地下水位升降過程中的黏土地基孔壓變化試驗研究

唐逸凡,焦艷梅,劉新原,齊大洪,宋林輝

(1. 南京工業大學 數理科學學院,江蘇 南京 211800;2. 徐州地鐵集團有限公司,江蘇 徐州 221000)

城市地下工程近年來得到大規模的發展,地下結構抗浮是工程設計中的一個重要課題,尤其是在頻發的極端暴雨條件下,突增水位對已建地下結構的抗浮帶來嚴峻挑戰[1]。浮力大小主要取決于基底孔壓,已有模型試驗顯示,砂土層中的基底孔壓等于理論水壓強,其浮力可按阿基米德理論公式計算[2],而黏土層中的基底孔壓則比較難確定,爭議較大[3-4],研究表明:其相比理論水壓強,存在明顯的折減和滯后[5-6]。實際上,砂土層和黏土層中孔壓的差異主要體現在對孔壓的傳遞上[7],砂土中的孔壓與水壓類似,可瞬間聲速傳遞,而黏土方面,倪春海等[8]在黏土層頂部,陸啟賢等[9]在黏土層側面施加水壓探討孔壓傳遞規律,均發現黏土中的孔壓傳遞比較慢。另外,有學者專門研究了外界條件變化下的孔壓響應,Abdollahi等[10]基于滲流-變形耦合模型對海嘯荷載下的地基土進行數值模擬,發現土體中的孔壓受海嘯高度和持續時間的綜合影響。Wang等[11]對未擾動軟黏土進行主應力軸旋轉試驗,發現孔壓積累隨主應力的旋轉而波動。Di Miao等[12]通過對斜坡孔壓監測發現,降雨是造成邊坡深層孔隙水壓力變化的主要因素之一。Wang等[13]在非均質邊坡穩定性研究中也發現孔壓會隨著降雨強度的增大而上漲,從而導致邊坡穩定性降低。Huang等[14]發現,結構化土體中孔壓的變化對于施加的應力大小更為敏感。Wang等[15]在分析三峽水庫舒坪滑坡事件時發現,滑坡體內部孔壓和水庫水位的波動一致,但具有明顯的滯后性。應宏偉等[16-17]推導半解析解,分析地下水位波動下基坑周圍地基土的孔壓響應及對擋墻穩定性的影響。Jin等[18]采用離心模型試驗,研究了土石壩中的孔壓和位移在水位波動下的特性。上述文獻關注的主要是土體超靜孔壓的消散過程,孔壓的變化還受土層的滲流和滲透系數的影響[19],章麗莎[20]分析地下水位變化對地基及基坑滲流特性的影響。宋林輝等[21]通過試驗發現:在自上而下的水壓作用下,土體的滲透系數會減小,并引起孔壓消散滯后時間延長。綜上所述,現有研究主要是關注靜止水位下的基底孔壓大小和水位變化下的超靜孔壓消散問題,水位變化后的孔壓傳遞過程和基底孔壓變化有待研究。

1 試驗方案

1.1 試驗思路

針對季節性豐枯水期和暴雨導致的地下水位升降條件下地下結構基底黏土層中的孔壓變化規律,開展試驗研究,研究思路如圖1所示。由圖1可知:選取地下水位下一定深度處的分析單元,先施加固結壓力和水壓以恢復其現場自重應力狀態,再變化水壓大小以模擬水位上升、回落和下降,同時監測黏土層中不同位置處的孔壓,從而得出孔壓變化規律。

圖1 研究思路Fig.1 Conceptual framework

1.2 試驗工況

參照不同深度土體所處應力狀態,設置3組固結壓力和初始水壓(分別模擬地下10、20、30 m處土體的應力),制定試驗加載方案(表1)。

表1 試驗加載方案

由表1可知:一共進行3組試驗(T1、T2、T3),每組試驗在初始水壓G0基礎上按20%的幅度增減水壓大小,以模擬水位上升、回落、下降3種工況(G1、G2、G3)。

1.3 試驗土體

試驗用土取自某基坑坑底,勘察報告顯示,土體為黃色黏土,將其運至實驗室,晾干、粉碎、過1 mm 篩后,進行液塑限指標試驗,得到的物理參數如表2所示。由表2可知:試驗土體為低液限黏土。

