壩前淤泥土固結(jié)-滲透耦合特性試驗研究

姚自凱 王紅雨 馬利軍

摘 要：為研究壩前淤泥土在不同荷載下固結(jié)-滲透耦合特性，對分別取自10、50、100 cm深度處的壩前淤泥土樣進行固結(jié)-滲透耦合試驗，研究其孔隙比、滲透系數(shù)隨固結(jié)壓力的變化規(guī)律以及不同深度處孔隙比與滲透系數(shù)之間的關(guān)系。結(jié)果表明：在同一荷載作用下，隨著深度的增加，淤泥土樣的變形量逐漸減小，當荷載達到800 kPa時，10 cm深度處的壓縮變形量為5.32 mm，50 cm深度處的壓縮變形量為4.92 mm，100 cm深度處的壓縮變形量為4.54 mm;不同深度處的淤泥土孔隙比隨著荷載的增大逐漸減小，e—lg p曲線均表現(xiàn)出直線狀態(tài)，孔隙比與固結(jié)壓力之間呈現(xiàn)明顯的對數(shù)關(guān)系;不同深度處的淤泥土滲透系數(shù)均隨著固結(jié)壓力的增大而減小，后期降低較緩慢，呈現(xiàn)明顯的非線性，且孔隙比與滲透系數(shù)關(guān)系密切，滲透系數(shù)隨孔隙比的減小而逐漸減小，利用單指數(shù)衰減方程可以較好地表達淤泥土滲透系數(shù)與固結(jié)壓力及孔隙比與滲透系數(shù)之間的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：壩前淤泥土;固結(jié);滲透;孔隙比;滲透系數(shù)

中圖分類號：TV221 ? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.07.026

Abstract： In order to study the consolidation-seepage coupling characteristics of silt soil in the front of dam under different loads， the consolidation-seepage coupling experiment of the silt soil samples where located in the front of dam from the depth of 10 cm， 50 cm and 100 cm was conducted respectively. The variation of void ratio and permeability in different consolidation stresses and the relationship between the void ratio and permeability coefficient with different depth silt soil samples were researched. The results show that the deformation of silt samples is gradually decreased with the depth increase under the same load. When the load reaches to 800 kPa， the compression deformation of silt sample at 10 cm depth is 5.32 mm， the deformation at 50 cm depth is 4.92 mm and the deformation at 100 cm depth is 4.54 mm. The void ratio of silt at different depths is gradually decreased with the load increase. The all e-lg p curves show a linear state and there is an obvious logarithmic relationship between the void ratio and consolidation pressure. The permeability coefficient of silt at different depths is decreased with the increase of consolidation pressure in initial stage， then decreased slowly in the later stage， showing obvious non-linearity. Moreover， the porosity is closely related to the permeability coefficient which is gradually decreased with the decrease of porosity. The relationship between permeability coefficient， consolidation pressure， pore ratio and permeability coefficient can be well expressed by using single exponential decay equation.

Key words： silt in front of dam; consolidation; permeability; void ratio; permeability coefficient

1 引 言

壩前淤泥面加壩技術(shù)是處理寧夏南部黃土丘陵山區(qū)水庫淤積問題的施工方法之一，該方法是以壩前淤積體為基礎(chǔ)，在上游貼坡式加高壩體，從而達到增加水庫庫容的目的，具有節(jié)省土方填筑量、減少工程投資等優(yōu)點[1-2]。壩前淤泥土作為加高壩體的壩基，多年處于靜水沉積狀態(tài)，近似飽和，土體的壓縮變形與滲透特性對壩基的滲流、穩(wěn)定及沉降等有著非常重要的影響[3]，因此研究壩前淤泥土的固結(jié)特性和滲透特性對于壩前淤泥面加壩技術(shù)的應(yīng)用具有重要意義。

