地下水扰动作用下地基土体渗透破坏试验研究

陈国庆，李天斌，贺宇航，周治刚，韦 璐

（1.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059；2.江苏省水利工程科技咨询有限公司，南京 210003）

近年来，在中国西南各地不断出现“天坑”地质灾害现象，严重影响了人们正常的生产生活，以及道路交通安全秩序。因此，“天坑”地表塌陷问题的形成原因备受关注［1］。地表塌陷类型主要分为2种：构造性塌陷［2－3］、外界动力作 用［4－5］和土体工程性塌陷［6－8］。构造性塌陷主要为下覆碳酸盐岩层遭地下水侵蚀后形成隐伏洞穴，进而导致上覆土体缺乏有效承载力使地表塌陷。土体工程性塌陷主要从土力学角度出发，强调土体本身结构特性和地下水位变动导致的地表塌陷。

在众多地表塌陷原因中，地下水扰动是影响地基土体稳定性的重要因素［9－15］。如万志清［11］认为超静孔隙水压力或真空吸力使土的结构产生破坏。隋旺华［12］在突砂模型试验中发现，一旦抽冒或形成水砂突涌后，含水层内孔隙水压力表现为剧烈下降并形成瞬时负压。谢忠球［13］研究了人工抽水引起的岩溶地面塌陷机理，认为剥落力大于土体抗拉强度是土洞的扩展条件。覃羡安［14］认为大气降水渗入土层后产生超静孔隙水压力和动水压力，使得土洞形成和扩大。

上述研究较好地解释了地下水对土体塌陷的影响，但关于地下水扰动对土体变形破坏的物理模型试验仍较少。为更好地研究地下水扰动对地基土体的变形破坏机制，对四川大邑新场与崇州怀远2处“天坑”进行了现场调研和取样，在自主设计的渗透试验装置上进行了地下水扰动渗透破坏试验，试验表明，在地下水循环扰动作用下土体产生结构变化与级配改变，从而引起地基土体的塌陷，试验揭示了该地区“天坑”灾害的形成原因。

1 土样物理化学性质

1.1 土样物理性质

土样取自大邑新场（1号土样）和崇州怀远（2号土样）“天坑”处，现场和室内试验获得的土样物理性质见表1和表2。从表1中可以得出，2组土样的平均比重分别为2.60、2.61，液限分别为48.3%、47.2%，塑限分别为28.2%、22.8%，塑性指标分别为20.1、24.4；表2为土样粒径成分，2组土样均以粉粒为主，含量分别为65.4%、58.2%，均为低塑性无机黏性土，两组土样的物理性质相近。

表1 试验土样物理性质指标

表2 试验土样粒径成分 （%）

土样的级配曲线如图1所示，由图1可以看出，两地土样的颗粒级配曲线线型非常相近，细颗粒比重较大，粒径小于0.01的细颗粒含量达到40%左右。

图1 土样级配曲线

根据以上分析可以得出：两处“天坑”土样的物理性质相近，颗粒组成也相类似，表明“天坑”形成与土体本身的工程物理性质有较大联系。

1.2 土样化学性质

通过矿物X射线粉晶衍射分析获得土样化学性质，见表3和表4。

表3 试验土样粘土矿物物质组成 （%）

表4 试验土样非粘土矿物物质组成 （%）

从表3和表4中可以看到2种土样的黏土矿物均为绿泥石，其含量分别占19.4%和18.8%，其次含有少量伊利石；非黏土矿物主要含有石英，含量分别为56.8%和45.0%，其次含有少量长石及闪石。土样化学组成中碳酸盐含量较少，故，排除由碳酸盐溶洞导致上覆土体缺乏承载力而形成地表塌陷的可能性。

2 地下水扰动渗透实验

2.1 试验设计

为揭示地下水扰动形成地基塌陷的原因，自行设计了变压型常水头渗透试验装置。装置由2部分组成：土体渗透装置（如图2）和自动抽压装置（如图3）。土体渗透装置主要由渗透筒、溢水孔、出水孔、止水夹、两个水头管、金属隔板、以及加压管道组成。渗透筒材料选用有机玻璃，其透明特性可直观地观察试验现象。渗透筒半径r＝15cm，高h＝25cm，渗透筒下层铺筑10cm厚的卵砾石层，上层土样高度为10cm，土样与卵砾石层间加金属隔板作为滤层。

自动抽压装置主要由抽压水槽、金属框架、两个水箱、微型抽水泵、出水管、进水管以及电子压力开关组成。下部水箱通过微型抽水泵将水抽入上部水箱，上部水箱通过电子压力开关感应水压力的变化，控制水的回流。

由于土样采集时受到了较大扰动，其整体结构遭到了一定程度的破坏，装入渗透筒时会产生较多空隙，为恢复土样结构的完整性，试验前对土样进行了固结排水压实。

图2 渗透装置及土样布置

图3 自动抽压装置

2.2 试验步骤

试验持续时间为30d，分3阶段进行，每阶段10d，分别采用不同的抽压周期，前10d和最后10d周期为1min／次，中间10d周期为0.5min／次。抽压试验步骤为：

