排灌水引起砂土层沉降的宏细观试验分析

李玉岐，张啸地，翁天泉，胡再乐

（上海大学土木工程系，上海 200072）

排灌水引起砂土层沉降的宏细观试验分析

李玉岐，张啸地，翁天泉，胡再乐

（上海大学土木工程系，上海 200072）

利用自行设计的砂土排灌水试验装置，分析地下水排灌引起的砂样宏观竖向变形及细观移动.通过试验测量了反复排水和回灌时砂样的竖向变形，采集了局部土颗粒图片并采用GeoDIP（geotechnical digital image processing）软件对颗粒位移及定向性进行了分析.结果表明：在砂样排灌水的初期阶段，砂样的结构发生了明显重组，砂样沉降不仅发生在排水时，而且回灌时砂样沉降继续增加，砂样产生了较大的、不可恢复的塑性和黏性变形；砂样结构达到相对稳定后，排水时产生的竖向变形变小，而回灌时砂样发生较大的回弹；土颗粒的长轴方向在第一次排水时转动不大，在第三次排水时转动较大，而在第六次排水时转动又变得不明显.试验结果可为控制地面沉降提供参考.

宏细观试验；沉降；回弹；排水；回灌

地面沉降及其所引起的次生灾害已引起学术界的普遍关注.实践表明，通过调整开挖层次、分散地面荷载以及地下水回灌等措施对地面沉降进行治理，已取得了不错的效果.目前的研究工作主要偏重于基坑开挖引起的地面沉降［1-4］以及软土地基沉降［5-7］.对于承压含水砂层地基的沉降问题也取得了一些研究成果［8-10］，但大多是基于长期的监测结果.Avil´es等［11］采用经验方法研究了墨西哥城在地震期间地下水抽取对地面沉降的影响；Tomas等［12］则基于合成孔径雷达技术获得的沉降数据对西班牙的Orihuela地面沉降进行了研究.基坑开挖引起的地面沉降和软土地基沉降的研究相对较多且较成熟，而通过长期监测研究地面沉降则需要大量的人力和财力.因此本工作以地下水渗流引起砂土层竖向变形为切入点，通过室内模型试验，分析砂土沉降的变形规律，研究其宏观变形特征，并通过体视显微镜采集图片，分析地下水反复抽取和回灌引起土颗粒的细观移动规律.通过研究砂样的宏细观变形，进一步认识地面沉降的特征，所得结果能够对地面沉降的治理工作提供一定的参考价值.

1　试验

1.1试验装置

试验装置包括模型箱、数据采集装置以及局部土颗粒位移图片采集装置等.

模型箱的几何尺寸L（长）×B（宽）×H（高）为1 000 mm×600 mm×892 mm（见图1）.模型箱前后两面采用玻璃面板制成，以便观测砂样的竖向变形，其他各面为钢板材料.在模型箱内部的入水口和出水口放置铁丝网，防止排水时把砂颗粒排出，并在铁丝网前铺设一层30～50 mm粒径的鹅卵石缓冲层，防止水流直冲破坏砂样.排水试验将模型箱中的水从一侧水管中排出，回灌试验则通过水泵将水从模型箱另一侧水管泵入箱体.

数据采集的内容主要是排水及回灌试验过程中土体的竖向变形和水位高度，通过贴在模型箱正面玻璃面板上的直尺来测量数据.这里为了降低肉眼直接读数的误差，采用照相机平视照相，然后放大照片进行读数的方法.

局部土颗粒位移图片的采集装置由CCD体视显微镜（在模型箱背面）、碘钨灯光源和记录计算机等构成.在试验过程中，体视显微镜的位置不能移动，而图片采集通过CCD连续自动拍摄图片并自动存储在记录计算机内来实现.

图1　试验装置Fig.1 Test equipment

1.2试验用砂

试验用砂样为福建平潭标准砂，其物理性质指标如下：颗粒直径小于0.25 mm的占6%，0.25～0.40 mm的占51%±5%，0.45～0.65 mm的占40%±5%，大于0.65 mm的占3%；最大干密度与最小干密度分别为；颗粒比重为Gs=2.643；最大与最小孔隙比分别为；粒径组成特征参数为Cc=1.104.

1.3试验步骤

本试验中砂样的制备采用落雨法，分别根据不同的置样方法制备松砂、中密砂和密砂试样，并以中密砂试样的制备及试验结果为例进行分析.

