于 航

(天津市勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300191)

0 引言

巖土體滲透特性關(guān)乎著水利、建筑等結(jié)構(gòu)的防滲設(shè)計(jì),探討巖土體滲透演變特征[1-2],有助于工程建設(shè),但不論是巖體或土體,其滲透特性均受工程環(huán)境、自身因素等影響[3]。張闖等[4]、張騫等[5]為研究巖石試樣滲透演變特征,通過(guò)室內(nèi)靜水壓力滲透測(cè)試、加載破壞過(guò)程滲透測(cè)試等方法,獲得了巖石試樣滲透率與圍壓、應(yīng)力以及滲透壓關(guān)系,對(duì)巖石滲透特性研究具有參考意義。土體滲透水平受自身干密度、含水率等因素影響,一些學(xué)者基于變水頭滲透試驗(yàn),探討了含水率[6]、干密度[7]等影響因素下,試樣滲透系數(shù)變化過(guò)程,推到了土體滲透水平與影響因素的數(shù)學(xué)關(guān)系,豐富了土體滲透特性研究理論成果。從土體細(xì)觀變化,可揭示土體滲透差異的內(nèi)在機(jī)理,徐衛(wèi)衛(wèi)等[8]、彭家奕等[9]基于CT掃描等細(xì)觀試驗(yàn)手段,對(duì)土體的內(nèi)部孔隙、顆粒結(jié)構(gòu)開展了細(xì)觀分析,基于細(xì)觀特征變化,可解釋土體的滲透水平差異,構(gòu)建起土體滲透宏、細(xì)觀研究體系。本文為研究地鐵站場(chǎng)地粉質(zhì)粘土試樣滲透特性,分別開展了土體的滲透測(cè)試與SEM掃描,分析了含水率、凍融作用對(duì)試樣宏、細(xì)觀特征影響,為相關(guān)工程及土體滲透理論研究提供參照。

1 研究概況

1.1 工程介紹

作為天津地鐵六號(hào)線重點(diǎn)工程,金鐘地鐵站是外環(huán)線、二號(hào)線重要交匯樞紐,控制著天津東北部地鐵運(yùn)行、檢修等,始末里程分別為DK8+797.474 m～DK9+51.974 m,站臺(tái)所在中心里程為DK8+943.224 m,車站位于地下二層,最深處為18.5 m,同時(shí)為降低地下水對(duì)地鐵運(yùn)行危害,基坑開挖之初進(jìn)行了帷幕灌漿與地下止水設(shè)計(jì),確?；訄?chǎng)地內(nèi)防滲體系運(yùn)行可靠。作為線路換乘車站,金鐘站采用平行線路設(shè)計(jì)形式,Z2號(hào)線與六號(hào)線平行運(yùn)行,但五號(hào)線偏離Z2號(hào)線、六號(hào)線交匯處,其站臺(tái)核心里程為DK14+231.485 m,設(shè)計(jì)為地下三層結(jié)構(gòu)形式,基坑開挖深度超過(guò)25 m,具有三個(gè)車站出入口,風(fēng)井深度設(shè)置為10.5 m,采用排樁圍護(hù)復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)形式,同樣設(shè)置有止水結(jié)構(gòu)。為確保金鐘地鐵站基坑開挖安全,地勘部門考慮工程需要及場(chǎng)地現(xiàn)狀,針對(duì)性開展了波速測(cè)試、抽水試驗(yàn)以及基坑土體取樣等常規(guī)物理力學(xué)測(cè)試等,根據(jù)抽水試驗(yàn)結(jié)果,得知基坑開挖場(chǎng)地存在有第一、第二承壓含水層,兩承壓含水層涌水量分別為132 m3/d、145 m3/d。波速測(cè)試結(jié)果表明,基坑土層鉆孔深度內(nèi)剪切波速分布為125～280 m/s,壓縮波速較之剪切波速高了1.5～2.4倍,同時(shí)基坑場(chǎng)地內(nèi)部分區(qū)域存在有飽和土層,其波速水平要高于非飽和土層。結(jié)合工程資料可知,金鐘地鐵站基坑場(chǎng)地土層滲透特性必須引起重視,而地勘表明場(chǎng)地內(nèi)土層分布有不同含水率狀態(tài)的粉質(zhì)粘土,且分布范圍、分布深度均以粉質(zhì)粘土為典型,故建設(shè)部門計(jì)劃先期對(duì)基坑場(chǎng)地粉質(zhì)粘土滲透特性開展系統(tǒng)研究,從而為工程提供防滲設(shè)計(jì)依據(jù)。

