砂土孔隙壓力影響因素的試驗研究

李一凡，王俊剛，徐仁宇，姚鑫，王朝陽

(青島理工大學 土木工程學院，山東 青島 266033)

土是由固、液、氣三相組成的體系，土的飽和過程就是地下水位上升并逐漸填滿土體孔隙，將孔隙中的氣體擠出的過程。土體在飽和狀態與非飽和狀態下均會產生孔隙壓力，且當土體處于地下水位不同高度時表現出的孔隙壓力大小也不同，同時對于不同土質也會產生大小不同的孔隙壓力。在實際工程中軟基處理問題已經非常常見，孔隙壓力在其中扮演著重要角色，堆載預壓技術[1]和真空預壓法[2]就是分別利用孔隙正壓和負壓來達到加固地基的目的。近年來國內外學者對于土體孔隙壓力的形成機理、應力特性、影響因素等方面做了一系列研究，發現粒徑和級配與土的力學性能有關[3-4]。汪聞韶[5]通過三軸固結不排水試驗驗證了飽和土在振動作用下的孔隙壓力與砂土性狀有關。Finn等[6]對于飽和砂土液化勢與平均粒徑的關系給出了修正數據。魏代偉等[7]通過滲透試驗得出泥漿與地層代表粒徑的比值是影響開挖面超孔隙水壓力的主要因素。王海東等[8]通過對比試驗分析了含水率與粒徑對非飽和砂土動力特性的影響規律。朱建國等[9]試驗分析了不同尾砂的沉降。但是目前給出的理論主要是粒徑和級配與土的固結、沉降、液化等力學性能的關系，并未指出粒徑和級配對孔隙壓力的直接影響；且試驗研究大多在試驗室環境進行，采用的都是粒徑大小較為統一的砂土配制而成的土樣[10]，忽略了自然環境下砂土的特性。基于此，本文利用課題組自行設計制作的裝置，通過室內外三次土體孔隙壓力監測試驗來證明不同粒徑和級配對非飽和土體孔隙壓力的影響。

1 試驗裝置

1.1 試驗裝置簡介

目前對于非飽和土的力學特性試驗研究，常規的三軸壓縮試驗誤差較大，而非飽和土真三軸儀[11]的研制進展緩慢且不能直接準確測出非飽和土體中的孔隙壓力。本次試驗采用課題組自行設計制作的裝置來同時監測飽和土與非飽和土體的孔隙壓力，其裝置系統如圖1所示。

1.孔隙壓力管；2.大氣壓力管；3.走線管；4.水位管；5.位移傳感器；6.拉繩；7.浮子與重物；8.滑輪。圖1 試驗裝置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the test device

裝置主體由PVC管制作的孔隙壓力管、大氣壓力管和走線管組成。三根管底部連通，符合連通器原理；另有水位管搭配使用，其直接埋入土體之中，用來監測土體中水位變化。拉繩一端連接管內浮子，一端連接位移傳感器。每個浮子配有相應的重物以消除位移傳感器拉力對浮子所受浮力的影響。當管內水位發生變化時，浮子與拉線會隨之上下移動，傳感器終端將記錄下數據。大氣壓力管始終與大氣相通，管內水位測量導線直接從管口穿出與傳感器相連。孔隙壓力管內水位測量導線由走線管穿出。使用時將孔隙壓力管端部完全埋于被測土體中，大氣壓力管、走線管露出土體與大氣相通。水位管打孔并在外面包裹上透水鐵絲網，在防止砂土進入管內的同時保證裝置與土體內水位保持一致，用以實時監測地下水位的變化。

1.2 試驗原理

裝置采用連通器原理，即當液面穩定時，各管內液面等高處壓力值相同。試驗開始前，通過注水方式使孔隙壓力管端部與大氣壓力管內水位相平，此為初始條件。當孔隙壓力管端部土體出現孔隙壓力時，大氣壓力管內水位會發生相應變化，以此便可測得孔隙壓力管端部土體的孔隙壓力水頭為

μ=ρg(z1-z2)，

(1)

式中：μ為孔隙水壓力；ρ為水的密度；z1為孔隙壓力管水位；z2為大氣壓力管水位。

2 室外試驗

2.1 場地概況

分別選取青島市仰口和團島某近海灘涂進行試驗，仰口海岸堆積物以細砂為主，團島海岸上層土體為3 cm厚的細砂，下層土體粒徑變大，以礫、砂為主，混有大顆粒石子和貝殼碎屑等。試驗占地約2 m×2 m×2 m，兩地測點的砂土平均粒徑和級配通過室內篩分法[12]測得，其參數見表1，砂土類別分別屬于細砂和粗砂。

