砂纹淤泥质土在不同试验方法下的渗透特性相关研究

李 懿， 黄凤娟， 杨 柏

(1.广州市设计院， 广东广州 510620； 2.西南交通大学土木工程学院， 四川成都 610031)

近年来，随着国家大力发展洞庭湖生态经济区，该地区会遇到诸如高速公路、铁路、深基坑、市政工程等大量软土地基问题。南县-益阳高速公路北段位于洞庭湖淤积平原的核心区，南段跨过南洞庭湖后向台地展布，在其初步设计勘察阶段，发现了洞庭湖特有的软土类型，即砂纹淤泥质土，该类土夹有微薄层状粉细砂并呈“千层糕”状，每层粉细砂厚度大约1～2 mm(图1)；究其原因是洞庭湖所处地理位置比较特殊，历史上长期受到地壳升降、气候、流水、泥沙淤积等条件影响，形成了淤泥质土中夹有微薄层粉细砂，而其存在必将对砂纹淤泥质土的渗透特性产生较大影响。

图1 砂纹淤泥质土

土体物理力学指标包括孔隙比、含水率、密度、比重、液限、塑限、塑性指数、液性指数、渗透系数、固结系数、粘聚力和内摩擦角等，并且各物理力学指标间存在一定的相关性。李镜培等[1]、刘春等[2]和李小勇等[3]通过收集物理力学指标的数据，研究了软土土性指标的相关距离性状以及其分布特点；陈晓平等[4]收集了珠江三角洲地区近千个试样的结果，分析了软土参数的非线性特征；张荣堂等[5]基于近海软土的工程特性，建立了统一测定土性指标的方法；尹利华等[6]通过不同试验方法得到了天津软土的物理力学指标，并建立了各指标间的相互关系以及概率分布模型；邵艳等[7]通过Matlab对合肥滨湖新区软土的各物理力学指标之间的相关性进行了分析。

以上文献主要研究内容是土体各物理力学指标间的相关性，但是不同试验方法间同一物理力学指标的相关性涉及较少。因此，本文拟通过孔压静力触探、室内渗透试验和现场注水试验等试验手段研究确定洞庭湖砂纹淤泥质土的渗透特性的相关性，为该区域地基处理方案选择提供依据。

1 试验方法

目前渗透系数的测定方法一般分为两种，一种是通过室内渗透试验确定，该方法的优点在于可较好地在定义边界条件，但试样易受扰动且应力释放严重，试样尺寸小导致土体的非均质性无法完全体现；另一种方法是现场原位测试，可以较真实的反映土体的宏微观结构，但试验时边界条件又不太好控制。因此，本文针对洞庭湖砂纹淤泥质土的渗透特性，分别对其进行室内渗透试验、孔压静力触探和现场注水试验，研究不同试验方法间渗透系数的相关性。

1.1 试验对象

本次试验为了研究砂纹淤泥质土的渗透特性，现将其基本的物理力学性质列于表1。

表1 砂纹淤泥质土物理力学性质

1.2 试验方案

1.2.1 现场钻孔降水头注水试验

由于砂纹淤泥质土位于洞庭湖地下水位以下且渗透系数较小，因此采用钻孔降水头注水试验(图2)，其主要设备是秒表、栓塞、水泵和电测水位计(图3)。采用式(1)计算试验土层的渗透系数：

(1)

式中：H1为在时间t1时的试验水头(cm)；H2为在时间t2时的试验水头(cm)；r为套管内径(cm)；A为形状系数(cm)。

图2 钻孔降水头注水试验

图3 电测水位计

1.2.2 孔压静力触探和室内渗透试验

在孔压静力触探(图4)贯入停止时，探头可以量测到超孔隙水压力的消散过程，通过分析超孔隙水压力随时间的变化规律，估算砂纹淤泥质土的渗透特性。根据孔压静力触探试验结果，采用经验公式计算砂纹淤泥质土的水平渗透系数kH：

kH=(251t50)-1.25

(2)

式中：kH为孔压静力触探测定的水平渗透系数(cm/s)；t50为土样固结度达50 %所需时间(s)。

室内渗透试验(图5)采用的是变水头试验渗透系数计算公式：

(3)

(4)

式中：kT为水温T ℃时，试样的渗透系数(cm/s)；a为变水头管截面积(cm2)；L为渗径，等于试样高度(cm)；h1为开始时水头(cm)；h2为终止时水头(cm)；A为试样断面积(cm2)；t为时间(s)；2.3为ln与lg的换算系数；ηT为T ℃时，水的动力粘滞系数(kPa·s(10-6))；η20为20 ℃ 时，水的动力粘滞系数(kPa·s(10-6))。

其中，比值ηT/η20与温度的关系，查表即可得。在测得的结果中取3～4个允许差值范围以内的数值，求其平均值作为试样在该孔隙比e时的渗透系数。

图4 孔压静力触探试验

图5 室内渗透试验

2 试验结果分析

从表2中可以看出，现场注水试验得到的渗透系数最大，数量级集中于10-3～10-4cm/s之间，平均值为1.618×10-3cm/s；孔压静力触探测定的kH值变化较大，从7.85×10-7cm/s～2.699×10-5cm/s，相差了两个数量级，其平均值为9.908×10-6cm/s，可能是由于采用了经验公式进行计算，造成了计算结果产生较大偏差。通过室内渗透试验分别得到了垂直向渗透系数和水平渗透系数，垂直向渗透系数相对偏小，仅为3.352×10-7cm/s，而水平渗透系数的结果与孔压静力触探相近，平均值为1.213×10-5cm/s，但其变化没有孔压静力触探结果离散。这是因为室内试验较好地定义了边界条件，使计算结果更加平均，并且由于砂纹淤泥质土垂直向和水平向主要为淤泥质土和粉细砂，直接导致了kV和kH之间的差异。

通过对三种试验方法所求得的渗透系数进行相关性分析，统计分析的结果见图6，孔压静力触探、室内水平向和垂直向渗透试验与现场注水试验的回归方程分别为kH孔压=30.795+0.004k，kH=85.553+0.002k和kV=2.356+0.000 06k，R2=0.887 77、0.954 58、0.269 25；室内水平向和垂直向渗透试验与孔压静力触探的回归方程分别为kH=75.552+0.492k孔压和kV=1.629+0.017kH孔压，R2=0.929 15、0.519 04；室内渗透试验kV和kH之间的回归方程为kV=-0.239+0.029 61kH，R2=0.345 17。从分析结果可知，大部分参数之间拟合程度较高，但室内试验得到的kH值与现场注水试验和孔压静力触探求取的渗透系数拟合程度并不高，在使用时应增加更多数据对公式进行补充和完善，以期达到通过室内渗透试验即可得到原位土体的渗透系数。

3 结论

本文通过孔压静力触探、室内渗透试验和现场注水试验等试验手段，研究了砂纹淤泥质土不同试验方法间渗透特性的相关性，为该地区地基处理方案选取提供依据。

表2 砂纹淤泥质土不同试验方法间渗透系数

(a)k-kH孔压

(b)k-kH

(c)k-kV

(d)kH孔压-kH

(e)kH孔压-kV

(f)kH-kV

(1)建立了砂纹淤泥质土不同试验方法间渗透系数的经验回归方程。

(2)通过分析可知，现场原位测试得到的结果比室内试验更准确，同时也更节省时间，但是成本更高。

(3)建议可先进行室内试验，再采用经验公式分析论证原位土体的渗透系数，但该经验公式具有明显地域特点，如在其他地方应用需进一步积累资料，并进行相关验证使之优化。