韓旭 徐浩倫 趙薦 葉暉 孫紅月

摘要：?為了驗證負壓排水方法在粉土中的排水有效性，設計了室內圓筒物理模型試驗。試驗過程中監(jiān)測負壓值和排水量，并通過排水量計算平均排水速率。通過采用不同內徑的排水管并多次改變排水路徑，對粉土的負壓排水規(guī)律進行了研究。試驗結果表明：① 在一定條件下，負壓排水法可以實現(xiàn)粉土的高效排水，但與砂土不同的是，由于粉土滲透系數(shù)較小，排水過程中，負壓達到穩(wěn)定所需時間明顯變長;② 排水管內徑影響著負壓排水效果，當管徑較大時，如6.5mm內徑，因入滲水量不足以形成滿管流誘發(fā)虹吸效應，難以產生穩(wěn)定負壓，導致其排水速率反而低于能夠產生穩(wěn)定負壓的4 mm內徑排水管，說明負壓排水能顯著提高排水速率;③ 排水路徑對排水速率有一定影響，通過增加排水高差，增大排水管傾角，適當減小揚程，均可有效提高排水速率。

關 鍵 詞：負壓排水; 粉土; 排水管內徑; 排水路徑; 排水速率

中圖法分類號： ?TU472

文獻標志碼： ?A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.03.028

?? 0 引 言

粉土是一種低滲透土，廣泛分布于中國長江及黃河流域? [1] 。粉土中粉粒含量多，黏粒和砂粒含量少，其性質介于黏土和砂土之間，具有低塑性、低強度和低飽和含水量等特性? [2-3] 。粉土強度受含水量影響較大，常表現(xiàn)出較差的力學性質? [4-5] 。例如，對于覆蓋層以粉土為主的邊坡，土體含水量的增加將導致粉土的抗剪強度急劇下降，同時下滑力增大，影響坡體穩(wěn)定? [6] 。在粉土地基中，含水量過高不僅使得壓實困難，而且存在液化風險，易引發(fā)地面沉降，造成房屋的傾斜甚至倒塌、基坑和堤壩的坍塌等工程災害? [7-8] 。因此，及時進行粉土排水對于提高土體強度、減少工程地質災害具有重要意義? [9] 。

在當前的粉土地基及邊坡工程中，常用的降低地下水位的方法有：集水井抽水? [10] 、虹吸排水? [11] 、真空預壓排水? [12] 、電滲法? [13] 等。這些方法各自的優(yōu)點突出，同時存在各自的缺陷：如排水效率低、長期有效性難以保證、設備及管理成本高昂等? [14-15] 。因此，尋找經濟高效的粉土排水方法仍有重大工程意義。孫紅月等提出一種新型的排水方法——俯傾孔負壓排水法? [16] ，它具有原理簡單、操作簡便、可循環(huán)自啟動、無需動力等優(yōu)點。該方法在砂土中的排水規(guī)律已得到模型試驗驗證? [17-18] ，但能否實現(xiàn)粉土的有效排水尚待檢驗。

為研究上述問題，本文設計了室內圓筒模型試驗進行粉土的負壓排水，記錄全過程孔隙水壓力及排水速率變化。改變條件進行多組對比試驗，研究排水管內徑和排水路徑對排水效率的影響，為粉土的排水機理研究與應用提供技術支持。

1 試驗設計

1.1 試驗材料及裝置

試驗所用材料為砂質粉土，土質較軟，具有高壓縮性、低強度、低滲透性等特點。試驗土樣的滲透系數(shù) k =2.9×10? -4 ?cm/s，級配曲線如圖1所示，其他物理指標如表1所列。

