2017, Vol. 45
2. 中国地质科学院 水文地质环境地质研究所，河北 石家庄 050061
2. Institute of Hydrogeology and Environmental Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Shijiazhuang 050061, China
土体的变形不仅与土体的类型有关，而且还与土体的应力路径具有很大的相关性[1-6].水位循环升降变动造成的含水量循环变化加卸载路径实际上反映了土体所经历的有效应力的变化过程，是一种复杂的变值加载模式，它直接影响到土体内部应力场的重新分布，导致土体结构和力学性质发生变化.水位循环升降使土体在干燥和湿润状态之间相互转化，内部应力重新分布，内部结构产生不可逆的疲劳累积损伤[7-8]，土体结构的完整性和力学性质发生劣化，导致边坡失稳，轨道路基、建筑物地基的工程性质发生衰变[9-11].目前，关于水位升降对于土体变形影响的研究主要集中在以下2个方面:水位循环升降导致边坡失稳和水位变化引起地面沉降.水位周期性涨落引起水体在库岸边坡内周期性渗入或渗出，导致库岸边坡内地下水渗流场发生变化，造成坡内土体孔隙水压力和有效应力的周期性加卸载，同时产生的内应力导致新裂隙的产生和原生裂隙的发展，最终导致岸坡滑塌失稳[12-22].水位反复升降变动使动水压力增大，同时滑带土的孔隙水压力增大，黏聚力降低，滑动带的裂隙逐渐扩展、贯通，最终导致滑坡的产生[23-27].水位变化引起地层变形的研究在太沙基有效应力原理的应力分析基础上得到了比较完善的发展，建立了较为完善的渗流-变形耦合理论[28-31].然而，上述研究均是针对水位单调变化引起的土体变形，考虑水位循环升降影响的研究比较少见.
研究区的粉土主要由黄土高原的黄土经河流再搬运形成的，为第四纪松散河流堆积物，在路基、基坑及堤岸边坡等工程中比较常见.粉土既不同于砂类土，又异于黏性土，由砂粒、粉粒、黏粒3种粒种组成，其比表面积不大，但毛细现象活跃，渗透系数通常介于黏土和砂土之间，且具有较强的非饱和土力学特性.粉土堤岸或边坡在水位循环升降变化情况下受到含水量循环加卸载路径变化和渗流力等多重因素的影响，其沉降变形及失稳变形模式显得较为复杂，分析过程也更为困难，因此研究粉土的水体加卸载路径变化规律有助于进一步研究粉土的路基或堤岸由于含水率变化、干湿循环等引起的沉降或失稳变形问题.目前针对土体的干湿循环研究大多集中在膨胀土和黄土[32-35]，而对粉土干湿循环或水位循环升降引起的沉降或失稳变形研究很少，使得水位循环变化引起的粉土堤岸或路基的承载力变化和沉降变形等预测及控制缺乏理论与试验指导，因此研究水位循环升降引起的粉土变形具有重要意义.
上述干湿循环土体研究多以小尺寸试样研究为主，试验结果受尺寸效应影响很大，无法很好地反映实际情况.干湿循环引起的土体变形多以边坡为主，并且干湿循环引起的沉降变形研究不多，孔隙水压和土压力随水位循环升降变化作用下的规律研究更是少见.因此，本文采用自行研制的水位循环升降装置[36]，以洛阳地区第四纪沉积粉土为研究对象，通过多次水位循环升降组合模拟试验再现粉土在水位循环升降条件下诱发沉降变形的全过程，揭示交变荷载条件下土体变形的发展规律，以期为沿江近河区域水-土相互作用机理及路基或边坡工程稳定性理论的完善提供科学依据.
1 试验概况 1.1 试验背景本文模拟试验在中国地质科学院水文地质环境地质研究所正定试验基地进行，试验时间从4月份持续到7月份，环境温度随季节变化，故采取了温度补偿措施.模拟对象为洛阳地区冲积平原区第四纪沉积层的二元结构，其下部为砂卵石，上部为黄土状的粉土或粉质黏土.洛阳境内河渠密布，地下水位埋深8~15 m，地下水的排泄和补给基本持平，但地下水位受降水量影响季节变化较大，水位升降年变幅1.0~2.5 m，且变化迅速.多年周期性快速变化的地下水位在一定程度上影响沿河两岸建筑物或构筑物的稳定性.
