流体释出过程中饱和土体沉降变形特征

陈 阳， 周志芳

（河海大学地球科学与工程学院，南京210098）

流体释出过程中饱和土体沉降变形特征

陈 阳， 周志芳

（河海大学地球科学与工程学院，南京210098）

研究土体沉降变形特征对工程项目具有现实意义。通过三组室内对比实验，分别得出厚度30 cm、粒径0.150 mm的砂土，厚度15 cm、粒径小于0.075 mm的黏土，厚度30 cm、粒径小于0.075 mm的黏土，在同一压力和不同压力下发生的一次、二次渗流变形参数，通过百分表观测所得的沉降数据反映土体变形规律，将三组变形进行对比，结果表明：在土层厚度同为30 cm，流体压力高度同为150 cm时，砂土层沉降量为0.193mm，沉降稳定时间25 min，黏土层沉降为6.529mm，沉降稳定时间2 000 min，可见，砂性土释出流体沉降变形量和沉降完全所需的时间，远远小于黏性土；同一土性，厚度越大，沉降变形量越大；同一条件下，二次沉降量小于一次沉降量。

沉降；砂土；黏土；渗透；变形

0　引 言

土体本身具有连续的孔隙，如果存在水位差的作用时，水就会透过土体孔隙产生孔隙内的流动，这一现象称为渗透。渗透媒介可以是渗透性较强的砂土，也可为渗透性较弱的黏土。砂土发生变形直至稳定所需的时间很短，几个小时便可沉降完全；而黏土由于内部吸着流体具有较大的粘滞阻力，土体骨架发生压缩、变形，所以这一过程可以持续数天，甚至数年。流体释出造成土体变形，土体竖向变形称做沉降，沉降一直是人们热议的话题。这一研究的理论基础是太沙基固结理论，Terzaghi一维固结理论［1］在解决软土地基变形控制和预测中发挥着重要的作用，至今仍被广泛应用于各种计算。

吴静红等［2］认为，地面沉降过程中，沉降变形实质上是孔隙比的减小过程。武强等［3］的研究表明，弱渗透层变形量占全部地面沉降变形量50%以上的比重。Zhou等［4］将地表以下土体分为单位体积单元体，实际饱和土体在释水条件下单元体积发生体积变形的同时，单元周边的土体颗粒将充填到由于单元体积缩小而增加的孔隙空间内，单元体的变形随着颗粒的位移最终被传递到土的表面，形成地面变形。孙丽云等［5］指出，在孔隙水渗流方面，已有越来越多的实验结果证实，某些黏性土的渗流存在偏离Darcy定律的现象。蔡建超［6］提出，水是牛顿流体，但是当它在很细小的孔道中流动时也呈现出非线性渗流特征，具有启动压力梯度，会偏离达西曲线。对于某些黏性土，渗流速度和水力坡度的关系存在起始水力坡度，但关于起始水力坡度的机制，尚需深入研究［7］。

水为牛顿流体，土体释水渗透变形的实验理论是建立在达西定律之上，而随着流体的变化，土体释出流体这一理论则为非达西流计算，这一实验研究报告少之又少，弱渗透层渗流变形实验研究对验证弱渗透层渗流变形规律是十分必要的。笔者采用非水流体进行弱渗透土层渗流实验，希望实验研究结果可以为实际工程项目提供参考。

1　实验装置与方案设计

1.1实验装置

实验装置由四部分组成，包括主体装样系统、定/变压力系统、释出流量测量系统、土层沉降测量系统（包含于主体装样系统内）。由于实验模拟一维条件下土体发生流体释出产生变形的情况，所以主体装样系统设置为φ=200 mm，H=1 000 mm的圆柱体模拟土体局部；定变压力系统通过调整不同的压力，研究水力梯度变化对流体释出量、土体沉降量及沉降稳定时间的影响；释出流量测量系统通过流体释出量的大小，来反映变形量大小，从而计算土体参数。土层沉降测量系统的主要设备为百分表和沉降杆，将百分表与沉降杆相连，可以测量土体竖向变形量。实验装置设计见图1。

图1a为装置CAD，b为实物照片，主体装样系统核心为百分表，用于沉降测量，底部布置10 cm反滤层，反滤层上部为实验土体部分，为流体饱和的黏土体。实验开始前进行装样，采用真空泵抽真空来实现土样中饱和无空气；定变压力系统由蠕动泵实现，实验使用保定兰格恒流量泵，泵头型号为YZ1518X，蠕动泵转速为0～100 r/min。通过设定蠕动泵转速，可以保证恒定的流量注入流体盛放器皿。流体释出量测量系统由电子天平、盛装容器组成，盛油容器放置在电子天平的上端。

