考虑泊松效应的流泥轴对称真空过滤理论

蔡袁强; 叶晓倩; 史吏

doi:10.11779/CJGE20231124

考虑泊松效应的流泥轴对称真空过滤理论 English Version

浙江工业大学土木工程学院, 浙江杭州 310014

基金项目:

离岸岛群深厚软土地基交通基础设施建设关键技术 2023YFB2604200

国家自然科学基金项目 52278377

国家自然科学基金项目 U2006225

浙江省自然科学基金项目 LZ22E080009

详细信息

作者简介:
蔡袁强(1965—)，男，博士，教授，主要从事地基处理、基础工程学、土动力学等方面的教学和科研工作。E-mail: caiyq@zju.edu.cn

通讯作者:
史吏, E-mail：418194187@qq.com

中图分类号: TU432
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出版历程
- 收稿日期: 2023-11-23
- 网络出版日期: 2024-04-18
- 刊出日期: 2025-01-31

Radial filtration model for prefabricated vertical drain treatment of slurry considering Poisson's effects

College of Civil Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China

摘要

摘要: 真空预压处理流泥地基时，仅排水板附近的土体得到明显加固，以排水板为轴线形成一个凸出地表的“土柱”。土柱作为流泥地基真空预压处理的特有现象，导致流泥地基淤堵严重、处理效果差。根据流泥固液两相的连续、运动、平衡以及土柱移动边界方程，并考虑土柱土体泊松效应，在柱坐标系下建立了流泥轴对称真空过滤模型，获得了流泥地基真空预压过程中的土柱生长规律和土柱淤堵性状，并与PIV试验进行了对比验证。结果表明：土柱内渗透系数降幅高达97%，致密土柱是淤堵的本质；泊松效应和真空荷载幅值对土柱半径以及流泥固结效果的影响十分明显；低幅值真空荷载有利于形成半径小且较为疏松的淤堵区，从而缓解淤堵性状。
- 流泥 /
- 真空预压 /
- 过滤 /
- 土柱 /
- 淤堵 /
- 固结 /
- 泊松效应
Abstract: During the vacuum preloading treatment of slurry ground, the significant improvement is only observed in the soil adjacent to the prefabricated vertical drain (PVD), resulting in the formation of a protruding "soil column" with the PVD as its axis. The presence of soil column, as a unique phenomenon of slurry ground pre-treatment, leads to severe clogging and ineffective treatment results. An axisymmetric vacuum filtration model is established in the coordinate system using the continuity, kinematic and equilibrium equations for both liquid and solid phases of slurry. The moving boundary condition and Poisson's effects associated with the soil column are also incorporated. The growth pattern and clogging behavior of soil columns are investigated through the model and verified by comparing the predicted results with the particle image velocity (PIV) ones. The results show that reduction of permeability coefficient within the soil column is up to 97%, indicating that the dense soil column is the essence of clogging. Furthermore, notable influences of the Poisson's effects and negative pressure on the growth and compression behavior of the soil column are observed. The low amplitude negative pressure promotes formation of the relatively small loose soil columns, thereby mitigating the clogging behavior.
- slurry /
- vacuum preloading /
- filtration /
- soil column /
- clogging behavior /
- consolidation /
- Poisson's effect

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0. 引言

从全国省级行政地图来看,红黏土在中国西南的四川、云南、重庆、贵州和广西地区较多呈集中分布；其次在江西、湖南和湖北南部以及山东省的局部地区呈零星分布。红黏土是一种典型的高液限、塑限黏土,低渗透、大孔隙比、高含水率和高饱和度同时具有中—低压缩性和较高的力学强度,在西南喀斯特地区广泛用于公路路基^[1]、土石坝、各类尾矿以及垃圾填埋场封顶覆盖等防渗工程^[2-4]。

