济南富水裂隙黏性土的渗透特性试验研究_雷炳霄.pdf
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1、DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202208032开放科学(资源服务)标识码(OSID)济南富水裂隙黏性土的渗透特性试验研究雷炳霄1,2,李 俊1,2,吴佳伟3,4,陈锴嘉3,4,沈 扬3,4(1.山东省地矿局八一水文地质工程地质大队,济南410832;2.山东省地矿工程勘察院,济南410832;3.河海大学岩土工程科学研究所,南京210024;4.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,南京210024)摘要:依托济南某基坑工程,对富水裂隙黏性土进行基本参数、原状土和重塑土渗透试验,对比分析室内外两种试验的差异性,优化室内渗透试验装置;开展 SEM 电镜扫描、
2、工业 CT 扫描等微观试验,深入分析渗透机理。研究表明:裂隙黏性土通常可直观看到表面有接近圆形的孔隙特征,孔隙比大于 0.8,室内渗透系数通常能达到 104 cm/s 量级,现场抽水试验可达 103 cm/s 量级,CT 扫描分析可获取较为完整的裂隙-孔隙管道体系。研究认为:裂隙土的高渗透性主要因其本身大孔隙比和内部发育的裂隙与孔隙管道系统,较大的孔隙比为其高渗透性提供了基本条件,裂隙-孔隙管道系统进一步为高渗透性提供了通道。关键词:裂隙土;渗透试验;宏观表现;微观试验;渗透机理中图分类号:TU411.4文献标志码:A文章编号:1003 8825(2023)03 0068 05 0 引言济南地
3、质环境具有特殊性,地下水量丰沛,地下水运动活跃。根据对该地区地下水的既有研究可推断,要实现充分的地下水运动,就必然存在高渗透性的岩土体。束龙仓教授针对济南岩体裂缝开展了多项试验与理论模拟研究1-3;有工程单位基于勘察和施工过程中的数据参数做出简要总结,也有学者对其他裂隙土的裂隙分布特征做描述方法研究4-5。以上研究多是基于膨胀性裂隙结构开展6-7,与济南区域的特征裂隙土有一定差异。济南富水裂隙土具有较强的区域性土特征。既有研究资料显示,裂隙土属于粉质黏土类,内部存在发育明显的裂隙,具有较强的渗透性,在基坑开挖工程中往往会导致基坑大量涌水等工程问题,不仅增加时间、经济成本,也极易影响生产安全。因
4、此,在勘察过程中较快地辨识裂隙土,为工程设计与施工提供参考意见,具有实际应用价值。基于济南某基坑工程,本文对现场高渗透性裂隙土展开相关室内试验与理论研究。通过多种手段测试裂隙土的渗透性,深入分析裂隙土高渗透的内在机理,寻求高效判别裂隙土的科学方法。1 裂隙土的现场抽水试验现场抽水试验共含 7 个抽水井,17 个观测井。某一抽水井试验结果,见表 1。表1现场抽水试验结果降深井号初始水位/m水位降深/m涌水量/(m3d1)渗透系数/(md1)影响半径/m稳定时间/h一主抽R3C11XW2 1.085 7.759 125.190.97826.581 10.0观测R3C11XY2-11.442 0.0
5、17R3C11XY2-21.102 0.065R3C11XY2-31.102 0.094二主抽R3C11XW2 1.085 6.229 138.241.16823.321 9.6观测R3C11XY2-11.442 0.018R3C11XY2-21.102 0.025R3C11XY2-31.102 0.090三主抽R3C11XW2 1.102 4.873 139.881.52221.826 10.2观测R3C11XY2-11.465 0.010R3C11XY2-20.983 0.074R3C11XY2-31.125 0.011 收稿日期:2022 10 17基金项目:河海大学科研项目:济南富水裂