試驗裝置如圖2所示，制作高85 cm、內徑18 cm的有機玻璃圓筒作為試驗模型箱。筒底放置高5 cm、厚1 cm的玻璃圓環(huán)，其上放置打孔鋼板，并用土工布包裹以隔離上部土層，而水可順利滲入，從而形成透水空腔。從圓筒一側引出5根PA管，分別連接真空表，各相隔15 cm，實時測量土樣不同深度處的壓力值。透水空腔連接PU排水管，控制揚程高度和排水高差，排水管另一端放置貯水容器，利用電子秤實時記錄排水量。距圓筒頂部5 cm處設置溢水管，用以控制筒內水頭恒定。圓筒表面所有接口均用玻璃膠密封，以隔絕與大氣環(huán)境的聯(lián)系，確保試驗結果的準確性。試驗過程中通過注水容器持續(xù)向圓筒供水，且保證供水速率大于排水速率。

1.2 試驗原理

試驗啟動后，在水頭差作用下，透水空腔的水流入排水管。如圖3所示，排水管內形成流量 q? 2 ，地下水入滲至透水空腔的流量為q? 1 。由于排水管的排水能力遠大于入滲流量，因此會出現(xiàn)q? 2 >q? 1 。在虹吸作用下，透水空腔形成負壓，對土樣產生抽吸作用，使地下水加速滲入透水空腔，q? 1 逐漸增大，同時負壓對排水管的排水流量形成遏制，使q? 2 逐漸減小。當q? 1 =q? 2 時 ，透水空腔的負壓狀態(tài)處于動態(tài)平衡。

1.3 試驗內容

搭建試驗裝置，完成氣密性檢驗后，分層填裝試驗土樣，并不斷注水至溢水孔高度。靜置7 d，確保土樣充分飽和，打開排水管，試驗啟動。利用電子秤測量排水重量，根據(jù)真空表讀數(shù)監(jiān)測不同深度、不同時刻土樣內的壓力值。

試驗初始條件為排水管內徑6.5 mm，揚程高 12.5 ?cm，高差4 m，待排水速率穩(wěn)定后停止供水，充分排盡土樣中水分后再次供水，驗證在該條件下，粉土排水是否能循環(huán)啟動。換用4 mm內徑的排水管，重復上述流程，比較不同管徑的排水效果。之后選用4 mm內徑的排水管，進行多組對比試驗，探究排水路徑對排水效率的影響。

2 試驗結果

2.1 管徑對排水效果的影響

共進行了4組排水試驗，分別為6.5 mm內徑排水管的初次啟動、再次啟動試驗與4 mm內徑排水管的初次啟動、再次啟動試驗。初次啟動前，玻璃圓筒內均為飽和土體，透水空腔已蓄滿水。5個真空表讀數(shù)從表A到表E依次為：1.50，2.94，4.41，5.88，7.35 kPa。排水過程中實時記錄真空表讀數(shù)和排水重量。4組試驗的數(shù)據(jù)對比如表2所列。

2.1.1 壓力值

4組試驗的真空表讀數(shù)變化曲線如圖4～7所示。采用6.5 mm內徑排水管時，初次啟動與再次啟動的真空表讀數(shù)變化曲線差別較大。初次啟動時，試驗初期出現(xiàn)短暫負壓，但無法持續(xù)，最終在7 h左右穩(wěn)定為自然滲流狀態(tài);再次啟動時，試驗全程未出現(xiàn)負壓，真空表的讀數(shù)始終為正值，表明此階段并未形成負壓排水，排水穩(wěn)定時的真空表讀數(shù)與初次啟動情況相同。原因在于：6.5 mm內徑排水管的排水能力較強，而入滲流量較小，致使管內只能形成貼壁流，無法產生虹吸作用。初次啟動出現(xiàn)短暫負壓源于試驗前透水空腔內蓄滿水，啟動后可在短時間內形成較大流量而引發(fā)虹吸作用。但后續(xù)入滲流量不足，隨著外界空氣的不斷進入，虹吸遭到破壞，形成穩(wěn)定的自然滲流。

