冻融作用下地铁站场地粉质粘土宏、细观渗透特征研究

于 航

(天津市勘察设计院集团有限公司,天津 300191)

0 引言

岩土体渗透特性关乎着水利、建筑等结构的防渗设计,探讨岩土体渗透演变特征[1-2],有助于工程建设,但不论是岩体或土体,其渗透特性均受工程环境、自身因素等影响[3]。张闯等[4]、张骞等[5]为研究岩石试样渗透演变特征,通过室内静水压力渗透测试、加载破坏过程渗透测试等方法,获得了岩石试样渗透率与围压、应力以及渗透压关系,对岩石渗透特性研究具有参考意义。土体渗透水平受自身干密度、含水率等因素影响,一些学者基于变水头渗透试验,探讨了含水率[6]、干密度[7]等影响因素下,试样渗透系数变化过程,推到了土体渗透水平与影响因素的数学关系,丰富了土体渗透特性研究理论成果。从土体细观变化,可揭示土体渗透差异的内在机理,徐卫卫等[8]、彭家奕等[9]基于CT扫描等细观试验手段,对土体的内部孔隙、颗粒结构开展了细观分析,基于细观特征变化,可解释土体的渗透水平差异,构建起土体渗透宏、细观研究体系。本文为研究地铁站场地粉质粘土试样渗透特性,分别开展了土体的渗透测试与SEM扫描,分析了含水率、冻融作用对试样宏、细观特征影响,为相关工程及土体渗透理论研究提供参照。

1 研究概况

1.1 工程介绍

作为天津地铁六号线重点工程,金钟地铁站是外环线、二号线重要交汇枢纽,控制着天津东北部地铁运行、检修等,始末里程分别为DK8+797.474 m～DK9+51.974 m,站台所在中心里程为DK8+943.224 m,车站位于地下二层,最深处为18.5 m,同时为降低地下水对地铁运行危害,基坑开挖之初进行了帷幕灌浆与地下止水设计,确保基坑场地内防渗体系运行可靠。作为线路换乘车站,金钟站采用平行线路设计形式,Z2号线与六号线平行运行,但五号线偏离Z2号线、六号线交汇处,其站台核心里程为DK14+231.485 m,设计为地下三层结构形式,基坑开挖深度超过25 m,具有三个车站出入口,风井深度设置为10.5 m,采用排桩围护复合支护结构形式,同样设置有止水结构。为确保金钟地铁站基坑开挖安全,地勘部门考虑工程需要及场地现状,针对性开展了波速测试、抽水试验以及基坑土体取样等常规物理力学测试等,根据抽水试验结果,得知基坑开挖场地存在有第一、第二承压含水层,两承压含水层涌水量分别为132 m3/d、145 m3/d。波速测试结果表明,基坑土层钻孔深度内剪切波速分布为125～280 m/s,压缩波速较之剪切波速高了1.5～2.4倍,同时基坑场地内部分区域存在有饱和土层,其波速水平要高于非饱和土层。结合工程资料可知,金钟地铁站基坑场地土层渗透特性必须引起重视,而地勘表明场地内土层分布有不同含水率状态的粉质粘土,且分布范围、分布深度均以粉质粘土为典型,故建设部门计划先期对基坑场地粉质粘土渗透特性开展系统研究,从而为工程提供防渗设计依据。

1.2 试验概况

为准确分析金钟地铁站基坑场地粉质粘土渗透特性,考虑从宏观渗透测试以及细观特征研究入手,探讨粉质粘土渗透特性变化。图1(a)为渗透测试设备,该试验设备可变换变水头或定水头测试方法,也可应对饱和或非饱和土体。渗透测试时,还可通过系统压汞测试模块,获得测试土样的孔隙变化特征。同时,所有试样在完成渗透测试后,需进行电镜分析(SEM),基于试样细观变化特征,解释宏观渗透变化机理,图1(b)为SEM试验装置,可满足不同尺寸、不同状态试样最大8 000倍细观放大。本次SEM试验中,依次进行低倍、中倍以及高倍细观扫描,对应分别为×500倍、×2 000倍、×8 000倍。

