楊 俊,嚴(yán)耿升,胡向陽(yáng),趙 成,韋 佳
(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西 西安 710000)
黃土沉積過(guò)程中特殊的形成環(huán)境(干旱和半干旱的氣候條件)和物質(zhì)成分(以粉粒為主,含量一般在60%以上)形成了其欠壓密、多孔隙、弱膠結(jié)的結(jié)構(gòu)特征和特殊的工程性質(zhì)(水敏性、大孔性、結(jié)構(gòu)性等)[1-3],這種結(jié)構(gòu)使得黃土在一定壓力作用下下沉穩(wěn)定后,受水浸濕結(jié)構(gòu)迅速破壞并產(chǎn)生顯著附加下沉的性質(zhì)稱為濕陷性,是其最典型的特殊工程性質(zhì)之一[4]。濕陷變形是一種下沉量大、下沉速率快的失穩(wěn)變形,對(duì)于建筑物危害很大。而土具有的被水透過(guò)的性能稱為土的滲透性,其通常用滲透系數(shù)表征,土的滲透性是土的主要工程性質(zhì)之一。水在土體中滲透會(huì)引起土體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的變化,從而改變建筑物或地基的穩(wěn)定條件。人們對(duì)土滲流問(wèn)題的研究歷史久遠(yuǎn),以達(dá)西定律為基礎(chǔ)的滲流理論,經(jīng)過(guò)不斷的完善和發(fā)展,形成了現(xiàn)在的滲流力學(xué)。
黃土的濕陷性和滲透性相互影響,黃土濕陷就是由于水的滲透浸潤(rùn)引起的,而滲透特性又直接決定著濕陷的發(fā)生和發(fā)展,因此,滲透性與濕陷性是一個(gè)統(tǒng)一過(guò)程的兩個(gè)部分[5-7]。為此,我們有必要對(duì)濕陷性黃土的滲透特性進(jìn)行研究,從而給土工建筑物或地基的勘察、設(shè)計(jì)及施工提供必要的資料。
大量學(xué)者在進(jìn)行濕陷性黃土的滲透特性研究時(shí),采用了不同的試驗(yàn)方法[8-13],但大部分都是基于一種試驗(yàn)方法進(jìn)行研究,未能進(jìn)行不同試驗(yàn)方法的對(duì)比研究[14],基于此,本次采用不同的試驗(yàn)方法對(duì)黃土滲透特性進(jìn)行了研究,得出適用于濕陷性黃土滲透特性的試驗(yàn)方法,具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。
本次研究以關(guān)中平原渭河南岸濕陷性黃土研究為主,試驗(yàn)區(qū)的工程地質(zhì)概況如下。
1.1.1 地形地貌
關(guān)中平原位于黃河流域中部,渭河橫貫關(guān)中平原,由西向東匯入黃河,渭河河槽地勢(shì)低緩,海拔322~600 m,渭河南北兩側(cè)地勢(shì)由一二級(jí)河流階地到高出渭河200~500 m的一級(jí)或二級(jí)黃土臺(tái)塬,呈不對(duì)稱階梯狀增高。由南向北地貌單元均為流水地貌形成的低海拔平原,主要有山前洪積扇、傾斜的洪積平原(F11Eb)和沖洪積平原(F11Db),由南向北地勢(shì)總體由高降低。
1.1.2 地層巖性
關(guān)中平原的濕陷性黃土,主要分為黃土狀土和黃土。其中黃土狀土(Q4al)以粉粒為主,呈灰黃色,大孔隙發(fā)育,具濕陷性,主要分布于一級(jí)階地上。黃土又包括自早更新世(Q1eol)到晚更新世(Q3eol)各個(gè)時(shí)期的黃土,但由于早更新世(Q1eol)黃土和中更新世早期(Q21eol)黃土埋藏較深,一般地基涉及的黃土主要為中更新世晚期(Q22eol)黃土和晚更新世(Q3eol)黃土。晚更新世(Q3eol)黃土呈黃褐色,大孔發(fā)育,土質(zhì)疏松,具有濕陷性。底部古土壤呈棕褐色,塊狀結(jié)構(gòu),富含白色,鈣質(zhì)粉末、鈣質(zhì)結(jié)核,見(jiàn)鐵錳黑色斑點(diǎn)。中更新世晚期(Q22eol)黃土呈褐黃色,孔隙不發(fā)育,局部頂層有輕微濕陷性,上部夾有四層棕色古土壤。
1.1.3 水文地質(zhì)特征
關(guān)中平原渭河以南地下水潛水埋深具有由南向北變小的規(guī)律,西安市南部郊區(qū)、長(zhǎng)安縣一帶水位埋深一般大于20 m,西安市北郊,尤其是接近渭河的一級(jí)階地及河漫灘地帶,地下水位小于5 m,西安市城區(qū)及周邊,地下水埋深為5~20 m。潛水的補(bǔ)給有大氣降水、地表水滲入、承壓水的頂托補(bǔ)給及區(qū)外逕流補(bǔ)給等。潛水流向與地形總體坡度一致,主要流向北北西,近渭河處向北東方向偏轉(zhuǎn)。金華路以東地下水向北東流向浐河。潛水排泄方式主要為逕流排泄、人工開(kāi)采、潛水越流排泄及蒸發(fā)消耗等。
