李一凡，王俊刚，徐仁宇，姚鑫，王朝阳

(青岛理工大学 土木工程学院，山东 青岛 266033)

土是由固、液、气三相组成的体系，土的饱和过程就是地下水位上升并逐渐填满土体孔隙，将孔隙中的气体挤出的过程。土体在饱和状态与非饱和状态下均会产生孔隙压力，且当土体处于地下水位不同高度时表现出的孔隙压力大小也不同，同时对于不同土质也会产生大小不同的孔隙压力。在实际工程中软基处理问题已经非常常见，孔隙压力在其中扮演着重要角色，堆载预压技术[1]和真空预压法[2]就是分别利用孔隙正压和负压来达到加固地基的目的。近年来国内外学者对于土体孔隙压力的形成机理、应力特性、影响因素等方面做了一系列研究，发现粒径和级配与土的力学性能有关[3-4]。汪闻韶[5]通过三轴固结不排水试验验证了饱和土在振动作用下的孔隙压力与砂土性状有关。Finn等[6]对于饱和砂土液化势与平均粒径的关系给出了修正数据。魏代伟等[7]通过渗透试验得出泥浆与地层代表粒径的比值是影响开挖面超孔隙水压力的主要因素。王海东等[8]通过对比试验分析了含水率与粒径对非饱和砂土动力特性的影响规律。朱建国等[9]试验分析了不同尾砂的沉降。但是目前给出的理论主要是粒径和级配与土的固结、沉降、液化等力学性能的关系，并未指出粒径和级配对孔隙压力的直接影响；且试验研究大多在试验室环境进行，采用的都是粒径大小较为统一的砂土配制而成的土样[10]，忽略了自然环境下砂土的特性。基于此，本文利用课题组自行设计制作的装置，通过室内外三次土体孔隙压力监测试验来证明不同粒径和级配对非饱和土体孔隙压力的影响。

1 试验装置

1.1 试验装置简介

目前对于非饱和土的力学特性试验研究，常规的三轴压缩试验误差较大，而非饱和土真三轴仪[11]的研制进展缓慢且不能直接准确测出非饱和土体中的孔隙压力。本次试验采用课题组自行设计制作的装置来同时监测饱和土与非饱和土体的孔隙压力，其装置系统如图1所示。

1.孔隙压力管；2.大气压力管；3.走线管；4.水位管；5.位移传感器；6.拉绳；7.浮子与重物；8.滑轮。图1 试验装置示意图Fig. 1 Schematic diagram of the test device

装置主体由PVC管制作的孔隙压力管、大气压力管和走线管组成。三根管底部连通，符合连通器原理；另有水位管搭配使用，其直接埋入土体之中，用来监测土体中水位变化。拉绳一端连接管内浮子，一端连接位移传感器。每个浮子配有相应的重物以消除位移传感器拉力对浮子所受浮力的影响。当管内水位发生变化时，浮子与拉线会随之上下移动，传感器终端将记录下数据。大气压力管始终与大气相通，管内水位测量导线直接从管口穿出与传感器相连。孔隙压力管内水位测量导线由走线管穿出。使用时将孔隙压力管端部完全埋于被测土体中，大气压力管、走线管露出土体与大气相通。水位管打孔并在外面包裹上透水铁丝网，在防止砂土进入管内的同时保证装置与土体内水位保持一致，用以实时监测地下水位的变化。

1.2 试验原理

装置采用连通器原理，即当液面稳定时，各管内液面等高处压力值相同。试验开始前，通过注水方式使孔隙压力管端部与大气压力管内水位相平，此为初始条件。当孔隙压力管端部土体出现孔隙压力时，大气压力管内水位会发生相应变化，以此便可测得孔隙压力管端部土体的孔隙压力水头为

μ=ρg(z1-z2)，

(1)

式中：μ为孔隙水压力；ρ为水的密度；z1为孔隙压力管水位；z2为大气压力管水位。

2 室外试验

2.1 场地概况

分别选取青岛市仰口和团岛某近海滩涂进行试验，仰口海岸堆积物以细砂为主，团岛海岸上层土体为3 cm厚的细砂，下层土体粒径变大，以砾、砂为主，混有大颗粒石子和贝壳碎屑等。试验占地约2 m×2 m×2 m，两地测点的砂土平均粒径和级配通过室内筛分法[12]测得，其参数见表1，砂土类别分别属于细砂和粗砂。

