瘦西湖隧道下蜀黏土土水特征研究.pdf

·岩土工程·收稿日期：２０１５０８３１瘦西湖隧道下蜀黏土土水特征研究薛光桥（中铁第四勘察设计院集团有限公司湖北武汉４３００６３）摘要土水特征曲线（ＳＷＣＣ）作为表征非饱和土吸力与含水率关系的重要参数是研究非饱和土的关键，对于膨胀土而言，土水特征曲线又是分析其膨胀性能的重要指标。本文以扬州瘦西湖隧道下蜀黏土为研究对象，通过大尺寸渗析法和气相法两种方法测量了其土水特征曲线，在低吸力范围内（０～１６０ＭＰａ）曲线存在明显回滞现象。结合３种不同数学模型对曲线进行拟合分析，发现ＦｒｅｄｌｕｎｄａｎｄＸｉｎｇ公式拟合最为准确。利用扫描电镜分析了不同含水率条件下的细观特征，试验表明：随着含水率的增加，下蜀黏土中的蒙脱石颗粒不断吸水膨胀，从而填充土体孔隙。关键词膨胀土土水特征曲线大尺寸渗析法气相法中图分类号ＴＵ４１；ＴＵ４４２文献标识码Ａ文章编号１００９４５３９（２０１５）１１００９８０４·“”γ③℃×θψ—℃ψ℃ ×θψ“ד “℃—”℃“·”θθψθ×℃θθ”ＸｕｅＧｕａｎｇｑｉａｏ（ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙＳｉｙｕａｎＳｕｒｖｅｙａｎｄＤｅｓｉｇｎＧｒｏｕｐＣｏ．Ｌｔｄ．，ＷｕｈａｎＨｕｂｅｉ４３００６３，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＳｏｉｌｗａｔｅｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｃｕｒｖｅ收（ＳＷＣＣ）ｉｓｔｈｅｋｅｙｔｏｒｅｆｌｅｃｔｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｍａｔｒｉｃｓｕｃｔｉｏｎａｎｄｍｏｉｓ收×ψθ ×θ×℃×ψ℃×θ“”ψθ℃“θ“”，ＳＷＣＣｉｓａｌｓｏａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｉｎｄｉｃａｔｏｒｔｏｒｅｐｒｅｓｅｎｔｉｔｓｅｘｐａｎｓｉｏｎｐｅｒ收ｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ＳＷＣＣｏｆＸｉａｓｈｕｃｌａｙｉｎＳｌｅｎｄｅｒＷｅｓｔＬａｋｅＴｕｎｎｅｌｏｆＹａｎｇｚｈｏｕｉｓｍｅａｓｕｒｅｄｂｙｌａｒｇｅｓｉｚｅｏｓｍｏｔｉｃｍｅｔｈｏｄａｎｄｖａｐｏｒｐｈａｓｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｉｔ③“×θψθ“θθψ“”③θψ℃×ψ“  ד（０～１６０ＭＰａ）．Ｆｉｔｔｉｎｇｉｔｗｉｔｈｔｈｒｅｅｋｉｎｄｓｏｆｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌ，ＦｒｅｄｌｕｎｄａｎｄＸｉｎｇｆｏｒｍｕｌａｉｓｆｏｕｎｄｔｏｂｅｍａｔｃｈｅｄｂｅｓｔ．Ｔｈｅｍｅｓｏｃｈａｒ收收ａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄｔｈｒｏｕｇｈｓｃａｎｎｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ．Ｔｅｓｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ③“××θｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔ，ｍｏｎｔｍｏｒｉｌｌｏｎｉｔｅｇｒａｎｕｌｅｓａｒｅｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙｅｘｐａｎｄｉｎｇａｎｄｔｈｕｓｔｈｅｓｏｉｌｐｏｒｅｓｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｍｃａｎｂｅｆｉｌｌｅｄ．!θ③ψｅｘｐａｎｓｉｖｅｓｏｉｌ；“”γ③℃×θψ ℃ψ℃ ×θψ“ד ψθ；ｌａｒｇｅｓｉｚｅｏｓｍｏｔｉｃｍｅｔｈｏｄ；℃ψ℃θ×θ “\"θ１引言土水特征曲线（·“”γ℃×θψ—℃ψ℃ ×θψ“ד —ψθ，简称·——）是非饱和土力学中描述土的非饱和状态对其水力、力学特性影响的一个重要工具，它在“含水率－”吸力空间中的位置和形状能够反映土中孔隙结构的特点（孔隙的大小和分布规律）以及土的持水能力。目前国内类似的特性研究相对较多，如叶为民等［１－２］利用渗析法和气相法试验研究了上海软土的土水特征，探讨了干湿循环条件下上海软土的土水特征曲线特征。郑健龙、刘平［３］以广西灰白膨胀土和河南邓县膨胀土为研究对象，利用压力板法分析了矿物成分和孔隙结构对膨胀土土水特征曲线的影响。曹建军［４］、曾凡稳［５］分别对南京燕子矶地区下蜀黏土土水特征曲线低吸力值部分进行测定，但对于其高吸力值部分性能尚不明确。顾凯等［６］研究了下蜀土与膨润土混合土的膨胀性能，分析初始含水率、膨润土掺入比和温度对混合土膨胀性的影响。上述研究中对扬州下蜀地层研究不多，该地层具有明显膨胀特征，这将对泥水平衡法盾构穿越过程及其后期运营产生不良影响。本文以扬州瘦西湖隧道工程为背景，研究扬州地区下蜀黏土土水特征曲线及其细观特征，有助于更好地分析隧道管片８９铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１５（１１）·岩土工程·受力机制。２项目概况扬州市瘦西湖隧道工程起点自扬州市维扬路与杨柳青路的交点，沿杨柳青路东行以隧道方式穿越瘦西湖景区，然后出地面接漕河西路，至漕河西路与史可法路交点为止，包括瘦西湖隧道及其与扬子江北路连接的南侧Ａ、Ｂ匝道隧道、隧道附属工程、地面接线道路及其交通疏解渠化等。主线隧道为双向４车道，按上下层分别通行西行和东行车辆设置。上层隧道建筑长度２１１９ｍ，下层隧道建筑长度２６３０ｍ。图１瘦西湖隧道断面扬州瘦西湖隧道是国内首条穿越湖泊的公路盾构法隧道，是世界上首例采用横向侧烟道的盾构法隧道（见图１），是国内最大直径的双层盾构隧道之一，也是国内首次穿越膨胀性老黏土地层的大直径盾构隧道，在国内外隧道建设史上具有较高学术地位。３下蜀黏土基本物理力学特性下蜀黏土属第四系上更新统（Ｑ３）地层，冲积、洪积成因，灰黄、灰褐色，以黏粉粒含量为主，富含铁锰结核，结构致密，中等膨胀性，在天然含水率下常处于硬塑或坚硬状态，强度较高，压缩性中等偏低［７］。当含水率增加和结构遭扰动后，其力学性质明显减弱。当膨胀土失水时，土体即收缩，甚至出现干裂，而遇水时又膨胀隆起，即使在一定荷载作用下，仍具有胀缩性、超固结特性和膨胀性［８－９］，其物理力学参数见表１。表１下蜀黏土物理力学参数层号层厚／ｍ天然含水率Ｗ／％天然容重γ／（ｋＮ·ｍ－３）孔隙比ｅ自由膨胀率Ｆｓ／％无荷载膨胀率／％膨胀力／ｋＰａ蒙脱石含量／％阳离子交换量ＣＥＣ（ＮＨ＋４）／（ｍｍｏｌ·ｋｇ－１）③１４２～４８．９２１．７３２．０３０．６５７６１６．１４１３．１３２５．３９３０１．９４土水特征曲线测量方法为获得较为完整的土水特征曲线，采用渗析法与气相法两种测量方法。其中，高吸力部分（４．２～２６２ＭＰａ）采用气相法，低吸力部分（小于２ＭＰａ）采用渗析法。４．