1.2.1 室內(nèi)變水頭滲透試驗(yàn)
目前室內(nèi)進(jìn)行的滲透試驗(yàn)有常規(guī)滲透試驗(yàn)和三軸滲透試驗(yàn),本次研究采用了常規(guī)滲透試驗(yàn)進(jìn)行黃土的滲透特性研究。室內(nèi)滲透系數(shù)測(cè)試過(guò)程中,首先需要對(duì)試樣進(jìn)行飽和,即測(cè)得的滲透系數(shù)為飽和滲透系數(shù)。關(guān)中平原黃土以粉質(zhì)黏土為主,故采用變水頭滲透試驗(yàn)。
變水頭滲透試驗(yàn)的試驗(yàn)原理符合達(dá)西定律,其推導(dǎo)出變水頭滲透試驗(yàn)的滲透系數(shù)計(jì)算公式如下:
(1)
式中:a為變水頭管界面劑(cm2);A為試樣斷面積(cm2);t為時(shí)間(s);L為滲徑(cm),等于試樣高度;H1為開(kāi)始時(shí)水頭(cm);H2為終止時(shí)水頭(cm)。
1.2.2 雙環(huán)滲透試驗(yàn)
試坑滲透試驗(yàn),為一種原位測(cè)試滲透系數(shù)的試驗(yàn),通過(guò)該方法獲得的是土體的非飽和滲透參數(shù)。試坑滲透試驗(yàn)方法有雙環(huán)法和單環(huán)法,砂土及粉土宜用單環(huán)法,黏性土宜用雙環(huán)法。關(guān)中平原黃土以粉質(zhì)黏土為主,故采用雙環(huán)注水試驗(yàn)。雙環(huán)注水試驗(yàn)的基本原理是利用內(nèi)環(huán)滲水模擬垂向一維滲流來(lái)測(cè)試地層垂向滲透系數(shù)[15]。雙環(huán)法滲透試驗(yàn)的滲透系數(shù)計(jì)算公式如下:
(2)
式中:Q為滲透水量(cm3),雙環(huán)法為內(nèi)環(huán)滲透水量;t為時(shí)間(s);Ah為鐵環(huán)面積(cm2),雙環(huán)法為內(nèi)環(huán)面積;Hy1為試驗(yàn)時(shí)水的人滲深度(cm);Hy2為貯水坑中水的深度(cm);Hy3為相當(dāng)于作用毛細(xì)管力的水柱高度(cm),查表獲取。
在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)隨機(jī)采取了45組試樣,進(jìn)行了室內(nèi)變水頭滲透性試驗(yàn),獲取了基本物理參數(shù)及滲透系數(shù),如表1所示。
依據(jù)試驗(yàn)資料,對(duì)各類基本物理參數(shù)對(duì)黃土滲透性的影響進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合及評(píng)述:
2.1.1 干密度
圖1 干密度對(duì)滲透系數(shù)的影響
擬合公式:
k=-0.103×ρd2+0.129×ρd+0.081
方差(SSE): 0.016 64
確定系數(shù)(R-square): 0.491 3
校正后確定系數(shù)(Adjusted R-square): 0.465 2
標(biāo)準(zhǔn)差(RMSE): 0.020 66
由圖1可知,在干密度較大時(shí),數(shù)據(jù)較為集中,曲線擬合較好,在干密度較小時(shí),滲透系數(shù)較為分散,主要原因?yàn)橥馏w受到一定擾動(dòng)。依據(jù)擬合曲線,整體影響趨勢(shì)為隨著干密度的增大,密實(shí)度增加,空隙減少,滲透系數(shù)隨之減小。
2.1.2 孔隙比
圖2 孔隙比對(duì)滲透系數(shù)的影響
圖3 初始飽和度對(duì)滲透系數(shù)的影響
擬合公式:k=-0.076×e2+0.272×e-0.127
方差(SSE): 0.016 82
確定系數(shù)(R-square): 0.485 9
校正后確定系數(shù)(Adjusted R-square): 0.459 5
標(biāo)準(zhǔn)差(RMSE): 0.020 77
