粉土負(fù)壓排水規(guī)律試驗(yàn)研究

韓旭 徐浩倫 趙薦 葉暉 孫紅月

摘要：?為了驗(yàn)證負(fù)壓排水方法在粉土中的排水有效性，設(shè)計(jì)了室內(nèi)圓筒物理模型試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中監(jiān)測(cè)負(fù)壓值和排水量，并通過排水量計(jì)算平均排水速率。通過采用不同內(nèi)徑的排水管并多次改變排水路徑，對(duì)粉土的負(fù)壓排水規(guī)律進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：① 在一定條件下，負(fù)壓排水法可以實(shí)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(fù)壓達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間明顯變長(zhǎng);② 排水管內(nèi)徑影響著負(fù)壓排水效果，當(dāng)管徑較大時(shí)，如6.5mm內(nèi)徑，因入滲水量不足以形成滿管流誘發(fā)虹吸效應(yīng)，難以產(chǎn)生穩(wěn)定負(fù)壓，導(dǎo)致其排水速率反而低于能夠產(chǎn)生穩(wěn)定負(fù)壓的4 mm內(nèi)徑排水管，說明負(fù)壓排水能顯著提高排水速率;③ 排水路徑對(duì)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(dāng)減小揚(yáng)程，均可有效提高排水速率。

關(guān) 鍵 詞：負(fù)壓排水; 粉土; 排水管內(nèi)徑; 排水路徑; 排水速率

中圖法分類號(hào)： ?TU472

文獻(xiàn)標(biāo)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(guó)長(zhǎng)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(zhì)介于黏土和砂土之間，具有低塑性、低強(qiáng)度和低飽和含水量等特性? [2-3] 。粉土強(qiáng)度受含水量影響較大，常表現(xiàn)出較差的力學(xué)性質(zhì)? [4-5] 。例如，對(duì)于覆蓋層以粉土為主的邊坡，土體含水量的增加將導(dǎo)致粉土的抗剪強(qiáng)度急劇下降，同時(shí)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(shí)困難，而且存在液化風(fēng)險(xiǎn)，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(zāi)害? [7-8] 。因此，及時(shí)進(jìn)行粉土排水對(duì)于提高土體強(qiáng)度、減少工程地質(zhì)災(zāi)害具有重要意義? [9] 。

在當(dāng)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(yù)壓排水? [12] 、電滲法? [13] 等。這些方法各自的優(yōu)點(diǎn)突出，同時(shí)存在各自的缺陷：如排水效率低、長(zhǎng)期有效性難以保證、設(shè)備及管理成本高昂等? [14-15] 。因此，尋找經(jīng)濟(jì)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(fù)壓排水法? [16] ，它具有原理簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、可循環(huán)自啟動(dòng)、無需動(dòng)力等優(yōu)點(diǎn)。該方法在砂土中的排水規(guī)律已得到模型試驗(yàn)驗(yàn)證? [17-18] ，但能否實(shí)現(xiàn)粉土的有效排水尚待檢驗(yàn)。

為研究上述問題，本文設(shè)計(jì)了室內(nèi)圓筒模型試驗(yàn)進(jìn)行粉土的負(fù)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(jìn)行多組對(duì)比試驗(yàn)，研究排水管內(nèi)徑和排水路徑對(duì)排水效率的影響，為粉土的排水機(jī)理研究與應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料及裝置

試驗(yàn)所用材料為砂質(zhì)粉土，土質(zhì)較軟，具有高壓縮性、低強(qiáng)度、低滲透性等特點(diǎn)。試驗(yàn)土樣的滲透系數(shù) k =2.9×10? -4 ?cm/s，級(jí)配曲線如圖1所示，其他物理指標(biāo)如表1所列。

試驗(yàn)裝置如圖2所示，制作高85 cm、內(nèi)徑18 cm的有機(jī)玻璃圓筒作為試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖?。筒底放置? 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(cè)引出5根PA管，分別連接真空表，各相隔15 cm，實(shí)時(shí)測(cè)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(yáng)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(shí)時(shí)記錄排水量。距圓筒頂部5 cm處設(shè)置溢水管，用以控制筒內(nèi)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(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)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(yàn)原理

