軟土地基促滲技術試驗研究與分析

田健君

［上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092］

0 引 言

我國軟土分布廣泛，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，從建設的主要技術措施來看，軟土地區對滯、凈、用的影響不大[1-3]。軟土地區適當建設生物滯留池等設施，可以有效延緩徑流峰現時間；污水處理設施及管網，河道和生態緩坡可以有效減少面源污染，改善城市水環境[4-5]。

軟土地區對海綿城市建設的排、滲和蓄作用比較明顯，顯然軟土地區滲透系數低，不利于源頭減少雨水徑流，但有利于雨水的調蓄。因此考慮充分發揮軟土地區特點，取長補短，減少雨水入滲量，增加調蓄量，可以充分利用雨水資源，化劣勢為優勢，發揮軟土地區海綿城市建設的保水儲水用水作

用[6-8]。

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

1 試驗材料選用

經過調研，對可能的保水材料進行飽和含水率測定，并測定其滲透系數，選擇飽和含水率高、滲透系數相對小的填料作為保水材料。

測定發現，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；同時考慮到軟土地基促滲的實施可行性，采用水處理立體網包括保水材料的方式，將保水材料立體投放，以充分發揮保水作用，作為砂樁海綿擴大頭。

2 試驗設計

軟土地基促滲技術開發可以借鑒地下水取水構筑物管井的設計與水力計算。管井水力計算是在已知水文地質等參數條件下，通過計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參數條件下，計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，由于軟土地區土層滲透系數小，一般滲透系數為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，可以結合周邊水位地質參數條件，計算周邊黏土水位線高度，再根據高度選擇適宜的根系植物，通過植物的吸水作用，促使砂井內水分利用。

主要驗證試驗裝置如圖1 所示，砂井開孔放入試驗裝置內，砂井以下的軟土底層內含1 m 黏土層。

采用模型試驗，研究不同半徑、深度、形式的砂井對促滲的影響，記錄分析水位浸潤測試結果，基于模型試驗結果進行理論推導，進一步確定促滲技術參數。

3 試驗結果分析

3.1 不同半徑對浸潤水頭線的影響

圖1 砂井模擬試驗裝置圖

在模擬砂井0.5 m 處，測定浸潤水頭線，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水頭線，見表1。

表1 砂井半徑對浸潤水頭高度的影響

由表1 可以看出，試驗過程中，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 測定位置距離砂井距離較近，浸潤水頭線較高；半徑小，距離砂井距離較遠，浸潤水頭線較低。

參考其他資料，對Y2∞ln進行相關度分析。如圖2 所示，得到砂井水量與水頭線平方更接近，R2為0.85。可見，半徑與水頭線高度的平方呈現指數關系。這是因為該試驗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系擬合

3.2 不同砂井深度對浸潤水頭線的影響

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，測定浸潤水頭線，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水頭線，見表2。

表2 管井深度對浸潤水頭高度的影響

由表2 可知，管井越深，浸潤水頭線越高，此外，管井深度與促滲水量有關，為了盡可能提高促滲井的促滲作用，應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，會提高造價成本。砂井過淺，主要會影響砂井促滲流量。

參考其他資料，對Y3∞進行相關度分析。如圖3 所示，得到砂井深度與水頭線三次方負相關，R2為0.91。根據達西滲透定律，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系擬合

3.3 砂井水量對浸潤水頭線的影響

在模擬砂井0.5 m 處，測定浸潤水頭線，改變不同砂井水量，浸潤水頭數據見表3。

由表3 可知，水量越大，浸潤水頭線越高，因此為了發揮促滲井的促滲作用，應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，Y2為縱坐標（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，井內下滲速度越快。

表3 水量對浸潤水頭高度的影響

圖4 砂井水量與水頭線關系擬合

3.4 注水試驗案例分析

將砂井開孔放入圖1 的試驗裝置內，砂井以下的軟土底層內含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自流注水，在控制水頭高度一定時，考察水量下滲情況。

根據達西滲透定律：

式中：V 為滲流速度；Q 為單位時間滲透量；i 為水力梯度；k 為滲流系數。當水力梯度i 較大時，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水頭線高度呈正相關關系，所以三個參數也與砂井的下滲速度成正相關。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，由于軟土地區土層滲透系數小，因此水分主要向周邊方向滲透，在已知管井水位的前提下，可以結合周邊水位地質參數條件，計算周邊黏土水位線高度，再根據高度可以選擇適宜的根系植物，通過植物的吸水作用，促使砂井內水分利用。

促滲試驗可以近似為潛水完整井注水試驗的逆過程，類同無壓含水層完整井的計算。

假設隔水底板水平，抽水前潛水面水平，含水層等厚。抽水時應用裘布衣假設，即近似認為水流是水平的，過水斷面為同心圓柱面，通過各過水斷面的流量相等并且等于水井的抽水量。

由方程

將式（3）線性化，得式（4）：

式中：h 為潛水含水層厚度。

根據初始水文條件：

得式（5）：

求解過程如下：

進一步求解為

函數優化如下：

進一步迭代參數：

進一步簡化為

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

對于最大取水深度H，對于植物而言，直根系對軸向水分利用起到關鍵作用，一般直根系入土較深，其側根在土壤中的伸延范圍也較廣。一般來說，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10～12 m。而生活在沙漠地區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 可根據水文地質勘察資料確定，最好通過現場注水試驗和水文地質條件相似地區水井的長期觀測資料確定。無上述條件時，可以根據滲透系數選擇確定。

根據公式代入本文試驗條件，得到與實際測定數據的擬合情況，如圖2～圖4 所示，擬合情況較好。

5 軟土地基促滲植物選擇

對實際工程進行演算如下：

對于直徑0.4 m 的促滲井，影響半徑為25 m，滲透系數選擇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，降雨強度Q 選擇為5 m3/d，得到浸潤水頭，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，因此促進周圍需要選擇深根系植物，單純草本植物無法利用促滲井的水分。促滲井只能起到儲水作用，需要種植灌木和喬木才能發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，同時可選擇觀賞價值高的樹種點綴整體景觀。此外，喬木的栽植不能影響交通，應選擇分枝點較高的樹種。上海地區可選用如水杉、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層植物群落景觀，應選擇根系發達、抗雨水沖刷、耐旱的種類。上海地區可選用如雀舌黃楊、小葉黃楊、夾竹桃等。

6 結 語

通過對軟土地基促滲砂井進行模擬試驗、分析計算，得出以下結論：

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

（2）管井越深，浸潤水頭線越高。水量越大，浸潤水頭線越高。

（3）促滲井周圍需要選擇深根系植物，單純草本植物無法利用促滲井的水分。可分段栽植少量耐澇、耐旱、抗污染的喬木，上海地區可選用如水杉、池杉、落羽杉、垂柳、意楊等。灌木應選擇根系發達、抗雨水沖刷、耐旱的種類，上海地區可選用如雀舌黃楊、小葉黃楊、夾竹桃等。