凍融作用下地鐵站場地粉質粘土宏、細觀滲透特征研究

于 航

(天津市勘察設計院集團有限公司,天津 300191)

0 引言

巖土體滲透特性關乎著水利、建筑等結構的防滲設計,探討巖土體滲透演變特征[1-2],有助于工程建設,但不論是巖體或土體,其滲透特性均受工程環境、自身因素等影響[3]。張闖等[4]、張騫等[5]為研究巖石試樣滲透演變特征,通過室內靜水壓力滲透測試、加載破壞過程滲透測試等方法,獲得了巖石試樣滲透率與圍壓、應力以及滲透壓關系,對巖石滲透特性研究具有參考意義。土體滲透水平受自身干密度、含水率等因素影響,一些學者基于變水頭滲透試驗,探討了含水率[6]、干密度[7]等影響因素下,試樣滲透系數變化過程,推到了土體滲透水平與影響因素的數學關系,豐富了土體滲透特性研究理論成果。從土體細觀變化,可揭示土體滲透差異的內在機理,徐衛衛等[8]、彭家奕等[9]基于CT掃描等細觀試驗手段,對土體的內部孔隙、顆粒結構開展了細觀分析,基于細觀特征變化,可解釋土體的滲透水平差異,構建起土體滲透宏、細觀研究體系。本文為研究地鐵站場地粉質粘土試樣滲透特性,分別開展了土體的滲透測試與SEM掃描,分析了含水率、凍融作用對試樣宏、細觀特征影響,為相關工程及土體滲透理論研究提供參照。

1 研究概況

1.1 工程介紹

作為天津地鐵六號線重點工程,金鐘地鐵站是外環線、二號線重要交匯樞紐,控制著天津東北部地鐵運行、檢修等,始末里程分別為DK8+797.474 m～DK9+51.974 m,站臺所在中心里程為DK8+943.224 m,車站位于地下二層,最深處為18.5 m,同時為降低地下水對地鐵運行危害,基坑開挖之初進行了帷幕灌漿與地下止水設計,確?；訄龅貎确罎B體系運行可靠。作為線路換乘車站,金鐘站采用平行線路設計形式,Z2號線與六號線平行運行,但五號線偏離Z2號線、六號線交匯處,其站臺核心里程為DK14+231.485 m,設計為地下三層結構形式,基坑開挖深度超過25 m,具有三個車站出入口,風井深度設置為10.5 m,采用排樁圍護復合支護結構形式,同樣設置有止水結構。為確保金鐘地鐵站基坑開挖安全,地勘部門考慮工程需要及場地現狀,針對性開展了波速測試、抽水試驗以及基坑土體取樣等常規物理力學測試等,根據抽水試驗結果,得知基坑開挖場地存在有第一、第二承壓含水層,兩承壓含水層涌水量分別為132 m3/d、145 m3/d。波速測試結果表明,基坑土層鉆孔深度內剪切波速分布為125～280 m/s,壓縮波速較之剪切波速高了1.5～2.4倍,同時基坑場地內部分區域存在有飽和土層,其波速水平要高于非飽和土層。結合工程資料可知,金鐘地鐵站基坑場地土層滲透特性必須引起重視,而地勘表明場地內土層分布有不同含水率狀態的粉質粘土,且分布范圍、分布深度均以粉質粘土為典型,故建設部門計劃先期對基坑場地粉質粘土滲透特性開展系統研究,從而為工程提供防滲設計依據。

1.2 試驗概況

為準確分析金鐘地鐵站基坑場地粉質粘土滲透特性,考慮從宏觀滲透測試以及細觀特征研究入手,探討粉質粘土滲透特性變化。圖1(a)為滲透測試設備,該試驗設備可變換變水頭或定水頭測試方法,也可應對飽和或非飽和土體。滲透測試時,還可通過系統壓汞測試模塊,獲得測試土樣的孔隙變化特征。同時,所有試樣在完成滲透測試后,需進行電鏡分析(SEM),基于試樣細觀變化特征,解釋宏觀滲透變化機理,圖1(b)為SEM試驗裝置,可滿足不同尺寸、不同狀態試樣最大8 000倍細觀放大。本次SEM試驗中,依次進行低倍、中倍以及高倍細觀掃描,對應分別為×500倍、×2 000倍、×8 000倍。

