徐州地区含砂姜黏土层渗透特性研究

2018-11-06耿培刚李志明

水利与建筑工程学报 2018年5期

耿培刚，李志明，郭女曼

(1.徐州市城市轨道交通有限责任公司，江苏徐州 221000； 2.上海元易勘测设计有限公司，上海 201210)

徐州地区隶属徐淮平原区，该地区土层普遍分布特殊含砂姜黏土层(俗称：老黏土)，黏土中含有不均等的钙质结核，简称含砂姜黏土(学名：含钙质结核土)，土层工程地质命名为第⑤3-4含砂姜黏土层[1]。根据以往的工程经验认为该层为隔水层，为一种不透水层。直到徐州城市轨道交通1、2、3号线建设，由于开挖基坑较深，当开挖到该层土时发现部分工点出现透水甚至富水现象。左德祥[2]对徐州含砂姜黏土的相关研究表明，含砂姜黏土具有良好的透水性，钙质结核的含量对于黏土的性状及性质产生很大的影响。王小龙等[3]通过对徐州地区钙质结核黏土工程性质的研究，认为钙质结核土一般具有结构性、非均质性和膨胀性并对其膨胀性、强度变化特征进行了研究。汪志涛[4]对淮北平原的钙质结核的渗透性进行研究，得出钙质结核黏土比普通黏土层渗透性好，且出水量较大。因此，含砂姜黏土属于特殊的黏性土，不能将该层简单的当作黏土层考虑。为了降低地铁施工中水对基坑开挖产生的风险，需对该层土体的渗透性作进一步研究。

土体的渗透系数综合反映了水在土体孔隙中流动的难易程度，受土体性质[5](粒径大小与级配、孔隙比、结构等)的影响。本文以徐州地区2号线二环北路站为依托，通过现场全取芯试验和室内土工试验研究土体的性质，通过对比室内土工试验与现场抽水试验得到含砂姜黏土的渗透系数，最终得出适于徐州地区第⑤3-4层含砂姜黏土的渗透系数范围。

1 徐州地区含砂姜黏土物理性质研究

在徐州2号线二环北路站南北端头井处分别做一组全取芯试验，孔号1#、2#，取样间距0.5 m，取样深度20 m～38 m。通过室内物理性质试验、渗透试验等得出土体性质，得出渗透系数的主要影响因素。

1.1 试验场地工程地质分层

试验场地工程地质分层见表1。

表1 试验场地工程地质分层表

1.2 含砂姜黏土粒径大小和级配

根据颗粒分析二环北路站2个全取芯土样各粒径含量，分别取相同粒组的平均值，则各粒组含量如图1所示；各组粒径所占百分比如表2所示(颗粒粒径≥0.075 mm的姜结石)。经统计分析可知第⑤3-4含砂姜黏土层中黏土约占整个土样的62.6%～73.9%，平均含量68.1%；姜结石含量分别在37.4%～26.1%，平均含量31.9%，约占整个土样的1/3；姜结石粒径大小不一，含砂姜黏土为不均匀土。

表2 颗粒组成百分比

1.3 孔隙比和饱和度

对土样的孔隙比和饱和度分析，如表3所示：徐州地区含砂姜黏土孔隙比e变化范围0.54～0.91，平均值0.69；饱和度Sr变化范围在81%～100%，平均值93.2%，则第⑤3-4含砂姜黏土是高饱和度的黏性土。

图1 全取芯土样中黏土和姜结石所占比重

1.4 含砂姜黏土的结构特性

进一步整理和收集徐州地铁2号线沿线勘察报告和相关资料，⑤3-4含砂姜黏土层矿物组成以伊/混层矿物和蒙脱石为主，其次含有伊利石、高岭石、埃洛石、绿泥石等。由于伊利石有明显的吸水膨胀、失水收缩特性，根据《膨胀土地区建筑技术规范》[6](GB 50112—2013)、《岩土工程勘察规范》[7](GB 50021—2001)，膨胀率>40%为膨胀土。徐州地区砂姜黏土的自由膨胀率分别在32%～69%之间。按膨胀性指标对砂姜黏土分类(自由膨胀率小于40%为非膨胀土)，可知含砂姜黏土属于弱膨胀的范围,其膨胀性差异较大。

因此，徐州地区含砂姜黏土属于弱膨胀土，从收缩性来讲, 含砂姜黏土具有一定的收缩性。因而在施工和设计中要注意含砂姜黏土失水后发生收缩，破坏土的结构，降低含砂姜黏土力学强度的影响。