1.2 試驗(yàn)概況

為準(zhǔn)確分析金鐘地鐵站基坑場(chǎng)地粉質(zhì)粘土滲透特性,考慮從宏觀滲透測(cè)試以及細(xì)觀特征研究入手,探討粉質(zhì)粘土滲透特性變化。圖1(a)為滲透測(cè)試設(shè)備,該試驗(yàn)設(shè)備可變換變水頭或定水頭測(cè)試方法,也可應(yīng)對(duì)飽和或非飽和土體。滲透測(cè)試時(shí),還可通過(guò)系統(tǒng)壓汞測(cè)試模塊,獲得測(cè)試土樣的孔隙變化特征。同時(shí),所有試樣在完成滲透測(cè)試后,需進(jìn)行電鏡分析(SEM),基于試樣細(xì)觀變化特征,解釋宏觀滲透變化機(jī)理,圖1(b)為SEM試驗(yàn)裝置,可滿足不同尺寸、不同狀態(tài)試樣最大8 000倍細(xì)觀放大。本次SEM試驗(yàn)中,依次進(jìn)行低倍、中倍以及高倍細(xì)觀掃描,對(duì)應(yīng)分別為×500倍、×2 000倍、×8 000倍。

圖1 試驗(yàn)裝置

根據(jù)圖1試驗(yàn)設(shè)備要求,從金鐘地鐵站基坑場(chǎng)地內(nèi)鉆孔取樣后,獲得原狀土樣含水率分布為12.5%～19.5%,中值粒徑為0.06 mm,顆粒密度為1.24 g/cm3,多個(gè)鉆孔點(diǎn)土樣分析表明,含水率差異乃是最大差異點(diǎn),原位實(shí)驗(yàn)測(cè)試,地基土體承載力為125～140 kPa。另一方面,溫度變化均會(huì)影響原狀土樣承載力特征,據(jù)室內(nèi)土工測(cè)試結(jié)果,其常規(guī)測(cè)試圍壓50 kPa下抗壓強(qiáng)度為135 kPa,而溫度0℃下試樣抗壓強(qiáng)度較之減少了32%～65%,故而滲透測(cè)試之時(shí),也許考慮工程物理環(huán)境變化對(duì)其影響?，F(xiàn)場(chǎng)土樣經(jīng)重塑加工后,采用人工含水率制作以及土樣加工方法,并根據(jù)含水率分布,分別劃分出12.5%～14.5%(A組)、15%～17%(B組)、17.5%～19.5%(C組)三個(gè)含水率分布組,徑、高尺寸分別為38 mm、76 mm,SEM試驗(yàn)中在試樣中部切出2 mm深槽方便掃描。每組含水率經(jīng)養(yǎng)護(hù)48 h后才可進(jìn)行凍融物理作用,凍、融溫度分別設(shè)定為-30℃、25℃每一次物理交替作用下歷時(shí)為8 h,并在完成目標(biāo)作用次數(shù)后,先后進(jìn)行SEM掃描與滲透測(cè)試。

物理交替作用乃是影響粉質(zhì)粘土試樣滲透特性的重要因素,不論干濕或凍融作用,其交替次數(shù)按照試樣宏觀力學(xué)承載影響范圍,分別設(shè)定為0次(無(wú)任何物理作用)、3次、6次、9次、12次、15次,18次、21次,含水率因素參照A、B、C三組設(shè)定。滲透測(cè)試中,靜水圍壓直接影響孔隙分布與滲透能力,分別設(shè)定為10 kPa、30 kPa、50 kPa、70 kPa、90 kPa、120 kPa、160 kPa,表1為本試驗(yàn)各因素組參數(shù)設(shè)計(jì)?；谖锢碜饔孟路圪|(zhì)粘土試樣滲透宏、細(xì)觀測(cè)試,探討其滲透特性影響變化特征。

表1 試驗(yàn)參數(shù)表

2 物理作用影響下粉質(zhì)粘土滲透特性

基于凍融作用下粉質(zhì)粘土試樣滲透測(cè)試,獲得了不同靜水圍壓下各含水率組下試樣滲透系數(shù)變化特征,如圖2。依據(jù)圖2可知,不論含水率為何值,當(dāng)靜水圍壓增大,滲透系數(shù)均為遞減,從數(shù)學(xué)關(guān)系上考慮,滲透系數(shù)與靜水圍壓具有冪函數(shù)特征。在含水率B組中,凍融作用9次時(shí),試樣滲透系數(shù)分布為3.4×10-9～5.85×10-6cm/s,由靜水圍壓10 kPa增大至150 kPa,平均每20 kPa靜水圍壓,可減少試樣滲透系數(shù)60.5%,在靜水圍壓50 kPa后,滲透系數(shù)甚至已降低了1～2個(gè)量級(jí)。當(dāng)同為B組含水率時(shí),在凍融作用15次時(shí),其滲透系數(shù)隨靜水圍壓影響,平均降幅為68.8%,較之作用3次下,前者試驗(yàn)組滲透系數(shù)受靜水圍壓影響高于后者,即凍融作用會(huì)促進(jìn)靜水圍壓對(duì)試樣滲透水平影響。