1）活塞对抽压水槽进行挤压，使砾石层内充满水，但不漫过金属隔板；

2）匀速加水至金属架内的水箱，使框架下沉对活塞加压，使渗透装置里砾石层中的水进入上覆土样并对其进行挤压；

3）打开微型抽水泵，调整其单位时间抽水量（用于调整抽压周期），将水从金属架内水箱抽至上水箱，活塞向上提拉，对抽压水槽和砾石层中的水形成负压，土体内水位下降；

4）随着上水箱水量不断增大，电子压力开关自动打开，上水箱中的水又通过出水管回流至金属架内的水箱；

5）重复步骤2），实现水压力的正负循环，模拟地下水循环扰动对上覆土层的影响。

试验结束后，取出试验土样，按上中下均匀分为A、B、C 3层（如图2所示），在各层土体中取土样进行颗粒级配试验，对3层土样的颗粒级配曲线进行对比分析。

3 试验结果分析

3.1 土体孔隙水压力分析

为分析孔隙水压力与地下水扰动之间的关系，在地下水扰动抽压实验过程中，对土体孔隙水压力进行了分析（如图4）。

图4 水头变化规律

图4中，每隔5s时间记录水头高度，两水头管差值代表的水压力P为纵坐标：

式中：Pc为水头管代表的实时水压力；Pz为土体未扰动前水头管代表的自重压力。

当地下水位下降较剧烈时，土体还将产生较大的超静孔隙水压力，超静孔隙水压力并呈上升趋势［11］。从图4可以看出，随着地下水位的快速下降，P值呈正负周期变化，地下水水面与上覆盖层之间会产生负压，对上覆盖层土颗粒产生较大吸力。

图5为水头差变化与试验时间的对应关系，由图5可得，随着地下水扰动次数增加，两水头管之间的水头差逐渐变小，表明土体在地下水循环扰动作用下，超静孔隙水压力和负压吸蚀作用引起土体结构产生变化，土体中微小裂隙不断扩展贯通，造成土体产生渗透变形破坏。

图5 水头差与试验进行天数的关系

图6为抽压周期与水头变化关系，在不同的抽压周期T作用下，水头差变化幅度各不相同，当抽压周期大，即地下水位波动频率较慢时，水头差下降幅度较为缓慢；当抽压周期小时，即地下水位波动频率较快时，水头差下降幅度较快。因此地下水波动频率对土体变形破坏有较大影响。

图6 水头差变化快慢与抽压周期大小的关系

3.2 土样级配分析

试验结束后，对不同高度土层的颗粒进行了级配分析，采集的土样位置见图2中的A、B、C 3点，级配曲线分析如图7所示。

图7 土层高度与级配变化关系

从图7可以发现，土层位置越低，土体中的细颗粒（粒径0.001～0.01）的含量越少。表明在地下水循环对土体的扰动过程中，孔隙水压力和负压带走了土体中大量的细颗粒，土体中微小裂隙不断扩展贯通，最终导致了土体的结构整体性遭到破坏。

图8为C点土样试验前后的级配曲线对比，从图8可以分析，土样在受扰动之后的级配曲线细颗粒部分下移，地下水扰动使土的细颗粒产生迁移，土体中细颗粒含量明显减少，图中曲线陡增表明细颗粒缺失，使土体微小裂隙不断扩大，并最终导致土体的结构性贯通破坏。试验进一步证明了土体颗粒的级配变化与地下水扰动密切相关。

图8 试验前后C点土样级配对比

4 “天坑”灾害防治建议

“天坑”成为近年来多发地质灾害，不仅给当地人民财产造成严重损失，更引起当地社会恐慌，因此需要对“天坑”灾害进行预防和治理。以下是“天坑”灾害的一些具体防治措施建议：

1）避免地下水的过渡开采。城镇和企业集中开发的地下水水源地，尽可能远离城区和重点工程设施。实时进行地下水监测，控制地下水开采强度，防止地下水水位的突然下降和反复升降造成地表塌陷。

2）城市地表塌陷灾害，需进行钻孔灌浆、旋喷加固、回填混凝土、增设土工膜等方式进行治理。将水泥、碎料和速凝剂等灌注材料通过钻孔进行注浆，强化土层或洞穴充填物，并加固建筑物地基。对重要建筑物需将坑底与基岩面的通道堵塞，采用回填混凝土进行加固处理。

3）远离建筑物的地表塌陷灾害，采用清除填堵法、强夯法等方式进行治理。清除松土，填入块石、碎石形成反滤层，以防止地下水扰动将细颗粒土带走，上覆回填粘土并利用强夯法夯实回填地基。

4）加强地表水的疏、排、围、改治理。在治理塌陷地基阶段，不能忽视对地表水的治理，应在预防措施基础上进一步完善。如设置完善的场地排水系统，进行地表河流的疏导或改道，填补河床漏水点或落水洞，调整抽水井孔布局和井距等处理措施。

5 结 论

1）当地下水位快速下降时，土体颗粒会受到超静孔隙水压力和负压作用，细小土颗粒被逐渐带走，进一步造成土块体的剥落，使得土体中微裂隙逐渐扩展。

2）当地下水位波动频率越快，水头差下降程度越快。表明地下水波动频率对土体变形破坏有较大的影响。

3）试验初步揭示了近年来发生的地基“天坑”的形成机制，地下水扰动作用是地表塌陷的重要原因。地下水扰动导致土体级配结构发生变化，土体的整体结构遭到破坏。

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