摘　要：在降水后的上海地铁１０号线同济大学站基坑工程现场取样，进行不同固结压力下的室内渗透试验，分析了工程降水对上海软黏土渗流特性的影响．忽略土样自重应力，假设土样垂直总应力等于固结压力，孔隙水压力为静止水压力，将垂直渗透系数与固结压力之间的对应关系转化为垂直渗透系数和垂直有效应力间的对应关系，用数学公式描述垂直渗透系数与垂直有效应力之间的数值关系．结果表明，降水作用使上海软黏土渗流特性的各向异性愈加明显，垂直渗透系数的对数与垂直有效应力成线性关系．

关键词：降水；软黏土；渗流特性；固结压力；有效应力

 

      降水不仅改变土体的物理力学参数，也改变土体的渗流特性．影响土体渗透性的因素主要有两个：一是流经土体的流体性质，如流体的密度和黏滞性；另一个是土骨架本身的性质，包括土的微观结构、矿物成分及其含量．降水后，土颗粒的矿物成分与含量几乎不发生任何变化，只是微观上土颗粒之间发生了相对错动，孔隙体积缩小，所以降水对土体渗流特性的影响主要源于土体微观结构的变化．土体微观结构的变化引起渗透特性的改变，进而土体渗流场也发生了变化．在土颗粒与水的相互作用过程中，水将渗流场的变化传递给土体，土体应力场发生改变，土的微观结构因此也发生了变化，然后土体微观结构的变化再引起土体渗流特性新一轮的改变，如此循环往复．经典土力学理论常把土体渗透系数视为常量，但由于土体微观结构、渗流特性、渗流场和应力场之间存在上述一系列循环作用关系，因此在建立数学分析模型时必须考虑渗流过程中土体渗透系数的动态变化，可将其表示为应变、应力或孔隙率的函数^{［１－７］}．结合渗流力学中的Ｋｏｚｅｎｙ－Ｃａｒｍａｎ公式，作一些基本假定后，也可推导出渗透系数随体积应变动态变化的关系式^［８］．尽管国内外学者已提出多种渗透系数动态变化关系式，但由于不同区域不同类别土体性质的差别，各层土体之间埋置状态、成土原因和应力历史等的差异，这些关系式不一定适用于所有土体，尤其是具有典型“四高四低”特点的上海饱和软黏土．本文以上海地铁１０号线同济大学站基坑为研究对象，通过测定基坑疏干区各层土体降水后的水平渗透系数和垂直渗透系数，对比分析降水作用对土体渗流特性的影响及具体程度，并对第④层灰色淤泥质黏土和第⑤_２层灰色黏质粉土夹粉质黏土进行不同固结压力下的渗透试验，揭示土体垂直渗透系数与垂直有效应力之间的关系．

 

      降水后，疏干区各层土体的应力得到一定程度的释放．在进行渗透试验之前，首先需要恢复土样至其初始应力状态，根据所取土样在地层中的实际总自重应力和附加应力来确定试验中应施加的固结压力值，使土样在原始总垂直应力下固结．

      迄今，在众多学者基于试验或其他方式给出的渗透系数表达式中，基本包含孔隙率、有效应力、固结度或固结压力中的一个变量．理论上，即使在同一固结压力下，压力作用的时间不同，土体的渗透系数也不一样，渗透系数表达式中应该包含时间因素或与时间相关的量．土体的孔隙率、有效应力和固结度都与时间密切相关，而固结压力与时间的关系不是特别密切，因此在渗透系数与固结压力的对应关系中理应包含时间因素．为消除同一固结压力下压力作用时间对渗透系数的影响，待土样在每级固结压力下固结稳定后再进行渗透试验．

      选用ＱＹ１－３型渗压仪测定软黏土的水平渗透系数．高塑性黏土的渗透系数很小，在一般的渗透仪或水头差不大时，渗流十分缓慢，历时很长或者几乎不发生渗流，为加快渗流，采用了加荷渗透法^［９］．渗透压力由小到大依次选择，但不能超过所施加的固结压力，否则土体有效应力为负，土中细小黏粒会被水冲走，土样发生渗透破坏．测定土体的水平渗透系数时，环刀横向切土，水平固结压力按照垂直固结压力乘以静止侧压力系数求得．