１气相法测量气相法采用饱和盐溶液控制干燥皿（见图２）内的相对湿度，从而实现控制试样吸力（见表２）。图２气相法试验装置表２饱和盐溶液及对应蒸汽吸力值（℃２０）饱和盐溶液吸力值／ＭＰａＬｉＣｌ２６２ＭｇＣｌ２１３６Ｋ２ＣＯ３１１３Ｍｇ（ＮＯ３）２８２ＮａＣｌ３８（ＮＨ４）２ＳＯ４２５．９ＫＮＯ３９ＣｕＳＯ４·５Ｈ２Ｏ６．１Ｋ２ＳＯ４４．２４．２渗析法测量由于下蜀黏土质地不均一且富含锰结核，从结构角度具有明显的不均匀特征，加之市面上常见的半透膜（允许通过的最大ＰＥＧ分子为１．２×１０４～１．４×１０４）尺寸较小，无法利用传统方法对大尺寸试样进行试验。因此，为了更好地测量下蜀黏土，自主研发了适用于大尺寸膨胀土试样的渗析法测量装置。如图#℃所示，该装置两侧为２组通过螺栓紧密夹持的内、外钢环，钢环中间开孔用于放置半透膜，试样放置在两组钢环之间的乳胶膜内。将整个装置放置于特定浓度的聚乙二醇（ＰＥＧ２００００）溶液中，在恒温水浴条件下进行试验（见图３ｂ）。试验过程中，当土样中的吸力与外部ＰＥＧ溶液吸力不同时，水在吸力差的作用下可以从装置两侧的半透膜进行试样内部，而分子量较大的ＰＥＧ分子则被阻挡在外部，通过控制烧杯内ＰＥＧ２００００溶液浓度（吸力）即可控制土样吸力（见表３）。９９铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１５（１１）·岩土工程·图３大尺寸渗析法试验装置表３ＰＥＧ２００００含量及其对应吸力值（℃２０）ＰＥＧ２００００含量Ｂｒｉｘ／％吸力值／ＭＰａ２５．６１．７４０２２．０１．１５０１５．００．４４０７．４０．０８８２．４０．００８５下蜀黏土的土水特征及解析５．１土水特征曲线通过精确测量，获得扬州地区下蜀黏土土水特征曲线如图４所示，试样在低吸力值范围内（$%&\'$()℃）干燥（湿－干）过程与吸湿（干－湿）过程曲线出现明显回滞现象，吸湿过程中同一吸力条件下含水率均高于干燥过程，最大含水率差达到５％“。该现象主要由土体内部孔隙结构瓶”颈效应所产生。根据曲线变化规律可以将其划分为：边界效应段、过渡段和非饱和残余段，由于下蜀黏土土水特征曲线过渡段较长，试验未测得明显残余体积含水率值。图４扬州地区下蜀黏土土水特征曲线５．２土水特征的数学解析为了更好地描述土水特征曲线，采用Ｇａｒｄｎｅｒ公式［１０］、集日隧团：西隧５１期：隧公式［１１］和,ψθ”℃“公式［１２］对试验曲线进行拟合（见表４）。表４土水特征曲线模型名称数学表达式参数含义Ｇａｒｄｎｅｒ（１９５８）［１０］θ＝θｒ＋θｓ－θｒ１＋ψ()ａｎθ—体积含水率，％；θｓ—饱和体积含水率，％；θｒ—残余体积含水率，％；ψ—基质吸力，ｋＰａ；ａ—与进气值有关的参数，ｋＰａ；ｎ—基质吸力大于进气值后与土体脱水速率有关的土性参数ＶａｎＧｅｕｎｃｈｔｅｎ（１９８０）［１１］θｗ＝θｒ＋θｓ－θｒ（１＋（ψａ）ｎ）ｍｍ—与残留体积含水率有关的参数；θ，θｓ，θｒ，ψ，ｎ，ａ同上ＦｒｅｄｌｕｎｄａｎｄＸｉｎｇ（１９９４）［１２］θ＝θｒ＋θｓ－θｒ｛ｌｎ［ｅ＋ψ()ａｎ］｝ｍθ，θｓ，θｒ，ψ，ｎ，ａ，ｍ同上图５ａ为吸湿过程拟合曲线，图５ｂ为干燥过程拟合曲线，拟合结果表明：采用相同的拟合参数，Ｇａｒｄｎｅｒ公式拟合结果明显小于实测结果，ＶａｎＧｅ收西隧５１期：隧公式和ＦｒｅｄｌｕｎｄａｎｄＸｉｎｇ公式拟合较为准确，其中，ＦｒｅｄｌｕｎｄａｎｄＸｉｎｇ公式拟合更为准确。从曲线整体趋势来看，由于下蜀黏土残余体积含水率较低，３种公式拟合曲线在高吸力值（大于１００ＭＰａ）部分偏差较大。