（1）制备砂样.采用落距为40 cm的方法制备，所得砂样的孔隙比为0.731，相对密实度为0.356，密度为1 527 kg/m3.在砂样配置完成后，静置12 h使砂样内部不平衡力基本消除，再进行试样饱和.将水从模型箱右侧的入水口（见图1）缓慢泵入箱体中，使砂样中的气体充分排出，待砂样全部浸在水中后，静置24 h使砂样完全饱和.同时，调整显微镜的位置，使其可以获得比较清晰的图片，然后进行自动拍摄.

（2）排水试验.在排水试验的过程中，土体的竖向变形和水位高度通过贴在模型箱玻璃面板上的直尺来测量.当水位高度下降到约200 mm时停止排水，并静置24 h，使水位和砂样沉降达到稳定.

（3）回灌试验.通过模型箱左侧的阀门向模型箱内缓慢灌水，待水位高度稍超过砂样高度后停止，静置24 h，使水位和砂样沉降达到稳定.

重复进行6次排水试验和5次回灌试验.

2　反复排灌水条件下砂样的宏观变形特征

2.1砂样竖向变形随水位的变化规律

试验过程中水位高度变化及砂样竖向变形结果如下：试验开始时饱和砂样高度为714.0 mm，第一次排水后水位高度下降为170.0 mm，沉降量为0.4 mm；第一次回灌后水位高度为714.0 mm，沉降增加了0.7 mm，总的沉降量为1.1 mm；第二次排水后水位高度为160.0 mm，沉降增加了0.6 mm，总的沉降量为1.7 mm；第二次回灌后水位高度为714.0 mm，沉降增加了0.8 mm，总的沉降量为2.5 mm；第三次排水后水位高度为180.0 mm，沉降增加了0.5 mm，总的沉降量为3.0 mm；第三次回灌后水位高度为710.0 mm，沉降减少了0.3 mm，总的沉降量为2.7 mm；第四次排水后水位高度为170.0 mm，沉降增加了0.8 mm，总的沉降量为3.5 mm；第四次回灌后水位高度为711.3 mm，沉降减少了0.4 mm，总的沉降量为3.1 mm；第五次排水后水位高度为280.0 mm，沉降增加了0.5 mm，总的沉降量为3.6 mm；第五次回灌后水位高度为712.0 mm，沉降减少了0.5 mm，总的沉降量为3.1 mm；第六次排水后水位高度为170.0 mm，沉降增加了1.0 mm，总的沉降量为4.1 mm.

图2为砂样在排灌水反复作用下的水位变化及竖向变形，其中沉降用正的竖向变形来表示.在正常情况下，排水时砂样的有效应力增大，沉降增加；回灌时有效应力减小，沉降减少（产生回弹）.但从图2可以看出，在第二次和第三次回灌时，尽管砂样的有效应力减小，但在试验过程中试样的沉降却是继续增加的.这说明在排水时，砂样的结构发生了较大的重组，不仅产生了弹性变形和塑性变形（使得砂样即使在进行回灌时发生了回弹变形，也不足以使竖向变形恢复为0），还产生了蠕变变形.因为蠕变变形量远大于回灌时产生的回弹变形量，所以在进行回灌时砂样的竖向沉降量进一步增大.这一现象与已有的研究成果［9］一致，进一步表明了砂土为黏弹塑性材料.因此，传统的认为砂土的蠕变变形不大的观点值得进一步推究.

在经历了较大的塑性和黏性变形后，砂样结构达到了相对的稳定，排水引起的沉降变形量相对减小，回弹变形量相对增大，蠕变变形较第二次和第三次排水和回灌时要小.以第四次排水和第四次回灌为例，砂样排水产生的沉降量为0.8 mm，总沉降量为3.5 mm，而回弹量为0.4 mm.

图2　水位变化与砂土试样的竖向变形Fig.2 Variations of water level and vertical deformation of sand sample

掌握试验中砂样的变形特点，可以为地面沉降问题的治理工作提供帮助.当前，进行城市地面沉降治理时，除了采取减少地下水开采量、调整开采层次等措施外，还采取了“冬灌夏用”的措施.但对于地下水的季节性反复排水，砂样结构会发生明显的重组，从而产生较大的黏性和塑性变形，在进行回灌时效果并不理想.当砂样的结构经历反复的重组达到相对稳定后，排水产生的沉降量才相对减小，塑性变形和蠕变变形也显著减小，回灌时的回弹变形量相对增大，这时采取回灌措施的效果较好.