1.2 试验装置本文试验装置主要用于模拟浅层地下水位循环升降过程，整个装置由模型柱、供水装置、排水装置、数据采集装置等4个部分组成(见图 1).模型柱高2 m，直径1 m，壁厚2 cm，由有机玻璃制成.模型柱上部开口，底部注水口与排水口通过聚氯乙烯(PVC)管分别连接供水装置和排水装置.在注水口和排水口上装有反滤装置，反滤装置由2个布满小孔的PVC管和一个未布设小孔的PVC管粘接而成.布满小孔的PVC管内部填满鹅卵石，外部包裹一层网眼为200目的玻璃纱使得水流向模型柱四周径向流动，并防止试验介质的细小颗粒进入管内堵塞注水口和排水口.为了有效减弱模型柱与装填试验介质的边壁效应，模型柱内壁先用砂纸打磨并均匀刷上一层AB胶，随后粘上一层厚度为2~3 mm的级配良好的砂砾层.
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1.水箱进水口; 2.阀门; 3.大滑轮; 4.钢绳索; 5.变速手摇绞盘; 6.升降架; 7.底座; 8.膨胀螺丝; 9.滑轮槽; 10.水箱托架; 11.水箱; 12.曝气溢出孔; 13.高水位溢出孔; 14.小滑轮; 15.水箱出水孔; 16.PVC管; 17.流量计; 18.模型柱注水口; 19.模型柱排水口; 20.模型柱支架; 21.模型柱排水管; 22.反滤装置; 23.带有刻度的水桶; 24.位移传感器; 25.孔隙水压力传感器; 26.土压力传感器; 27.静态采集仪; 28.计算机 图 1 试验模型示意图(单位:cm) Fig.1 Schematic diagram of experimental model (unit: cm) |
数据采集装置由土压力传感器(量程:30~100 kPa; 灵敏度:0.005~0.010 mV·kPa-1; 准确度误差:≤0.3%)、孔隙水压力传感器(量程:30~50 kPa; 灵敏度:0.003~0.010 mV·kPa-1; 准确度误差:≤0.3%)、位移传感器(量程:10~30 mm; 精度:±0.001 mm)、沉降标尺、DH-3816N静态采集仪和计算机组成.位移传感器和沉降标尺测量试验介质不同高度处的沉降量，土压力传感器和孔隙水压力传感器分别测量试验介质不同高度处的土压力和孔隙水压力.
1.3 试验材料及方案模型柱下部的砂卵石根据原位的砂卵石进行配制，从下到上依次为卵石、石子、砾砂、粗砂、中砂、粉细砂.模型柱上部的粉土取自洛阳地区冲积平原距地表 8~10 m深度的扰动土，采用机械洛阳铲实施取土.试验所用粉土的颗粒分析与物理特性指标如图 2和表 1所示，吸脱湿曲线如图 3所示.
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图 2 粉土的颗粒级配曲线 Fig.2 Grading curve of silt |
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下载CSV 表 1 粉土的基本物理力学指标 Tab.1 Physical indexes of Luoyang silt |
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图 3 粉土吸湿和脱湿曲线 Fig.3 Soil-water characteristic curve of silt |
模型柱的下部铺一层厚40 cm的砂卵石层，并在卵石与砾砂中间铺设网眼为160目的玻璃纱以防止细小颗粒被水流带走.砂卵石上部装填140 cm厚的黄土状粉土，在砂卵石层与粉土层的交界面铺设网眼为200目的玻璃纱以防止粉土与下面的砂土及砂卵石相互混合.装填试验介质时采用逐层填装分层夯实的方法保证介质的均匀性，粉土的装填控制密度为1.65 g·cm-3，水的质量分数控制在15.2%~17.5%.为了减弱外界温度和湿度对试验介质的影响，在粉土层顶面铺设一层5 cm厚的粉细砂进行隔离.试验介质装填完成后静置48 h.