采用4 mm內徑排水管時，初次啟動與再次啟動的真空表讀數(shù)變化趨勢相似。啟動試驗后，真空表均在短時間內顯示負壓，并迅速增大，最終達到穩(wěn)定值，從表E到表A負壓值逐漸變小。再次啟動前，土樣內沒有水分，啟動試驗后，水以自然滲流形式進入土體，因此真空表先在短時間內出現(xiàn)正值，之后迅速降低為負壓，整體變化曲線相比初次啟動時延后約2 h。4 mm內徑排水管能進行穩(wěn)定負壓排水的原因在于其具有形成段塞流的特性? [19] ，即管內氣泡和水同步運動，無論入滲流量大小，均可在充分排出管內空氣后形成持續(xù)虹吸，負壓穩(wěn)定存在。

從表2可以看出：1，3，4號試驗均有明顯負壓產生，并且在負壓持續(xù)期間，表E顯示的負壓值最大，在向上層土樣傳遞時逐漸衰減，這驗證了負壓的產生源于透水空腔的虹吸抽排作用。

為方便對比，將4組試驗的透水空腔壓力值隨時間變化情況繪成曲線，如圖8所示。

采用6.5 mm內徑的排水管初次啟動時，由于排水管的排水能力顯著大于入滲流量，透水空腔壓力值迅速降低，形成最大負壓值約-5.8 kPa。負壓的存在使土體水受到抽吸作用，加速入滲，當負壓值達到最大時流速最大。但由于粉土滲透系數(shù)小，入滲流量不足，難以形成持續(xù)滿管流，外界空氣進入排水管，虹吸遭到破壞，負壓逐漸消散。之后透水空腔壓力值穩(wěn)定在 1.9 ?kPa，此時接近自然滲流狀態(tài)。再次啟動時，透水空腔壓力值從0逐漸增大至1.9 kPa，而后達到穩(wěn)定。整個過程不再出現(xiàn)負壓，壓力穩(wěn)定值與初次啟動試驗時相近。說明在6.5 mm內徑的排水管條件下，透水空腔難以產生持續(xù)負壓，約在7h左右即達到穩(wěn)定壓力值。

采用4 mm內徑的排水管初次啟動時，透水空腔壓力值逐漸下降，產生持續(xù)負壓。在7 h左右達到最大負壓值-37.2 kPa，并保持穩(wěn)定。再次啟動時，透水空腔的壓力值從0逐漸增大，之后迅速減小為負壓，在9 h左右達到最大負壓值-37.1 kPa，并保持穩(wěn)定。

因此無論是初次啟動還是再次啟動，選用4 mm內徑排水管總能使透水空腔產生持續(xù)穩(wěn)定的負壓，負壓值大小幾乎不變。不同點在于，再次啟動前，土樣和透水空腔內沒有水，供水開始后需自然滲流一段時間，導致再次啟動的曲線出現(xiàn)約2 h的滯后。

2.1.2 排水速率

通過記錄排水重量，計算各時刻的排水速率，4組試驗的排水速率變化曲線如圖9所示。從整體看，采用4 mm內徑排水管的排水速率明顯高于6.5 mm內徑排水管。原因在于：采用6.5mm內徑排水管時，透水空腔難以形成持續(xù)負壓，無法促進滲流;而4 mm內徑排水管可促使透水空腔產生穩(wěn)定較大負壓，對土樣存在較強的抽吸作用，排水速率得到提高。從圖9可以看出：采用6.5 mm內徑排水管初次啟動試驗時，在2 h左右出現(xiàn)最大排水速率263 mL/h，這是由于此時透水空腔存在負壓，隨著負壓消散，排水速率再次下降，逐漸恢復自然滲流。

造成如上結果的原因是粉土滲透系數(shù)小，導致入滲流量 Q 較小。采用6.5 mm內徑排水管時難以形成虹吸效應。而4 mm內徑排水管具有形成穩(wěn)定彈狀流的特性? [19-20] ，即管內的穩(wěn)定氣泡直徑可以大于排水管內徑，無論流量大小，管內空氣均能與水同步運動。因此，隨著空氣不斷排出，排水管內逐漸形成穩(wěn)定的虹吸效應，透水空腔可產生較大負壓。