表1 室外试验砂土粒度参数Tab. 1 Particle size parameters of sand in outdoor test

2.2 试验过程

在试验地点开挖一个2 m×1.5 m×2 m的试坑，将装置放入后填埋，孔隙压力管上埋填约20 cm的砂土，调试好传感器等设备后记录自然潮汐环境下各管水位变化。仰口试验开始时水位管、孔隙压力管、大气压力管传感器初始读数分别为1 880、915、532 mm。团岛试验开始时水位管、孔隙压力管、大气压力管传感器读数分别为1 480、915、971 mm。因试验数据较多，仰口试验选取7月10日9:00至21:00的数据，团岛试验选取8月3日00:00到8月4日12:00的数据进行分析。两次试验各管内的水位变化时程曲线如图2所示，图中横坐标为时间历程，纵坐标以孔隙压力管初始水位为零点，三根管内与其相应的水位为坐标数值。

(a)仰口水位时程曲线

2.3 结果分析

由水位管水位变化可知，当日仰口地区涨潮时间为12:00-17:00，落潮起始时间为17:00；当日团岛地区涨潮时间为9:30-14:30，落潮时间为14:30-23:00，这与两地水文局提供的当日潮汐记录一致，证明试验装置数据记录无误。两地试验过程中孔隙压力管水位基本保持不变，所以大气压力管的水位变化就成了试验结果分析的重点。

由图2可知，两地的大气压力管水位都有一段时间不随环境水位的改变而改变，此时环境水位还未上升到孔隙压力管端部开始产生孔隙压力的范围，或者已经下降出该范围，因此孔隙压力没有变化。其余时段大气压力管水位均会随着环境水位的变化而改变，从而产生具有一定规律的孔隙压力。

由大气压力管与孔隙压力管的水位差计算得到的两地孔隙压力管端口处的孔隙压力时程曲线如图3所示。

(a)仰口孔隙压力时程曲线

由图2及图3可知当地下水位处于低位时，两次试验测点处都表现为孔隙负压；在水位逐渐上涨的过程中，孔隙负压逐渐减小。当环境水位升至孔隙管端部附近时，负压降为0，并开始转为正压。随后随着水位的继续上升，孔隙正压继续增大，当水位升至最高点时，孔隙正压亦达到最大值。当水位下降时，孔隙正压随之减小，直至水位下降至孔隙管端部附近时，孔隙正压降为0。随后出现孔隙负压，并随着水位下降开始增大，最终稳定在某一负压值。由此可见，非饱和土的孔隙负压是一直存在的，当非饱和土逐渐变成饱和土时，孔隙压力也逐渐由正负压向正压变化。仰口试验测点处孔隙负压最大值为-146 mm水柱，孔隙正压最大值为220 mm水柱；团岛试验测点处孔隙负压最大值为-67 mm水柱，孔隙正压最大值为123 mm水柱。由此可得出结论：自然环境下，土体粒径对于孔隙压力确实有一定的影响，即粒径越大，孔隙正压和负压的峰值越小。

3 室内试验

通过两次室外试验已实际监测到非饱和土中的孔隙负压和饱和土中的孔隙正压，且当环境水位发生变化时，其孔隙压力也会发生相应改变。而两地因土体粒径不同，产生的孔隙负压峰值也有所差异。为进一步总结与验证土体孔隙压力与粒径和级配之间的关系，改变试验用砂的土体粒径和级配关系，再次利用本试验装置进行一次室内试验。

3.1 试验概况

为保证室内试验环境与室外尽可能相同，室内选用试验箱进行试验，试验箱规格与室外试验占地相近，在1.5 m×1.2 m×0.8 m试验箱内填砂来模拟实际的工况。

室内试验砂样选取中砂，其平均粒径和各类沉积物所占质量分数见表2。

表2 室内试验砂土粒度参数Tab.2 Particle size parameters of sand in laboratory test

3.2 试验过程

室内试验在试验箱内进行，将装置埋于土样中，孔隙压力管上填20 cm左右的砂土作为覆土。试验前对大气压力管进行注水，直至孔隙压力管端部有水溢出，此时大气压力管内与孔隙压力管端部水位相同，此为初始条件。调试好设备后由试验箱上部开始进行注水，并通过传感器终端观察记录各管水位变化。室内试验装置布置如图4所示。

(a)室内试验装置布置

(b)注水过程图4 室内试验装置布置图Fig. 4 Layout of indoor test device

向试验箱内注水至水面超过砂土表面一定高度，来模拟非饱和土变为饱和土的过程。传感器读数不再变化时，证明水位已达到稳定。打开箱底的排水口阀门，开始进行排水过程，模拟土体由饱和土变成非饱和土的过程。