图1 试验装置

根据图1试验设备要求,从金钟地铁站基坑场地内钻孔取样后,获得原状土样含水率分布为12.5%～19.5%,中值粒径为0.06 mm,颗粒密度为1.24 g/cm3,多个钻孔点土样分析表明,含水率差异乃是最大差异点,原位实验测试,地基土体承载力为125～140 kPa。另一方面,温度变化均会影响原状土样承载力特征,据室内土工测试结果,其常规测试围压50 kPa下抗压强度为135 kPa,而温度0℃下试样抗压强度较之减少了32%～65%,故而渗透测试之时,也许考虑工程物理环境变化对其影响。现场土样经重塑加工后,采用人工含水率制作以及土样加工方法,并根据含水率分布,分别划分出12.5%～14.5%(A组)、15%～17%(B组)、17.5%～19.5%(C组)三个含水率分布组,径、高尺寸分别为38 mm、76 mm,SEM试验中在试样中部切出2 mm深槽方便扫描。每组含水率经养护48 h后才可进行冻融物理作用,冻、融温度分别设定为-30℃、25℃每一次物理交替作用下历时为8 h,并在完成目标作用次数后,先后进行SEM扫描与渗透测试。

物理交替作用乃是影响粉质粘土试样渗透特性的重要因素,不论干湿或冻融作用,其交替次数按照试样宏观力学承载影响范围,分别设定为0次(无任何物理作用)、3次、6次、9次、12次、15次,18次、21次,含水率因素参照A、B、C三组设定。渗透测试中,静水围压直接影响孔隙分布与渗透能力,分别设定为10 kPa、30 kPa、50 kPa、70 kPa、90 kPa、120 kPa、160 kPa,表1为本试验各因素组参数设计。基于物理作用下粉质粘土试样渗透宏、细观测试,探讨其渗透特性影响变化特征。

表1 试验参数表

2 物理作用影响下粉质粘土渗透特性

基于冻融作用下粉质粘土试样渗透测试,获得了不同静水围压下各含水率组下试样渗透系数变化特征,如图2。依据图2可知,不论含水率为何值,当静水围压增大,渗透系数均为递减,从数学关系上考虑,渗透系数与静水围压具有幂函数特征。在含水率B组中,冻融作用9次时,试样渗透系数分布为3.4×10-9～5.85×10-6cm/s,由静水围压10 kPa增大至150 kPa,平均每20 kPa静水围压,可减少试样渗透系数60.5%,在静水围压50 kPa后,渗透系数甚至已降低了1～2个量级。当同为B组含水率时,在冻融作用15次时,其渗透系数随静水围压影响,平均降幅为68.8%,较之作用3次下,前者试验组渗透系数受静水围压影响高于后者,即冻融作用会促进静水围压对试样渗透水平影响。

图2 含水率-试样渗透系数-冻融作用关系

在含水率A组中,当静水围压为10 kPa时,无冻融作用下试样渗透系数为4.8×10-7cm/s,而冻融作用了9次、15次后,相应渗透系数均有提高,分别增大了6.9倍、19.3倍,达3.77×10-6cm/s、9.72×10-6cm/s。与之类似,当含水率为C组中时,含水率提高,同是静水围压10 kPa,在作用次数为9、15次下其渗透系数分别为1.05×10-5cm/s、5.02×10-5cm/s,较之无冻融试样渗透系数分别增大了12.2倍、61.2倍。对比可知,含水率增大,渗透系数受冻融作用影响敏感提高,控制试样含水率,可约束内部孔隙分布与水粘膜的存在。

整体来看,当静水围压、冻融作用一致时,含水率愈高,则试样渗透水平愈强,如静水围压均为50 kPa时,冻融作用均为0次时,含水率A组试样渗透系数为1.48×10-8cm/s,而含水率B、C组试样渗透系数分别为1.85×10-8cm/s、2.5×10-8cm/s,两者较前者分别增大了25.5%、68.8%;当围压仍为50 kPa,冻融作用为15次时,含水率A、B、C组三试样渗透系数分别为1.98×10-7cm/s、4.37×10-7cm/s、1.03×10-6cm/s,后两组试样渗透系数与前者差幅分别为1.2倍、4.2倍。由此可知,冻融作用对试样渗透特征影响会因含水率影响而发生改变,但从试验结果来看,冻融作用也会促进试样受含水率影响敏感变化,即粉质粘土试样渗透系数与含水率、冻融作用关系具有“耦合叠加”性[10]。