图５扬州地区下蜀黏土土水特征曲线００１铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１５（１１）·岩土工程·５．３土水特征的细观试验解析为进一步解析下蜀黏土的土水特征曲线，在试验中进行了扫描电镜观察。采用日立·-&.&$扫描电子显微镜对不同含水率条件下的下蜀黏土进行拍摄。图６ａ～ｄ依次为含水率４７％地、１１４％地、１６８％地、２４．５％条件下，试样利用液氮冷冻干燥后扫描结果。从扫描照片可以看出，土颗粒表现呈现有序排列的等厚片状结构，该结构特征主要受土体中蒙脱石颗粒影响，对比４张照片可以发现：随着含水率的增加，土体孔隙度不断降低。这主要是由于蒙脱石颗粒吸水发生层间膨胀，填充土体原有孔隙。图６不同含水率条件下下蜀黏土细观特征在扬州瘦西湖隧道盾构推进过程中，盾构用平衡浆液将渗入周围土体，隧道运营阶段地下水也将在管片外围聚集。隧道周围土体含水率的增加将造成土体内蒙脱石发生层间膨胀，使得土体原有孔隙压缩并导致整体膨胀，在隧道管片的约束下将对管片产生附加应力。６结论本文利用大尺寸渗析法和气相法测定了扬州地区下蜀黏土干燥与吸湿两种过程的土水特征曲线，采用３种数学模型对曲线进行了拟合，利用扫描电镜分析了不同含水率条件下土体的细观特征。（１）在低吸力范围内（０～１６０ＭＰａ），扬州下蜀黏土土水特征曲线存在明显回滞现象，主要受土体“”内部孔隙结构瓶颈效应影响；（２）采用相同的拟合参数，Ｇａｒｄｎｅｒ公式拟合结果明显小于实测结果，ＶａｎＧｅｕｎｃｈｔｅｎ公式和Ｆｒｅｄ收”℃“公式拟合较为准确；（３）随着含水率的增加，下蜀黏土中的蒙脱石颗粒不断吸水膨胀，从而填充土体孔隙。本文的研究结论有助于研究扬州下蜀地层土体膨胀特性对瘦西湖隧道盾构结构的影响，提高了该工程的建设与运营安全性。参考文献［１］叶为民，白云，金麒，等．上海软土土水特征的室内试验研究［Ｊ］．岩土工程学报，２００６（２）：２６０－２６３．［２］叶为民，唐益群，崔玉军．室内吸力量测与上海软土土水特征［Ｊ］．岩土工程学报，２００５（３）：３４７－３４９．［３］郑健龙，刘平．膨胀土土水特征曲线的研究［Ｊ］．长沙交通学院学报，２００６（４）：１－５．［４］曹建军．宁镇地区下蜀土吸力特性及在滑坡预报中的应用［Ｄ］．南京：河海大学，２００７．［５］曾凡稳．南京地区下蜀土物理力学性质研究［Ｄ］．南京：南京林业大学，２００８．［６］顾凯，施斌，唐朝生．下蜀土－膨润土混合土的膨胀性试验及机理研究［Ｊ］．水文地质工程地质，２０１１（４）：１２５－１２９．［７］孙成相．富水膨胀土路基抗滑桩护壁综合施工技术应用［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１４（Ｓ１）：３７１－３７３．［８］李俊青．风积黄土地层标贯试验确定承载力回归公式初探［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１４（６）：１１４－１１７．［９］王博．膨胀土地区地铁深基坑设计研究［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１３（２）：３６－３９．［１０］+℃ψθψ0·θ×θ℃γ×℃×θ”ד×θ℃×γｒａｔｅｄｍｏｉｓｔｕｒｅｆｌｏｗｅｑｕａｔｉｏｎｗｉｔｈａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏｅｖａｐｏｒａ收דψ℃③℃×θψ×℃”θ［Ｊ］．ＳＯＩＬ．ＳＩＣ．，１９５８，８５（４）：２２８－２３２．［１１］*℃+θ 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