表2 土體物理參數

1.4 試驗設備

依據試驗要求,研制了一套剛性壁固結滲透裝置,包括滲透測試筒、固結壓力施加杠桿、水壓施加設備和數據采集系統,其中的滲透測試筒是關鍵部件(圖2)。由圖2可知:滲透測試筒由鋼底座、有機玻璃滲流筒和鋼蓋板組成,三者相互之間采用橡膠墊和螺栓連接,可裝配形成密閉腔體。鋼底座側邊留有帶測壓孔的進水孔A,以便從底部施加確定的水壓。筒體總高60 cm、內徑20 cm,筒體側壁沿高度方向每隔10 cm均勻設置了5個測壓孔(孔內設有透水石),測壓孔通過細管與孔壓傳感器相連,并利用電腦自動采集數據。鋼蓋板中間設有加壓桿套,加壓桿通過桿套穿過蓋板傳遞杠桿荷載給試樣施加固結壓力,加壓桿上加裝了位移測試板,用于放置位移計;蓋板上另設2個孔道,一個是帶水壓表的排泄孔,用來排氣排水,另一個是進水孔B,用于試驗前的注水;2個進水孔和1個排泄孔均設有閥門,可按需開啟和關閉。

圖2 滲透測試筒(cm)Fig.2 Container of penetration test (cm)

水壓是由氣泵經密閉罐施加的,密閉罐是帶氣囊的,將內部空間分成氣室和水室,其中氣室的進氣口接氣泵,水室的出水口接滲流筒鋼底座上的進水孔A,氣泵加壓后,氣室的壓力傳遞到水室實現加壓,且可避免氣體混入水中。

孔壓計采用的是杭州美控自動化技術有限公司生產的進口擴散硅水壓傳感器,量程0～0.6 MPa、綜合精度0.25級。試驗前,通過將滲透測試筒(圖2)注滿水后打倒平放,按50 kPa增幅逐級施加水壓至500 kPa,一次性對6個孔壓計進行標定,并依據標定線挑選孔壓計,最后安裝使用的孔壓計標定數據線性良好,精度在0.5 kPa以內。另外,筒頂備用的水壓表采用的是上海自動化儀表四廠生產的YB-150A型精密壓力表,量程0～1.0 MPa、精度0.40級。

1.5 試驗步驟

參照試驗工況,每組試驗可分為7個步驟。

① 準備工作:組裝試驗裝置并進行密封性檢測,確保試驗過程中不漏水;同時,將粉碎過篩后的黏土放入飽和桶中抽氣飽和,時間不少于24 h。

② 防滲漏處理:在滲流測試筒內壁涂抹一層凡士林,其中接孔壓計的孔口處及往上5 cm區域在抹凡士林前貼上1 cm寬的紙膠帶,抹好凡士林后再撕掉,這樣既可避免筒壁與土體界面間的滲漏,又能避免凡士林堵住孔口。

③ 土體填筑:將飽和好的黏土分層填入滲流筒內,并打開側壁的測壓孔和底座的進水孔A,靜置10 h以上,以使土體在自重下排水固結。為保證土樣的均質性,除了前述過1 mm篩網和抽氣飽和24 h以上外,還通過使用透明筒體直接觀察分層填入土體的狀態,并在完成填土后,將滲流測試筒置于高頻底幅振動臺上振動約5 min,振后土體呈黏糊狀。

④ 加壓固結:將筒內上層的浮漿移除,填入厚約5 cm用于找平的砂層,通過杠桿逐級施加荷載直至達到表1中每組試驗所要求的固結壓力,且在該固結壓力下土體的沉降穩定,即變形小于0.01 mm/h。

⑤ 施加水壓:用注滿水的高壓水管將筒壁測壓孔與孔壓傳感器連接,進水孔B與水桶連接,然后從排泄孔中抽氣,水在負壓下流入筒上部,保證無氣泡,注滿后關閉排泄孔和進水孔B。再由進水孔A從試樣底部施加初始水壓,靜置2 d以上,以形成土體所處的自重應力狀態,裝置照片如圖3所示。

