徐州地區(qū)含砂姜黏土層滲透特性研究

耿培剛，李志明，郭 女 曼

(1.徐州市城市軌道交通有限責任公司， 江蘇 徐州 221000； 2.上海元易勘測設(shè)計有限公司， 上海 201210)

徐州地區(qū)隸屬徐淮平原區(qū)，該地區(qū)土層普遍分布特殊含砂姜黏土層(俗稱：老黏土)，黏土中含有不均等的鈣質(zhì)結(jié)核，簡稱含砂姜黏土(學名：含鈣質(zhì)結(jié)核土)，土層工程地質(zhì)命名為第⑤3-4含砂姜黏土層[1]。根據(jù)以往的工程經(jīng)驗認為該層為隔水層，為一種不透水層。直到徐州城市軌道交通1、2、3號線建設(shè)，由于開挖基坑較深，當開挖到該層土時發(fā)現(xiàn)部分工點出現(xiàn)透水甚至富水現(xiàn)象。左德祥[2]對徐州含砂姜黏土的相關(guān)研究表明，含砂姜黏土具有良好的透水性，鈣質(zhì)結(jié)核的含量對于黏土的性狀及性質(zhì)產(chǎn)生很大的影響。王小龍等[3]通過對徐州地區(qū)鈣質(zhì)結(jié)核黏土工程性質(zhì)的研究，認為鈣質(zhì)結(jié)核土一般具有結(jié)構(gòu)性、非均質(zhì)性和膨脹性并對其膨脹性、強度變化特征進行了研究。汪志濤[4]對淮北平原的鈣質(zhì)結(jié)核的滲透性進行研究，得出鈣質(zhì)結(jié)核黏土比普通黏土層滲透性好，且出水量較大。因此，含砂姜黏土屬于特殊的黏性土，不能將該層簡單的當作黏土層考慮。為了降低地鐵施工中水對基坑開挖產(chǎn)生的風險，需對該層土體的滲透性作進一步研究。

土體的滲透系數(shù)綜合反映了水在土體孔隙中流動的難易程度，受土體性質(zhì)[5](粒徑大小與級配、孔隙比、結(jié)構(gòu)等)的影響。本文以徐州地區(qū)2號線二環(huán)北路站為依托，通過現(xiàn)場全取芯試驗和室內(nèi)土工試驗研究土體的性質(zhì)，通過對比室內(nèi)土工試驗與現(xiàn)場抽水試驗得到含砂姜黏土的滲透系數(shù)，最終得出適于徐州地區(qū)第⑤3-4層含砂姜黏土的滲透系數(shù)范圍。

1 徐州地區(qū)含砂姜黏土物理性質(zhì)研究

在徐州2號線二環(huán)北路站南北端頭井處分別做一組全取芯試驗，孔號1#、2#，取樣間距0.5 m，取樣深度20 m～38 m。通過室內(nèi)物理性質(zhì)試驗、滲透試驗等得出土體性質(zhì)，得出滲透系數(shù)的主要影響因素。

1.1 試驗場地工程地質(zhì)分層

試驗場地工程地質(zhì)分層見表1。

表1 試驗場地工程地質(zhì)分層表

1.2 含砂姜黏土粒徑大小和級配

根據(jù)顆粒分析二環(huán)北路站2個全取芯土樣各粒徑含量，分別取相同粒組的平均值，則各粒組含量如圖1所示；各組粒徑所占百分比如表2所示(顆粒粒徑≥0.075 mm的姜結(jié)石)。經(jīng)統(tǒng)計分析可知第⑤3-4含砂姜黏土層中黏土約占整個土樣的62.6%～73.9%，平均含量68.1%；姜結(jié)石含量分別在37.4%～26.1%，平均含量31.9%，約占整個土樣的1/3；姜結(jié)石粒徑大小不一，含砂姜黏土為不均勻土。

表2 顆粒組成百分比

1.3 孔隙比和飽和度

對土樣的孔隙比和飽和度分析，如表3所示：徐州地區(qū)含砂姜黏土孔隙比e變化范圍0.54～0.91，平均值0.69；飽和度Sr變化范圍在81%～100%，平均值93.2%，則第⑤3-4含砂姜黏土是高飽和度的黏性土。

圖1 全取芯土樣中黏土和姜結(jié)石所占比重

1.4 含砂姜黏土的結(jié)構(gòu)特性

進一步整理和收集徐州地鐵2號線沿線勘察報告和相關(guān)資料，⑤3-4含砂姜黏土層礦物組成以伊/混層礦物和蒙脫石為主，其次含有伊利石、高嶺石、埃洛石、綠泥石等。由于伊利石有明顯的吸水膨脹、失水收縮特性，根據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》[6](GB 50112—2013)、《巖土工程勘察規(guī)范》[7](GB 50021—2001)，膨脹率>40%為膨脹土。徐州地區(qū)砂姜黏土的自由膨脹率分別在32%～69%之間。按膨脹性指標對砂姜黏土分類(自由膨脹率小于40%為非膨脹土)，可知含砂姜黏土屬于弱膨脹的范圍,其膨脹性差異較大。