为了获得土体的沉降量及压力参数随水位升降的变化，在试验介质里布设了沉降标尺和压力传感器.土压力传感器(S4932、S4934、S4935、S4936、S4937)、孔隙水压力传感器(P4938、P4939、P4941、P4942、P4943)、分层沉降标尺(D2799~D2804)埋设位置处于试验介质的同一高度，距模型土柱顶部的距离分别为25、55、85、115、145 cm.传感器埋设位置如图 1所示.
1.4 试验过程试验开始前，先将沉降标尺连接位移传感器，同时将位移传感器、土压力传感器和孔隙水压力传感器连接采集仪，再将采集仪与计算机连接，同时把各种传感器调零.本文水位循环升降模拟试验的每次水位升降分为水位上升阶段、水位保持阶段、水位下降阶段等3个阶段.
水位上升阶段:通过供水装置中的升降架把水箱底部调整到距离模型柱底部60 cm的高度，开启供水装置的注水球阀，关闭排水装置球阀的同时开启采集装置进行压力和位移数据的读取和采集，数据采集装置的采集频率为6 Hz.通过调整水箱高度来控制模型柱内水位高度(通过测压管观测得到)，使水箱底部始终高于模型柱水位30 cm，当水位到达粉土顶部时关闭注水球阀，以此作为此阶段结束标志，水位上升阶段持续时长为25~43 h.
水位保持阶段:供水装置注水口的球型阀门和模型柱排水口的球型阀门都处于关闭状态，以孔隙水压力值达到稳定状态作为此阶段结束的标志，此阶段持续时长为36 h.
水位下降阶段:模型柱注水口的球型阀门处于关闭状态，排水口的阀门处于开启状态，模型柱中的水在重力的作用下经排水口自然排出.为了保持砂卵石层始终处于饱水的状态，排水装置的排水管保持在距离模型柱底部40 cm的高度，以排水管的水不再流出作为此阶段结束的标志，水位下降阶段持续时长为26~44 h.
3个阶段结束后为完成1次水位升降，重复上述步骤进行下一次水位升降模拟，共进行12次水位升降模拟.在水位循环升降过程中，模型柱内水位保持在40~180 cm范围内.
2 结果及分析本次模拟试验的土层由承压含水层与弱透水层组成.承压含水层为渗透性好、压缩性低的砂卵石层，弱透水层为渗透性较差、压缩性较高的粉性土层.模拟试验前试验介质处于非饱和状态，注水后试验介质逐渐从非饱和状态转为饱和状态，持水阶段试验介质仍处于饱和状态，降水阶段粉土从饱和状态转化为非饱和状态，水位循环升降过程就是使粉土从非饱和状态到饱和状态再到非饱和状态的循环过程.为了研究此种状态循环转变对洛阳粉土变形特性的影响，本模拟试验量测了孔隙水压力、土压力及沉降变形量.
2.1 水位初始升降阶段粉土各监测量的变化规律 2.1.1 孔隙水压力在模拟试验先期填土过程中，并未对土体进行堆载预压，其目的主要是为了研究松散堆积物在初始水位升降阶段的固结特性.
图 4给出了在初次水位循环升降过程中不同层位孔隙水压力的响应规律.本模拟试验假定在水位循环升降开始前，土层中不存在地下水，即认为初始状态孔隙水压力传感器测得的孔隙水压力值均为零.图 4中的曲线均表现出相似的规律:注水阶段，孔隙水压力迅速上升并在此阶段结束时上升至峰值; 持水阶段，孔隙水压力缓慢消散; 降水阶段，孔隙水压力随土中水位的降低而减小并逐渐趋于稳定.纵向对比，随孔隙水压力传感器埋深的增加，在注水阶段孔隙水压力的增长速率明显增大，且增长幅值同样增大.对比孔隙水压力增长的响应时间，距粉土-砂卵石界面0.9 m范围内的孔隙水压力传感器在注水初期出现响应，而0.9 m以上土层需要8 h左右的时间出现孔隙水压力的增长.这种现象的出现是由于粉土从非饱和到饱和状态的转变过程中，粉土中孔隙水的渗流在0.9~1.2 m的范围内出现了基质吸力与重力的动态平衡，打破这种动态平衡需要一定的时间.
