陳 陽， 周志芳

（河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京210098）

流體釋出過程中飽和土體沉降變形特征

陳 陽， 周志芳

（河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京210098）

研究土體沉降變形特征對工程項(xiàng)目具有現(xiàn)實(shí)意義。通過三組室內(nèi)對比實(shí)驗(yàn)，分別得出厚度30 cm、粒徑0.150 mm的砂土，厚度15 cm、粒徑小于0.075 mm的黏土，厚度30 cm、粒徑小于0.075 mm的黏土，在同一壓力和不同壓力下發(fā)生的一次、二次滲流變形參數(shù)，通過百分表觀測所得的沉降數(shù)據(jù)反映土體變形規(guī)律，將三組變形進(jìn)行對比，結(jié)果表明：在土層厚度同為30 cm，流體壓力高度同為150 cm時，砂土層沉降量為0.193mm，沉降穩(wěn)定時間25 min，黏土層沉降為6.529mm，沉降穩(wěn)定時間2 000 min，可見，砂性土釋出流體沉降變形量和沉降完全所需的時間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于黏性土；同一土性，厚度越大，沉降變形量越大；同一條件下，二次沉降量小于一次沉降量。

沉降；砂土；黏土；滲透；變形

0　引 言

土體本身具有連續(xù)的孔隙，如果存在水位差的作用時，水就會透過土體孔隙產(chǎn)生孔隙內(nèi)的流動，這一現(xiàn)象稱為滲透。滲透媒介可以是滲透性較強(qiáng)的砂土，也可為滲透性較弱的黏土。砂土發(fā)生變形直至穩(wěn)定所需的時間很短，幾個小時便可沉降完全；而黏土由于內(nèi)部吸著流體具有較大的粘滯阻力，土體骨架發(fā)生壓縮、變形，所以這一過程可以持續(xù)數(shù)天，甚至數(shù)年。流體釋出造成土體變形，土體豎向變形稱做沉降，沉降一直是人們熱議的話題。這一研究的理論基礎(chǔ)是太沙基固結(jié)理論，Terzaghi一維固結(jié)理論［1］在解決軟土地基變形控制和預(yù)測中發(fā)揮著重要的作用，至今仍被廣泛應(yīng)用于各種計(jì)算。

吳靜紅等［2］認(rèn)為，地面沉降過程中，沉降變形實(shí)質(zhì)上是孔隙比的減小過程。武強(qiáng)等［3］的研究表明，弱滲透層變形量占全部地面沉降變形量50%以上的比重。Zhou等［4］將地表以下土體分為單位體積單元體，實(shí)際飽和土體在釋水條件下單元體積發(fā)生體積變形的同時，單元周邊的土體顆粒將充填到由于單元體積縮小而增加的孔隙空間內(nèi)，單元體的變形隨著顆粒的位移最終被傳遞到土的表面，形成地面變形。孫麗云等［5］指出，在孔隙水滲流方面，已有越來越多的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，某些黏性土的滲流存在偏離Darcy定律的現(xiàn)象。蔡建超［6］提出，水是牛頓流體，但是當(dāng)它在很細(xì)小的孔道中流動時也呈現(xiàn)出非線性滲流特征，具有啟動壓力梯度，會偏離達(dá)西曲線。對于某些黏性土，滲流速度和水力坡度的關(guān)系存在起始水力坡度，但關(guān)于起始水力坡度的機(jī)制，尚需深入研究［7］。

水為牛頓流體，土體釋水滲透變形的實(shí)驗(yàn)理論是建立在達(dá)西定律之上，而隨著流體的變化，土體釋出流體這一理論則為非達(dá)西流計(jì)算，這一實(shí)驗(yàn)研究報(bào)告少之又少，弱滲透層滲流變形實(shí)驗(yàn)研究對驗(yàn)證弱滲透層滲流變形規(guī)律是十分必要的。筆者采用非水流體進(jìn)行弱滲透土層滲流實(shí)驗(yàn)，希望實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果可以為實(shí)際工程項(xiàng)目提供參考。