因此，徐州地區(qū)含砂姜黏土屬于弱膨脹土，從收縮性來講, 含砂姜黏土具有一定的收縮性。因而在施工和設(shè)計中要注意含砂姜黏土失水后發(fā)生收縮，破壞土的結(jié)構(gòu)，降低含砂姜黏土力學強度的影響。

1.5 滲透性影響因素分析

對滲透性影響因素進行分析，以下三個方面為主要影響因素：

(1) 粒徑大小和級配。影響土體滲透系數(shù)的主要因素之一為粒徑大小和級配，由于水體通過土體必定與土體孔隙直徑的大小相關(guān)，含砂姜黏土的姜結(jié)石與黏性土的結(jié)合處必然存在孔隙，則為水流提供必要的路徑，對滲透系數(shù)產(chǎn)生巨大影響[8]。

(2) 孔隙比[9]。影響土體滲透性的另一個主要因素為孔隙比。有效孔隙比是土體中孔隙體積多少直接量度，在實際滲流中代表了實際過水體積的大小。

(3) 土體結(jié)構(gòu)。從宏觀上來看，含砂姜黏土中含約1/3的姜結(jié)石，含砂姜黏土又有弱膨脹性，且失水后易發(fā)生收縮，吸水膨脹，在長期循環(huán)作用下，土體結(jié)構(gòu)被重塑，土體內(nèi)部會出現(xiàn)孔隙，也增加孔隙體積，影響土體的滲透性[10-11]。

2 含砂姜黏土的滲透性研究

滲透系數(shù)代表土滲透性強弱的定量指標，是進行滲流計算時必須用到的基本參數(shù)。理論上，同地區(qū)同類型的土，無論是室內(nèi)試驗還是現(xiàn)場試驗，得出的滲透系數(shù)差別不大。而徐州地區(qū)存在的區(qū)域性特殊土含砂姜黏土卻出現(xiàn)反?，F(xiàn)象：當姜結(jié)石含量較多時，室內(nèi)試驗與現(xiàn)場試驗得出的滲透系數(shù)相差懸殊，為了研究清楚該層砂姜黏土的滲透性，本文對比分析這兩種方法得到的該層土滲透系數(shù)范圍。

2.1 室內(nèi)土工試驗

本文除在二環(huán)北路站做全取芯試驗之外，還在物資市場站、蘇堤北路站、杏山子站、奔騰大道站分別做了全取芯試驗，具體站點位置分布如圖2所示。

圖2全取芯站點位置圖

根據(jù)土工試驗規(guī)范，室內(nèi)滲透試驗是利用4 cm的環(huán)刀取土樣，土樣經(jīng)過飽和后，用滲透儀測定土的滲透性。則滲透試驗計算結(jié)果如表4所示。由表4可知，土的滲透系數(shù)大部分數(shù)量級為10-6cm/s～10-8cm/s，研究區(qū)域土體的滲透系數(shù)屬于弱透水的黏土范疇。

表4 室內(nèi)滲透試驗統(tǒng)計表

2.2 二環(huán)北路站現(xiàn)場抽水試驗

在徐州地鐵2號線二環(huán)北路站布置抽水孔，現(xiàn)場鉆孔成井，在井中抽水，量測各觀測井的水頭高度和流量，利用AquiferTest軟件中泰斯法、泰斯水位恢復法對觀測數(shù)據(jù)進行滲透系數(shù)求解。

2.2.1 試驗井布孔方案

在二環(huán)北路站基坑內(nèi)布置1口抽水井J7井，選取5口觀測井。其中J4、J6、G21距離抽水井分別為58.7 m、30.0 m、12.5 m，設(shè)計井深為35.0 m，試驗井過濾器位于24.0 m～34.0 m；JG3深層第⑤3-4層承壓含水層試驗井，距離抽水井24.8 m，設(shè)計井深為40.0 m，試驗井過濾器位于34.0 m～39.0 m；H9為淺部第⑤3-4層承壓含水層試驗井，設(shè)計井深為26.0 m。各井的平面布置圖如圖3所示。

圖3抽水試驗井平面布置圖

2.2.2 求解原理

(1)

由此得出泰斯公式：

(2)

為計算方便，將W(μ)展開成級數(shù)形式：

(3)

(4)

泰斯水位恢復法公式：

(5)