水力特征参数反映水份在土体中的运移和存储特性,是各类防渗工程设计的关键^[4-8]。红黏土作为一种分布广、质优价廉的防渗材料已被大量填埋场的封顶覆盖工程广泛运用^[2-4]。有许多学者对土质覆盖层进行了研究^[5-15],但目前针对红黏土实验室和现场间水力特性的差异以及长期服役中其防渗性能或水力参数随自然季候衰减劣化方面的研究却较少。实验室往往因测试样本或模型体量、小尺度等原因,土样筛选、制作和压实等精细,样本结构均匀水力特性近乎完美。而在填埋场现场施工时,因工程条件、工程的规模和尺度等大体量、大范围施工,土样压实方法、机具、结构均匀性和室内有较大差异。Khire等^[9]对北美某填埋场覆盖层水力参数进行了测试,发现实验室和现场覆盖层土水特征参数有一定差异。当含水率近乎一致时（10%）,现场覆盖层基质吸力较实验室低一个数量级（现场为10²～10¹ kPa,实验室为10³～10² kPa）。此外,长期防渗服役过程中由于植被根系的生长,日照-降雨等自然气候循环对土体结构反复影响,其水力特征参数势必会发生变化。Benson等^[10]对北美十多个填埋场土质覆盖层从实验室到现场、从现场施工到施工结束服役1～4 a期的水力特征参数进行了比较。结果表明：现场覆盖层饱和渗透系数k_s与饱和体积含水率θ_s较建设之初呈量级或倍数增加,土水特征曲线（Soil Water Characteristic Curve--SWCC）Van-Genuchten模型^[17]参数 $α$ 可增加10²倍,参数n可减小1.4倍等。随着服役时间的延长,一直沿用室内参数会产生较大误差甚至会高估覆盖层的防渗能力。

本文在填埋场建设了红黏土覆盖层现场试验区,对自然气候长期防渗服役水力参数展开了测试,对比了填埋场现场与实验室单元体层面红黏土水力特征参数的差异,分析比较了长期服役中有、无植被红黏土水力参数的不同变化；为红黏土作防渗材料或土质覆盖层细粒土提供参考和依据。

1. 方法与材料

1.1 现场试验

试验填埋场位于贵州省北部贵阳市,是贵阳市最大的生活垃圾填埋处理设施,当前填埋库容已趋于饱和并进行封场（图1）。结合封场工程于2015年12月在第4,5,6级平台分别建设了^#1,^#2,^#3红黏土土质覆盖层现场试验区。3个试验区尺寸、面积和土层结构均一致,尺寸l×b为3.0 m×2.0 m,土层厚60 cm。其中,1^#试验区（位于4级平台）为无植被裸土覆盖层,在土层以下15,45 cm分别埋设了2支张力计和2支TDR。^#2试验区（位于5级平台）为有植被土质覆盖层,植被为狗牙根+高羊茅+苜蓿,在同样深度埋设了2支张力计和2支TDR。^#3试验区（位于6级平台）为现场原状土探坑取样地,从现场取回原状样以便进行室内测试。

图 1 试验填埋场现场情况

Figure 1. Site situation of experimental landfill

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3个试验区现场施工均采用小型标准压实板尺寸为25 cm×25 cm的冲击夯振动夯实,控制压实度85%对应干密度 $p_{d}$ 为1.37 g/cm³）。冲击夯为上海星通建筑厂生产的HCD100型,夯实跳起高度为40～65 mm,前进速度≥8 m/min,冲击次数为420～700次/min,冲击能量为85 N/m。该型冲击夯体积小重量轻,适用于小范围补夯或场地狭窄等大型机械无法完成的施工任务。土样夯实后现场安装雨量计并埋设张力计和TDR；张力计为Soil Moisture公司所产jet-filled 2725型,TDR为自制三针式探头,雨量计为翻斗式。通过张力计和TDR对覆盖层体积含水率和基质吸力开展长期跟踪监测,测试频率为每周2～3次,典型降雨加密监测。植被参数如叶面积指数和根系深度每月测1～2次。另,于2016年12月在^#1试验区（无植被）和^#2试验区（有植被）红黏土层中埋插了一直径为25 cm的薄壁钢管以用于观测沿土层深度裂缝发育情况；管头配置了略大于管径的遮雨帽以防止雨水沿管壁优先下渗。观测时拔出管道,观测后插回管道复原。观测方法为现场肉眼和相机拍摄。