圖3 試驗裝置照片Fig.3 Photo of experimental setup

⑥ 變化水壓:開啟數據采集系統,采集每組試驗中各測點的初始孔壓,并設置數據采集間隔為0.05 h;然后按表1增減水壓,以模擬水位上升、回落、下降3種工況,每種工況下,各測點孔壓均需達到穩定狀態,穩定狀態的判斷標準是每小時的孔壓變化小于該組試驗初始水壓(pw0)的0.3%,每組試驗的時間不少于48 h。試驗結束后,將對試樣取樣進行常規土工試驗,表3為每組試樣的物理參數。

表3 每組試樣的物理參數

⑦ 數據處理與分析:運用采集的數據對比各測點的孔壓和變化規律,并與理論值對比。

2 孔壓測試結果

依據試驗步驟①—⑤,可完成3種應力狀態試樣的制作,并得到初始孔壓;再依據試驗步驟⑥,分別增大和減小3組試樣上所施加的水壓大小,可得到水位上升、回落和下降3種工況下土層中的孔壓變化情況,現按工況逐個討論。

2.1 理論孔壓與初始孔壓

前述不同固結壓力和水壓下的組合共形成9種試驗工況,為便于后期的對比分析,現將9種試驗工況下各測點在靜水壓狀態下的理論孔壓列于表4中。

表4 不同試驗工況下的理論孔壓

施加固結壓力和初始水壓并沉降穩定后,3個試樣各點的初始孔壓如表5所示。

表5 初始孔壓

2.2 水位上升時的孔壓變化

先對3組試樣施加增量水壓以模擬G1水位上升工況,該工況下各測點的孔壓變化如圖4所示。由圖4可見:1#測點的水壓瞬間增大到設定大小,試驗過程中有因補充壓力而出現的微小波動;位于試樣中的2#～5#這4個測點的孔壓變化響應是從2#測點逐個傳遞至5#測點的,2#測點距離1#測點最近,5#測點距離1#測點最遠,表明增加的孔壓在黏土中傳遞需要時間,存在滯后效應。6#測點基本與5#測點變化同步,因為6#測點位于水中,說明孔壓在水中的傳遞很快,無滯后。

圖4 水位上升時(G1)各測點孔壓隨時間的變化Fig.4 Variation of pore pressure with time at each measuring point under rising water level (G1)

孔壓的變化都經歷了由陡增到緩增的過程,不同試樣的孔壓在15 h內都將達到穩定狀態,且可得到各點的上升穩定孔壓。另外,不同試樣孔壓進入穩定狀態的時長隨固結壓力的增大而增大,因為固結壓力越大,土體越密實,滲透系數越小,達到滲流穩定所需的時間就越長。為直觀對比,將上升穩定孔壓和試驗結束孔壓除以表4中對應試驗工況的理論孔壓,可得孔壓比,并沿測點位置高度繪制成圖5。由圖5可見:試樣中下部的孔壓比在0.98以上,與理論值很接近,試樣上部的最小孔壓比約為0.92?？讐罕葘嶋H是孔壓的折減系數,即水位上升過程中,穩定孔壓達到了理論值的92%以上,在后續30多個小時中,各點孔壓緩慢增大,但增量很小,最小孔壓比增至0.95左右,即孔壓的折減量在5%以內。

圖5 水位上升工況下的孔壓比Fig.5 Ratio of pore water pressure under rising water level

2.3 水位回落時的孔壓變化

將施加在試樣上的增量水壓卸除,降至初始水壓大小以模擬G2水位回落工況,則該工況下各測點的孔壓變化如圖6所示。由圖6可見:1#測點水壓瞬間回落到設定大小,其余各點的孔壓變化均經歷了由陡降到緩降的過程。對于6#測點的孔壓,在T1-G2工況下大于5#測點的孔壓、在T2-G2工況下大于4#和5#測點的孔壓、在T3-G2工況下大于3#、4#、5#測點的孔壓,表明有水壓滯留在滲流測試筒上部,且固結壓力越大,滯留的壓力越大,表明弱透水性土中的滲流存在滯后現象。