由此可見，采用俯傾孔負壓排水法進行粉土排水時，與砂土存在明顯不同：① 由于粉土滲透系數(shù)小，4 mm管徑試驗中，負壓達到穩(wěn)定所需時間明顯變長;② 粉土對排水管徑提出了更高要求，采用6.5 mm內徑排水管，透水空腔無法形成穩(wěn)定負壓，排水速率低下;而采用4 mm內徑排水管，透水空腔可產生穩(wěn)定較大負壓，實現(xiàn)循環(huán)性高效排水。

2.2 排水路徑對排水效果的影響

選用4 mm內徑的排水管，依次改變排水口與透水空腔高差 H、排水管傾角α、排水管揚程h ?3個因素，研究排水路徑對排水效率的影響。如表3所列，設立1個對照組a： H =4 m， α =20°， h =12.5 cm。3個實驗組：b， H =2 m， α =20°， h =12.5 cm;c， H =4 m， α =10°， h =12.5 cm;d， H =4 m， α =20°， h =25 cm。

4組試驗的真空表讀數(shù)變化趨勢與圖6相同，不再單獨列出，記錄排水穩(wěn)定時的壓力值，如表4所列。觀察發(fā)現(xiàn)，采用4 mm內徑排水管時，各種試驗工況下均能產生穩(wěn)定負壓，但負壓值大小存在差異。這證明了將負壓排水方法應用于粉土時，4 mm內徑排水管具有普適性。

為直觀對比各因子對負壓排水效果的影響，將4組試驗的排水速率和透水空腔壓力值隨時間的變化情況分別繪成曲線，如圖10，11所示。

2.2.1 高差 H 的影響

對比曲線a和b。由圖10可知：排水高差分別為4 m和2 m時，排水速率均在7 h內達到穩(wěn)定，其中4 m高差的穩(wěn)定排水速率約為1 700 mL/h，2 m高差的穩(wěn)定排水速率約為900 mL/h，明顯下降。由圖11可知，排水高差降至2 m后，透水空腔的負壓值由-42.7 kPa變?yōu)?21.3 kPa，顯著減小。這說明排水口與透水空腔的高差 H 對排水效率影響顯著。原因在于，排水高差影響了虹吸效應可形成最大負壓的大小，高差越大，則水頭差越大，透水空腔形成的負壓值越大。因此對土體水的抽吸作用越強，排水速率越快，這與砂土的負壓排水結論相同? [16] 。

2.2.2 排水管傾角 α 的影響

對比曲線a和c，由圖10可知：將 α 從20°調為10°后，穩(wěn)定排水速率約為1 400 mL/h，相比對照組a有所下降。由圖11可知：排水管傾角降為10°后，透水空腔的負壓值由-42.7 kPa降至-37.2 kPa，減幅較小。在土樣高度保持不變時，水力坡度與兩點間的水頭差成正比，而地下水的滲流速度與水力坡度成正比，因此此時的滲流速度變小。同時在排水管揚程及排水高差保持不變時，傾角變小意味著排水路徑變長，這導致水力坡度減小，排水管內流速下降。這證明排水管傾角 α 對排水速率有一定影響，傾角增大時，排水速率加快。

2.2.3 揚程 h 的影響

對比曲線a和d，由圖10可知：將揚程 h 從12.5 cm調為25 cm后，穩(wěn)定排水速率約為1 640 mL/h，比對照組的1 700 mL/h略小。由圖11可知：該階段透水空腔的負壓值穩(wěn)定在-41.3 kPa，與對照組a相比略微減小。這表明改變揚程對排水效率影響不大。d組試驗中，排水高差和排水管傾角均未改變。增大揚程意味著排水路徑變長，因此水力坡度減小，管內流速下降。在虹吸現(xiàn)象中，水中的氣泡在浮力和水流推力的作用下快速上升，在管頂形成氣泡積聚效應，導致出現(xiàn)彈狀氣泡及氣柱，產生空化現(xiàn)象，進而影響流速。梅成等? [21] 已證明：揚程越高，管頂積聚氣泡越大，虹吸流速越小。但由于此次試驗采用4 mm內徑排水管，并且揚程較低，管內空氣能順利排出，不會形成氣泡積聚，因此排水速率受揚程影響較小。