由圖2可知,在孔隙比較小時(shí),數(shù)據(jù)較為集中,曲線擬合較好,孔隙比較大時(shí),數(shù)據(jù)較為離散,因?yàn)閿_動(dòng)的影響,孔隙增大,土體的滲透狀態(tài)發(fā)生了變化。依據(jù)擬合曲線,整體影響趨勢(shì)為隨著孔隙比的增大,密實(shí)度減小,滲透系數(shù)隨之增大。由于水只能通過(guò)為水所充填的孔隙空間流動(dòng),所以充水孔隙的比例是影響滲透性的重要因素。
表1 室內(nèi)試驗(yàn)成果表
2.1.3 初始飽和度
擬合公式:k=-0.001×sr+0.103
方差(SSE): 0.023 35
確定系數(shù)(R-square): 0.286 2
校正后確定系數(shù)(Adjusted R-square):0.268 4
標(biāo)準(zhǔn)差(RMSE): 0.024 16
由圖3可知,整體數(shù)據(jù)較為離散,曲線擬合較差,初始飽和度與滲透系數(shù)的相關(guān)性較差。依據(jù)擬合曲線,隨著初始飽和度的增大,滲透系數(shù)減小,主要原因?yàn)樵谠囼?yàn)過(guò)程中,飽和度較低的土體未能完全飽和,整個(gè)過(guò)程中伴隨著土體的吸水,飽和度較高時(shí),且存在游離氣泡,引起飽和度較低的土反而滲透系數(shù)減大。
2.1.4 初始含水率
圖4 初始含水率對(duì)滲透系數(shù)的影響
擬合公式:k=0.001×w2-0.029×w+0.342
方差(SSE):0.028 44
確定系數(shù)(R-square): 0.130 6
校正后確定系數(shù)(Adjusted R-square): 0.085 98
標(biāo)準(zhǔn)差(RMSE): 0.027 01
由圖4可知,整體數(shù)據(jù)較為離散,曲線擬合較差,初始含水率與滲透系數(shù)的相關(guān)性較差。依據(jù)擬合曲線,隨著初始含水率的增大,滲透系數(shù)先減小后增大,滲透系數(shù)最小點(diǎn)對(duì)應(yīng)含水率接近土體塑限,亦即初始含水率接近土體塑限時(shí),滲透系數(shù)最小。
在試驗(yàn)區(qū)范圍內(nèi),開(kāi)展了三組雙環(huán)滲透試驗(yàn),試驗(yàn)成果見(jiàn)表2,Q-t曲線如圖5~圖7所示。
表2 雙環(huán)滲透試驗(yàn)成果表
圖5 雙環(huán)滲透試驗(yàn)1 Q-t曲線
根據(jù)試驗(yàn)的Q-t曲線可知,雙環(huán)滲透曲線整體趨勢(shì)表現(xiàn)為在起初的幾十分鐘內(nèi)平均滲透流量都呈現(xiàn)驟減趨勢(shì),在降到一定程度后,出現(xiàn)一個(gè)短暫的穩(wěn)定平臺(tái),而后逐漸趨于穩(wěn)定,在曲線的末端滲透穩(wěn)定后,即可得到非飽和滲透系數(shù)[15]。因此,雙環(huán)滲透試驗(yàn)的滲流過(guò)程可以分為三個(gè)階段:
2.2.1 驟降階段
該階段滲流曲線呈現(xiàn)驟降趨勢(shì),其主要原因是非飽和黃土的吸水、大孔隙的及節(jié)理的填充,這個(gè)過(guò)程中水消耗量較大且時(shí)間較快,孔隙中的氣體逐漸形成氣泡。
2.2.2 暫時(shí)穩(wěn)定階段
該階段滲流曲線逐漸平緩,呈現(xiàn)一個(gè)短暫的平臺(tái),其主要原因是隨著水的不斷下滲,孔隙中的水壓力不斷增加,迫使孔隙中的氣泡被排出,孔隙逐漸被水充滿,這個(gè)過(guò)程較為短暫。
2.2.3 穩(wěn)定滲流階段
該階段滲流曲線平緩,滲透流量趨于穩(wěn)定,持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)且滲流量基本不變,此階段的滲透流量即可反應(yīng)黃土的非飽和滲透性能。
圖6 雙環(huán)滲透試驗(yàn)2 Q-t曲線
圖7 雙環(huán)滲透試驗(yàn)3 Q-t曲線
(1)室內(nèi)變水頭滲透試驗(yàn)測(cè)得的滲透系數(shù)為飽和滲透系數(shù),其沒(méi)有考慮圍壓的影響,土從原位取出后有一個(gè)應(yīng)力釋放過(guò)程,未能真實(shí)的反應(yīng)土的滲透能力。雙環(huán)法現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)得的滲透系數(shù)為非飽和滲透系數(shù),其滲流過(guò)程可以分為三個(gè)階段。在實(shí)際工程中,土體很難達(dá)到實(shí)驗(yàn)室的完全飽和狀態(tài),所以非飽和滲透系數(shù)更能反映土體的性質(zhì)。