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图 4 初始固结阶段不同层位孔隙水压力变化曲线 Fig.4 Variation of pore water pressure in initial cycle at different layers |
图 5给出了初次水位循环升降过程中不同层位竖向土压力的响应规律.由于土压力传感器S4935(115 cm)、S4937(85 cm)在试验过程中损坏，因此只获得了土压力传感器S4936(145 cm)、S4932(55 cm)、S4934(25 cm)测得的试验介质的竖向土压力值.土压力传感器在埋入土层前调零，基于粉土层在水位循环升降开始前不考虑孔隙水对应力影响的假设，土压力传感器的初始值正比于埋深.S4936土压力传感器位于土层底部，在注水阶段，由于孔隙水的介入，总应力增大，土压力传感器读数增大; 降水阶段，土压力数值陡降，可能是由于该土压力传感器位于粉土-砂卵石层分界面，降水瞬间猛增的水力梯度致使该土压力传感器周围土体被部分冲走，待孔隙水压力趋稳，土体复位，土压力逐渐恢复.位于中上部的S4932土压力传感器的读数在整个循环过程中趋于稳定，表明孔隙水对上部土体自重应力的增加作用与该埋深土体的膨胀作用相互抵消.位于顶部的S4934土压力传感器土压力变化与下部土压力成相反趋势.注水阶段伊始，孔隙水的加入导致上部土体自重应力增大，土压力呈增大趋势; 随后，由于顶部土层缺乏上部约束，土体产生竖向膨胀导致土压力值下降; 降水阶段，土体沉降变形导致的土压力增量大于孔隙水消散导致的自重应力减小，因此土压力数值反而减小.
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图 5 初始固结阶段不同层位土压力变化曲线 Fig.5 Variation of earth pressure in initial cycle at different layers |
在模拟试验土层未预应力固结的情况下，第1次水位循环升降是土体经历的非饱和渗流固结过程.图 6给出了第1个水位循环升降内各土层竖向变形量.图中正值代表土层膨胀，负值代表土层压缩.在注水阶段，第Ⅰ层(顶层)先压缩后膨胀，第Ⅱ层先膨胀后压缩，第Ⅲ层先压缩后小幅膨胀，第Ⅳ层膨胀，第Ⅴ层压缩，并未出现明显规律性，可能是由于原始土体内部结构分布不均，对于初次水位升降的响应呈现紊乱性.在降水阶段，由于孔隙水压力的消散，有效应力增大，土层大幅固结.其中，粉土层底层土体呈现膨胀趋势，可能是由于该层位靠近透水砂卵石层，丰富的水源补给使得土颗粒孔隙增大.
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图 6 初始固结阶段各层竖向变形量 Fig.6 Vertical deformation of each layer in initial cycle |
循环水位升降作用下，土体内的渗流场将发生改变.注水时，下部孔隙水压力最大，形成压力梯度，渗流方向向上; 降水时则相反.因此，土体中的渗流场是随着水位循环升降而呈周期性变化.
各次循环结束时的孔隙水压力即为经过一次水位循环升降后的残余孔隙水压力，将每个水位循环升降孔隙水压力最大值与最小值相减即为该次循环孔隙水压力变化幅值，将下一个循环结束时的孔隙水压力值与上一个循环结束时的孔隙水压力值相减为经过一个水位循环升降后孔隙水压力的消散，即孔隙水压力损失量.在长期水位循环升降作用下，模型土样中孔隙水压力发生周期性变化，由此得到残余孔隙水压力、孔隙水压力变化幅值、孔隙水压力损失量随水位循环升降次数的变化曲线如图 7~9所示.
