水位升降引起的砂土孔隙壓力變化特性

王朝陽，王俊剛，徐仁宇，姚鑫，李一凡

(青島理工大學 土木工程學院，山東 青島 266033)

孔隙壓力的定義需要按飽水條件劃分，分為飽和土孔隙壓力和非飽和土孔隙壓力。按壓力的方向又可分為正壓力和負壓力，正壓力使土體膨脹，負壓力使土體收縮。受實驗手段限制，目前對孔隙壓力的研究尚不夠細致。對非飽和土孔隙壓力的采集僅限于人工干擾過程中(如用真空表對真空預壓過程中非飽和土孔隙壓力進行檢測[1-2]),尚未見到對自然狀態(tài)下的孔隙壓力進行全過程研究。本文設計的升降水位孔隙壓力試驗采用自研設備[3]全景式地記錄了普通升降水和土體受荷條件下的升降水孔隙壓力變化情況，并對孔隙壓力變化規(guī)律進行了分析。

1 試驗簡介

試驗容器為1.2 m×0.8 m×1.5 m鐵箱，土質為平均粒徑0.253 mm的中砂。所用課題組自研裝置原理構造[4-5]，如圖1所示，“U”形管一端埋在砂土中，一端與大氣聯(lián)通，土中有孔隙壓力時，連通管內(nèi)水位發(fā)生變化，△H>0時孔隙壓力為正，△H<0時孔隙壓力為負，連通管砂土端孔隙壓力由式(1)確定：

圖1 原理示意圖

p=p0+ρgsw2-sw1,

(1)

式中：p為孔隙水壓力；p0為孔隙水壓力；ρ為水的密度；g為重力加速度；sw1為孔隙壓力管水位；sw2為大氣壓力管水位。

本實驗由不加載和加載的2次其他條件完全相同的對比實驗組成。試驗箱內(nèi)安裝埋深不同的兩套孔隙壓力測量裝置、注水管(插入箱底碎石墊層)和水位測量管(管壁打孔)。每次試驗過程包括注水和排水兩階段[6]。加載試驗是在測點正上方放置兩個尺寸為10 cm×10 cm×10 cm的墊塊，在墊塊上鋪板加載，經(jīng)計算墊塊下集中荷載為79.2 kg，加載試驗示意圖如圖2所示。去掉墊塊以上荷載即是對照試驗布局。

圖2 加載試驗組裝置安置示意圖

2 試驗記錄與數(shù)據(jù)處理

實驗過程：注水前啟動傳感器。以等速向注水管注水，注滿水后靜止20 min，開始排水，兩次實驗注、排水過程完全一樣。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制曲線。

