水位升降引起的砂土孔隙压力变化特性

王朝阳，王俊刚，徐仁宇，姚鑫，李一凡

(青岛理工大学 土木工程学院，山东 青岛 266033)

孔隙压力的定义需要按饱水条件划分，分为饱和土孔隙压力和非饱和土孔隙压力。按压力的方向又可分为正压力和负压力，正压力使土体膨胀，负压力使土体收缩。受实验手段限制，目前对孔隙压力的研究尚不够细致。对非饱和土孔隙压力的采集仅限于人工干扰过程中(如用真空表对真空预压过程中非饱和土孔隙压力进行检测[1-2]),尚未见到对自然状态下的孔隙压力进行全过程研究。本文设计的升降水位孔隙压力试验采用自研设备[3]全景式地记录了普通升降水和土体受荷条件下的升降水孔隙压力变化情况，并对孔隙压力变化规律进行了分析。

1 试验简介

试验容器为1.2 m×0.8 m×1.5 m铁箱，土质为平均粒径0.253 mm的中砂。所用课题组自研装置原理构造[4-5]，如图1所示，“U”形管一端埋在砂土中，一端与大气联通，土中有孔隙压力时，连通管内水位发生变化，△H>0时孔隙压力为正，△H<0时孔隙压力为负，连通管砂土端孔隙压力由式(1)确定：

图1 原理示意图

p=p0+ρgsw2-sw1,

(1)

式中：p为孔隙水压力；p0为孔隙水压力；ρ为水的密度；g为重力加速度；sw1为孔隙压力管水位；sw2为大气压力管水位。

本实验由不加载和加载的2次其他条件完全相同的对比实验组成。试验箱内安装埋深不同的两套孔隙压力测量装置、注水管(插入箱底碎石垫层)和水位测量管(管壁打孔)。每次试验过程包括注水和排水两阶段[6]。加载试验是在测点正上方放置两个尺寸为10 cm×10 cm×10 cm的垫块，在垫块上铺板加载，经计算垫块下集中荷载为79.2 kg，加载试验示意图如图2所示。去掉垫块以上荷载即是对照试验布局。

图2 加载试验组装置安置示意图

2 试验记录与数据处理

实验过程：注水前启动传感器。以等速向注水管注水，注满水后静止20 min，开始排水，两次实验注、排水过程完全一样。根据实验数据绘制曲线。

2.1 孔隙压力-时间曲线

根据实时监测水位数据计算出对应的孔隙压力，绘制出如图3所示的孔隙压力-时间曲线。

(a)测点1

2.2 孔隙压力-水位曲线

将实验数据分注水和排水过程分别处理，建立孔隙压力-水位关系曲线，如图4所示。

3 孔隙压力变化特性分析

分析图3、图4实验曲线及其他实验和文献，可以得到如下结论：

(a)测点1

3.1 孔隙压力场特性

自然土体中存在孔隙压力场[7]，压力场内孔隙压力与以下因素有关：

1)与埋深有关。埋深浅孔隙压力消散快，孔隙正负压力都小。

2)与地下水位有关。一般情况下地下水位以上非饱和土中孔隙压力为负，饱和土中孔隙压力为正，但在地下水下降阶段存在非饱和土中为正压的时空范围。

3)与地下水位变化方向有关。水位上升和下降阶段同一高度上孔隙压力值不同(曲线不重合)。

4)与加载条件有关。

5)与封闭条件有关。封闭条件孔隙正负压力都增加[6]。

6)与土壤粒径有关。细粒径孔隙压力大，粗粒径孔隙压力小[8-9]。

3.2 孔隙压力与水位升降关系

在非饱和砂性土中地下水上升阶段产生孔隙负压，水位离测点远时负压值小，在水位接近测点时负压值显著增大，在水位邻近测点时孔隙负压值迅速减少，水位达到或超过(覆土浅时)测点时孔隙压力为零，水位高出测点后测点变为饱和土，孔隙压力转为正压力，随着水位升高孔隙压力升高，升高的过程呈阶梯状，孔隙压力小于同高度静水压力值。

水位恒定阶段孔隙压力值不变。注水结束到排水之前孔隙压力变化为0。

在水位下降阶段孔隙压力变化曲线完全不同于水位上升阶段，水位降过测点后一段距离后孔隙压力仍为正值，即非饱和土区域存在孔隙正压力区。水位向下离开测点一定距离后，孔隙压力转化为孔隙负压，负压值迅速提高，很快远远超过水位上升阶段的同位负压值。

3.3 孔隙压力与是否加载有关

土体加载条件下孔隙压力的变化趋势与不加载情况变化趋势基本一致，但也存在差异，以下为变化趋势的异同点：

1)在注水负压增加阶段，加载与否引起的孔隙压力几乎相同，在孔隙压力从负压向正压转换阶段浅覆土层受加载与否影响小，但在深覆土层加载情况下孔隙压力由负向正增长缓慢、排水时孔隙压力消散快。

2)水位上升时孔隙压力由负到正转换高程不同，加载时位置偏高。

3)水位下降时加载与否在测点位置孔隙压力相同(接近)，都是孔隙正压。

4)水位下降时加载与否孔隙压力由正压向负压转变的高程位置相同。

5)加载条件下水位下降转化为负压后孔隙负压增速快，并最终(在非饱和土区)形成稳定持久的负压。

3.4 加载引起孔隙负压力增加的机理分析

在图3的峰值区加载曲线的孔隙压力大于不加载曲线孔隙压力，符合普遍认同的理论。3.1条5)指出地下水位下降时孔隙压力转化为负压后加载条件下孔隙负压较不加载条件孔隙负压值大，似与常理相悖,其机理可能是附加应力的作用增大了砂粒间的挤压程度，颗粒致密增加了颗粒间毛细水的接触面积，因而孔隙负压增加。

由表1对比发现测点1的孔隙负压差大于测点2的孔隙负压差，两测点的孔隙负压差值与对应的附加应力具有一致性，因此认为附加应力可能增加特定时空范围的孔隙负压。

表1 试验结果对比

在道路工程施工和运营中，机械动载也可以引起孔隙负压的增加，且影响深度[10]更大，在地下水下降时对特定区域的土基沉降产生贡献。

4 结束语

真空预压减小土体孔隙压力，孔隙压力降低地下水位，是人工干预改变地下水的情况。本文改变实验箱体内水位和其他工况获得了孔隙压力变化的规律，目的在于揭示地下水位变化引起土体孔隙压力变化的规律。通过实验数据分析，获得了水位升降引起孔隙压力变化的基本特性,其中：(1)水位上升和下降的孔隙压力曲线不重合；(2)降水、加载条件下非饱和土孔隙负压较不加载情况下增大；(3)水位下降时在非饱和土区域存在孔隙正压力值；(4)加载对某一高程点的孔隙压力零值点水位不产生影响。本文提出的特性或可为进一步揭开孔隙压力的规律和机理、丰富和发展土力学理论提供支持。