試驗(yàn)啟動(dòng)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(nèi)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(yuǎn)大于入滲流量，因此會(huì)出現(xiàn)q? 2 >q? 1 。在虹吸作用下，透水空腔形成負(fù)壓，對(duì)土樣產(chǎn)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(shí)負(fù)壓對(duì)排水管的排水流量形成遏制，使q? 2 逐漸減小。當(dāng)q? 1 =q? 2 時(shí) ，透水空腔的負(fù)壓狀態(tài)處于動(dòng)態(tài)平衡。

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

搭建試驗(yàn)裝置，完成氣密性檢驗(yàn)后，分層填裝試驗(yàn)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(yàn)啟動(dòng)。利用電子秤測(cè)量排水重量，根據(jù)真空表讀數(shù)監(jiān)測(cè)不同深度、不同時(shí)刻土樣內(nèi)的壓力值。

試驗(yàn)初始條件為排水管內(nèi)徑6.5 mm，揚(yáng)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(yàn)證在該條件下，粉土排水是否能循環(huán)啟動(dòng)。換用4 mm內(nèi)徑的排水管，重復(fù)上述流程，比較不同管徑的排水效果。之后選用4 mm內(nèi)徑的排水管，進(jìn)行多組對(duì)比試驗(yàn)，探究排水路徑對(duì)排水效率的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 管徑對(duì)排水效果的影響

共進(jìn)行了4組排水試驗(yàn)，分別為6.5 mm內(nèi)徑排水管的初次啟動(dòng)、再次啟動(dòng)試驗(yàn)與4 mm內(nèi)徑排水管的初次啟動(dòng)、再次啟動(dòng)試驗(yàn)。初次啟動(dòng)前，玻璃圓筒內(nèi)均為飽和土體，透水空腔已蓄滿水。5個(gè)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(shí)時(shí)記錄真空表讀數(shù)和排水重量。4組試驗(yàn)的數(shù)據(jù)對(duì)比如表2所列。

2.1.1 壓力值

4組試驗(yàn)的真空表讀數(shù)變化曲線如圖4～7所示。采用6.5 mm內(nèi)徑排水管時(shí)，初次啟動(dòng)與再次啟動(dòng)的真空表讀數(shù)變化曲線差別較大。初次啟動(dòng)時(shí)，試驗(yàn)初期出現(xiàn)短暫負(fù)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(dòng)時(shí)，試驗(yàn)全程未出現(xiàn)負(fù)壓，真空表的讀數(shù)始終為正值，表明此階段并未形成負(fù)壓排水，排水穩(wěn)定時(shí)的真空表讀數(shù)與初次啟動(dòng)情況相同。原因在于：6.5 mm內(nèi)徑排水管的排水能力較強(qiáng)，而入滲流量較小，致使管內(nèi)只能形成貼壁流，無法產(chǎn)生虹吸作用。初次啟動(dòng)出現(xiàn)短暫負(fù)壓源于試驗(yàn)前透水空腔內(nèi)蓄滿水，啟動(dòng)后可在短時(shí)間內(nèi)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(jìn)入，虹吸遭到破壞，形成穩(wěn)定的自然滲流。

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

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

為方便對(duì)比，將4組試驗(yàn)的透水空腔壓力值隨時(shí)間變化情況繪成曲線，如圖8所示。

采用6.5 mm內(nèi)徑的排水管初次啟動(dòng)時(shí)，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(fù)壓值約-5.8 kPa。負(fù)壓的存在使土體水受到抽吸作用，加速入滲，當(dāng)負(fù)壓值達(dá)到最大時(shí)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(jìn)入排水管，虹吸遭到破壞，負(fù)壓逐漸消散。之后透水空腔壓力值穩(wěn)定在 1.9 ?kPa，此時(shí)接近自然滲流狀態(tài)。再次啟動(dòng)時(shí)，透水空腔壓力值從0逐漸增大至1.9 kPa，而后達(dá)到穩(wěn)定。整個(gè)過程不再出現(xiàn)負(fù)壓，壓力穩(wěn)定值與初次啟動(dòng)試驗(yàn)時(shí)相近。說明在6.5 mm內(nèi)徑的排水管條件下，透水空腔難以產(chǎn)生持續(xù)負(fù)壓，約在7h左右即達(dá)到穩(wěn)定壓力值。