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图 7 不同层位孔隙水压力周期性变化曲线 Fig.7 Periodic variation of pore water pressure at different layers |
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图 8 不同层位孔隙水压力变化幅值 Fig.8 Variation amplitude of pore water pressure at different layers |
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图 9 各循环内不同层位孔隙水压力损失量 Fig.9 Attenuation of pore water pressure at different layers during each cycle |
图 7显示了孔隙水压力随着水位循环升降振荡消散的规律.在水位循环升降开始前，认为土体中不存在使孔隙水压力传感器产生变化的孔隙水.假定第1次注水结束时，土体处于饱和状态，此时的孔隙水压力值作为整个循环的初始基值，且正比于孔隙水压力传感器埋深.在整个循环周期内，各层孔隙水压力数值保持了比较一致的大小关系，并未出现突变的情况.
图 8表明随着埋深的增加，孔隙水压力周期性变化的幅值增大.图 9显示了每个周期结束时经历当次水位循环升降之后孔隙水压力的损失情况.前3个周期，孔隙水压力变化处于非稳定状态，每一次的循环都使土体更接近饱和状态，因此这一过程中孔隙水压力是循环累积的.当孔隙水压力周期性振荡稳定以后，随着土体沉降变形的积累，有效水头高度相对减小，孔隙水压力随之减小，到后期，孔隙水压力逐渐衰减直至消失.
通过以上结果分析，可将水位循环升降过程在粉土中产生的孔隙水压力分解为振荡孔隙水压力和残余孔隙水压力，其既有振荡特性又有消散趋势.振荡孔隙水压力是土体中饱和-非饱和状态转变的根本原因，是渗流场产生的驱动力，而残余孔隙水压力的衰减消散是土层产生固结沉降的原因.
2.2.2 土压力图 10给出了水位循环升降过程中不同层位土压力周期性变化规律.在整个循环过程中，经过先期土体渗流固结，土体结构稳定后，土压力呈振荡增大趋势，且增大趋势基本一致.底部的土压力周期性变化趋势与顶部的土压力变化趋势在升降过程中呈现相反的规律，具体原因将在第2.3.2节中解释.
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图 10 各循环内不同层位土压力 Fig.10 Earth pressure at different layers during each cycle |
将每一次水位升降结束时两相邻沉降标尺测得的竖向变形量相减即为该层试验介质经过一次水位循环升降后的竖向变形量.随水位循环升降次数的增加，各层竖向变形量逐渐累积，由此获得各试验介质层累积竖向变形量随水位循环升降次数的变化规律(见图 11).
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图 11 各层累积沉降变形 Fig.11 Accumulative settlement of each layer |
透水层试验介质为40 cm厚砂卵石层，砂卵石层在第1次循环之后始终处于饱和状态.随着水位循环升降上覆土压力反复波动变化，在第2~3次循环时砂卵石层充分饱水，粗颗粒之间的位置重新排列，在水的作用下粗颗粒之间孔隙增大，导致该层厚度的增大.经过第4~12次水位循环升降，砂卵石层中的大孔隙被细颗粒所填充，砂卵石粗颗粒间的孔隙减小，且粉土层不断被压密，导致该层厚度逐渐减小，最终趋于稳定.由于受到毛细水作用影响，第Ⅴ层粉土在水位下降阶段仍保持较高的饱和度，因此发生土层的隆起.其余Ⅰ至Ⅳ层试验介质初始厚度相同，累积竖向变形量变化规律相似，均随着水位循环升降次数增加继续增加，粉土趋于密实，各分层厚度减小，且累积变化速率减小.由于各层试验介质具有各向异性，因此各层试验介质的累积竖向变形量也不尽相同.
2.2.4 累积沉降量各次水位循环升降结束时各试验介质层顶沉降标尺测得的沉降变形量即为该埋深以下土体经过一次水位循环升降后的累积沉降量(见图 12).