3 物理作用下粉质粘土细观特征

3.1 压汞孔隙特征

基于渗透试验中压汞测试,可获得各含水率组冻融作用对粉质粘土试样孔隙特征影响[11],如图3。从图3(a)中各尺寸孔隙变化可知,在冻融作用一致的前提下,含水率改变,并不会影响试样内部孔径分布占比,孔隙变化占比最多仍以10-1～100μm(微孔)为主,而在孔径10-2μm、102～103μm等尺寸中,在含水率影响下,试样总体上无显著增幅变化,即改变含水率,只会影响试样内部微、小孔隙分布,对于超微孔以及中大孔均无显著影响。当含水率增大,微、小尺寸孔隙均有较显著增多,如含水率A组中孔隙体积增量峰值为0.062 cm3/g,属0.106 μm孔隙,而含水率B、C组同样是在尺寸0.106 μm微孔隙中具有峰值孔隙体积增量,分别达0.069 cm3/g、0.086 cm3/g。

图3 试样孔隙特征

在图3(b)冻融组中,改变冻融次数,试样各部分尺寸孔隙均有明显增量变化,孔隙体积峰值增量并不会聚集在一个区域,在冻融3次时,峰值孔隙体积增量为微孔隙,达0.197 cm3/g,而在冻融为9次、15次后,并不仅仅有“单峰值”孔隙体积增量,而是在中孔隙区域也具有较显著增量变化,冻融9次峰值增量分别为0.218 cm3/g、0.197 cm3/g,属于微孔隙、中孔隙,同样冻融15次亦是如此,孔隙体积峰值增量分别达0.232 cm3/g、0.218 cm3/g。由此可知,冻融作用对粉质粘土试样影响超过含水率因素,其对试样内部孔隙分布改变,不仅仅作用于某一种尺寸孔隙,而是全尺寸孔隙“全覆盖”影响。

3.2 SEM扫描特征

基于SEM扫描试验结果处理,获得了含水率A～C组典型试样细观特征,如图4所示。根据电镜500倍放大扫描图来看,含水率较低的试样(F1)中,其内部颗粒接触处于面-面胶结或点-面接触,几乎无颗粒间接接触,各种胶结物存在于胶结面上,这也是导致试样内部紧密性的关键因素,当水体进入土样内部,渗透通道的形成较困难。在2 000倍放大扫描图中,含水率为B组(F4)时,经冻融作用下的试样内部存在颗粒间接接触,小颗粒黏附于大颗粒表面,裂缝显著,而在含水率增大至C组(F7)时,不论是2 000倍放大图或8 000倍放大细观图中,均可见到颗粒结构松散性、破碎性特征,颗粒骨架存在“空洞”状[12],颗粒间连接性、胶结性均变差,这也是试样内部渗透通道形成的关键,从而呈现宏观渗透水平较高的现象。

图4 各含水率组SEM扫描特征

图5为冻融0、9、15次下试样细观扫描特征。由图中细观特征对比可知,无冻融作用时,试样内部紧密程度较佳,颗粒间粘结性较好;当冻融9次时,×500倍放大图中可看出存在有颗粒间孔隙,孔隙数量较多,无序性显著[13],颗粒间接触存在有面-面与间接接触等方式;当冻融15次时,×8 000倍放大下可看出试样破碎性明显,颗粒间仍以面-面与间接接触为主,但可观测到明显宏观裂缝,颗粒骨架完整性变差。综合可知,冻融作用会改变孔隙分布的无序性,但不会影响颗粒间接触方式。

图5 各冻融组SEM扫描特征

4 结语

(1)试样渗透系数与静水围压具有幂函数特征,当冻融交替愈多,静水围压对渗透系数限制作用愈强;交替次数与渗透系数为正相关,同时含水率增大,渗透系数受冻融作用影响敏感提高。

(2)含水率愈高,试样渗透愈强,静水围压50 kPa、冻融0次时,含水率A、B、C三组试样渗透系数分别为1.48×10-8cm/s、1.85×10-8cm/s、2.5×10-8cm/s,而冻融15次时分别为1.98×10-7cm/s、4.37×10-7cm/s、1.03×10-6cm/s,含水率、冻融作用对试样渗透系数影响具有叠加效应。

(3)含水率变化,试样内部孔径体积增大特征不影响,只对10-1～100μm微孔隙影响显著,含水率A、B、C三组峰值孔隙体积增量均集中于0.106 μm,分别为0.062 cm3/g、0.069 cm3/g、0.086 cm3/g;随冻融作用增强,孔径影响逐步由微孔隙“单峰值”特征演变至微、中孔隙“双峰值”特征,冻融作用对试样影响具有全尺寸孔隙覆盖效应。

(4)SEM扫描结果表明,含水率变化,对试样内部颗粒接触关系影响较大,较高含水率下试样颗粒为间接接触为主;冻融作用对试样颗粒结构影响主要在于孔隙分布的无序性,而颗粒接触关系受之影响较小。