图1　实验装置设计图和实物照片Fig.1 Experimental design and physical structure

装好的土样静置3～5 d，基本稳定标准，一是，按照实验设置压力保持稳定的流体压力，通过定、变压力系统实现，蠕动泵以一个恒定的速率，这一恒定速率以流体盛装器皿溢流口、出油口流量代数和恒定为标准；二是，百分表读数几乎不变，各系统稳定无误。

实验步骤，首先，准备好充足的备用流体在定、变压力系统盛装流体器皿内，准备好电子天平及盛装容器，将电子天平接通电源去皮清零，将装样系统底部阀门所连橡皮软管放入盛装容器中，读取百分表初始读数；其次，打开底部阀门，按照一定时间点记录电子天平和百分表数据变化，如0、5、10、60和600 s，以此类推，实验过程中禁止触碰相关仪器，由于实验开始数据变化比较快，采用录像方式记录，实验进行1 h便可间隔10～60 min不等，根据实际情况记录仪表变化情况。

1.2实验方案设计

实验设计三组室内对比，主要做不同压力流体释出条件下，因弱渗透土层中承压水头的降低，而引起的地面沉降模拟。黏土取自甘肃疏勒河有冲洪积扇扇缘，对所取黏土样进行风干，碾压，计算土体参数；砂样为标准砂。实验具体设计及试样基本物理力学参数见表1和表2。

表1　实验方案Tab le 1 Experimental program cm

表2　试样物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of samp les

2　结果与分析

2.1砂土与黏土沉降对比

砂层在流体释出过程中，孔隙度几乎不变，砂土颗粒之间不易压缩，其渗透系数较大，释出流体发生沉降变形很快达到稳定，沉降量也较小；黏土本身孔隙度虽然大，但是在流体释出过程中，根据土力学有效应力原理，即σ=u+σ′，黏土层体内部总应力一定，流体释出，孔隙水压力减小，有效应力增大，有效应力作用在土体上，导致土颗粒内部发生位移，产生沉降变形s，从而黏土层开始固结，这一过程往往需要很长时间。砂层和黏土层沉降变化如图2所示。

图2为砂层和黏土层厚度δ均为30 cm，不同压力高度h下的沉降情况。从图2可以看出，流体压力高度为150 cm时，砂土层沉降为0.193 mm，黏土层沉降为6.529 mm。可见同一土层厚度，同一压力条件下，黏土层的沉降变形量远远大于砂土层。图2a同一砂土层厚度，当压力高度分别为80和150 cm时，所观测到沉降变形量分别为0.092和0.175 mm，图2b同一厚度黏土层，压力高度分别为150和250 cm时，沉降变形量分别为6.529和9.765 mm，可见同一条件下，压力越大，沉降变形量越大。图2a中，观察x轴可知，25 min后，砂土层沉降量便基本稳定，可见30 cm厚度砂土达到沉降稳定仅需数十分钟，图2b为黏土层，沉降量稳定时间则需要2 000 min。

图2　砂层和黏土层沉降对比Fig.2 Comparison of sand and clay layers settlement

2.2黏土层变形特征

图3为不同厚度黏土层释出流体发生的沉降变形量，图3a、b分别为黏土层厚度15和30 cm。观察图3可看出，当压力高度为250 cm时，黏土层厚度分别为15和30 cm时，沉降变形量分别达到5.781和9.765 mm，压力高度为150 cm时，对应沉降变形量分别为3.016和6.529 mm。可知黏土层厚度越大，沉降变形量越大，压力高度越高，沉降变形量越大。压力高度同为250 cm，图3a中1 800 min后沉降几乎不再发生，而图3b中750 min后沉降基本保持稳定；压力高度150 cm，图3a中2 100 min后沉降基本稳定，而图3b则需1 900 min，分析数据可知，同一厚度条件下，压力越大，达到稳定所需时间越短。

图3 不同厚度黏土层沉降量对比Fig.3 Settlement com parison of different thickness of clay layers