飽和土體在外部荷載的作用下孔隙水排出，超靜孔隙水壓力逐步消散，土體有效應(yīng)力及變形逐步增大，這個過程稱為土體的壓縮固結(jié)，土體的壓縮固結(jié)是孔隙水排出、孔隙減小的過程，而土體的孔隙與土體滲透性的變化又是耦合的。土體的固結(jié)特性與滲透特性相互影響，土體受到壓縮，滲透性將會降低，而土體的滲透特性又決定了土的滲流狀況，影響著土體排水固結(jié)的能力[4-5]。相關(guān)研究表明[6]，壩前淤泥土以粒徑為0.002～0.05 mm的粉砂為主，約占淤泥土總量的60%，淤泥土中含少量黏土，屬粉質(zhì)黏土。針對黏土的固結(jié)、滲透特性，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量相關(guān)試驗研究。謝康和等[7]采用半解析法研究成層性地基一維非線性固結(jié)問題，借助GDS高級固結(jié)儀采取蕭山黏土作為樣本開展固結(jié)-滲透試驗，得出固結(jié)-滲透過程中其滲透性與孔隙比呈現(xiàn)非線性關(guān)系。鄧岳保等[8]基于固結(jié)滲透聯(lián)合測試試驗條件下獲得的且被廣泛認可的土體非線性本構(gòu)模型，給出了模型的參數(shù)獲取過程及參數(shù)取值。李又云等[9]在逐級加載條件下低液限飽和黏土的滲透試驗中，通過改制的K0固結(jié)儀進行逐級加載條件下的變水頭滲透試驗，研究了飽和黏土不同荷載條件下的滲透特性。黃天榮等[10]以上海第⑥層粉質(zhì)黏土為例，研究了固結(jié)壓力、各向異性及結(jié)構(gòu)性對濱海地區(qū)粉質(zhì)黏土滲透特性的影響，結(jié)果表明，粉質(zhì)黏土滲透系數(shù)隨著固結(jié)壓力增大而減小。倪春海等[11]對不同壓力下的黏土滲流性狀進行試驗研究，結(jié)果表明，固結(jié)壓力對土體的滲透系數(shù)影響較大。劉維正等[12]通過固結(jié)滲透聯(lián)合試驗，對太湖湖沼相粉質(zhì)黏土原狀樣與具有不同前期固結(jié)壓力的重塑樣的滲透系數(shù)進行測定，原狀樣和重塑樣的滲透系數(shù)均隨固結(jié)壓力的增大呈非線性減小，且兩者的孔隙比與滲透系數(shù)的變化模式相一致。Chu等[13]采用室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方法，研究了新加坡海相黏土的固結(jié)滲透特性，通過Rowe型固結(jié)儀試驗、孔壓靜力觸探試驗、扁鏟側(cè)脹試驗、自鉆式旁壓試驗分別測定了土體在垂直和水平方向的固結(jié)系數(shù)Cv和Ch，用BAT滲透率儀測定了土體在垂直和水平方向的滲透系數(shù)kv和kh。Lekha等[14]通過試驗研究黏土在固結(jié)過程中滲透性和壓縮性的變化規(guī)律，提出了一種更廣義的有限厚度可壓縮介質(zhì)豎向固結(jié)理論，該理論假定變形較小，沉降受荷載增量產(chǎn)生的豎向應(yīng)變控制，忽略了土體自重的影響。

筆者以寧夏固原市西吉縣南川水庫壩前淤泥土為研究對象，利用固結(jié)、滲透儀器開展逐級加載條件下壩前淤泥土固結(jié)-滲透耦合特性試驗研究，分析在逐級加載條件下，不同深度處壩前淤泥土孔隙比隨固結(jié)壓力的變化規(guī)律、固結(jié)條件下的滲透特性變化規(guī)律、孔隙比與滲透系數(shù)之間的關(guān)系，以期為分析壩前淤泥面加壩逐級填筑的固結(jié)沉降問題提供參考。

2 試驗材料和方法

2.1 試驗材料

試驗所用土樣取自寧夏固原市西吉縣南川水庫壩前淤泥土（見圖1），取樣深度分別為10、50、100 cm，依次記為試樣①、試樣②、試樣③。試驗所用淤泥土基本物理性質(zhì)見表1，粒徑級配曲線如圖2所示，粒徑及粒組含量見表2。淤泥土顆粒分析采用BT-2003型激光粒度分布儀，可測得的粒度范圍為0.1～600 μm，土壤顆粒組分分級及類型參照水利部《土工試驗規(guī)程》（SL 237—1999）分類標準，粉粒粒徑為2～50 μm，黏粒粒徑為小于2 μm。由表1、表2可以看出，試驗所用淤泥土樣塑性指數(shù)在7.1～8.4之間，以2～50 μm粉土為主，含有少量黏土，因此該淤泥土為低液限粉質(zhì)黏土。

2.2 試驗設(shè)備

試驗設(shè)備主要包括WG型杠桿加壓式固結(jié)儀、傳感器及百分表等，在儀器底部使用管道與淤泥土樣底部連通，滲透試驗時土樣孔隙水自下而上流動，試驗設(shè)備結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。

2.3 試驗方案

試驗淤泥土樣初始高度為4 cm，土樣斷面面積為30 cm2，由于壩前淤泥土的含水量高、強度低，在較大的壓力作用下會被擠出，為了避免這種情況的發(fā)生，減小淤泥被擠出對試驗的影響，試驗加荷等級按照12.5、25、50、100、200、300、400、800 kPa共8個等級逐級加載。滲透試驗是在每一級固結(jié)壓力作用下，待24 h試樣高度變化穩(wěn)定后，進行變水頭滲透試驗，待淤泥土樣內(nèi)出水量穩(wěn)定后開始記錄水頭高度的變化及所需的時間，水頭高度每降低10 cm時，采集一次水頭數(shù)據(jù)及所需的時間，每級荷載作用下滲透數(shù)據(jù)的采集不低于3個時段。淤泥土樣固結(jié)試驗、滲透試驗操作步驟及試驗數(shù)據(jù)的記錄按照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—1999）的規(guī)定進行。因孔隙水黏滯系數(shù)受溫度的影響較大，滲透試驗時，需記錄室內(nèi)環(huán)境溫度的變化情況，并應(yīng)進行修正。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 淤泥土固結(jié)特性