1　實(shí)驗(yàn)裝置與方案設(shè)計(jì)

1.1實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置由四部分組成，包括主體裝樣系統(tǒng)、定/變壓力系統(tǒng)、釋出流量測量系統(tǒng)、土層沉降測量系統(tǒng)（包含于主體裝樣系統(tǒng)內(nèi)）。由于實(shí)驗(yàn)?zāi)M一維條件下土體發(fā)生流體釋出產(chǎn)生變形的情況，所以主體裝樣系統(tǒng)設(shè)置為φ=200 mm，H=1 000 mm的圓柱體模擬土體局部；定變壓力系統(tǒng)通過調(diào)整不同的壓力，研究水力梯度變化對流體釋出量、土體沉降量及沉降穩(wěn)定時間的影響；釋出流量測量系統(tǒng)通過流體釋出量的大小，來反映變形量大小，從而計(jì)算土體參數(shù)。土層沉降測量系統(tǒng)的主要設(shè)備為百分表和沉降桿，將百分表與沉降桿相連，可以測量土體豎向變形量。實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)見圖1。

圖1a為裝置CAD，b為實(shí)物照片，主體裝樣系統(tǒng)核心為百分表，用于沉降測量，底部布置10 cm反濾層，反濾層上部為實(shí)驗(yàn)土體部分，為流體飽和的黏土體。實(shí)驗(yàn)開始前進(jìn)行裝樣，采用真空泵抽真空來實(shí)現(xiàn)土樣中飽和無空氣；定變壓力系統(tǒng)由蠕動泵實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)使用保定蘭格恒流量泵，泵頭型號為YZ1518X，蠕動泵轉(zhuǎn)速為0～100 r/min。通過設(shè)定蠕動泵轉(zhuǎn)速，可以保證恒定的流量注入流體盛放器皿。流體釋出量測量系統(tǒng)由電子天平、盛裝容器組成，盛油容器放置在電子天平的上端。

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)圖和實(shí)物照片F(xiàn)ig.1 Experimental design and physical structure

裝好的土樣靜置3～5 d，基本穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，一是，按照實(shí)驗(yàn)設(shè)置壓力保持穩(wěn)定的流體壓力，通過定、變壓力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，蠕動泵以一個恒定的速率，這一恒定速率以流體盛裝器皿溢流口、出油口流量代數(shù)和恒定為標(biāo)準(zhǔn)；二是，百分表讀數(shù)幾乎不變，各系統(tǒng)穩(wěn)定無誤。

實(shí)驗(yàn)步驟，首先，準(zhǔn)備好充足的備用流體在定、變壓力系統(tǒng)盛裝流體器皿內(nèi)，準(zhǔn)備好電子天平及盛裝容器，將電子天平接通電源去皮清零，將裝樣系統(tǒng)底部閥門所連橡皮軟管放入盛裝容器中，讀取百分表初始讀數(shù)；其次，打開底部閥門，按照一定時間點(diǎn)記錄電子天平和百分表數(shù)據(jù)變化，如0、5、10、60和600 s，以此類推，實(shí)驗(yàn)過程中禁止觸碰相關(guān)儀器，由于實(shí)驗(yàn)開始數(shù)據(jù)變化比較快，采用錄像方式記錄，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行1 h便可間隔10～60 min不等，根據(jù)實(shí)際情況記錄儀表變化情況。

1.2實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)三組室內(nèi)對比，主要做不同壓力流體釋出條件下，因弱滲透土層中承壓水頭的降低，而引起的地面沉降模擬。黏土取自甘肅疏勒河有沖洪積扇扇緣，對所取黏土樣進(jìn)行風(fēng)干，碾壓，計(jì)算土體參數(shù)；砂樣為標(biāo)準(zhǔn)砂。實(shí)驗(yàn)具體設(shè)計(jì)及試樣基本物理力學(xué)參數(shù)見表1和表2。

