軟土地基促滲技術(shù)試驗(yàn)研究與分析

田健君

［上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092］

0 引 言

我國(guó)軟土分布廣泛，北至連云港，途徑江蘇、上海、浙江、福建，南至廣東一帶，均有片狀、線狀或零星出現(xiàn)，從建設(shè)的主要技術(shù)措施來(lái)看，軟土地區(qū)對(duì)滯、凈、用的影響不大[1-3]。軟土地區(qū)適當(dāng)建設(shè)生物滯留池等設(shè)施，可以有效延緩徑流峰現(xiàn)時(shí)間；污水處理設(shè)施及管網(wǎng)，河道和生態(tài)緩坡可以有效減少面源污染，改善城市水環(huán)境[4-5]。

軟土地區(qū)對(duì)海綿城市建設(shè)的排、滲和蓄作用比較明顯，顯然軟土地區(qū)滲透系數(shù)低，不利于源頭減少雨水徑流，但有利于雨水的調(diào)蓄。因此考慮充分發(fā)揮軟土地區(qū)特點(diǎn)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，減少雨水入滲量，增加調(diào)蓄量，可以充分利用雨水資源，化劣勢(shì)為優(yōu)勢(shì)，發(fā)揮軟土地區(qū)海綿城市建設(shè)的保水儲(chǔ)水用水作

用[6-8]。

基于以上背景，針對(duì)軟土地基下滲困難、蓄水較好的現(xiàn)實(shí)情況，如能研發(fā)海綿復(fù)合地基技術(shù)，利用具有海綿功能的樁基，一方面可以充分發(fā)揮保水儲(chǔ)水作用，另一方面通過周邊促滲和植物根系作用，使儲(chǔ)蓄的水分可被人行道、綠化帶、公園、綠地等場(chǎng)所綠植使用，做到保水儲(chǔ)水用水功能的最大化。因此開展促滲技術(shù)研究很有必要。

1 試驗(yàn)材料選用

經(jīng)過調(diào)研，對(duì)可能的保水材料進(jìn)行飽和含水率測(cè)定，并測(cè)定其滲透系數(shù)，選擇飽和含水率高、滲透系數(shù)相對(duì)小的填料作為保水材料。

測(cè)定發(fā)現(xiàn)，蛭石、珍珠巖、火山巖等含水率在100%以上，具有作為保水材料可行性；同時(shí)考慮到軟土地基促滲的實(shí)施可行性，采用水處理立體網(wǎng)包括保水材料的方式，將保水材料立體投放，以充分發(fā)揮保水作用，作為砂樁海綿擴(kuò)大頭。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

軟土地基促滲技術(shù)開發(fā)可以借鑒地下水取水構(gòu)筑物管井的設(shè)計(jì)與水力計(jì)算。管井水力計(jì)算是在已知水文地質(zhì)等參數(shù)條件下，通過計(jì)算管井在出水量情況下周邊水位降落值，或者在給定出水量和地質(zhì)參數(shù)條件下，計(jì)算管井的可能水位降落值。

與之相反，利用管井注水，在保水材料良好的保水性能條件下，由于軟土地區(qū)土層滲透系數(shù)小，一般滲透系數(shù)為10-7～10-8cm/s，因此水分主要向周邊方向滲透，在已知管井水位的前提下，可以結(jié)合周邊水位地質(zhì)參數(shù)條件，計(jì)算周邊黏土水位線高度，再根據(jù)高度選擇適宜的根系植物，通過植物的吸水作用，促使砂井內(nèi)水分利用。

主要驗(yàn)證試驗(yàn)裝置如圖1 所示，砂井開孔放入試驗(yàn)裝置內(nèi)，砂井以下的軟土底層內(nèi)含1 m 黏土層。

采用模型試驗(yàn)，研究不同半徑、深度、形式的砂井對(duì)促滲的影響，記錄分析水位浸潤(rùn)測(cè)試結(jié)果，基于模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行理論推導(dǎo)，進(jìn)一步確定促滲技術(shù)參數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同半徑對(duì)浸潤(rùn)水頭線的影響

圖1 砂井模擬試驗(yàn)裝置圖

在模擬砂井0.5 m 處，測(cè)定浸潤(rùn)水頭線，利用不同直徑的砂井模型向土壤滲水，得到不同直徑下的浸潤(rùn)水頭線，見表1。

表1 砂井半徑對(duì)浸潤(rùn)水頭高度的影響

由表1 可以看出，試驗(yàn)過程中，砂井半徑較大，整體裝置偏小。在總流量一定的情況下，半徑大，0.5 m 測(cè)定位置距離砂井距離較近，浸潤(rùn)水頭線較高；半徑小，距離砂井距離較遠(yuǎn)，浸潤(rùn)水頭線較低。