按照上述試驗方案，分別得到不同深度處淤泥土樣在連續(xù)加載條件下的固結(jié)變形情況，以及在每級荷載作用下的孔隙比隨固結(jié)壓力的變化情況，不同深度處淤泥土固結(jié)試驗結(jié)果見表3，不同深度淤泥土樣固結(jié)e—p曲線如圖4所示，不同深度處淤泥土樣固結(jié)e—lg p曲線如圖5所示。

由不同深度淤泥土固結(jié)試驗結(jié)果分析可知，同一荷載作用下，隨著深度的增加，淤泥土樣的變形量逐漸減小，試樣①在第一級荷載12.5 kPa下的壓縮變形量為1.22 mm，試樣②的變形量為0.98 mm，試樣③的變形量為0.87 mm;當荷載達到800 kPa時，試樣①的壓縮變形量為5.32 mm，試樣②的變形量為4.92 mm，試樣③的變形量為4.54 mm。由圖4可知，在固結(jié)壓力12.5 kPa作用下，試樣①淤泥土樣穩(wěn)定后的孔隙比為0.936，400 kPa固結(jié)壓力作用下土樣穩(wěn)定后的孔隙比為0.753，固結(jié)壓力為800 kPa時，孔隙比減小到0.731;試樣②在12.5 kPa下的孔隙比為0.825，固結(jié)壓力為400 kPa時，孔隙比減小到0.661，固結(jié)壓力為800 kPa時的孔隙比最終穩(wěn)定在0.639;試樣③在12.5 kPa下的孔隙比為0.723，固結(jié)壓力為400 kPa時，孔隙比減小到0.587，固結(jié)壓力為800 kPa時的孔隙比最終穩(wěn)定在0.562。由圖5可知，不同深度處淤泥土的e—lg p曲線均表現(xiàn)出直線狀態(tài)，孔隙比與固結(jié)壓力之間呈現(xiàn)明顯的對數(shù)關(guān)系。通過對淤泥土的e—lg p擬合得出，相關(guān)系數(shù)R2均在0.98以上，說明兩者相關(guān)性較強，其擬合公式為：e=-Cclg p+e0（式中：e0為初始孔隙比;Cc為壓縮指數(shù)，是e—lg p曲線上直線段的斜率）。

3.2 淤泥土固結(jié)-滲透耦合特性

表4、表5與表6分別為試樣①、試樣②與試樣③的變水頭試驗結(jié)果。在每級荷載作用下，選取其中兩個時間段對應(yīng)的水頭高度變化，因在不同溫度下水的黏滯系數(shù)不同，自由水的流動速率將發(fā)生變化，為了便于比較，將t時間時對應(yīng)的水溫下的黏滯系數(shù)ηt與20°時對應(yīng)的水溫下的黏滯系數(shù)η20進行比較，從而將不同溫度條件下的滲透系數(shù)統(tǒng)一修正到溫度為20 ℃時對應(yīng)的滲透系數(shù)k20。

受各種因素的影響，在每級荷載作用下，淤泥土樣的滲透系數(shù)在不同時間段發(fā)生或大或小的變化，這主要是由試驗誤差或次固結(jié)效應(yīng)引起的，但是滲透系數(shù)變化的幅度相對較小，最大誤差值為0.35×10-8cm/s，變化幅度小于2.5%，可認為滲透系數(shù)在每級荷載固結(jié)完成后為常量。

淤泥土滲透系數(shù)隨固結(jié)壓力的變化規(guī)律如圖6所示，不同深度處淤泥土孔隙比與滲透系數(shù)之間的關(guān)系如圖7所示。

從圖6可以看出，不同深度處的淤泥土滲透系數(shù)均隨著固結(jié)壓力的增大而減小，呈現(xiàn)出明顯的非線性，其中試樣①的淤泥土滲透系數(shù)在土樣初期受壓階段迅速降低，固結(jié)壓力由12.5 kPa，增大至25 kPa時，滲透系數(shù)由6.46×10-7 cm/s降至3.58×10-7 cm/s，后期受壓降低較緩慢。在同一固結(jié)壓力作用下，不同深度處的淤泥滲透系數(shù)關(guān)系為：試樣①>試樣②>試樣③。由固結(jié)試驗可知，在固結(jié)過程中，每一級荷載作用下，淤泥土孔隙比大小為：試樣①>試樣②>試樣③，該結(jié)果與土體的排水固結(jié)理論相一致。從圖7可以看出，孔隙比與滲透系數(shù)關(guān)系密切，滲透系數(shù)隨孔隙比的減小而逐漸減小，試樣①孔隙比由0.936減小到0.731，滲透系數(shù)由6.46×10-7 cm/s減小到9.30×10-8 cm/s;試樣②孔隙比由0.825減小到0.639，滲透系數(shù)由3.50×10-7 cm/s減小到9.26×10-8 cm/s;試樣③孔隙比由0.723減小到0.562，滲透系數(shù)由3.38×10-7 cm/s減小到8.20×10-8 cm/s。

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【責任編輯 趙宏偉】