表1 室外試驗砂土粒度參數Tab. 1 Particle size parameters of sand in outdoor test

2.2 試驗過程

在試驗地點開挖一個2 m×1.5 m×2 m的試坑，將裝置放入后填埋，孔隙壓力管上埋填約20 cm的砂土，調試好傳感器等設備后記錄自然潮汐環境下各管水位變化。仰口試驗開始時水位管、孔隙壓力管、大氣壓力管傳感器初始讀數分別為1 880、915、532 mm。團島試驗開始時水位管、孔隙壓力管、大氣壓力管傳感器讀數分別為1 480、915、971 mm。因試驗數據較多，仰口試驗選取7月10日9:00至21:00的數據，團島試驗選取8月3日00:00到8月4日12:00的數據進行分析。兩次試驗各管內的水位變化時程曲線如圖2所示，圖中橫坐標為時間歷程，縱坐標以孔隙壓力管初始水位為零點，三根管內與其相應的水位為坐標數值。

(a)仰口水位時程曲線

2.3 結果分析

由水位管水位變化可知，當日仰口地區漲潮時間為12:00-17:00，落潮起始時間為17:00；當日團島地區漲潮時間為9:30-14:30，落潮時間為14:30-23:00，這與兩地水文局提供的當日潮汐記錄一致，證明試驗裝置數據記錄無誤。兩地試驗過程中孔隙壓力管水位基本保持不變，所以大氣壓力管的水位變化就成了試驗結果分析的重點。

由圖2可知，兩地的大氣壓力管水位都有一段時間不隨環境水位的改變而改變，此時環境水位還未上升到孔隙壓力管端部開始產生孔隙壓力的范圍，或者已經下降出該范圍，因此孔隙壓力沒有變化。其余時段大氣壓力管水位均會隨著環境水位的變化而改變，從而產生具有一定規律的孔隙壓力。

由大氣壓力管與孔隙壓力管的水位差計算得到的兩地孔隙壓力管端口處的孔隙壓力時程曲線如圖3所示。

(a)仰口孔隙壓力時程曲線

由圖2及圖3可知當地下水位處于低位時，兩次試驗測點處都表現為孔隙負壓；在水位逐漸上漲的過程中，孔隙負壓逐漸減小。當環境水位升至孔隙管端部附近時，負壓降為0，并開始轉為正壓。隨后隨著水位的繼續上升，孔隙正壓繼續增大，當水位升至最高點時，孔隙正壓亦達到最大值。當水位下降時，孔隙正壓隨之減小，直至水位下降至孔隙管端部附近時，孔隙正壓降為0。隨后出現孔隙負壓，并隨著水位下降開始增大，最終穩定在某一負壓值。由此可見，非飽和土的孔隙負壓是一直存在的，當非飽和土逐漸變成飽和土時，孔隙壓力也逐漸由正負壓向正壓變化。仰口試驗測點處孔隙負壓最大值為-146 mm水柱，孔隙正壓最大值為220 mm水柱；團島試驗測點處孔隙負壓最大值為-67 mm水柱，孔隙正壓最大值為123 mm水柱。由此可得出結論：自然環境下，土體粒徑對于孔隙壓力確實有一定的影響，即粒徑越大，孔隙正壓和負壓的峰值越小。

3 室內試驗

通過兩次室外試驗已實際監測到非飽和土中的孔隙負壓和飽和土中的孔隙正壓，且當環境水位發生變化時，其孔隙壓力也會發生相應改變。而兩地因土體粒徑不同，產生的孔隙負壓峰值也有所差異。為進一步總結與驗證土體孔隙壓力與粒徑和級配之間的關系，改變試驗用砂的土體粒徑和級配關系，再次利用本試驗裝置進行一次室內試驗。

3.1 試驗概況

為保證室內試驗環境與室外盡可能相同，室內選用試驗箱進行試驗，試驗箱規格與室外試驗占地相近，在1.5 m×1.2 m×0.8 m試驗箱內填砂來模擬實際的工況。

室內試驗砂樣選取中砂，其平均粒徑和各類沉積物所占質量分數見表2。

表2 室內試驗砂土粒度參數Tab.2 Particle size parameters of sand in laboratory test

3.2 試驗過程

室內試驗在試驗箱內進行，將裝置埋于土樣中，孔隙壓力管上填20 cm左右的砂土作為覆土。試驗前對大氣壓力管進行注水，直至孔隙壓力管端部有水溢出，此時大氣壓力管內與孔隙壓力管端部水位相同，此為初始條件。調試好設備后由試驗箱上部開始進行注水，并通過傳感器終端觀察記錄各管水位變化。室內試驗裝置布置如圖4所示。

(a)室內試驗裝置布置

(b)注水過程圖4 室內試驗裝置布置圖Fig. 4 Layout of indoor test device

向試驗箱內注水至水面超過砂土表面一定高度，來模擬非飽和土變為飽和土的過程。傳感器讀數不再變化時，證明水位已達到穩定。打開箱底的排水口閥門，開始進行排水過程，模擬土體由飽和土變成非飽和土的過程。

