李 懿， 黃鳳娟， 楊 柏

(1.廣州市設(shè)計(jì)院， 廣東廣州 510620； 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川成都 610031)

近年來(lái)，隨著國(guó)家大力發(fā)展洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)，該地區(qū)會(huì)遇到諸如高速公路、鐵路、深基坑、市政工程等大量軟土地基問(wèn)題。南縣-益陽(yáng)高速公路北段位于洞庭湖淤積平原的核心區(qū)，南段跨過(guò)南洞庭湖后向臺(tái)地展布，在其初步設(shè)計(jì)勘察階段，發(fā)現(xiàn)了洞庭湖特有的軟土類型，即砂紋淤泥質(zhì)土，該類土夾有微薄層狀粉細(xì)砂并呈“千層糕”狀，每層粉細(xì)砂厚度大約1～2 mm(圖1)；究其原因是洞庭湖所處地理位置比較特殊，歷史上長(zhǎng)期受到地殼升降、氣候、流水、泥沙淤積等條件影響，形成了淤泥質(zhì)土中夾有微薄層粉細(xì)砂，而其存在必將對(duì)砂紋淤泥質(zhì)土的滲透特性產(chǎn)生較大影響。

圖1 砂紋淤泥質(zhì)土

土體物理力學(xué)指標(biāo)包括孔隙比、含水率、密度、比重、液限、塑限、塑性指數(shù)、液性指數(shù)、滲透系數(shù)、固結(jié)系數(shù)、粘聚力和內(nèi)摩擦角等，并且各物理力學(xué)指標(biāo)間存在一定的相關(guān)性。李鏡培等[1]、劉春等[2]和李小勇等[3]通過(guò)收集物理力學(xué)指標(biāo)的數(shù)據(jù)，研究了軟土土性指標(biāo)的相關(guān)距離性狀以及其分布特點(diǎn)；陳曉平等[4]收集了珠江三角洲地區(qū)近千個(gè)試樣的結(jié)果，分析了軟土參數(shù)的非線性特征；張榮堂等[5]基于近海軟土的工程特性，建立了統(tǒng)一測(cè)定土性指標(biāo)的方法；尹利華等[6]通過(guò)不同試驗(yàn)方法得到了天津軟土的物理力學(xué)指標(biāo)，并建立了各指標(biāo)間的相互關(guān)系以及概率分布模型；邵艷等[7]通過(guò)Matlab對(duì)合肥濱湖新區(qū)軟土的各物理力學(xué)指標(biāo)之間的相關(guān)性進(jìn)行了分析。

以上文獻(xiàn)主要研究?jī)?nèi)容是土體各物理力學(xué)指標(biāo)間的相關(guān)性，但是不同試驗(yàn)方法間同一物理力學(xué)指標(biāo)的相關(guān)性涉及較少。因此，本文擬通過(guò)孔壓靜力觸探、室內(nèi)滲透試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)等試驗(yàn)手段研究確定洞庭湖砂紋淤泥質(zhì)土的滲透特性的相關(guān)性，為該區(qū)域地基處理方案選擇提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

目前滲透系數(shù)的測(cè)定方法一般分為兩種，一種是通過(guò)室內(nèi)滲透試驗(yàn)確定，該方法的優(yōu)點(diǎn)在于可較好地在定義邊界條件，但試樣易受擾動(dòng)且應(yīng)力釋放嚴(yán)重，試樣尺寸小導(dǎo)致土體的非均質(zhì)性無(wú)法完全體現(xiàn)；另一種方法是現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試，可以較真實(shí)的反映土體的宏微觀結(jié)構(gòu)，但試驗(yàn)時(shí)邊界條件又不太好控制。因此，本文針對(duì)洞庭湖砂紋淤泥質(zhì)土的滲透特性，分別對(duì)其進(jìn)行室內(nèi)滲透試驗(yàn)、孔壓靜力觸探和現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)，研究不同試驗(yàn)方法間滲透系數(shù)的相關(guān)性。

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

本次試驗(yàn)為了研究砂紋淤泥質(zhì)土的滲透特性，現(xiàn)將其基本的物理力學(xué)性質(zhì)列于表1。

表1 砂紋淤泥質(zhì)土物理力學(xué)性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 現(xiàn)場(chǎng)鉆孔降水頭注水試驗(yàn)

由于砂紋淤泥質(zhì)土位于洞庭湖地下水位以下且滲透系數(shù)較小，因此采用鉆孔降水頭注水試驗(yàn)(圖2)，其主要設(shè)備是秒表、栓塞、水泵和電測(cè)水位計(jì)(圖3)。采用式(1)計(jì)算試驗(yàn)土層的滲透系數(shù)：

(1)

式中：H1為在時(shí)間t1時(shí)的試驗(yàn)水頭(cm)；H2為在時(shí)間t2時(shí)的試驗(yàn)水頭(cm)；r為套管內(nèi)徑(cm)；A為形狀系數(shù)(cm)。

圖2 鉆孔降水頭注水試驗(yàn)

圖3 電測(cè)水位計(jì)

1.2.2 孔壓靜力觸探和室內(nèi)滲透試驗(yàn)