圖6 水位回落時(G2)各測點孔壓隨時間的變化Fig.6 Variation of pore pressure with time at each measuring point under falling water level (G2)

當水位回落時,不同試樣的孔壓在11 h內都將達到穩定狀態,且可得到各點的回落穩定孔壓,將回落穩定孔壓做與前述相同的處理,可得到水位回落工況下的孔壓比(圖7)。由圖7可見:水位回落過程中的孔壓達到穩定時,各點的孔壓比在0.98以上,即孔壓為理論值的98%,特別是6#測點的孔壓還略大于理論值,后續測試時間內孔壓比呈減小趨勢,最小孔壓比降至0.96左右,即孔壓的折減量在4%以內,其大小與G1工況很接近。

圖7 水位回落工況下的孔壓比Fig.7 Ratio of pore water pressure under falling water level

值得強調的是,G1工況的孔壓折減量隨時間的延長而減小,到試驗結束時減至5%;而G2工況的孔壓折減量隨時間的延長而增大,到試驗結束時增至4%。兩者的變化趨勢剛好相反,假若試驗時間無限長,兩者將達到一個相同值,在此可取平均值4.5%。

2.4 水位下降時的孔壓變化

繼續將施加在試樣上的水壓降低0.2pw0,以進行水位下降工況(G3)試驗,則該工況下各測點的孔壓變化如圖8所示。由圖8可見:孔壓整體變化趨勢與水位回落相同,但水位下降時,孔壓達到穩定狀態的時間比水位回落時稍長,這是因為施加的水壓降低,水力梯度減小,相同滲流量的滲流時間延長。

圖8 水位下降時(G3)各測點孔壓隨時間的變化Fig.8 Variation of pore pressure with time at each measuring point under declining water level (G3)

水位下降時,不同試樣的孔壓在15 h內都將達到穩定狀態,且可得到各點的下降穩定孔壓,將下降穩定孔壓做與前述相同的處理,可得到水位下降工況下的孔壓比(圖9)。由圖9可見:水位下降過程中,各點孔壓在達到穩定時的大小非常接近理論值,孔壓比在0.97以上,即孔壓為理論值的97%,且6#測點的水壓因滯留在筒上部,超出靜水壓理論值。在后續過程中,各點孔壓僅有微小減幅,最終的孔壓比在0.96以上,即孔壓折減量在4%以內,與G2工況相同。

圖9 水位下降工況下的孔壓比Fig.9 Ratio of pore water pressure under declining water level

3 孔壓變化影響因素分析

上述測試數據表明不管是水位上升、回落還是下降,土體內的孔壓變化響應都較快,且48 h后與理論值相差4%～5%?？讐鹤兓菨B流和水壓傳遞的表現,主要受施加在土體上的固結壓力和水壓的影響,其中固結壓力是壓密土體、減小滲流通道、減緩孔壓變化響應的,而水壓是提高水力梯度、增大滲流驅動力、加快孔壓變化響應的,前述不同工況下的孔壓變化響應是兩者綜合作用下的表現。

另外,水壓施加歷史亦對孔壓變化響應有較大影響,比如G0初始工況和G2水位回落工況下的固結壓力和施加的水壓完全相同。圖10為按前述方法處理得到的G0和G2工況下的孔壓比。由圖10可見:水位回落后,各測點的孔壓比更趨向1,即更接近理論值,原因是試樣之前經歷了水位上升工況,施加過較大水壓,打開了更多的滲流通道,增量水壓卸除后,部分流道依舊保持流通狀態,使得滲流更充分、孔壓變化響應更快速。

圖10 G2和G0工況下的孔壓比Fig.10 Ratio of pore water pressure in the cases of G2 and G0

變化水壓會在試樣中形成水頭差和水力梯度,從而驅動滲流,現具體分析水力梯度對孔壓變化的影響,示意圖如圖11所示。

圖11 作用在試樣上的水頭示意圖(cm) Fig.11 Schematic diagram of water head acting on the sample (cm)

由圖11可知:在G1水位上升工況下,試樣底部的總水頭(hb)高于頂部的總水頭(ht),形成向上的滲流,其水力梯度(i1)為

(1)

