李 懿， 黃鳳娟， 楊 柏

(1.廣州市設計院， 廣東廣州 510620； 2.西南交通大學土木工程學院， 四川成都 610031)

近年來，隨著國家大力發(fā)展洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)，該地區(qū)會遇到諸如高速公路、鐵路、深基坑、市政工程等大量軟土地基問題。南縣-益陽高速公路北段位于洞庭湖淤積平原的核心區(qū)，南段跨過南洞庭湖后向臺地展布，在其初步設計勘察階段，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砂并呈“千層糕”狀，每層粉細砂厚度大約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砂，而其存在必將對砂紋淤泥質(zhì)土的滲透特性產(chǎn)生較大影響。

圖1 砂紋淤泥質(zhì)土

土體物理力學指標包括孔隙比、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)、固結系數(shù)、粘聚力和內(nèi)摩擦角等，并且各物理力學指標間存在一定的相關性。李鏡培等[1]、劉春等[2]和李小勇等[3]通過收集物理力學指標的數(shù)據(jù)，研究了軟土土性指標的相關距離性狀以及其分布特點；陳曉平等[4]收集了珠江三角洲地區(qū)近千個試樣的結果，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)一測定土性指標的方法；尹利華等[6]通過不同試驗方法得到了天津軟土的物理力學指標，并建立了各指標間的相互關系以及概率分布模型；邵艷等[7]通過Matlab對合肥濱湖新區(qū)軟土的各物理力學指標之間的相關性進行了分析。

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

1 試驗方法

目前滲透系數(shù)的測定方法一般分為兩種，一種是通過室內(nèi)滲透試驗確定，該方法的優(yōu)點在于可較好地在定義邊界條件，但試樣易受擾動且應力釋放嚴重，試樣尺寸小導致土體的非均質(zhì)性無法完全體現(xiàn)；另一種方法是現(xiàn)場原位測試，可以較真實的反映土體的宏微觀結構，但試驗時邊界條件又不太好控制。因此，本文針對洞庭湖砂紋淤泥質(zhì)土的滲透特性，分別對其進行室內(nèi)滲透試驗、孔壓靜力觸探和現(xiàn)場注水試驗，研究不同試驗方法間滲透系數(shù)的相關性。

1.1 試驗對象

本次試驗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性質(zhì)列于表1。

表1 砂紋淤泥質(zhì)土物理力學性質(zhì)

1.2 試驗方案

1.2.1 現(xiàn)場鉆孔降水頭注水試驗

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(圖2)，其主要設備是秒表、栓塞、水泵和電測水位計(圖3)。采用式(1)計算試驗土層的滲透系數(shù)：

(1)

式中：H1為在時間t1時的試驗水頭(cm)；H2為在時間t2時的試驗水頭(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

圖3 電測水位計

1.2.2 孔壓靜力觸探和室內(nèi)滲透試驗

在孔壓靜力觸探(圖4)貫入停止時，探頭可以量測到超孔隙水壓力的消散過程，通過分析超孔隙水壓力隨時間的變化規(guī)律，估算砂紋淤泥質(zhì)土的滲透特性。根據(jù)孔壓靜力觸探試驗結果，采用經(jīng)驗公式計算砂紋淤泥質(zhì)土的水平滲透系數(shù)kH：

kH=(251t50)-1.25

(2)

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

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

(3)

(4)

式中：kT為水溫T ℃時，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為開始時水頭(cm)；h2為終止時水頭(cm)；A為試樣斷面積(cm2)；t為時間(s)；2.3為ln與lg的換算系數(shù)；ηT為T ℃時，水的動力粘滯系數(shù)(kPa·s(10-6))；η20為20 ℃ 時，水的動力粘滯系數(shù)(kPa·s(10-6))。

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

圖4 孔壓靜力觸探試驗

圖5 室內(nèi)滲透試驗

2 試驗結果分析

從表2中可以看出，現(xiàn)場注水試驗得到的滲透系數(shù)最大，數(shù)量級集中于10-3～10-4cm/s之間，平均值為1.618×10-3cm/s；孔壓靜力觸探測定的kH值變化較大，從7.85×10-7cm/s～2.699×10-5cm/s，相差了兩個數(shù)量級，其平均值為9.908×10-6cm/s，可能是由于采用了經(jīng)驗公式進行計算，造成了計算結果產(chǎn)生較大偏差。通過室內(nèi)滲透試驗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)相對偏小，僅為3.352×10-7cm/s，而水平滲透系數(shù)的結果與孔壓靜力觸探相近，平均值為1.213×10-5cm/s，但其變化沒有孔壓靜力觸探結果離散。這是因為室內(nèi)試驗較好地定義了邊界條件，使計算結果更加平均，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)土和粉細砂，直接導致了kV和kH之間的差異。

通過對三種試驗方法所求得的滲透系數(shù)進行相關性分析，統(tǒng)計分析的結果見圖6，孔壓靜力觸探、室內(nèi)水平向和垂直向滲透試驗與現(xiàn)場注水試驗的回歸方程分別為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。從分析結果可知，大部分參數(shù)之間擬合程度較高，但室內(nèi)試驗得到的kH值與現(xiàn)場注水試驗和孔壓靜力觸探求取的滲透系數(shù)擬合程度并不高，在使用時應增加更多數(shù)據(jù)對公式進行補充和完善，以期達到通過室內(nèi)滲透試驗即可得到原位土體的滲透系數(shù)。

3 結論

本文通過孔壓靜力觸探、室內(nèi)滲透試驗和現(xiàn)場注水試驗等試驗手段，研究了砂紋淤泥質(zhì)土不同試驗方法間滲透特性的相關性，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)土不同試驗方法間滲透系數(shù)的經(jīng)驗回歸方程。

(2)通過分析可知，現(xiàn)場原位測試得到的結果比室內(nèi)試驗更準確，同時也更節(jié)省時間，但是成本更高。

(3)建議可先進行室內(nèi)試驗，再采用經(jīng)驗公式分析論證原位土體的滲透系數(shù)，但該經(jīng)驗公式具有明顯地域特點，如在其他地方應用需進一步積累資料，并進行相關驗證使之優(yōu)化。