图5 室内试验水位时程曲线Fig. 5 Water level time history curve of laboratory test

整个试验过程的各管水位时程曲线和孔隙压力时程曲线如图5、图6所示。

图6 室内试验孔隙压力时程曲线Fig. 6 Time history curve of pore pressure in laboratory test

3.3 结果分析

由图5可知，孔隙压力管端部水位依旧保持不变，大气压力管和水位之间的变化关系和规律与室外试验基本一致。大气压力管水位首先随着水位管水位的上升而逐渐下降，当环境水位上升到孔隙压力管端部附近时，孔隙负压降为最小。随着水位管水位继续上升，负压迅速变为正压，并逐渐增大，直至环境水位不再变化时，大气压力管水位也保持稳定，孔隙正压达到峰值不再变化。当环境水位下降时，大气压力管水位也由最高水位处逐渐下降直至环境水位到达孔隙压力管端部附近时，孔隙正压也由最大值降为0并转为负压，随后水位继续下降，负压逐渐达到最大值。

由图6可知，在水位上升过程中，孔隙压力管端部土体逐渐由非饱和状态变为饱和状态，先是表现为孔隙负压，达到最大值-380 mm水柱后，负压逐渐变为正压。当试验箱内水位到达最大值时，孔隙正压亦到达峰值204 mm水柱，在随后的排水过程中，饱和土会逐渐变为非饱和土，孔隙正压逐渐减小并转为负压，最终达到负压最大值-488 mm水柱。

4 试验对比分析

图7为三次试验土样的粒径分布曲线。由图可知室内试验土样曲线坡度较缓，粒径分布范围广，两次室外试验土样曲线坡度较陡，粒径分布范围较小；且曲线呈台阶形，即某粒径范围的土含量较少。根据我国相关规范规定由不均匀系数Cu以及曲率系数Cc两个指标来评价土的级配好坏。

图7 三次试验土样的粒径分布曲线Fig. 7 The particle size distribution curve of the soil sample in the three trials

(2)

(3)

式中：d10，d30，d60分别为粒径分布曲线中小于某粒径的土粒质量分数分别为10%、30%、60%所对应的粒径大小。只有当土同时满足不均匀系数Cu≥5，曲率系数Cc在1～3内时，该土样才被认定为级配良好[13]。

三次试验的砂土各指标与孔隙压力峰值见表3。

表3 试验结果对比Tab. 3 Comparison of test results

由表3中可看出，仰口的砂土类型最细，其次是试验用砂，团岛的砂土粒径最大；室内试验土样级配良好，室外试验两地土样的级配不良。仰口与团岛测点土样并没有人为加固过，处在自然状态下，从两地的试验结果看，土体粒径越小，孔隙正压和负压的峰值越大；但是在室内试验条件下测得的孔隙正压符合上述规律，负压峰值却比粒径更小的仰口试验测得的更大。孔隙负压的产生是由于水、气表面的张力以及毛弯液面的存在，使得水内压力小于大气压力；而室内试验砂样级配良好，大粒径的土粒形成的孔隙有足够的小粒径土粒填充，土体较为密实；且试验箱四周封闭，非饱和土中孔隙里的水与空气交换较为缓慢，会有部分的孔隙水滞留在孔隙中排出缓慢，因此室内试验测得的孔隙负压的峰值大于仰口试验测得的孔隙负压峰值。当土体完全浸泡变为饱和土时，水气界面上的弯液面也消失了，因此饱和土孔隙正压符合粒径越小，孔隙压力峰值越大的规律。

5 结束语

1)通过两次现场试验监测，实际测得了不同粒径下非饱和砂土中的孔隙负压与孔隙正压，可以得出：在级配一定的自然条件下，土体粒径越小，其非饱和状态下的孔隙负压峰值与饱和状态的正压峰值越大。这一发现可应用于实际工程中，对于土体粒径不同的地质情况可采用不同程度上的软基处理措施，从而更加有效地解决工程问题。

2)通过室内外试验结果对比可以得出：处在密闭性良好环境下，级配良好密实度高的砂土孔隙负压的峰值大于级配不良的砂土，甚至密闭性影响因素比粒径影响更大。得出的粒径和级配与孔隙压力的关系仅适用于砂土，而粉粘土由于毛细管水的大量存在其粒径和级配与孔隙压力的关系可能会更加复杂，还需进一步试验验证，这也是今后课题组研究的方向之一。