圖2 含水率-試樣滲透系數(shù)-凍融作用關(guān)系

在含水率A組中,當(dāng)靜水圍壓為10 kPa時(shí),無(wú)凍融作用下試樣滲透系數(shù)為4.8×10-7cm/s,而凍融作用了9次、15次后,相應(yīng)滲透系數(shù)均有提高,分別增大了6.9倍、19.3倍,達(dá)3.77×10-6cm/s、9.72×10-6cm/s。與之類似,當(dāng)含水率為C組中時(shí),含水率提高,同是靜水圍壓10 kPa,在作用次數(shù)為9、15次下其滲透系數(shù)分別為1.05×10-5cm/s、5.02×10-5cm/s,較之無(wú)凍融試樣滲透系數(shù)分別增大了12.2倍、61.2倍。對(duì)比可知,含水率增大,滲透系數(shù)受凍融作用影響敏感提高,控制試樣含水率,可約束內(nèi)部孔隙分布與水粘膜的存在。

整體來(lái)看,當(dāng)靜水圍壓、凍融作用一致時(shí),含水率愈高,則試樣滲透水平愈強(qiáng),如靜水圍壓均為50 kPa時(shí),凍融作用均為0次時(shí),含水率A組試樣滲透系數(shù)為1.48×10-8cm/s,而含水率B、C組試樣滲透系數(shù)分別為1.85×10-8cm/s、2.5×10-8cm/s,兩者較前者分別增大了25.5%、68.8%;當(dāng)圍壓仍為50 kPa,凍融作用為15次時(shí),含水率A、B、C組三試樣滲透系數(shù)分別為1.98×10-7cm/s、4.37×10-7cm/s、1.03×10-6cm/s,后兩組試樣滲透系數(shù)與前者差幅分別為1.2倍、4.2倍。由此可知,凍融作用對(duì)試樣滲透特征影響會(huì)因含水率影響而發(fā)生改變,但從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,凍融作用也會(huì)促進(jìn)試樣受含水率影響敏感變化,即粉質(zhì)粘土試樣滲透系數(shù)與含水率、凍融作用關(guān)系具有“耦合疊加”性[10]。

3 物理作用下粉質(zhì)粘土細(xì)觀特征

3.1 壓汞孔隙特征

基于滲透試驗(yàn)中壓汞測(cè)試,可獲得各含水率組凍融作用對(duì)粉質(zhì)粘土試樣孔隙特征影響[11],如圖3。從圖3(a)中各尺寸孔隙變化可知,在凍融作用一致的前提下,含水率改變,并不會(huì)影響試樣內(nèi)部孔徑分布占比,孔隙變化占比最多仍以10-1～100μm(微孔)為主,而在孔徑10-2μm、102～103μm等尺寸中,在含水率影響下,試樣總體上無(wú)顯著增幅變化,即改變含水率,只會(huì)影響試樣內(nèi)部微、小孔隙分布,對(duì)于超微孔以及中大孔均無(wú)顯著影響。當(dāng)含水率增大,微、小尺寸孔隙均有較顯著增多,如含水率A組中孔隙體積增量峰值為0.062 cm3/g,屬0.106 μm孔隙,而含水率B、C組同樣是在尺寸0.106 μm微孔隙中具有峰值孔隙體積增量,分別達(dá)0.069 cm3/g、0.086 cm3/g。

圖3 試樣孔隙特征

在圖3(b)凍融組中,改變凍融次數(shù),試樣各部分尺寸孔隙均有明顯增量變化,孔隙體積峰值增量并不會(huì)聚集在一個(gè)區(qū)域,在凍融3次時(shí),峰值孔隙體積增量為微孔隙,達(dá)0.197 cm3/g,而在凍融為9次、15次后,并不僅僅有“單峰值”孔隙體積增量,而是在中孔隙區(qū)域也具有較顯著增量變化,凍融9次峰值增量分別為0.218 cm3/g、0.197 cm3/g,屬于微孔隙、中孔隙,同樣凍融15次亦是如此,孔隙體積峰值增量分別達(dá)0.232 cm3/g、0.218 cm3/g。由此可知,凍融作用對(duì)粉質(zhì)粘土試樣影響超過(guò)含水率因素,其對(duì)試樣內(nèi)部孔隙分布改變,不僅僅作用于某一種尺寸孔隙,而是全尺寸孔隙“全覆蓋”影響。

