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(shí)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(guò)程和給水度變化過(guò)程的內(nèi)在機(jī)理，得出過(guò)程給水度與釋水時(shí)間存在著雙曲線的變化規(guī)律，進(jìn)而推出過(guò)程給水度與釋水時(shí)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(shí)間 粉質(zhì)粘土

飽和土在重力作用下通過(guò)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(lái)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(píng)價(jià)中最主要的參數(shù)。

為準(zhǔn)確測(cè)定給水度值，國(guó)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(duì)象進(jìn)行了室內(nèi)飽水、釋水試驗(yàn)，得出過(guò)程給水度與釋水時(shí)間呈雙曲線關(guān)系變化，且過(guò)程給水度隨釋水時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，當(dāng)時(shí)間無(wú)窮大時(shí)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(wú)論土壤的質(zhì)地如何，水位下降時(shí)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(lái)越大的結(jié)論。Nachabe[4]提出了水位在淺埋深情況下，排水過(guò)程中給水度隨時(shí)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(duì)土壤剖面水分進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)來(lái)估算積水度的方法。王玉紅等[6]通過(guò)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(lái)表述給水度計(jì)算公式。劉學(xué)軍等[8]在給水度測(cè)定方法研究中用原狀土筒測(cè)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(cè)得不同地下水位降幅時(shí)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?gòu)幕咏邓慕嵌热タ紤]給水度對(duì)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(guò)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(guò)程控制提供一定的參考。

1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

1.1 試驗(yàn)裝置

為有效測(cè)出土樣過(guò)程給水度與釋水時(shí)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(guò)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(lái)判定土體的飽水情況。飽水時(shí)，夾層中的水通過(guò)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(guò)程排出模型箱的外圍水和監(jiān)測(cè)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(guò)程

取天津市地鐵6號(hào)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(guò) 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(cè)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(cè)定，當(dāng)不同土樣含水率誤差不超過(guò)±0.2%,[2]時(shí)，則認(rèn)定土層飽水完成。然后打開測(cè)定裝置下方的水龍頭，同時(shí)使用水管在 30,s內(nèi)將模型箱中的外圍水和監(jiān)測(cè)管中的水全部排出，開始進(jìn)行釋水試驗(yàn)。試驗(yàn)開始時(shí)，每隔 2,h觀察夾層和監(jiān)測(cè)管中水位上升的高度，進(jìn)而得出在這一時(shí)間段內(nèi)土層在重力作用下排出的水的體積。隨著排水時(shí)間的延續(xù)，土層的釋水速度會(huì)逐步減緩，觀察時(shí)間的間隔也相應(yīng)拉長(zhǎng)。直至夾層中和監(jiān)測(cè)管中水位高度相同，且高度不再增加時(shí)，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(shí)采用烘干法對(duì)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(duì)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(guò)程含水率差Δw相互驗(yàn)證。過(guò)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(guò)程含水率，即某個(gè)任意時(shí)刻的含水率。

表2 釋水時(shí)間與過(guò)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(shí)間與過(guò)程給水度的關(guān)系表，且根據(jù)式(1)算出過(guò)程給水度。

表3 為釋水時(shí)間與過(guò)程含水率之間的關(guān)系表，且根據(jù)(2)式算出過(guò)程含水率差。

表3 釋水時(shí)間與過(guò)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(shí)間關(guān)系

試驗(yàn)取得的排水量和釋水時(shí)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(shí)間內(nèi)的排出水量隨著時(shí)間的增加而減小。而累計(jì)排水量隨時(shí)間不斷的累計(jì)而不斷增加，且增長(zhǎng)幅度隨釋水時(shí)間的累計(jì)而不斷減小，26,h前增長(zhǎng)迅速，達(dá)到總排出水量的86%,；大致68.5,h時(shí)，排出水量達(dá)到穩(wěn)定值。

圖2 排水量與釋水時(shí)間的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship curve between discharged water and release time

3.2 過(guò)程含水率與釋水時(shí)間關(guān)系

試驗(yàn)取得的含水率和釋水時(shí)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(shí)間的增加而減小，且變化幅度隨著時(shí)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(guò)程含水率與釋水時(shí)間的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship curve between process moisture content and release time

3.3 過(guò)程給水度與釋水時(shí)間關(guān)系

試驗(yàn)取得的過(guò)程給水度和釋水時(shí)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(shí)間的不斷累積逐漸增大，26,h前增長(zhǎng)迅速，隨后變化幅度隨時(shí)間延續(xù)趨于平緩，68.5,h時(shí)給水度不再變化，最終給水度穩(wěn)定為0.013,7。這與釋水時(shí)間與排水總量、過(guò)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(guò)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(shí)觀測(cè)抽水井內(nèi)水位，防止抽干水后水泵空轉(zhuǎn)而損壞。

圖4 過(guò)程給水度與釋水時(shí)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(shí)間趨向于無(wú)窮大時(shí)，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(gè)穩(wěn)定值。由李佩成[6]教授提出的給水度u值與釋水時(shí)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(shí)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(shí)間t的關(guān)系為：

由表 4可知，當(dāng)時(shí)間趨向于無(wú)窮大時(shí)，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(shí)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(duì)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(guò)試驗(yàn)得出，降水過(guò)程中天津市 10,m深灰色粉質(zhì)粘土的過(guò)程給水度隨著時(shí)間的增加而增大，26,h前增長(zhǎng)迅速，隨后增長(zhǎng)幅度隨著時(shí)間的增加而逐漸減小，68.5,h時(shí)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(shí)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(shí)間二者的關(guān)系。當(dāng) a＝562，b＝64.8時(shí)，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(shí)間之間的關(guān)系。③通過(guò)過(guò)程給水度，可準(zhǔn)確計(jì)算不同時(shí)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(guò)程。④受時(shí)間限制，本文只對(duì) 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(duì)基坑降水深度范圍內(nèi)的多層土進(jìn)行進(jìn)一步研究?！?/p>

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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(duì)周邊環(huán)境的影響分析(201410792025)。

2016-01-15