參考其他資料，對(duì)Y2∞ln進(jìn)行相關(guān)度分析。如圖2 所示，得到砂井水量與水頭線平方更接近，R2為0.85?？梢姡霃脚c水頭線高度的平方呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系。這是因?yàn)樵撛囼?yàn)中水頭線高度高出地下水位，因此可以加速滲流過程，即砂井半徑越大，水頭高度越大，滲流速度越快。

圖2 砂井半徑與水頭線關(guān)系擬合

3.2 不同砂井深度對(duì)浸潤(rùn)水頭線的影響

利用砂井模型在不同高度促滲，得到0.5 m 處浸潤(rùn)水頭線，在土壤均值條件下，在不同高度促滲，等于模擬不同管井深度。在模擬砂井0.5 m 處，測(cè)定浸潤(rùn)水頭線，利用不同直徑的砂井模型向土壤滲水，得到不同直徑下的浸潤(rùn)水頭線，見表2。

表2 管井深度對(duì)浸潤(rùn)水頭高度的影響

由表2 可知，管井越深，浸潤(rùn)水頭線越高，此外，管井深度與促滲水量有關(guān)，為了盡可能提高促滲井的促滲作用，應(yīng)該盡可能往砂井多注水，以提高砂井周圍的水頭線。但砂井深度過高，會(huì)提高造價(jià)成本。砂井過淺，主要會(huì)影響砂井促滲流量。

參考其他資料，對(duì)Y3∞進(jìn)行相關(guān)度分析。如圖3 所示，得到砂井深度與水頭線三次方負(fù)相關(guān)，R2為0.91。根據(jù)達(dá)西滲透定律，較大的水力梯度可以加速滲流過程，所以管井越深，水頭高度越大，滲流速度越快。

圖3 砂井深度與水頭線關(guān)系擬合

3.3 砂井水量對(duì)浸潤(rùn)水頭線的影響

在模擬砂井0.5 m 處，測(cè)定浸潤(rùn)水頭線，改變不同砂井水量，浸潤(rùn)水頭數(shù)據(jù)見表3。

由表3 可知，水量越大，浸潤(rùn)水頭線越高，因此為了發(fā)揮促滲井的促滲作用，應(yīng)該盡可能往砂井多注水，以提高砂井周圍的水頭線。參考其他資料，以Q 為橫坐標(biāo)，Y2為縱坐標(biāo)（見圖4），得到砂井水量與水頭線平方更接近，R2為0.90，即砂井水量越大，水頭線越高，井內(nèi)下滲速度越快。

表3 水量對(duì)浸潤(rùn)水頭高度的影響

圖4 砂井水量與水頭線關(guān)系擬合

3.4 注水試驗(yàn)案例分析

將砂井開孔放入圖1 的試驗(yàn)裝置內(nèi)，砂井以下的軟土底層內(nèi)含1 m 黏土層，分別在不同砂井半徑、砂井深度和砂井水量條件下向砂井內(nèi)自流注水，在控制水頭高度一定時(shí)，考察水量下滲情況。

根據(jù)達(dá)西滲透定律：

式中：V 為滲流速度；Q 為單位時(shí)間滲透量；i 為水力梯度；k 為滲流系數(shù)。當(dāng)水力梯度i 較大時(shí)，滲流速度加快。本文研究中的水頭線高度高出地下水位，可以加速滲流過程。而砂井半徑、砂井深度和水量均與浸潤(rùn)水頭線高度呈正相關(guān)關(guān)系，所以三個(gè)參數(shù)也與砂井的下滲速度成正相關(guān)。因此增加砂井的半徑、高度及水量可以提升砂井的促滲作用。

4 砂井促滲公式模擬與解析

與利用管井抽水相反，在材料的良好保水性能條件下，由于軟土地區(qū)土層滲透系數(shù)小，因此水分主要向周邊方向滲透，在已知管井水位的前提下，可以結(jié)合周邊水位地質(zhì)參數(shù)條件，計(jì)算周邊黏土水位線高度，再根據(jù)高度可以選擇適宜的根系植物，通過植物的吸水作用，促使砂井內(nèi)水分利用。