图4为黏土层厚度30 cm，分别在压力高度150 cm做了二次沉降实验对比，图4a为第一次沉降，图4b为一次沉降后，将压力高度恢复，静置若干天以百分表不发生变化为准，开始二次沉降实验。图4b为压力高度分别为150和250 cm时，沉降变形量分别为2.124和4.213 mm；一次沉降从750 min开始便开始达到稳定，而二次沉降则需要1 500 min，可以看出，同一厚度土层，压力相同，第一次沉降变形量远远大于第二次。随着实验次数的增多，土体变形也会越来越小，因此，可以认为土体大的沉降变形主要发生在一次沉降。

综上，总结砂土和黏土沉降量对比见表3。

图4　同一厚度黏土层二次沉降对比Fig.4 Secondary settlement comparison of same thickness of clay layers

表3　沉降量与沉降率对比Table 3 Com parison of settlement and sedimentation rate

3　结 论

（1）在流体释出初期，砂层中的沉降变形很快达到稳定，仅需20 min以内，黏土层由于其渗透系数比砂层小得多，因此，达到变形所需时间较长，可长达数小时甚至数年，且稳定时间和沉降量随着黏土层厚度的增大而变长；水力梯度越大，沉降量越大，达到同一沉降量所需时间越小。

（2）同一厚度条件下，黏土层的沉降量是砂土的几十倍甚至上百倍，沉降率砂土可达自身1%以下，黏土为30%左右，这一比率根据土性而变；相同土性，厚度越大，沉降量越大；相同土性和厚度，二次沉降量小于一次沉降量。

（3）对于砂土，最终沉降完成为百分之百；对于黏土，则只完成了总沉降的一部分，随着压力，土层厚度的改变，变形量也会改变；所有土体发生二次沉降，沉降量小于第一次沉降，同一压力条件下，二次沉降量为土层厚度的10%左右，比一次沉降小三分之二。

［1］ 卢廷浩.土力学［M］.2版.南京：河海大学出版社，2005：1-151.

［2］ 吴静红，周春慧，姜洪涛，等.苏州第四纪沉积物物理性质与地面沉降生命过程分析［J］.岩土工程学报，2014，36（6）：1-4.

［3］ 武 强，谢海澜，赵增敏，等.弱透水层变形机理的研究［J］.北京科技大学学报，2006，28（3）：207-210.

［4］ ZHOU ZHIFANG，WANG JINGUO，HUANG YONG，et al.Conceptual data model and method of settlement calculation for deformation and water release from saturated soft soil［J］.Environmental Earth Sciences，2014，71（9）：4235-4245.

［5］ 孙丽云，刘忠玉，乐金朝，等.考虑非Darcy渗流时循环荷载下饱和黏土一维固结分析［J］.岩土力学，2010，31（S1）：62-68.

［6］ 蔡建超.低渗透油藏非达西渗流特性的分形研究［D］.武汉：华中科技大学，2007.

［7］ 周志芳，王锦国.地下水动力学［M］.北京：科学出版社，2013.

［8］ 杨海勇，鹿 群.一侧有建筑物时盾构引起地表沉降的数值分析［J］.河北工程大学学报：自然科学版，2013，30（4）：30-34.

（编辑徐 岩）

Deformation characteristics study ofwater releasing from saturated soils

CHEN Yang， ZHOU Zhifang
（School of Earth Science&Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China）

This paper is based on the recognition that the study of soil settlement is of practical significance for the project and introduces the use of three groups of indoor experimentswhich produce seepage deformation parameters which occur once and twice when the same pressure and different pressures are applied on sand with the thickness30 cm and particle diameter of0.150 mm，clay with the thickness 15 cm and particle diameter of less than 0.075mm，and clay with the thickness30 cm and particle diameter of less than 0.075 mm.The paper goes further into the reflection of the law underlying the deformation of the soil by observing the settlement from dial indicator and the contrast of the deformation of the three groups.Results show that the occurrence of soil thickness of 30 cm and fluid pressure altitude of 150 cm mean the settlementof sand layer of0.193mm，the settlement stability time of25 min，the clay layer settlement of 6.529 mm，and the settlement stability time of 2 000 min，suggestingmuch less time for sandy soil subsidence and deformation process than for clay one；the thicker soilmeans the larger deformation；and with the same condition，settlement amount is less for secondary than for the first one.

settlement；sand；clay；deformation

10.3969/j.issn.2095-7262.2014.05.019

TU411

2095-7262（2014）05-0524-05

A

2014-06-27

水利部公益性行业科研专项项目（201301083）

陈 阳（1990-），女，陕西省延安人，硕士，研究方向：水文地质，E-mail：chenyangyang.net@163.com。