由此可見，采用4 mm內徑排水管進行粉土的俯斜孔負壓排水時，排水路徑對排水速率有一定影響。其中，排水高差的影響最大，排水高差越大時，排水速率越快;排水管傾角的影響次之，排水管傾角增大時，排水速率加快;在低揚程條件下，揚程對排水速率影響最小，揚程增大時，排水速率只會略微減小。因此，進行粉土的俯傾孔負壓排水時，應增加排水高差，增大排水管傾角，適當減小揚程，從而有效提高排水速率。

3 結 論

通過室內圓筒模型試驗，對粉土的俯傾孔負壓排水規(guī)律進行了研究，得出如下結論：

（1） 在一定條件下，負壓排水法可以實現(xiàn)粉土的高效排水，但與砂土存在不同，由于粉土滲透系數(shù)較小，負壓排水過程中負壓達到穩(wěn)定所需時間明顯變長。

（2） 4 mm內徑排水管具有形成穩(wěn)定彈狀流的特性，可充分排出管內原有空氣，在各種條件下均能實現(xiàn)粉土的負壓排水，具有循環(huán)高效性。而較大管徑如 6.5 ?mm排水管，因入滲量小，不產生滿管流誘發(fā)虹吸效應，不能形成負壓，導致排水速率反而低于4 mm內徑排水管。可見負壓排水能顯著提高排水效率。

（3） 在粉土的負壓排水試驗中，排水路徑對排水速率有一定影響。其中，排水高差的影響最大，排水高差越大時，排水速率越快;排水管傾角的影響次之，排水管傾角增大時，排水速率加快;在低揚程條件下，揚程對排水速率影響最小，揚程增大時，排水速率只會略微減小。因此，進行粉土的俯傾孔負壓排水時，應增加排水高差，增大排水管傾角，適當減小揚程，從而有效提高排水速率。

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（編輯：鄭 毅）

Experimental study on negative pressure drainage law in silty soil

HAN Xu 1，XU Haolun 1，ZHAO Jian 2，YE Hui 3，SUN Hongyue 1

（ 1.Ocean College，Zhejiang University，Zhoushan 316021，China; 2.Quzhou City Highway Authority，Quzhou 324000，China; 3.Unit 95979 of the PLA，Taian 271200，China ）

Abstract：

In order to verify the effectiveness of negative pressure drainage in silt soil，an indoor cylinder physical model test was designed.During the test，the negative pressure value and drainage volume were monitored，and the average drainage rate was calculated through the drainage volume.By using drainage pipes with different inner diameters and changing the drainage path several times，the negative pressure drainage law of silt soil was studied.The test results showed that：（1） Under certain conditions，the negative pressure drainage method can achieve efficient drainage in silt.But being different from sandy soil，due to the small permeability coefficient of silt，the stabilizing time of the negative pressure during the drainage process was significantly longer.（2） The inner diameter of the drainage pipe affected the negative pressure drainage effect.When the pipe diameter was large，such as 6.5 mm，because the infiltration volume was not enough to form a full pipe flow to induce a siphon effect，it was difficult to generate a stable negative pressure，and the drainage rate was lower than that of a 4 mm inner diameter drainage pipe，indicating that the negative pressure drainage significantly improved the drainage rate.（3） The drainage path had a certain impact on the drainage rate.By increasing the drainage height difference，increasing the inclination of the drainage pipe，and appropriately reducing the head，the drainage rate can be effectively improved.

Key words：

drainage of negative pressure;silt soil;internal diameter of drainage pipe;drainage path;drainage rate