表1　實(shí)驗(yàn)方案Tab le 1 Experimental program cm

表2　試樣物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of samp les

2　結(jié)果與分析

2.1砂土與黏土沉降對比

砂層在流體釋出過程中，孔隙度幾乎不變，砂土顆粒之間不易壓縮，其滲透系數(shù)較大，釋出流體發(fā)生沉降變形很快達(dá)到穩(wěn)定，沉降量也較??；黏土本身孔隙度雖然大，但是在流體釋出過程中，根據(jù)土力學(xué)有效應(yīng)力原理，即σ=u+σ′，黏土層體內(nèi)部總應(yīng)力一定，流體釋出，孔隙水壓力減小，有效應(yīng)力增大，有效應(yīng)力作用在土體上，導(dǎo)致土顆粒內(nèi)部發(fā)生位移，產(chǎn)生沉降變形s，從而黏土層開始固結(jié)，這一過程往往需要很長時間。砂層和黏土層沉降變化如圖2所示。

圖2為砂層和黏土層厚度δ均為30 cm，不同壓力高度h下的沉降情況。從圖2可以看出，流體壓力高度為150 cm時，砂土層沉降為0.193 mm，黏土層沉降為6.529 mm?？梢娡煌翆雍穸龋粔毫l件下，黏土層的沉降變形量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于砂土層。圖2a同一砂土層厚度，當(dāng)壓力高度分別為80和150 cm時，所觀測到沉降變形量分別為0.092和0.175 mm，圖2b同一厚度黏土層，壓力高度分別為150和250 cm時，沉降變形量分別為6.529和9.765 mm，可見同一條件下，壓力越大，沉降變形量越大。圖2a中，觀察x軸可知，25 min后，砂土層沉降量便基本穩(wěn)定，可見30 cm厚度砂土達(dá)到沉降穩(wěn)定僅需數(shù)十分鐘，圖2b為黏土層，沉降量穩(wěn)定時間則需要2 000 min。

圖2　砂層和黏土層沉降對比Fig.2 Comparison of sand and clay layers settlement

2.2黏土層變形特征

圖3為不同厚度黏土層釋出流體發(fā)生的沉降變形量，圖3a、b分別為黏土層厚度15和30 cm。觀察圖3可看出，當(dāng)壓力高度為250 cm時，黏土層厚度分別為15和30 cm時，沉降變形量分別達(dá)到5.781和9.765 mm，壓力高度為150 cm時，對應(yīng)沉降變形量分別為3.016和6.529 mm?？芍ね翆雍穸仍酱?，沉降變形量越大，壓力高度越高，沉降變形量越大。壓力高度同為250 cm，圖3a中1 800 min后沉降幾乎不再發(fā)生，而圖3b中750 min后沉降基本保持穩(wěn)定；壓力高度150 cm，圖3a中2 100 min后沉降基本穩(wěn)定，而圖3b則需1 900 min，分析數(shù)據(jù)可知，同一厚度條件下，壓力越大，達(dá)到穩(wěn)定所需時間越短。

圖3 不同厚度黏土層沉降量對比Fig.3 Settlement com parison of different thickness of clay layers

圖4為黏土層厚度30 cm，分別在壓力高度150 cm做了二次沉降實(shí)驗(yàn)對比，圖4a為第一次沉降，圖4b為一次沉降后，將壓力高度恢復(fù)，靜置若干天以百分表不發(fā)生變化為準(zhǔn)，開始二次沉降實(shí)驗(yàn)。圖4b為壓力高度分別為150和250 cm時，沉降變形量分別為2.124和4.213 mm；一次沉降從750 min開始便開始達(dá)到穩(wěn)定，而二次沉降則需要1 500 min，可以看出，同一厚度土層，壓力相同，第一次沉降變形量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第二次。隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)的增多，土體變形也會越來越小，因此，可以認(rèn)為土體大的沉降變形主要發(fā)生在一次沉降。

綜上，總結(jié)砂土和黏土沉降量對比見表3。

圖4　同一厚度黏土層二次沉降對比Fig.4 Secondary settlement comparison of same thickness of clay layers