2.2应变随时间的变化规律

为了进一步了解砂土的变形特性，砂样应变随时间的变化如图3所示.由于试验时排水和回灌速度有时会比较慢，这就造成每次排水和回灌时间不一致.从图3中可以看出，应变基本上随着时间逐渐增大.但是在第一次和第二次回灌后（大约试验开始后50 h和100 h），砂样的应变并没有恢复为0，反而进一步增大.第一次回灌后的应变由第一次排水后的0.056%增大为0.154%，第二次回灌后的应变则由第二次排水后的0.238%增大为0.350%.这说明试样不仅发生了塑性变形，而且发生了蠕变变形.随着反复排灌水次数的增加（第三次排灌水后），虽然砂样应变继续增大，但增大的速率相对减小，基本上应变呈现排水增大、回灌减小的趋势.例如，第三次回灌后的应变由第三次排水后的0.420%减小为0.378%，第五次回灌后的应变则由第五次排水后的0.504%减小为0.434%，试验结束时（第六次排水后）应变最终达到0.570%.这说明经过一段时间的反复排灌水后，砂样结构趋于稳定，砂样主要发生的是弹性变形，塑性变形较小而黏性变形不太明显.

图3　砂样的应变随时间的变化Fig.3 Strain curve of sand sample with time

3　反复排灌水条件下砂土颗粒移动的细观变形特征

余荣传［13］依据数字图像土体细观机构量测技术编制的GeoDIP细观分析后处理软件，可以根据显微镜采集的局部土样照片判定砂土颗粒的定向性、平均配位数以及土体孔隙率等细观参数的变化.本工作利用该软件对砂样试验采集的局部土样照片进行了土颗粒的定向性分析和细观移动规律分析.

由于砂样试验的周期较长，并且显微镜图片在试样含水时不太清楚，需要微调显微镜，所以取每次排水或每次回灌作为显微镜的一个观测过程.图4为第一次排水前后的砂土颗粒位置，其中A，B为竖向位移测量目标，C，D，E为转动测量目标.由图4可以看出，在第一次排水前，A的最高点到图片边缘的距离为L；在排水结束后，L的大小没有较大的变化，B略微向下移动.这说明在排水的初期，沉降量并不大.另外，C，D，E的转动基本上不明显.通过图5可以看出，在排水前，砂土颗粒长轴主要分布在90◦（竖向）方向附近，0◦（长轴方向在第一象限接近水平）和180◦（长轴方向在第二象限接近水平）方向的分布较少；在排水结束后，90◦方向的分布略微减少，0◦方向附近略微增加，而其他方向变化不明显.

图4　第一次排水前后砂土颗粒位置对比Fig.4 Comparison of sand particle position before and after the first withdrawing water

图5　第一次排水前后砂土颗粒长轴方向演化玫瑰花图Fig.5 Rose figures of sand particle long axis before and after the first withdrawing water

图6和7分别为第三次和第六次排水前后的砂土颗粒位置的对比.从图中可以看出，排水使得砂土颗粒下降.结合图8和9的土颗粒长轴方向分布的玫瑰花图可以看出，第三次排水前后，砂土颗粒的结构发生了较大变动，砂土颗粒转动较明显且竖向位移量较大；在第六次排水过程中，砂土颗粒相对稳定，竖向变形量较小，转动也很不明显.

图10为第五次回灌前后的砂土颗粒位置对比.可以看出，在回灌结束后，A距离上边缘的距离L略微减小，但是转动并不明显.这说明在回灌的过程中砂土颗粒出现了回升，但由于回灌时水流比较平稳，并没有引起砂土颗粒的较大转动.

图6　第三次排水前后砂土颗粒位置对比Fig.6 Comparison of sand particle position before and after the third withdrawing water

图7　第六次排水前后砂土颗粒位置对比Fig.7 Comparison of sand particle position before and after the sixth withdrawing water

图8　第三次排水前后砂土颗粒长轴方向演化玫瑰花图Fig.8 Rose figures of sand particle long axis before and after the third withdrawing water

图9　第六次排水前后砂土颗粒长轴方向演化玫瑰花图Fig.9 Rose figures of sand particle long axis before and after the sixth withdrawing water

图10　第五次回灌前后砂土颗粒位置对比Fig.10 Comparison of sand particle position before and after the fifth recharging water

4　结束语

本工作通过室内模型试验，分析了反复排灌水条件下砂样的宏细观变形特征，并得到了以下结论.

（1）砂土为黏弹塑性材料.在试验初期阶段，砂样的黏性变形特征比较显著，而经过反复的排灌水使试样结构达到相对稳定后，砂样主要发生的是弹性变形，且应变速率越来越小.