6、隙黏性土渗透和强度特性研究(820069516)作者简介:雷炳霄(1984),男,陕西渭南人。高级工程师,博士研究生,主要从事水文地质、工程地质与环境地质研究工作。E-mail:。路基工程 68 Subgrade Engineering2023 年第 3 期(总第 228 期)抽水井与观测井深度,依据试验地层的深度而设计。在进行抽水试验时,主要进行单井抽水,其他抽水井及观测井均作为观测井同步测量水位变化情况,以分析计算各试验土层的水力联系。不同抽水井之间所测土层得到的数据存在一定差异,据三个降深抽水试验结果,该井含水层渗透系数 K 的平均值为 1.223 m/d。该井组做恢复水位观测试验一次,
7、根据水位恢复速度计算渗透系数K=0.690 m/d。该土层现场观察有明显裂隙或较大孔隙存在,且抽水试验结果显示渗透系数较大,符合裂隙土的初步判断特征,取样至室内进行分析试验。2 室内试验研究 2.1 基本参数试验取原状土样,在室内主要测定密度、含水率、比重等基本物理力学参数。为对比裂隙土与普通黏土的差异,取同一区域位于裂隙土层以外的土壤,选取比重相近的 4 组土样,由浅到深分别命名为对照土 1、对照土 2、对照土 3、对照土 4。裂隙土和对照土的相关物理参数,见表 2。表2试验土的基本参数试验组密度/(gcm3)比重含水率/%孔隙比裂隙土1.8332.64518.810.800对照土11.95
8、52.64223.530.669对照土21.9962.64921.400.605对照土32.0122.64017.020.535对照土41.9162.62822.980.652注:因受取样影响,所测密度与含水率较原位土略低一些。2.2 室内渗透试验为兼顾考虑裂隙土原状土的高渗透性及提升重塑土制样的便捷性,室内试验采用变水头渗透试验,试验装置采用 T155 型变水头渗透仪。重塑土试样制样过程为:原状土充分破碎烘干,配置与原状土相同含水率重塑土样,利用标准压样器制样。试验分为两部分:裂隙土与对照原状土渗透系数测定与对比分析;裂隙土原状土与相同孔隙比条件下裂隙土重塑土渗透系数测定与对比分析。试验方法
9、参照土工试验方法标准(GB/T 501232019)。2.2.1 原状土渗透试验对比试验测定裂隙土原状土渗透系数与 4 种对照黏土的原状土渗透系数。具体试验结果,见表 3。表3渗透系数试验结果试样名称裂隙土对照土1对照土2对照土3对照土4渗透系数/(cms1)5.0571044.4101068.4331062.8271066.240107 由表 3 可知:为降低室内试验的偶然性,试验数据均为多次试验后取密集数据区内平均值。室内试验结果表明,裂隙土的渗透系数显著高于普通黏土。裂隙土原状土的变水头渗透系数通常可达104 cm/s量级,而对照组普通黏土仅能达到 106 cm/s 量级。普通黏土的渗透
10、试验结果符合行业对黏土的室内渗透试验结果认知,而裂隙土的变水头渗透系数已接近沙砾的渗透系数。2.2.2 裂隙土原状土与重塑土渗透试验对比试验基于已知裂隙土原状土孔隙比,令重塑土试样与原状土试样孔隙比相同,并将二者在室内变水头渗透试验中进行对比。原状土、重塑土渗透试验结果,见表 4。表4原状土、重塑土渗透试验结果试样名称原状土重塑土渗透系数/(cms1)5.0571045.667105 保持与原状土相同孔隙比,不改变其他参数,重塑土样的室内渗透系数仍较大,显著高于普通黏土的原状土渗透系数。裂隙土原状土的孔隙比较普通黏土原状土的孔隙比大 33%左右,有显著高渗透优势。可初步判定,裂隙土的高渗透性质
11、受其本身大的孔隙比影响。在相同的大孔隙比条件下,裂隙土的原状土渗透系数要高于重塑土数倍,尽管未形成一个量级上的优势,但仍有明显差异,不可忽视。该现象说明裂隙土内部孔隙形态的变化一定程度上也影响裂隙土的渗透性质,值得深入研究。通过上述多组对照试验,逐步论证了裂隙土高渗透性的原因可能在于其宏观层面的大孔隙比、孔隙裂隙发展形态等要素。室内试验存在一定局限性,与现场抽水试验结果存在量级上的差异。尽管通过对比裂隙土与普通黏土等多组试验论证了裂隙土的高渗透性及其潜在原因,但室内试验的取样、制样存在一定偶然性,其试验结果是否合理无法充分保证。因此,有必要寻找一种更加准确、简便的室内渗透试验方法。雷炳霄,等:
12、济南富水裂隙黏性土的渗透特性试验研究 69 3 基于变水头原理的改装模型试验 3.1 改装原理常规室内变水头渗透试验试样为使用渗透环刀取一底面积 30 cm2、高 4 cm 的圆柱形试样,与现场试验相比,其尺寸效应显著。同时,其制样通常要经受两次扰动,先为现场取样,再为室内二次取样。尽管可以通过规范操作尽可能降低对原状土的扰动,但实际上仍无法避免。因裂隙土高渗透性可能在于其内部极为发育的裂隙与孔隙管道,研制一种降低尺寸效应、且减少室内二次制样扰动性的渗透试验装置有实用价值。经过改装的渗透试验模型装置基于常规变水头渗透试验原理,将原状土取样大小、室内土样的渗透性较现场变化等要素纳入考虑,以常规变
13、水头试验原理为基础。主要改装提升点如下:(1)试样尺寸较既有室内渗透装置制样增大,降低试样尺寸的影响,尤其适用于内部有大裂隙或孔隙管道的裂隙土。(2)试样为原状土取样(高 20 cm 底径 10 cm的圆柱体),室内无需进行二次环刀制样,减小室内渗透环刀二次制样过程中产生的扰动,尤其是降低制样过程中环刀压土对既有裂隙的挤压变形。(3)模型加装孔压计,连接至计算机终端,实时记录孔压变化,获取实时渗透系数。(4)模型加装增压装置,适配试样增大之后所需水头增大变化。3.2 试验结果利用改装渗透模型,重新测定裂隙土与普通黏土的原状土渗透系数。不同试验方式下裂隙土的渗透系数,见表 5。表5不同试验方式下
14、裂隙土的渗透系数试验方法抽水试验变水头渗透自研模型渗透系数/(cms1)1.4551035.0571049.35104 对比改装模型和常规室内变水头渗透试验结果可知:裂隙土与普通黏土的室内试验可靠性均有提升,与现场试验结果更为接近,验证了试样尺寸、潜在扰动可能对渗透结果会产生影响的设想。同时,裂隙土的渗透系数测定结果仍较现场抽水试验结果有一定差异,分析认为:一方面因为模型尺寸仍不够大,无法充分还原裂隙土现场土体内部纵横交错的裂隙发展形态;另一方面,现场抽水试验测试结果为综合渗透系数,其沙砾夹层等会增大渗透系数。4 微观试验无论是现场抽水试验、室内变水头试验还是自研模型试验,均局限于土渗透性的宏
15、观数据参数,尽管提出了多种高渗透性质设想,但无可靠理论证明。借助 SEM 电镜扫描与工业 CT 扫描,对裂隙土的高渗透性机理予以验证。4.1 SEM 电镜扫描SEM 电镜试验,扫描得到裂隙土与普通黏土在 505 000 倍放大区间下的图像。裂隙土与对照土 100 倍放大条件下的扫描结果,见图 1。在放大 150500 倍时,可较为明显地观察到裂隙土表面存在近圆形的孔隙,而普通黏土表面则较为平整,符合其渗透性较低的特点。在高倍率放大扫描时,因为扫描区域面积小,难以恰好观察到存在大孔隙的位置。对照组土 1 也几乎观察不到较大的孔隙。a 裂隙土 b 对照土1图1100 倍电镜扫描图 据既有对济南地区
16、裂隙土 CT 扫描试验的结果,裂隙土内部显著存在一定宽度、延伸较长的裂缝8-9,但仅局限于从某一切面的二维图像角度予以展示裂隙的存在现象,未深入研究分析。基于此研究成果,从裂隙土内部裂隙的量化描述角度加以分析,同时从三维角度立体展示裂隙土内部裂隙的发育情况。4.2 CT 扫描试验为深入研究裂隙土内部孔隙的三维特征,有必要展开工业 CT 扫描与处理分析研究。采用工业纳米 CT 设备(型号 nanotom S)完成初步扫描,采用 Image J 等软件进行处理分析。试验过程中随机选取某一裂隙土样,制样形成边长5 cm 的方体,切片扫描后形成2 8242 824 pixel图像,经过 ImageJ
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