在孔壓靜力觸探(圖4)貫入停止時(shí)，探頭可以量測(cè)到超孔隙水壓力的消散過(guò)程，通過(guò)分析超孔隙水壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律，估算砂紋淤泥質(zhì)土的滲透特性。根據(jù)孔壓靜力觸探試驗(yàn)結(jié)果，采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算砂紋淤泥質(zhì)土的水平滲透系數(shù)kH：

kH=(251t50)-1.25

(2)

式中：kH為孔壓靜力觸探測(cè)定的水平滲透系數(shù)(cm/s)；t50為土樣固結(jié)度達(dá)50 %所需時(shí)間(s)。

室內(nèi)滲透試驗(yàn)(圖5)采用的是變水頭試驗(yàn)滲透系數(shù)計(jì)算公式：

(3)

(4)

式中：kT為水溫T ℃時(shí)，試樣的滲透系數(shù)(cm/s)；a為變水頭管截面積(cm2)；L為滲徑，等于試樣高度(cm)；h1為開(kāi)始時(shí)水頭(cm)；h2為終止時(shí)水頭(cm)；A為試樣斷面積(cm2)；t為時(shí)間(s)；2.3為ln與lg的換算系數(shù)；ηT為T ℃時(shí)，水的動(dòng)力粘滯系數(shù)(kPa·s(10-6))；η20為20 ℃ 時(shí)，水的動(dòng)力粘滯系數(shù)(kPa·s(10-6))。

其中，比值ηT/η20與溫度的關(guān)系，查表即可得。在測(cè)得的結(jié)果中取3～4個(gè)允許差值范圍以內(nèi)的數(shù)值，求其平均值作為試樣在該孔隙比e時(shí)的滲透系數(shù)。

圖4 孔壓靜力觸探試驗(yàn)

圖5 室內(nèi)滲透試驗(yàn)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

從表2中可以看出，現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)得到的滲透系數(shù)最大，數(shù)量級(jí)集中于10-3～10-4cm/s之間，平均值為1.618×10-3cm/s；孔壓靜力觸探測(cè)定的kH值變化較大，從7.85×10-7cm/s～2.699×10-5cm/s，相差了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，其平均值為9.908×10-6cm/s，可能是由于采用了經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，造成了計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大偏差。通過(guò)室內(nèi)滲透試驗(yàn)分別得到了垂直向滲透系數(shù)和水平滲透系數(shù)，垂直向滲透系數(shù)相對(duì)偏小，僅為3.352×10-7cm/s，而水平滲透系數(shù)的結(jié)果與孔壓靜力觸探相近，平均值為1.213×10-5cm/s，但其變化沒(méi)有孔壓靜力觸探結(jié)果離散。這是因?yàn)槭覂?nèi)試驗(yàn)較好地定義了邊界條件，使計(jì)算結(jié)果更加平均，并且由于砂紋淤泥質(zhì)土垂直向和水平向主要為淤泥質(zhì)土和粉細(xì)砂，直接導(dǎo)致了kV和kH之間的差異。

通過(guò)對(duì)三種試驗(yàn)方法所求得的滲透系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果見(jiàn)圖6，孔壓靜力觸探、室內(nèi)水平向和垂直向滲透試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)的回歸方程分別為kH孔壓=30.795+0.004k，kH=85.553+0.002k和kV=2.356+0.000 06k，R2=0.887 77、0.954 58、0.269 25；室內(nèi)水平向和垂直向滲透試驗(yàn)與孔壓靜力觸探的回歸方程分別為kH=75.552+0.492k孔壓和kV=1.629+0.017kH孔壓，R2=0.929 15、0.519 04；室內(nèi)滲透試驗(yàn)kV和kH之間的回歸方程為kV=-0.239+0.029 61kH，R2=0.345 17。從分析結(jié)果可知，大部分參數(shù)之間擬合程度較高，但室內(nèi)試驗(yàn)得到的kH值與現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)和孔壓靜力觸探求取的滲透系數(shù)擬合程度并不高，在使用時(shí)應(yīng)增加更多數(shù)據(jù)對(duì)公式進(jìn)行補(bǔ)充和完善，以期達(dá)到通過(guò)室內(nèi)滲透試驗(yàn)即可得到原位土體的滲透系數(shù)。

3 結(jié)論

本文通過(guò)孔壓靜力觸探、室內(nèi)滲透試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)等試驗(yàn)手段，研究了砂紋淤泥質(zhì)土不同試驗(yàn)方法間滲透特性的相關(guān)性，為該地區(qū)地基處理方案選取提供依據(jù)。

表2 砂紋淤泥質(zhì)土不同試驗(yàn)方法間滲透系數(shù)

(a)k-kH孔壓

(b)k-kH

(c)k-kV

(d)kH孔壓-kH

(e)kH孔壓-kV

(f)kH-kV

(1)建立了砂紋淤泥質(zhì)土不同試驗(yàn)方法間滲透系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)回歸方程。

(2)通過(guò)分析可知，現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試得到的結(jié)果比室內(nèi)試驗(yàn)更準(zhǔn)確，同時(shí)也更節(jié)省時(shí)間，但是成本更高。

(3)建議可先進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，再采用經(jīng)驗(yàn)公式分析論證原位土體的滲透系數(shù)，但該經(jīng)驗(yàn)公式具有明顯地域特點(diǎn)，如在其他地方應(yīng)用需進(jìn)一步積累資料，并進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證使之優(yōu)化。