式中:pwb和pwt分別為試樣底部和頂部水壓,zb和zt分別為試樣底部和頂部位置水頭,γw為水的重度,H為試樣的高度。

在G2水位回落和G3水位下降工況下,試樣底部的總水頭(hb)低于頂部的總水頭(ht),形成向下的滲流,其水力梯度(i2)為

(2)

基于上述測試數據,利用式(1)和(2),可計算得到3組試驗(T1、T2和T3)在3種工況(G1、G2和G3)下,初始時刻和孔壓穩定時刻時的水力梯度,如表6所示。

表6 水力梯度

由表6可知:在G1水位上升工況下,3個試樣達到孔壓穩定時的水力梯度為1.15～4.40,固結壓力越大,所需水力梯度也越大;在G2水位回落和G3水位下降工況下,水位下降比水位回落所需水力梯度稍大,兩者達到孔壓穩定時所需水力梯度為0.07～0.91,整體較水位上升工況要小,兩者相差一個數量級。因此,水位上升對孔壓形成影響的條件相對較高,水位下降的條件相對較低,水位回落的條件最低,孔壓變化響應最快。

與實際工程相比,試驗中的6#測點水壓即是浮力計算中的水壓強,現整理出6#測點水壓每隔1 h的數據,并計算得到水壓變化率,結果如圖12所示。

圖12 試樣頂部的水壓變化率Fig.12 Change rate of water pressure at the top of sample

由圖12可見:雖然每個試驗工況的時間均為48 h,考慮到前2 h的水壓變化率過大,后24 h的水壓變化率基本不變,故取2～24 h期間的典型階段進行分析,從水壓變化率曲線可見,前6 h水壓處于急劇變化階段,6～15 h水壓逐步趨于穩定,15 h以后水壓便進入微小波動階段。因此,據試驗結果可知:水位升降在基底引起的水壓變化響應較快,并在15 h內達到穩定狀態,且水壓穩定時的水力梯度范圍為0.07～4.40。而在實際工程中,由于滲流路徑長,水位升降產生的水力梯度往往很小,圍護結構的坑底深度和基坑挖深(D)按1∶1考慮,則坑外水位到基底的滲流路徑(L)長約3D,前述20%幅度的升降水位形成的水力梯度約為0.067,與水力梯度試驗值相比,該值在孔壓處于穩定狀態的水力梯度范圍內,即不會在土體中形成滲流或引起的滲流流速極慢,短期內對基底水壓基本沒有影響。

4 結論

針對暴雨條件下黏土中的地下結構是否會浮起的工程問題,筆者著眼于黏土地基中的基底孔壓,開展不同應力條件下的黏土滲流試驗,重點研究了水位上升、回落和下降過程中土層內孔壓的變化規律,分析了水力梯度對孔壓變化的影響,得到如下結論:

1)黏土地基中的孔壓相比理論值存在少量的折減,在水位上升工況下,各點孔壓均隨時間的延長而增大,上升穩定孔壓為理論值的92%以上,之后繼續微增至95%左右,折減量約為5%;在水位回落和下降工況下,各點孔壓均隨時間減小,穩定孔壓超過理論值的97%,之后繼續微降至96%左右,折減量約為4%。

2)影響孔壓變化的因素包括固結壓力、水壓及其施加歷史、水力梯度。固結壓力越大,土體越密實,孔壓變化越滯后;水壓具有增加流道的作用,施加過水壓,水壓越大,則孔壓變化越快;只有產生足夠大的水力梯度才能引起孔壓變化,水位上升工況下的水力梯度為1.15～4.40時,孔壓處于穩定狀態,水位回落和下降工況下的水力梯度為0.07～0.91,且土體越密實,孔壓穩定時的水力梯度越大。

3)在實際工程中,20%幅度的升降水位形成的水力梯度約為0.067,未達到引起孔壓變化的下限值,故其在土體中形成的滲流流速極慢,短期內對基底水壓基本沒有影響。

上述結論適用于黏土地基及位于其中的地下結構,對于砂土地基或肥槽回填不當的地下結構,地下水位升降會引起基底孔壓的實時響應,危及地下結構的安全,本文研究結果為此類問題的處理提供了方向和理論依據,具有很好的工程價值。