促滲試驗(yàn)可以近似為潛水完整井注水試驗(yàn)的逆過程，類同無(wú)壓含水層完整井的計(jì)算。

假設(shè)隔水底板水平，抽水前潛水面水平，含水層等厚。抽水時(shí)應(yīng)用裘布衣假設(shè)，即近似認(rèn)為水流是水平的，過水?dāng)嗝鏋橥膱A柱面，通過各過水?dāng)嗝娴牧髁肯嗟炔⑶业扔谒某樗俊?/p>

由方程

將式（3）線性化，得式（4）：

式中：h 為潛水含水層厚度。

根據(jù)初始水文條件：

得式（5）：

求解過程如下：

進(jìn)一步求解為

函數(shù)優(yōu)化如下：

進(jìn)一步迭代參數(shù)：

進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

式中：r0為井的半徑；S0為儲(chǔ)水高度；H 為最大取水深度；R 為最大影響半徑；K 為滲透系數(shù)。

對(duì)于最大取水深度H，對(duì)于植物而言，直根系對(duì)軸向水分利用起到關(guān)鍵作用，一般直根系入土較深，其側(cè)根在土壤中的伸延范圍也較廣。一般來(lái)說，軸根系的深入土壤的深度大于須根系，一般木本植物的根深達(dá)10～12 m。而生活在沙漠地區(qū)的駱駝刺可深入地下20 m，以吸收地下水。單子葉植物如禾本科植物，其須根入土只有20～30 cm。

R 可根據(jù)水文地質(zhì)勘察資料確定，最好通過現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)和水文地質(zhì)條件相似地區(qū)水井的長(zhǎng)期觀測(cè)資料確定。無(wú)上述條件時(shí)，可以根據(jù)滲透系數(shù)選擇確定。

根據(jù)公式代入本文試驗(yàn)條件，得到與實(shí)際測(cè)定數(shù)據(jù)的擬合情況，如圖2～圖4 所示，擬合情況較好。

5 軟土地基促滲植物選擇

對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行演算如下：

對(duì)于直徑0.4 m 的促滲井，影響半徑為25 m，滲透系數(shù)選擇1 m/d，管井深度選擇5 m，為了安全性考慮，注水井深為5 m，降雨強(qiáng)度Q 選擇為5 m3/d，得到浸潤(rùn)水頭，見表4。

表4 軟土地基淹沒水位

由表4 可以看出，利用促滲井，周圍2 m 處的水位深度埋深為2 m，15 m 以外埋深為2.8 m，因此促進(jìn)周圍需要選擇深根系植物，單純草本植物無(wú)法利用促滲井的水分。促滲井只能起到儲(chǔ)水作用，需要種植灌木和喬木才能發(fā)揮軟土地基的促滲作用。合適軟土地基的喬木和灌木選擇與配置如下：

喬木的選擇與配置：可分段栽植少量耐澇、耐旱、抗污染的喬木，同時(shí)可選擇觀賞價(jià)值高的樹種點(diǎn)綴整體景觀。此外，喬木的栽植不能影響交通，應(yīng)選擇分枝點(diǎn)較高的樹種。上海地區(qū)可選用如水杉、池杉、落羽杉、垂柳、意楊等。

灌木的選擇與配置：灌木與喬木及地被搭配種植形成復(fù)層植物群落景觀，應(yīng)選擇根系發(fā)達(dá)、抗雨水沖刷、耐旱的種類。上海地區(qū)可選用如雀舌黃楊、小葉黃楊、夾竹桃等。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過對(duì)軟土地基促滲砂井進(jìn)行模擬試驗(yàn)、分析計(jì)算，得出以下結(jié)論：

（1）在總流量一定的情況下，半徑大，0.5 m 測(cè)定位置距離砂井距離較近，浸潤(rùn)水頭線較高；半徑小，距離砂井距離較遠(yuǎn)，浸潤(rùn)水頭線較低。

（2）管井越深，浸潤(rùn)水頭線越高。水量越大，浸潤(rùn)水頭線越高。

（3）促滲井周圍需要選擇深根系植物，單純草本植物無(wú)法利用促滲井的水分?？煞侄卧灾采倭磕蜐?、耐旱、抗污染的喬木，上海地區(qū)可選用如水杉、池杉、落羽杉、垂柳、意楊等。灌木應(yīng)選擇根系發(fā)達(dá)、抗雨水沖刷、耐旱的種類，上海地區(qū)可選用如雀舌黃楊、小葉黃楊、夾竹桃等。