分别于2016年4月、2016年12月、2017年12月在^#1试验区（无植被）、^#2试验区（有植被）进行了双套环原位入渗实验,获得了现场红黏土的稳定入渗系数k_f。试验装置内环半径22.6 cm,外环半径45.2 cm,内、外环高均为30 cm。分别采用30 L水桶和2 L水瓶供水并维持5 cm常水头（图2）。利用下式计算入渗系数k_f：

图 2 现场双套环入渗试验

Figure 2. Field infiltration tests of double rings

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$q = Q / (t \times s) = k f \cdot i \cdot A$ ,

(1)

式中,Q为t时间内供水小桶内流出的水量,s为小套环包围的面积；k_f为入渗系数,i为水力梯度。

1.2 室内试验

实验室内对重塑红黏土开展了基本物理性质测试：含水率为31.5%,天然密度为1.67 g/cm³,相对质量密度为2.71,液塑为70.65%,塑限为40.32%,孔隙比为1.13,最大干密度为1.61 g/cm³,最优含水率为23.8%。级配曲线见图3。土样天然含水率为31.5%,液限w_L为70.7%,塑限w_P为40.3%,塑性指数I_P为30.4。由土样液限、塑限并结合粒径级配曲线可知该土属黏土。

图 3 红黏土粒径级配曲线

Figure 3. Grain-size distribution curve of red clay

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采用体积压力板仪对压实度分别为85%（对应干密度1.37 g/cm³）和95%（对应干密度1.53 g/cm³）的重塑红黏土进行了0～1500 kPa土水特征曲线测试。实验室采用变水头法对重塑红黏土的饱和渗透系数k_s进行了测试。室内重塑土与现场建设用土均取自填埋场现场取土场,两者属同一地点,同一边坡,同一地层。以土水特征曲线测试为例,室内重塑土样制作过程为：现场扰动红黏土取样—带回实验室—四分法选取土料—烘干—选取土样并橡胶棒研磨—过筛（2 mm）—取筛下定质量干土样并加水—自制压实器分3层静力压实—成品环刀样。制样过程中干密度控制准确压实均匀。分别于2016年4月、2016年12月、2017年12月在6级测试区开挖探坑取出覆盖层原状土样（图4）带回室内并采用同一体积压力板仪进行了0～1500 kPa土水特征曲线测试。从现场试验区取回的覆盖层红黏土原状样因大体量施工未进行土样筛分,土样制作过程为：现场开挖探坑—取覆盖层原状红黏土—土样保湿和密闭防护—运入实验室—室内环刀取原状样—土样切削修整—成品环刀样。

图 4 现场试验区覆盖层红黏土原状样

Figure 4. Undisturbed sample of red clay in field test cover

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现场和室内开展的红黏土水力特性测试项目详见表1。

表 1 现场和室内开展的试验测试项目

Table 1. Items of field and laboratory tests

室内试验	现场试验
重塑红黏土的基本物理性质和参数	现场覆盖层红黏土体积含水率和基质吸力长期监测
室内重塑土变水头饱和渗透系数	现场覆盖层双套环原位入渗试验
室内重塑土的土水特征曲线	现场降雨量等气候条件和植被参数
从现场取回的覆盖层原状土土水特征曲线	现场覆盖层红黏土裂缝观测

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1.3 理论分析方法

利用Van-Genuchten（V-G）模型对红黏土的土水特征曲线进行了数据拟合：

$θ_{s} = θ_{r} + (θ_{s} - θ_{r}) \frac{1}{{(1 + {(\frac{ψ}{α})}^{n})}^{m}}$ 。

(2)