（2）根据局部砂土颗粒的位移分析结果可知：砂土颗粒在第一次排水时的竖向位移较小，长轴方向变化不大；在第三次排水时竖向位移较大，长轴方向转动较大；而在第六次排水时竖向位移又变小，且长轴方向转动又变得不太明显（土体结构趋于稳定）.这与宏观的变形结论一致.

本工作对于城市地面沉降的治理具有一定的参考价值，但仅对单层的砂性土进行了试验研究，而具体区域的地质条件通常是成层土，且包括多层黏性土，所以后续的工作应进一步结合已有的黏性土研究成果进行综合分析.

［1］杨敏，卢俊义.基坑开挖引起的地面沉降估算［J］.岩土工程学报，2010，32（12）：1821-1828.

［2］栾长青，阚宏明，唐益群.上海地铁九号线宜山路站降水引起的沉降分析［J］.岩土工程学报，2010，32（12）：1961-1968.

［3］Ou C Y，Hsieh P G.A simplified method for predicting ground settlement profiles induced by excavation in soft clay［J］.Computers and Geotechnics，2011，38（8）：987-997.

［4］周念清，唐益群，娄荣祥，等.徐家汇地铁站深基坑降水数值模拟与沉降控制［J］.岩土工程学报，2011，33（12）：1950-1956.

［5］徐海洋，周志芳，高宗旗.地面沉降过程中固结系数的试验研究［J］.岩土工程学报，2011，33（12）：1969-1973.

［6］柴跃进.某铁路车站软土地基的沉降变形特性［J］.铁道科学与工程学报，2013，10（4）：95-99.

［7］蔡袁强，刘新峰，郭林，等.飞机荷载作用下超载预压软土地基的长期沉降［J］.浙江大学学报：工学版，2013，47（7）：1157-1163.

［8］叶淑君，薛禹群，张云，等.上海区域地面沉降模型中土层变形特征研究［J］.岩土工程学报，2005，27（2）：140-147.

［9］张云，薛禹群，吴吉春，等.抽灌水条件下上海砂土层的变形特征和变形参数［J］.水利学报，2006，37（5）：560-566.

［10］Shi X Q，Wu J C，Ye S J，et al.Regional land subsidence simulation in Su-Xi-Chang area and Shanghai City，China［J］.Engineering Geology，2008，100（1/2）：27-42.

［11］Avil´es J，P´erez-Rocha L E.Regional subsidence of Mexico City and its effects on seismic response［J］.Soil Dynamics and Earthquake Engineering，2010，30（10）：981-989.

［12］Tomas R，Herrera G，Lopez-Sanchez J M，et al.Study of the land subsidence in Orihuela City（SE Spain）using PSI data：distribution，evolution and correlation with conditioning and triggering factors［J］.Engineering Geology，2010，115（1/2）：105-121.

［13］余荣传.基于数字图像技术的砂土模型试验细观机构参数测量［D］.上海：同济大学，2006：34-50.

本文彩色版可登陆本刊网站查询：http：//www.journal.shu.edu.cn

Macro-meso test analysis of sand subsidence caused by withdrawing and recharging water

LI Yu-qi，ZHANG Xiao-di，WENG Tian-quan，HU Zai-le
（Department of Civil Engineering，Shanghai University，Shanghai 200072，China）

Using a self-designed apparatus for sand sample withdrawing and recharging water，macro vertical deformation of sand sample sand meso move of a sand particle induced by withdrawing and recharging water were analyzed.Vertical deformation of sand samples was measured in the test.Local soil particle pictures were taken and displacements and orientations of the soil particles were investigated with a geotechnical digital image processing（GeoDIP）software.Initially the sand was restructured.The sand settlement arose during withdrawing water and became larger during water recharging as a result of visco-elasto-plastic deformation of the sand sample.After the sand sample became stable，the settlement value became smaller than the initial stage during withdrawing water.The resilience value became larger than the initial stage during recharging water.Rotation of soil particles was small during the first withdrawal，became considerably large in the third withdrawal，and then became negligible during the sixth withdrawal.This work provides a reference for controlling city land subsidence.

macro-meso test；subsidence；resilience；withdrawing water；recharging water

TU 441

A

1007-2861（2015）06-0795-08

10.3969/j.issn.1007-2861.2015.02.022

2014-06-20

国家自然科学基金资助项目（50908139）；国家留学基金资助项目；上海大学优秀青年教师科研基金资助项目

李玉岐（1977—），男，副教授，博士，研究方向为岩土工程和地质灾害等. E-mail：liyuqi2000@shu.edu.cn