2.2.3 抽水試驗水位降深與時間的關(guān)系及求參結(jié)果

根據(jù)圖4各觀測井降深與時間的關(guān)系曲線圖，利用AquiferTest軟件，可得到抽水試驗時各觀測井的滲透系數(shù)(即泰斯曲線對應滲透系數(shù))、水位恢復時各觀測井的滲透系數(shù)(即泰斯水位恢復法對應滲透系數(shù))，具體結(jié)果如表5所示。

圖4抽水試驗時各觀測井降深與時間關(guān)系曲線

2.3 對比分析室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗

對比表4和表5的滲透系數(shù)，可知室內(nèi)土工試驗所得的滲透系數(shù)(10-6cm/s～10-8cm/s)與現(xiàn)場試驗(10-3cm/s)所得結(jié)果相差103～105個數(shù)量級，差別較大。在實際工程建設(shè)中，滲透系數(shù)的取值主要依據(jù)以下幾點考慮：

表5 各觀測井滲透系數(shù)統(tǒng)計表

(1) 試驗類型優(yōu)缺點[12-13]。室內(nèi)試驗的準確性受土的擾動、土體結(jié)構(gòu)、顆粒級配、密度、溫度以及儀器的精度等因素影響較大，精確性有待確定。現(xiàn)場試驗法消除了土層結(jié)構(gòu)及分布因素的影響，結(jié)果較為準確。

(2) 含砂姜黏土的結(jié)構(gòu)性[14]。由于姜結(jié)石粒徑較大，室內(nèi)試驗為了減少尺寸效應的影響[15]，會選擇姜結(jié)石含量少的黏土樣做滲透試驗，因此忽略了姜結(jié)石對滲透性的影響。根據(jù)全取芯試驗顆粒分析表明，姜結(jié)石含量約占整個土樣的1/3，所占比重較大，則不應忽略姜結(jié)石對滲透性的影響。當姜結(jié)石含量較多時，現(xiàn)場抽水試驗可在不破壞土層結(jié)構(gòu)的情況下得出的滲透系數(shù)，所得結(jié)果較準確。

根據(jù)現(xiàn)場抽水試驗，表4現(xiàn)場抽水試驗的滲透系數(shù)更接近實際情況，滲透系數(shù)范圍為(1～5)×10-3cm/s。

3 滲透系數(shù)差異對工程的影響及相關(guān)措施

從上述試驗結(jié)果可知，姜結(jié)石含量不等時，含砂姜黏土滲透系數(shù)差異較大，為10-3～10-5的數(shù)量級，這么大的差異將會對工程產(chǎn)生巨大的影響，具體如下：

滲透系數(shù)差異對工程的影響：

(1) 由于含砂姜黏土的滲透性有較大差異，工程施工時，容易造成對滲透系數(shù)判別不準，當控制不好承壓水時，易造成基坑涌水現(xiàn)象，影響工程工期，增加工程成本。

(2) 由于含砂姜黏土所含承壓水的量不能確定，做不到按需降水，降水過多，會引起周邊環(huán)境不均勻沉降、周邊建筑出現(xiàn)裂縫等現(xiàn)象；降水過少，控制不住承壓水，會造成基坑漏水、漏漿。

(3) 承壓水處理不當，會延誤工期，甚至停工整頓，間接增加工程成本。

需要采取的相關(guān)措施：

(1) 對含砂姜黏土進行室內(nèi)顆分試驗。

(2) 對姜結(jié)石含量高的地區(qū)，建議做水文地質(zhì)勘察，探明含砂姜黏土承壓含水層滲透性，做到按需降水，減少承壓水對工程建設(shè)的影響。

4 結(jié) 論

(1) 含砂姜黏土的姜結(jié)石約占整個土樣的1/3，屬于不均勻不連續(xù)性土。

(2) 影響含砂姜黏土滲透性的主要因素為顆粒級配、孔隙比，而姜結(jié)石的含量對砂姜黏土的滲透性具有重要影響。

(3) 徐州地區(qū)⑤3-4層含砂姜黏土室內(nèi)試驗滲透系數(shù)只能代表黏土的性質(zhì)；對含較多姜結(jié)石的含砂姜黏土的滲透系數(shù)以現(xiàn)場試驗為主。

(4) 當姜結(jié)石含量在3%～5%時，含砂姜黏土的滲透系數(shù)與室內(nèi)試驗的滲透系數(shù)相當，可作為不含姜結(jié)石或含量較少時含砂姜黏土的滲透系數(shù)；當姜結(jié)石含量約占整個土樣的1/3時，含砂姜黏土的滲透系數(shù)為(1～5)×10-3cm/s。

(5) 加強含砂姜黏土的室內(nèi)顆分試驗，并做水文地質(zhì)勘察，查明含砂姜黏土的滲透性。在工程施工方面做到按需降水。