2.1 孔隙壓力-時間曲線

根據(jù)實時監(jiān)測水位數(shù)據(jù)計算出對應的孔隙壓力，繪制出如圖3所示的孔隙壓力-時間曲線。

(a)測點1

2.2 孔隙壓力-水位曲線

將實驗數(shù)據(jù)分注水和排水過程分別處理，建立孔隙壓力-水位關系曲線，如圖4所示。

3 孔隙壓力變化特性分析

分析圖3、圖4實驗曲線及其他實驗和文獻，可以得到如下結論：

(a)測點1

3.1 孔隙壓力場特性

自然土體中存在孔隙壓力場[7]，壓力場內(nèi)孔隙壓力與以下因素有關：

1)與埋深有關。埋深淺孔隙壓力消散快，孔隙正負壓力都小。

2)與地下水位有關。一般情況下地下水位以上非飽和土中孔隙壓力為負，飽和土中孔隙壓力為正，但在地下水下降階段存在非飽和土中為正壓的時空范圍。

3)與地下水位變化方向有關。水位上升和下降階段同一高度上孔隙壓力值不同(曲線不重合)。

4)與加載條件有關。

5)與封閉條件有關。封閉條件孔隙正負壓力都增加[6]。

6)與土壤粒徑有關。細粒徑孔隙壓力大，粗粒徑孔隙壓力小[8-9]。

3.2 孔隙壓力與水位升降關系

在非飽和砂性土中地下水上升階段產(chǎn)生孔隙負壓，水位離測點遠時負壓值小，在水位接近測點時負壓值顯著增大，在水位鄰近測點時孔隙負壓值迅速減少，水位達到或超過(覆土淺時)測點時孔隙壓力為零，水位高出測點后測點變?yōu)轱柡屯粒紫秹毫D為正壓力，隨著水位升高孔隙壓力升高，升高的過程呈階梯狀，孔隙壓力小于同高度靜水壓力值。

水位恒定階段孔隙壓力值不變。注水結束到排水之前孔隙壓力變化為0。

在水位下降階段孔隙壓力變化曲線完全不同于水位上升階段，水位降過測點后一段距離后孔隙壓力仍為正值，即非飽和土區(qū)域存在孔隙正壓力區(qū)。水位向下離開測點一定距離后，孔隙壓力轉化為孔隙負壓，負壓值迅速提高，很快遠遠超過水位上升階段的同位負壓值。

3.3 孔隙壓力與是否加載有關

土體加載條件下孔隙壓力的變化趨勢與不加載情況變化趨勢基本一致，但也存在差異，以下為變化趨勢的異同點：

1)在注水負壓增加階段，加載與否引起的孔隙壓力幾乎相同，在孔隙壓力從負壓向正壓轉換階段淺覆土層受加載與否影響小，但在深覆土層加載情況下孔隙壓力由負向正增長緩慢、排水時孔隙壓力消散快。

2)水位上升時孔隙壓力由負到正轉換高程不同，加載時位置偏高。

3)水位下降時加載與否在測點位置孔隙壓力相同(接近)，都是孔隙正壓。

4)水位下降時加載與否孔隙壓力由正壓向負壓轉變的高程位置相同。

5)加載條件下水位下降轉化為負壓后孔隙負壓增速快，并最終(在非飽和土區(qū))形成穩(wěn)定持久的負壓。

3.4 加載引起孔隙負壓力增加的機理分析

在圖3的峰值區(qū)加載曲線的孔隙壓力大于不加載曲線孔隙壓力，符合普遍認同的理論。3.1條5)指出地下水位下降時孔隙壓力轉化為負壓后加載條件下孔隙負壓較不加載條件孔隙負壓值大，似與常理相悖,其機理可能是附加應力的作用增大了砂粒間的擠壓程度，顆粒致密增加了顆粒間毛細水的接觸面積，因而孔隙負壓增加。

由表1對比發(fā)現(xiàn)測點1的孔隙負壓差大于測點2的孔隙負壓差，兩測點的孔隙負壓差值與對應的附加應力具有一致性，因此認為附加應力可能增加特定時空范圍的孔隙負壓。

表1 試驗結果對比

在道路工程施工和運營中，機械動載也可以引起孔隙負壓的增加，且影響深度[10]更大，在地下水下降時對特定區(qū)域的土基沉降產(chǎn)生貢獻。

4 結束語

真空預壓減小土體孔隙壓力，孔隙壓力降低地下水位，是人工干預改變地下水的情況。本文改變實驗箱體內(nèi)水位和其他工況獲得了孔隙壓力變化的規(guī)律，目的在于揭示地下水位變化引起土體孔隙壓力變化的規(guī)律。通過實驗數(shù)據(jù)分析，獲得了水位升降引起孔隙壓力變化的基本特性,其中：(1)水位上升和下降的孔隙壓力曲線不重合；(2)降水、加載條件下非飽和土孔隙負壓較不加載情況下增大；(3)水位下降時在非飽和土區(qū)域存在孔隙正壓力值；(4)加載對某一高程點的孔隙壓力零值點水位不產(chǎn)生影響。本文提出的特性或可為進一步揭開孔隙壓力的規(guī)律和機理、豐富和發(fā)展土力學理論提供支持。