圖1 試驗裝置

根據圖1試驗設備要求,從金鐘地鐵站基坑場地內鉆孔取樣后,獲得原狀土樣含水率分布為12.5%～19.5%,中值粒徑為0.06 mm,顆粒密度為1.24 g/cm3,多個鉆孔點土樣分析表明,含水率差異乃是最大差異點,原位實驗測試,地基土體承載力為125～140 kPa。另一方面,溫度變化均會影響原狀土樣承載力特征,據室內土工測試結果,其常規測試圍壓50 kPa下抗壓強度為135 kPa,而溫度0℃下試樣抗壓強度較之減少了32%～65%,故而滲透測試之時,也許考慮工程物理環境變化對其影響?，F場土樣經重塑加工后,采用人工含水率制作以及土樣加工方法,并根據含水率分布,分別劃分出12.5%～14.5%(A組)、15%～17%(B組)、17.5%～19.5%(C組)三個含水率分布組,徑、高尺寸分別為38 mm、76 mm,SEM試驗中在試樣中部切出2 mm深槽方便掃描。每組含水率經養護48 h后才可進行凍融物理作用,凍、融溫度分別設定為-30℃、25℃每一次物理交替作用下歷時為8 h,并在完成目標作用次數后,先后進行SEM掃描與滲透測試。

物理交替作用乃是影響粉質粘土試樣滲透特性的重要因素,不論干濕或凍融作用,其交替次數按照試樣宏觀力學承載影響范圍,分別設定為0次(無任何物理作用)、3次、6次、9次、12次、15次,18次、21次,含水率因素參照A、B、C三組設定。滲透測試中,靜水圍壓直接影響孔隙分布與滲透能力,分別設定為10 kPa、30 kPa、50 kPa、70 kPa、90 kPa、120 kPa、160 kPa,表1為本試驗各因素組參數設計?；谖锢碜饔孟路圪|粘土試樣滲透宏、細觀測試,探討其滲透特性影響變化特征。

表1 試驗參數表

2 物理作用影響下粉質粘土滲透特性

基于凍融作用下粉質粘土試樣滲透測試,獲得了不同靜水圍壓下各含水率組下試樣滲透系數變化特征,如圖2。依據圖2可知,不論含水率為何值,當靜水圍壓增大,滲透系數均為遞減,從數學關系上考慮,滲透系數與靜水圍壓具有冪函數特征。在含水率B組中,凍融作用9次時,試樣滲透系數分布為3.4×10-9～5.85×10-6cm/s,由靜水圍壓10 kPa增大至150 kPa,平均每20 kPa靜水圍壓,可減少試樣滲透系數60.5%,在靜水圍壓50 kPa后,滲透系數甚至已降低了1～2個量級。當同為B組含水率時,在凍融作用15次時,其滲透系數隨靜水圍壓影響,平均降幅為68.8%,較之作用3次下,前者試驗組滲透系數受靜水圍壓影響高于后者,即凍融作用會促進靜水圍壓對試樣滲透水平影響。

圖2 含水率-試樣滲透系數-凍融作用關系

在含水率A組中,當靜水圍壓為10 kPa時,無凍融作用下試樣滲透系數為4.8×10-7cm/s,而凍融作用了9次、15次后,相應滲透系數均有提高,分別增大了6.9倍、19.3倍,達3.77×10-6cm/s、9.72×10-6cm/s。與之類似,當含水率為C組中時,含水率提高,同是靜水圍壓10 kPa,在作用次數為9、15次下其滲透系數分別為1.05×10-5cm/s、5.02×10-5cm/s,較之無凍融試樣滲透系數分別增大了12.2倍、61.2倍。對比可知,含水率增大,滲透系數受凍融作用影響敏感提高,控制試樣含水率,可約束內部孔隙分布與水粘膜的存在。

整體來看,當靜水圍壓、凍融作用一致時,含水率愈高,則試樣滲透水平愈強,如靜水圍壓均為50 kPa時,凍融作用均為0次時,含水率A組試樣滲透系數為1.48×10-8cm/s,而含水率B、C組試樣滲透系數分別為1.85×10-8cm/s、2.5×10-8cm/s,兩者較前者分別增大了25.5%、68.8%;當圍壓仍為50 kPa,凍融作用為15次時,含水率A、B、C組三試樣滲透系數分別為1.98×10-7cm/s、4.37×10-7cm/s、1.03×10-6cm/s,后兩組試樣滲透系數與前者差幅分別為1.2倍、4.2倍。由此可知,凍融作用對試樣滲透特征影響會因含水率影響而發生改變,但從試驗結果來看,凍融作用也會促進試樣受含水率影響敏感變化,即粉質粘土試樣滲透系數與含水率、凍融作用關系具有“耦合疊加”性[10]。