(2)對(duì)比室內(nèi)變水頭滲透試驗(yàn)跟雙環(huán)法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果,發(fā)現(xiàn)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得的滲透系數(shù)偏小,原因主要是在取樣過(guò)程中或多或少對(duì)土體結(jié)構(gòu)造成了擾動(dòng),導(dǎo)致孔隙比、密實(shí)度變化,原有孔隙及裂隙發(fā)生了變化甚,滲流通道被堵塞。而且現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)空間尺度更大,更能體現(xiàn)原狀土的結(jié)構(gòu)特征,代表性更強(qiáng)。
根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)黃土特性對(duì)滲透性有很大的影響,其影響主要有:
2.4.1 黃土結(jié)構(gòu)的影響
滲透主要發(fā)生在土的孔隙中,濕陷性黃土浸水后,在固結(jié)壓力及土水共同作用下,其原狀大孔隙結(jié)構(gòu)迅速破壞而發(fā)生濕陷,土中孔隙的大小與數(shù)量等均發(fā)生變化,土顆粒重新排列而形成新的密實(shí)結(jié)構(gòu),孔隙的連通性變差,土體變得致密,從而使得土體的滲透性降低。
2.4.2 黃土構(gòu)造的影響
黃土節(jié)理在黃土層中發(fā)育極為普遍,特別是垂直節(jié)理更為普遍,構(gòu)成黃土的主要特征之一。這些節(jié)理是黃土區(qū)地下水運(yùn)移的主要通道,也是滲流的優(yōu)勢(shì)通道,由于這些節(jié)理的存在,將導(dǎo)致滲透性能激增。
2.4.3 黃土成分的影響
濕陷性黃土中土顆粒由膠結(jié)物粘著在一起,膠結(jié)物附著于土顆粒表面或存在于土顆粒之間,而膠結(jié)物的主要成分為粘土礦物和鹽分,隨著水的入滲造成膠結(jié)物中的中溶鹽(如二水硫酸鈣)、易溶鹽(如碳酸鹽、重碳酸鹽、硫酸鹽、氯化物等)以及可溶性膠結(jié)物的溶解,在固結(jié)壓力和土水共同作用下,導(dǎo)致土骨架潰散,土體結(jié)構(gòu)破壞,顆粒排列變密實(shí),孔隙連通性降低,滲透性能變差。
綜上可見(jiàn),土的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造以及土體成分是影響黃土滲透性的重要因素,三者之間的共同作用使得濕陷后土體結(jié)構(gòu)遭到破壞,顆粒排列變得密實(shí),孔隙連通性降低,從而滲透性能變差。此外,由于黃土形成原因?qū)е铝似涿黠@的各向異性,豎直向滲透系數(shù)往往大于水平向滲透系數(shù),隨著濕陷的發(fā)生,其差異逐漸減小。
(1)黃土的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造以及土體成分是影響黃土滲透性的重要因素,黃土濕陷后,滲透系數(shù)明顯變小。
(2)土體的干密度和孔隙比對(duì)土體的滲透系數(shù)影響較大,相關(guān)性較高,隨著干密度的增大及孔隙比的減小,滲透系數(shù)減小。
(3)土體的初始飽和度和初始含水率對(duì)土體的滲透系數(shù)也有一定影響,但相關(guān)性較低,隨著初始飽和度的增大,滲透系數(shù)減小,初始含水率達(dá)到土體塑限時(shí),滲透系數(shù)最小。
(4)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得的滲透系數(shù)為飽和滲透系數(shù),雙環(huán)法現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)得的滲透系數(shù)為非飽和滲透系數(shù),室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得的滲透系數(shù)偏小,雙環(huán)法現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)更貼近工程實(shí)際。在實(shí)際工程中,滲透系數(shù)建議通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)滲透試驗(yàn)獲取。