3.2 SEM掃描特征

基于SEM掃描試驗(yàn)結(jié)果處理,獲得了含水率A～C組典型試樣細(xì)觀特征,如圖4所示。根據(jù)電鏡500倍放大掃描圖來(lái)看,含水率較低的試樣(F1)中,其內(nèi)部顆粒接觸處于面-面膠結(jié)或點(diǎn)-面接觸,幾乎無(wú)顆粒間接接觸,各種膠結(jié)物存在于膠結(jié)面上,這也是導(dǎo)致試樣內(nèi)部緊密性的關(guān)鍵因素,當(dāng)水體進(jìn)入土樣內(nèi)部,滲透通道的形成較困難。在2 000倍放大掃描圖中,含水率為B組(F4)時(shí),經(jīng)凍融作用下的試樣內(nèi)部存在顆粒間接接觸,小顆粒黏附于大顆粒表面,裂縫顯著,而在含水率增大至C組(F7)時(shí),不論是2 000倍放大圖或8 000倍放大細(xì)觀圖中,均可見到顆粒結(jié)構(gòu)松散性、破碎性特征,顆粒骨架存在“空洞”狀[12],顆粒間連接性、膠結(jié)性均變差,這也是試樣內(nèi)部滲透通道形成的關(guān)鍵,從而呈現(xiàn)宏觀滲透水平較高的現(xiàn)象。

圖4 各含水率組SEM掃描特征

圖5為凍融0、9、15次下試樣細(xì)觀掃描特征。由圖中細(xì)觀特征對(duì)比可知,無(wú)凍融作用時(shí),試樣內(nèi)部緊密程度較佳,顆粒間粘結(jié)性較好;當(dāng)凍融9次時(shí),×500倍放大圖中可看出存在有顆粒間孔隙,孔隙數(shù)量較多,無(wú)序性顯著[13],顆粒間接觸存在有面-面與間接接觸等方式;當(dāng)凍融15次時(shí),×8 000倍放大下可看出試樣破碎性明顯,顆粒間仍以面-面與間接接觸為主,但可觀測(cè)到明顯宏觀裂縫,顆粒骨架完整性變差。綜合可知,凍融作用會(huì)改變孔隙分布的無(wú)序性,但不會(huì)影響顆粒間接觸方式。

圖5 各凍融組SEM掃描特征

4 結(jié)語(yǔ)

(1)試樣滲透系數(shù)與靜水圍壓具有冪函數(shù)特征,當(dāng)凍融交替愈多,靜水圍壓對(duì)滲透系數(shù)限制作用愈強(qiáng);交替次數(shù)與滲透系數(shù)為正相關(guān),同時(shí)含水率增大,滲透系數(shù)受凍融作用影響敏感提高。

(2)含水率愈高,試樣滲透愈強(qiáng),靜水圍壓50 kPa、凍融0次時(shí),含水率A、B、C三組試樣滲透系數(shù)分別為1.48×10-8cm/s、1.85×10-8cm/s、2.5×10-8cm/s,而凍融15次時(shí)分別為1.98×10-7cm/s、4.37×10-7cm/s、1.03×10-6cm/s,含水率、凍融作用對(duì)試樣滲透系數(shù)影響具有疊加效應(yīng)。

(3)含水率變化,試樣內(nèi)部孔徑體積增大特征不影響,只對(duì)10-1～100μm微孔隙影響顯著,含水率A、B、C三組峰值孔隙體積增量均集中于0.106 μm,分別為0.062 cm3/g、0.069 cm3/g、0.086 cm3/g;隨凍融作用增強(qiáng),孔徑影響逐步由微孔隙“單峰值”特征演變至微、中孔隙“雙峰值”特征,凍融作用對(duì)試樣影響具有全尺寸孔隙覆蓋效應(yīng)。

(4)SEM掃描結(jié)果表明,含水率變化,對(duì)試樣內(nèi)部顆粒接觸關(guān)系影響較大,較高含水率下試樣顆粒為間接接觸為主;凍融作用對(duì)試樣顆粒結(jié)構(gòu)影響主要在于孔隙分布的無(wú)序性,而顆粒接觸關(guān)系受之影響較小。