3 物理作用下粉質粘土細觀特征

3.1 壓汞孔隙特征

基于滲透試驗中壓汞測試,可獲得各含水率組凍融作用對粉質粘土試樣孔隙特征影響[11],如圖3。從圖3(a)中各尺寸孔隙變化可知,在凍融作用一致的前提下,含水率改變,并不會影響試樣內部孔徑分布占比,孔隙變化占比最多仍以10-1～100μm(微孔)為主,而在孔徑10-2μm、102～103μm等尺寸中,在含水率影響下,試樣總體上無顯著增幅變化,即改變含水率,只會影響試樣內部微、小孔隙分布,對于超微孔以及中大孔均無顯著影響。當含水率增大,微、小尺寸孔隙均有較顯著增多,如含水率A組中孔隙體積增量峰值為0.062 cm3/g,屬0.106 μm孔隙,而含水率B、C組同樣是在尺寸0.106 μm微孔隙中具有峰值孔隙體積增量,分別達0.069 cm3/g、0.086 cm3/g。

圖3 試樣孔隙特征

在圖3(b)凍融組中,改變凍融次數,試樣各部分尺寸孔隙均有明顯增量變化,孔隙體積峰值增量并不會聚集在一個區域,在凍融3次時,峰值孔隙體積增量為微孔隙,達0.197 cm3/g,而在凍融為9次、15次后,并不僅僅有“單峰值”孔隙體積增量,而是在中孔隙區域也具有較顯著增量變化,凍融9次峰值增量分別為0.218 cm3/g、0.197 cm3/g,屬于微孔隙、中孔隙,同樣凍融15次亦是如此,孔隙體積峰值增量分別達0.232 cm3/g、0.218 cm3/g。由此可知,凍融作用對粉質粘土試樣影響超過含水率因素,其對試樣內部孔隙分布改變,不僅僅作用于某一種尺寸孔隙,而是全尺寸孔隙“全覆蓋”影響。

3.2 SEM掃描特征

基于SEM掃描試驗結果處理,獲得了含水率A～C組典型試樣細觀特征,如圖4所示。根據電鏡500倍放大掃描圖來看,含水率較低的試樣(F1)中,其內部顆粒接觸處于面-面膠結或點-面接觸,幾乎無顆粒間接接觸,各種膠結物存在于膠結面上,這也是導致試樣內部緊密性的關鍵因素,當水體進入土樣內部,滲透通道的形成較困難。在2 000倍放大掃描圖中,含水率為B組(F4)時,經凍融作用下的試樣內部存在顆粒間接接觸,小顆粒黏附于大顆粒表面,裂縫顯著,而在含水率增大至C組(F7)時,不論是2 000倍放大圖或8 000倍放大細觀圖中,均可見到顆粒結構松散性、破碎性特征,顆粒骨架存在“空洞”狀[12],顆粒間連接性、膠結性均變差,這也是試樣內部滲透通道形成的關鍵,從而呈現宏觀滲透水平較高的現象。

圖4 各含水率組SEM掃描特征

圖5為凍融0、9、15次下試樣細觀掃描特征。由圖中細觀特征對比可知,無凍融作用時,試樣內部緊密程度較佳,顆粒間粘結性較好;當凍融9次時,×500倍放大圖中可看出存在有顆粒間孔隙,孔隙數量較多,無序性顯著[13],顆粒間接觸存在有面-面與間接接觸等方式;當凍融15次時,×8 000倍放大下可看出試樣破碎性明顯,顆粒間仍以面-面與間接接觸為主,但可觀測到明顯宏觀裂縫,顆粒骨架完整性變差。綜合可知,凍融作用會改變孔隙分布的無序性,但不會影響顆粒間接觸方式。

圖5 各凍融組SEM掃描特征

4 結語

(1)試樣滲透系數與靜水圍壓具有冪函數特征,當凍融交替愈多,靜水圍壓對滲透系數限制作用愈強;交替次數與滲透系數為正相關,同時含水率增大,滲透系數受凍融作用影響敏感提高。

(2)含水率愈高,試樣滲透愈強,靜水圍壓50 kPa、凍融0次時,含水率A、B、C三組試樣滲透系數分別為1.48×10-8cm/s、1.85×10-8cm/s、2.5×10-8cm/s,而凍融15次時分別為1.98×10-7cm/s、4.37×10-7cm/s、1.03×10-6cm/s,含水率、凍融作用對試樣滲透系數影響具有疊加效應。

(3)含水率變化,試樣內部孔徑體積增大特征不影響,只對10-1～100μm微孔隙影響顯著,含水率A、B、C三組峰值孔隙體積增量均集中于0.106 μm,分別為0.062 cm3/g、0.069 cm3/g、0.086 cm3/g;隨凍融作用增強,孔徑影響逐步由微孔隙“單峰值”特征演變至微、中孔隙“雙峰值”特征,凍融作用對試樣影響具有全尺寸孔隙覆蓋效應。

(4)SEM掃描結果表明,含水率變化,對試樣內部顆粒接觸關系影響較大,較高含水率下試樣顆粒為間接接觸為主;凍融作用對試樣顆粒結構影響主要在于孔隙分布的無序性,而顆粒接觸關系受之影響較小。