載后，微小孔隙數(shù)量明顯增加，土體滲透性發(fā)生變化，本文分析得到的e-k 關(guān)系式能較好表述軟黏土的滲透變化規(guī)律；隨著孔隙比的減小，總體上軟黏土的滲透性減小趨勢逐漸變緩。

（3）振動載荷幅值為0.15 kN、頻率為1 Hz時軟黏土的滲透系數(shù)增幅最大，結(jié)合現(xiàn)場條件確定合適的載荷幅值及頻率，能夠有效延長微裂隙閉合的時間，改良軟黏土的滲透性，有利于孔隙水的排出。本文研究結(jié)果可為振動排水固結(jié)法的工程實際應(yīng)用提供設(shè)計依據(jù)與理論指導(dǎo)。

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基金項目：國家自然科學(xué)基金面上項目（51978315）