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图 12 不同层位累积沉降量 Fig.12 Accumulative settlement at different layers |
累积沉降量随水位循环升降次数的变化分为3个阶段:渗流固结阶段(第1次循环)、回弹阶段(第2~3次循环)、稳定沉降阶段(第4~12次循环).渗流固结阶段(第1次循环)，试验介质在水位上升阶段由干燥状态转变为准饱和状态，孔隙水压力增大，砂卵石及粉土颗粒内部之间的联结力减弱，密实度降低，在动水压力的作用下发生土颗粒的移动; 水位下降阶段，孔隙水压力减小，土颗粒重新排列紧密，累积沉降量急剧增大.回弹阶段(第2~3次循环)，该阶段粉土中孔隙水压力的往复变化主要引起了土体的弹性变形.当单次水位循环升降完成后，弹性变形恢复，该周期内土体累积沉降量基本为零.稳步沉降阶段(第4~12次循环)，该阶段随着水位循环升降次数的继续增加，土体发生塑性变形.当单次水位循环升降完成后，塑性变形不能恢复，随着水位循环升降次数的增加，累积沉降量不断增大.
2.3 单次循环参数联合分析 2.3.1 孔隙水压力变化率在地下水研究领域，水力梯度一直是一个研究热点，相关学者致力于量测水力梯度，在厚的弱透水层中埋设了大量的孔隙水压力传感器，研究了该层内水力梯度的变化.
图 13给出了孔隙水压力稳定周期性变化的第7次循环的孔隙水压力曲线.由图 13可以清晰地观察到，注水阶段孔隙水压力首先迅速上升，随后上升趋势有所减缓并最终趋于稳定; 降水阶段作为注水阶段的可逆过程，孔隙水压力同样是在初期剧烈变化，随后变化趋势渐缓并最终趋于稳定.同时，孔隙水压力损失现象依然存在.
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图 13 第7次循环不同层位孔隙水压力 Fig.13 Pore water pressure at different layers in the 7th cycle |
对图 13中的孔隙水压力曲线求导获取曲线的切线斜率，列于图 14中.在注水阶段，孔隙水压力曲线斜率在注水初期由高值骤降，随后下降速度减缓并于注水结束后趋于零; 降水阶段，孔隙水压力曲线由负的极值骤升，随后逐渐减缓，但在整个降水过程中并不会趋于零，说明孔隙水压力消散是一个长期过程.注水阶段，随着非饱和粉土中渗流的推进，土体饱和度逐渐增加，基质吸力逐渐减小，孔隙水压力增速放缓; 同理，降水阶段，随着孔隙水的流出，土体非饱和度逐渐增加，基质吸力逐渐增大，因此后期孔隙水压力消散速率明显减小.对比2个阶段，降水阶段斜率初值的极值略大于注水阶段，说明粉土对于孔隙水压力消散的灵敏度要稍高于孔隙水压力增加的灵敏度.
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图 14 第7次循环不同层位孔隙水压力变化率 Fig.14 Variation ratio of pore water pressure at different layers in the 7th cycle |
图 15给出了土压力稳定周期性变化的第7次循环的土压力曲线.位于土层上部的第Ⅰ、Ⅱ层在注水阶段土压力减小，可能是由土层的膨胀作用及孔隙水的浮力共同作用导致的结果; 在降水阶段土压力增大，间接证明了土层的固结沉降.位于土层底部的第Ⅴ层土压力的变化规律则刚好相反，推测是上部土层的约束作用限制了注水过程中土层的膨胀，同时注水引起的自重应力的增加抵消了孔隙水浮力的影响.
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图 15 第7次循环不同层位土压力 Fig.15 Earth pressure at different lays in the 7th cycle |
粉性土层的沉降通常包括瞬时沉降与固结沉降.饱和状态时，粉性土的骨架结构相对松散，因此瞬时沉降主要是降水瞬间排出水的体积损失所致.固结沉降可用太沙基有效应力原理进行解释:在没有外荷载的情况下，土体的自重荷载转化为土层中的有效应力，从而引起土层的变形.自重荷载开始全部由土中的水承担，随着孔隙水排出使孔隙水压力逐渐消散，自重荷载逐渐转为土骨架承担，土粒间相互错动和滑移使土颗粒重新排列，这一过程使土体产生压缩变形，直到自重荷载全部由骨架承担为止.