表3　沉降量與沉降率對比Table 3 Com parison of settlement and sedimentation rate

3　結(jié) 論

（1）在流體釋出初期，砂層中的沉降變形很快達(dá)到穩(wěn)定，僅需20 min以內(nèi)，黏土層由于其滲透系數(shù)比砂層小得多，因此，達(dá)到變形所需時間較長，可長達(dá)數(shù)小時甚至數(shù)年，且穩(wěn)定時間和沉降量隨著黏土層厚度的增大而變長；水力梯度越大，沉降量越大，達(dá)到同一沉降量所需時間越小。

（2）同一厚度條件下，黏土層的沉降量是砂土的幾十倍甚至上百倍，沉降率砂土可達(dá)自身1%以下，黏土為30%左右，這一比率根據(jù)土性而變；相同土性，厚度越大，沉降量越大；相同土性和厚度，二次沉降量小于一次沉降量。

（3）對于砂土，最終沉降完成為百分之百；對于黏土，則只完成了總沉降的一部分，隨著壓力，土層厚度的改變，變形量也會改變；所有土體發(fā)生二次沉降，沉降量小于第一次沉降，同一壓力條件下，二次沉降量為土層厚度的10%左右，比一次沉降小三分之二。

［1］ 盧廷浩.土力學(xué)［M］.2版.南京：河海大學(xué)出版社，2005：1-151.

［2］ 吳靜紅，周春慧，姜洪濤，等.蘇州第四紀(jì)沉積物物理性質(zhì)與地面沉降生命過程分析［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2014，36（6）：1-4.

［3］ 武 強(qiáng)，謝海瀾，趙增敏，等.弱透水層變形機(jī)理的研究［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28（3）：207-210.

［4］ ZHOU ZHIFANG，WANG JINGUO，HUANG YONG，et al.Conceptual data model and method of settlement calculation for deformation and water release from saturated soft soil［J］.Environmental Earth Sciences，2014，71（9）：4235-4245.

［5］ 孫麗云，劉忠玉，樂金朝，等.考慮非Darcy滲流時循環(huán)荷載下飽和黏土一維固結(jié)分析［J］.巖土力學(xué)，2010，31（S1）：62-68.

［6］ 蔡建超.低滲透油藏非達(dá)西滲流特性的分形研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2007.

［7］ 周志芳，王錦國.地下水動力學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，2013.

［8］ 楊海勇，鹿 群.一側(cè)有建筑物時盾構(gòu)引起地表沉降的數(shù)值分析［J］.河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，30（4）：30-34.

（編輯徐 巖）

Deformation characteristics study ofwater releasing from saturated soils

CHEN Yang， ZHOU Zhifang
（School of Earth Science&Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China）

This paper is based on the recognition that the study of soil settlement is of practical significance for the project and introduces the use of three groups of indoor experimentswhich produce seepage deformation parameters which occur once and twice when the same pressure and different pressures are applied on sand with the thickness30 cm and particle diameter of0.150 mm，clay with the thickness 15 cm and particle diameter of less than 0.075mm，and clay with the thickness30 cm and particle diameter of less than 0.075 mm.The paper goes further into the reflection of the law underlying the deformation of the soil by observing the settlement from dial indicator and the contrast of the deformation of the three groups.Results show that the occurrence of soil thickness of 30 cm and fluid pressure altitude of 150 cm mean the settlementof sand layer of0.193mm，the settlement stability time of25 min，the clay layer settlement of 6.529 mm，and the settlement stability time of 2 000 min，suggestingmuch less time for sandy soil subsidence and deformation process than for clay one；the thicker soilmeans the larger deformation；and with the same condition，settlement amount is less for secondary than for the first one.

settlement；sand；clay；deformation

10.3969/j.issn.2095-7262.2014.05.019

TU411

2095-7262（2014）05-0524-05

A

2014-06-27

水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目（201301083）

陳 陽（1990-），女，陜西省延安人，碩士，研究方向：水文地質(zhì)，E-mail：chenyangyang.net@163.com。