采用4 mm內(nèi)徑的排水管初次啟動(dòng)時(shí)，透水空腔壓力值逐漸下降，產(chǎn)生持續(xù)負(fù)壓。在7 h左右達(dá)到最大負(fù)壓值-37.2 kPa，并保持穩(wěn)定。再次啟動(dòng)時(shí)，透水空腔的壓力值從0逐漸增大，之后迅速減小為負(fù)壓，在9 h左右達(dá)到最大負(fù)壓值-37.1 kPa，并保持穩(wěn)定。

因此無論是初次啟動(dòng)還是再次啟動(dòng)，選用4 mm內(nèi)徑排水管總能使透水空腔產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)定的負(fù)壓，負(fù)壓值大小幾乎不變。不同點(diǎn)在于，再次啟動(dòng)前，土樣和透水空腔內(nèi)沒有水，供水開始后需自然滲流一段時(shí)間，導(dǎo)致再次啟動(dòng)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(jì)算各時(shí)刻的排水速率，4組試驗(yàn)的排水速率變化曲線如圖9所示。從整體看，采用4 mm內(nèi)徑排水管的排水速率明顯高于6.5 mm內(nèi)徑排水管。原因在于：采用6.5mm內(nèi)徑排水管時(shí)，透水空腔難以形成持續(xù)負(fù)壓，無法促進(jìn)滲流;而4 mm內(nèi)徑排水管可促使透水空腔產(chǎn)生穩(wěn)定較大負(fù)壓，對(duì)土樣存在較強(qiáng)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(nèi)徑排水管初次啟動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，在2 h左右出現(xiàn)最大排水速率263 mL/h，這是由于此時(shí)透水空腔存在負(fù)壓，隨著負(fù)壓消散，排水速率再次下降，逐漸恢復(fù)自然滲流。

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

由此可見，采用俯傾孔負(fù)壓排水法進(jìn)行粉土排水時(shí)，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(yàn)中，負(fù)壓達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間明顯變長(zhǎng);② 粉土對(duì)排水管徑提出了更高要求，采用6.5 mm內(nèi)徑排水管，透水空腔無法形成穩(wěn)定負(fù)壓，排水速率低下;而采用4 mm內(nèi)徑排水管，透水空腔可產(chǎn)生穩(wěn)定較大負(fù)壓，實(shí)現(xiàn)循環(huán)性高效排水。

2.2 排水路徑對(duì)排水效果的影響

選用4 mm內(nèi)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(yáng)程h ?3個(gè)因素，研究排水路徑對(duì)排水效率的影響。如表3所列，設(shè)立1個(gè)對(duì)照組a： H =4 m， α =20°， h =12.5 cm。3個(gè)實(shí)驗(yàn)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(yàn)的真空表讀數(shù)變化趨勢(shì)與圖6相同，不再單獨(dú)列出，記錄排水穩(wěn)定時(shí)的壓力值，如表4所列。觀察發(fā)現(xiàn)，采用4 mm內(nèi)徑排水管時(shí)，各種試驗(yàn)工況下均能產(chǎn)生穩(wěn)定負(fù)壓，但負(fù)壓值大小存在差異。這證明了將負(fù)壓排水方法應(yīng)用于粉土?xí)r，4 mm內(nèi)徑排水管具有普適性。

為直觀對(duì)比各因子對(duì)負(fù)壓排水效果的影響，將4組試驗(yàn)的排水速率和透水空腔壓力值隨時(shí)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(duì)比曲線a和b。由圖10可知：排水高差分別為4 m和2 m時(shí)，排水速率均在7 h內(nèi)達(dá)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(fù)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(duì)排水效率影響顯著。原因在于，排水高差影響了虹吸效應(yīng)可形成最大負(fù)壓的大小，高差越大，則水頭差越大，透水空腔形成的負(fù)壓值越大。因此對(duì)土體水的抽吸作用越強(qiáng)，排水速率越快，這與砂土的負(fù)壓排水結(jié)論相同? [16] 。