本文中的水文地质剖面由弱透水层(粉土层)、承压含水层(砂卵石层)组成.排水过程中的沉降变形主要由粉土层提供，在此二元地质结构中，排水沉降机理为:降水后引起含水层系统水头下降，含水层孔隙水压力很快达到新的平衡，而渗透性低的弱透水层孔隙水压力与邻近含水层低孔隙水压力之间的压力差需要较长时间通过弱含水层向含水层释水才能达到平衡，此即弱含水层的排水固结.因此，弱含水层具有明显的滞后排水性且产生滞后的固结变形，最终表现为地面沉降的滞后性.弱含水层的厚度和渗透系数的大小决定着地下水的渗流速度，或即决定着弱含水层与相邻含水层的水力平衡速度和持续时间，决定着其固结变形的快慢，也决定了地面沉降的速率.
图 16给出了第7次水位循环升降过程内各层土体沉降变形量.层位越靠上的土层在注水阶段膨胀变形越大，相应地，在降水阶段沉降变形也就越大.最靠近含水砂卵石层的第Ⅴ层在注水阶段由于上部土体自重应力增量的影响发生压缩变形，而在降水阶段，孔隙水压力的集中效应导致土层相对膨胀.注水阶段，土层膨胀速率在初期较快，中期减慢，于后期又重新加快; 降水阶段，初始沉降变形的速率要明显小于孔隙水压力消散的速率，证明了弱透水层固结沉降的滞后性.
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图 16 第7次循环不同层位竖向变形量 Fig.16 Vertical deformation at different layers in the 7th cycle |
试验表明，水位循环升降产生的孔隙水压力梯度是粉土结构强度衰减的动力，而孔隙水压力的消散则是粉土固结变形的诱因.分析结果表明，水位循环升降引起的粉土层固结变形是长效的作用机制，不同于循环荷载引起的土体软化及孔隙水压力累积机制.这种孔隙水压力消散机制是水位循环升降作用下粉土层沉降形成的主要原因.
3 结论本文针对沿江近河地段水位循环升降加卸载引起的土体沉降变形问题，以洛阳地区沿河两岸的二元结构为研究背景，研制了一套室内水位循环升降模拟试验装置.通过水位循环升降模拟试验，研究水位循环升降作用下粉土孔隙水压力、土压力周期性变化规律及由此产生的变形沉降特性.通过试验得到如下结论:
(1) 初始固结阶段，第1次循环内孔隙水压力经历了注水阶段增大、持水阶段缓慢消散、降水阶段下降的过程，上部土体中的孔隙水压力在第1次水位上升时存在响应滞后现象.土压力的变化是水的加入导致土体自重应力增加与土体膨胀导致土压力减小两方面因素共同作用的结果.第1次水位循环使土体完成了整个试验周期60%的沉降量，粉土层底层土体由于丰富的水源补给，在降水阶段仍呈现膨胀趋势.
(2) 稳定沉降阶段，整个土体可分上部土体及底部土体2个区域对孔隙水压力、土压力、沉降变形的规律进行分析.孔隙水压力周期性变化是导致土体周期性变形的主要原因，因此两者具有相似的周期性变化规律，孔隙水压力对水位升降表现出瞬时响应的特征，而变形则呈现滞后性.底部土体土压力与变形的异常变化原因类似于第1次循环.
(3) 振荡孔隙水压力是土体中饱和-非饱和状态转变的根本原因，也是土体强度衰减软化的原因.
(4) 粉性土层的沉降由瞬时沉降与固结沉降共同构成.瞬时沉降主要是降水瞬间排出水的体积损失所致，而残余孔隙水压力的衰减消散导致的有效应力的增加是土层产生固结沉降的主要原因.降水阶段弱透水层-承压含水层二元结构孔隙水压力之间的差异是粉性土层中残余孔隙水压力衰减消散的驱动力.
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