圖5 室內試驗水位時程曲線Fig. 5 Water level time history curve of laboratory test

整個試驗過程的各管水位時程曲線和孔隙壓力時程曲線如圖5、圖6所示。

圖6 室內試驗孔隙壓力時程曲線Fig. 6 Time history curve of pore pressure in laboratory test

3.3 結果分析

由圖5可知，孔隙壓力管端部水位依舊保持不變，大氣壓力管和水位之間的變化關系和規律與室外試驗基本一致。大氣壓力管水位首先隨著水位管水位的上升而逐漸下降，當環境水位上升到孔隙壓力管端部附近時，孔隙負壓降為最小。隨著水位管水位繼續上升，負壓迅速變為正壓，并逐漸增大，直至環境水位不再變化時，大氣壓力管水位也保持穩定，孔隙正壓達到峰值不再變化。當環境水位下降時，大氣壓力管水位也由最高水位處逐漸下降直至環境水位到達孔隙壓力管端部附近時，孔隙正壓也由最大值降為0并轉為負壓，隨后水位繼續下降，負壓逐漸達到最大值。

由圖6可知，在水位上升過程中，孔隙壓力管端部土體逐漸由非飽和狀態變為飽和狀態，先是表現為孔隙負壓，達到最大值-380 mm水柱后，負壓逐漸變為正壓。當試驗箱內水位到達最大值時，孔隙正壓亦到達峰值204 mm水柱，在隨后的排水過程中，飽和土會逐漸變為非飽和土，孔隙正壓逐漸減小并轉為負壓，最終達到負壓最大值-488 mm水柱。

4 試驗對比分析

圖7為三次試驗土樣的粒徑分布曲線。由圖可知室內試驗土樣曲線坡度較緩，粒徑分布范圍廣，兩次室外試驗土樣曲線坡度較陡，粒徑分布范圍較小；且曲線呈臺階形，即某粒徑范圍的土含量較少。根據我國相關規范規定由不均勻系數Cu以及曲率系數Cc兩個指標來評價土的級配好壞。

圖7 三次試驗土樣的粒徑分布曲線Fig. 7 The particle size distribution curve of the soil sample in the three trials

(2)

(3)

式中：d10，d30，d60分別為粒徑分布曲線中小于某粒徑的土粒質量分數分別為10%、30%、60%所對應的粒徑大小。只有當土同時滿足不均勻系數Cu≥5，曲率系數Cc在1～3內時，該土樣才被認定為級配良好[13]。

三次試驗的砂土各指標與孔隙壓力峰值見表3。

表3 試驗結果對比Tab. 3 Comparison of test results

由表3中可看出，仰口的砂土類型最細，其次是試驗用砂，團島的砂土粒徑最大；室內試驗土樣級配良好，室外試驗兩地土樣的級配不良。仰口與團島測點土樣并沒有人為加固過，處在自然狀態下，從兩地的試驗結果看，土體粒徑越小，孔隙正壓和負壓的峰值越大；但是在室內試驗條件下測得的孔隙正壓符合上述規律，負壓峰值卻比粒徑更小的仰口試驗測得的更大。孔隙負壓的產生是由于水、氣表面的張力以及毛彎液面的存在，使得水內壓力小于大氣壓力；而室內試驗砂樣級配良好，大粒徑的土粒形成的孔隙有足夠的小粒徑土粒填充，土體較為密實；且試驗箱四周封閉，非飽和土中孔隙里的水與空氣交換較為緩慢，會有部分的孔隙水滯留在孔隙中排出緩慢，因此室內試驗測得的孔隙負壓的峰值大于仰口試驗測得的孔隙負壓峰值。當土體完全浸泡變為飽和土時，水氣界面上的彎液面也消失了，因此飽和土孔隙正壓符合粒徑越小，孔隙壓力峰值越大的規律。

5 結束語

1)通過兩次現場試驗監測，實際測得了不同粒徑下非飽和砂土中的孔隙負壓與孔隙正壓，可以得出：在級配一定的自然條件下，土體粒徑越小，其非飽和狀態下的孔隙負壓峰值與飽和狀態的正壓峰值越大。這一發現可應用于實際工程中，對于土體粒徑不同的地質情況可采用不同程度上的軟基處理措施，從而更加有效地解決工程問題。

2)通過室內外試驗結果對比可以得出：處在密閉性良好環境下，級配良好密實度高的砂土孔隙負壓的峰值大于級配不良的砂土，甚至密閉性影響因素比粒徑影響更大。得出的粒徑和級配與孔隙壓力的關系僅適用于砂土，而粉粘土由于毛細管水的大量存在其粒徑和級配與孔隙壓力的關系可能會更加復雜，還需進一步試驗驗證，這也是今后課題組研究的方向之一。