2.2.2 排水管傾角 α 的影響

對(duì)比曲線a和c，由圖10可知：將 α 從20°調(diào)為10°后，穩(wěn)定排水速率約為1 400 mL/h，相比對(duì)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(fù)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(shí)，水力坡度與兩點(diǎn)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(shí)的滲流速度變小。同時(shí)在排水管揚(yáng)程及排水高差保持不變時(shí)，傾角變小意味著排水路徑變長(zhǎng)，這導(dǎo)致水力坡度減小，排水管內(nèi)流速下降。這證明排水管傾角 α 對(duì)排水速率有一定影響，傾角增大時(shí)，排水速率加快。

2.2.3 揚(yáng)程 h 的影響

對(duì)比曲線a和d，由圖10可知：將揚(yáng)程 h 從12.5 cm調(diào)為25 cm后，穩(wěn)定排水速率約為1 640 mL/h，比對(duì)照組的1 700 mL/h略小。由圖11可知：該階段透水空腔的負(fù)壓值穩(wěn)定在-41.3 kPa，與對(duì)照組a相比略微減小。這表明改變揚(yáng)程對(duì)排水效率影響不大。d組試驗(yàn)中，排水高差和排水管傾角均未改變。增大揚(yáng)程意味著排水路徑變長(zhǎng)，因此水力坡度減小，管內(nèi)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(yīng)，導(dǎo)致出現(xiàn)彈狀氣泡及氣柱，產(chǎn)生空化現(xiàn)象，進(jìn)而影響流速。梅成等? [21] 已證明：揚(yáng)程越高，管頂積聚氣泡越大，虹吸流速越小。但由于此次試驗(yàn)采用4 mm內(nèi)徑排水管，并且揚(yáng)程較低，管內(nèi)空氣能順利排出，不會(huì)形成氣泡積聚，因此排水速率受揚(yáng)程影響較小。

由此可見，采用4 mm內(nèi)徑排水管進(jìn)行粉土的俯斜孔負(fù)壓排水時(shí)，排水路徑對(duì)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(shí)，排水速率越快;排水管傾角的影響次之，排水管傾角增大時(shí)，排水速率加快;在低揚(yáng)程條件下，揚(yáng)程對(duì)排水速率影響最小，揚(yáng)程增大時(shí)，排水速率只會(huì)略微減小。因此，進(jìn)行粉土的俯傾孔負(fù)壓排水時(shí)，應(yīng)增加排水高差，增大排水管傾角，適當(dāng)減小揚(yáng)程，從而有效提高排水速率。

3 結(jié) 論

通過室內(nèi)圓筒模型試驗(yàn)，對(duì)粉土的俯傾孔負(fù)壓排水規(guī)律進(jìn)行了研究，得出如下結(jié)論：

（1） 在一定條件下，負(fù)壓排水法可以實(shí)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(fù)壓排水過程中負(fù)壓達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間明顯變長(zhǎng)。

（2） 4 mm內(nèi)徑排水管具有形成穩(wěn)定彈狀流的特性，可充分排出管內(nèi)原有空氣，在各種條件下均能實(shí)現(xiàn)粉土的負(fù)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(chǎn)生滿管流誘發(fā)虹吸效應(yīng)，不能形成負(fù)壓，導(dǎo)致排水速率反而低于4 mm內(nèi)徑排水管?？梢娯?fù)壓排水能顯著提高排水效率。

（3） 在粉土的負(fù)壓排水試驗(yàn)中，排水路徑對(duì)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(shí)，排水速率越快;排水管傾角的影響次之，排水管傾角增大時(shí)，排水速率加快;在低揚(yáng)程條件下，揚(yáng)程對(duì)排水速率影響最小，揚(yáng)程增大時(shí)，排水速率只會(huì)略微減小。因此，進(jìn)行粉土的俯傾孔負(fù)壓排水時(shí)，應(yīng)增加排水高差，增大排水管傾角，適當(dāng)減小揚(yáng)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