1.5 渗透性影响因素分析

对渗透性影响因素进行分析，以下三个方面为主要影响因素：

(1) 粒径大小和级配。影响土体渗透系数的主要因素之一为粒径大小和级配，由于水体通过土体必定与土体孔隙直径的大小相关，含砂姜黏土的姜结石与黏性土的结合处必然存在孔隙，则为水流提供必要的路径，对渗透系数产生巨大影响[8]。

(2) 孔隙比[9]。影响土体渗透性的另一个主要因素为孔隙比。有效孔隙比是土体中孔隙体积多少直接量度，在实际渗流中代表了实际过水体积的大小。

(3) 土体结构。从宏观上来看，含砂姜黏土中含约1/3的姜结石，含砂姜黏土又有弱膨胀性，且失水后易发生收缩，吸水膨胀，在长期循环作用下，土体结构被重塑，土体内部会出现孔隙，也增加孔隙体积，影响土体的渗透性[10-11]。

2 含砂姜黏土的渗透性研究

渗透系数代表土渗透性强弱的定量指标，是进行渗流计算时必须用到的基本参数。理论上，同地区同类型的土，无论是室内试验还是现场试验，得出的渗透系数差别不大。而徐州地区存在的区域性特殊土含砂姜黏土却出现反常现象：当姜结石含量较多时，室内试验与现场试验得出的渗透系数相差悬殊，为了研究清楚该层砂姜黏土的渗透性，本文对比分析这两种方法得到的该层土渗透系数范围。

2.1 室内土工试验

本文除在二环北路站做全取芯试验之外，还在物资市场站、苏堤北路站、杏山子站、奔腾大道站分别做了全取芯试验，具体站点位置分布如图2所示。

图2全取芯站点位置图

根据土工试验规范，室内渗透试验是利用4 cm的环刀取土样，土样经过饱和后，用渗透仪测定土的渗透性。则渗透试验计算结果如表4所示。由表4可知，土的渗透系数大部分数量级为10-6cm/s～10-8cm/s，研究区域土体的渗透系数属于弱透水的黏土范畴。

表4 室内渗透试验统计表

2.2 二环北路站现场抽水试验

在徐州地铁2号线二环北路站布置抽水孔，现场钻孔成井，在井中抽水，量测各观测井的水头高度和流量，利用AquiferTest软件中泰斯法、泰斯水位恢复法对观测数据进行渗透系数求解。

2.2.1 试验井布孔方案

在二环北路站基坑内布置1口抽水井J7井，选取5口观测井。其中J4、J6、G21距离抽水井分别为58.7 m、30.0 m、12.5 m，设计井深为35.0 m，试验井过滤器位于24.0 m～34.0 m；JG3深层第⑤3-4层承压含水层试验井，距离抽水井24.8 m，设计井深为40.0 m，试验井过滤器位于34.0 m～39.0 m；H9为浅部第⑤3-4层承压含水层试验井，设计井深为26.0 m。各井的平面布置图如图3所示。

图3抽水试验井平面布置图

2.2.2 求解原理

(1)

由此得出泰斯公式：

(2)

为计算方便，将W(μ)展开成级数形式：

(3)

(4)

泰斯水位恢复法公式：

(5)

2.2.3 抽水试验水位降深与时间的关系及求参结果

根据图4各观测井降深与时间的关系曲线图，利用AquiferTest软件，可得到抽水试验时各观测井的渗透系数(即泰斯曲线对应渗透系数)、水位恢复时各观测井的渗透系数(即泰斯水位恢复法对应渗透系数)，具体结果如表5所示。

图4抽水试验时各观测井降深与时间关系曲线

2.3 对比分析室内试验和现场试验

对比表4和表5的渗透系数，可知室内土工试验所得的渗透系数(10-6cm/s～10-8cm/s)与现场试验(10-3cm/s)所得结果相差103～105个数量级，差别较大。在实际工程建设中，渗透系数的取值主要依据以下几点考虑：

表5 各观测井渗透系数统计表

(1) 试验类型优缺点[12-13]。室内试验的准确性受土的扰动、土体结构、颗粒级配、密度、温度以及仪器的精度等因素影响较大，精确性有待确定。现场试验法消除了土层结构及分布因素的影响，结果较为准确。

(2) 含砂姜黏土的结构性[14]。由于姜结石粒径较大，室内试验为了减少尺寸效应的影响[15]，会选择姜结石含量少的黏土样做渗透试验，因此忽略了姜结石对渗透性的影响。根据全取芯试验颗粒分析表明，姜结石含量约占整个土样的1/3，所占比重较大，则不应忽略姜结石对渗透性的影响。当姜结石含量较多时，现场抽水试验可在不破坏土层结构的情况下得出的渗透系数，所得结果较准确。

根据现场抽水试验，表4现场抽水试验的渗透系数更接近实际情况，渗透系数范围为(1～5)×10-3cm/s。