      不同渗透压力下土体的渗透系数可根据下式计算，并进行温度校正．

式中，ｐ_ｗｉ为所施加的渗透压力；ｈ_１为起始水头高度；ｈ_２为经过时间ｔ水头下降后的高度；Ａ＝３０ｃｍ^２，为试样横截面积；Ｌ ＝２ｃｍ，为渗流路径即试样高度；ａ＝０．９７ｃｍ^２，为测压管横截面积；γ_ｗ为水的容重；η_Ｔ和η_２０分别为温度Ｔ和标准温度２０℃时水的动力黏滞系数；ｋ_２０为标准温度下试样的渗透系数^［１０］

      室内渗透试验的操作过程见《ＧＢ／Ｔ　５０１２３－１９９９土工试验方法标准》．将土体应力恢复至原始状态后，先测定固结压力为总自重应力下各层土体的渗透系数，每个土层进行１０次渗透试验，并取６个在允许差值范围内的数据进行平均；然后再分别进行不同固结压力下第④层灰色淤泥质黏土及第⑤_２层灰色黏质粉土夹粉质黏土的渗透试验．

 

      表１总结了降水前后各土层的垂直渗透系数和水平渗透系数．上海软黏土在沉积过程中形成的水平裂隙多于垂直裂隙，孔隙在水平方向的连接强于垂直方向^［２］，所以各土层的水平渗透系数都大于垂直渗透系数．在降水作用下，土体微观裂隙逐渐趋于闭合，土颗粒之间孔隙的连通性降低，土体的水平渗透系数和垂直渗透系数都减小．若设降水在土体中引起的垂直有效应力增量为γ_ｗΔｈ_ｗ，则水平有效应力增量为ｋ_０γ_ｗΔｈ_ｗ．垂直有效应力增量大于水平有效应力增量，因此土中垂直裂隙的闭合程度普遍强于水平裂隙，土体垂直渗透系数的减小程度大于水平渗透系数的降低幅度．由表１可知，降水后土体的垂直渗透系数减小２０％～７７．８％，水平渗透系数减小５．５％ ～３１．６％；降水前各土层的水平渗透系数为垂直渗透系数的１．３～２．１倍，而降水后水平渗透系数与垂直渗透系数的比值变为１．５～３．１，土体渗透特性的各向异性在工程降水之后更加明显．

      试验还测定了不同固结压力下第④层灰色淤泥质黏土及第⑤_２层灰色黏质粉土夹粉质黏土的垂直渗透系数．为避免固结时土样被挤出，根据土样在试验中的实际承载能力来确定最大固结压力，施加的最大固结压力不应比土样在地层中的初始垂直总应力大得太多．施加于第④层灰色淤泥质黏土的固结压力分别为０．０５ＭＰａ，０．１ＭＰａ，０．１５ＭＰａ，０．２ＭＰａ，０．２５ＭＰａ和０．３ＭＰａ；施加于第⑤_２层灰色黏质粉土夹粉质黏土的固结压力分别为０．０５ＭＰａ，０．１ＭＰａ，０．２ＭＰａ，０．３ＭＰａ，０．４ＭＰａ和０．５ＭＰａ．由渗透试验直接得到的数据是不同固结压力下土层的垂直渗透系数，土体渗流特性的变化源于其微观结构的变化，而土颗粒之间有效应力的变化是土体微观结构变化最直观的反映，并且考虑到后续有效应力法数值分析的需要，我们通过一系列数学变换求得每组垂直渗透系数数据对应的垂直有效应力，以得到垂直渗透系数与垂直有效应力之间的关系．

      试验时所取土样均为降水后疏干区的土，土中初始孔隙水压力很低．尽管在进行固结渗透试验之前对土样进行了饱和，但在固结压力作用下的固结阶段，土样中的孔隙水压力仍然较低，一旦结束固结阶段开始进行渗透试验，土样中的孔隙水压力便开始猛然增大．由文献［５］中的图１，围压０．２ＭＰａ下粉质黏土中的孔隙水压力在１２ｍｉｎ之后才消散掉５％，而此次渗透试验中两个水头高度ｈ_１与ｈ_２的读取时间间隔ｔ远小于１２ｍｉｎ，因此可忽略土样渗透过程中孔隙水压力的消散．参照文献［１１］的图３－１６，假定土样中的孔隙水压力为静止水压力，渗透过程中土样的平均孔隙水压力为土样中开始发生渗流时的孔隙水压力和渗流终止时孔隙水压力的代数平均值，即

ｕ＝０．５（ｈ_１＋ｈ_２）γ_ｗ＋ｐ_ｗ．         （３）