用V-G模型并根据红黏土的饱和渗透系数k_s与土水特征曲线对其非饱和渗透系数进行了分析预测：

$k_{w} = \frac{k_{s} {[1 - (α ψ^{n - 1}) \cdot (1 + {(α ψ)}^{n})]}^{l}}{{(1 + {(α ψ)}^{n})}^{m / 2}}$ ,

(3)

式中, $θ_{s}$ 为饱和含水率, $θ_{r}$ 为残余含水率, $α$ 为与土壤进气值有关的倒数,n为脱水速率较快的斜线段斜率,m和l为系数。

2. 红黏土土水特性随服役时间演变特性

2.1 室内重塑红黏土储水能力分析

图5为采用体积压力板仪对压实度分别为85%（干密度1.37 g/cm³）和95%（干密度1.53 g/cm³）重塑红黏土进行的0～1500 kPa脱湿、1500～0 kPa吸湿土水特征曲线测试结果。由图5可见,压实度（干密度）对重塑红黏土土水特性有影响。脱湿过程,土体饱和时其干密度越小含水量越高；吸湿过程,干密度越大基质吸力1500 kPa所对应的残余含水率 $θ_{m}$ 越高。

图 5 不同压实度（干密度）重塑红黏土土水特征曲线

Figure 5. Soil water characteristic curves of remolded red clay soil with different degrees of compaction (dry densities)

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图6和表2列出了国内外在土质覆盖层类似研究中采用的细粒土土水特征曲线和土水特征参数。图6分别给出了本文干密度1.37 g/cm³的红黏土、文献[5]中干密度1.45 g/cm³的黏性黄土、邓林恒^[20]和Ng C W W等^[21]在中国东南沿海类似研究中所采用的土质覆盖层细粒土土水特征曲线。表2中文献[22～24]研究采用的细粒土土水特征参数,英文名是笔者在文中采用的名称,汉语为利用文中土样颗分曲线根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007—2011）分类标准进行的分类。由表2可见：本文红黏土与文献[5]中黏性黄土饱和含水率 $θ_{s}$ 分别为49.41%和47.1%,两者接近；基质吸力33 kPa所对应的田间持水率 $θ_{c}$ ,红黏土为39.85%,黏性黄土为34.6%,前者稍高；残余含水率 $θ_{m}$ 红黏土为21.09%,黏性黄土为12.1%,前者较后者高8.99%。同时由表2可见：红黏土的残余含水率 $θ_{m}$ 在20%以上,较其它土类明显高出约10%；饱和含水率 $θ_{s}$ 和田间持水率 $θ_{c}$ 较其它土类稍高；而田间持水率与残余含水率之间的差值定义为有效储水率 $θ_{a}$ ,红黏土为18.8%,与粉土—粉质黏土相当,储水能力较好。

图 6 类似研究的覆盖层细粒土SWCC

Figure 6. SWCCs of fine-grained soil in cover

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表 2 国内外类似研究覆盖层细粒土土水特征值

Table 2. Characteristic values of fine soil of cover in similar studies

文献中土类名称	土类划分	饱和含水率θ_s/%	田间持水率θ_c/%	残余含水率θ_m/%	有效储水率θ_a/%
silty sand（Khire^[22]）	粉质黏土	42.0	28.3	10.4	17.9
Fine soil（Morris^[23]）	粉质黏土	40.0	30.2	8.0	22.0
Silt loam（Scanlon^[24]）	粉质黏土	47.0	27.4	8.0	19.5
钱塘江粉土（邓林恒^[20]）	粉土	44.8	32.0	8.0	24.0
细粒土（Ng C W W^[20]）	粉土	43.1	30.0	8.0	22.0
C类黏性黄土（焦卫国等^[5]）	粉质黏土	47.1	34.6	12.1	22.5
本文红黏土	黏土	49.41	39.85	21.09	18.8
注：*上述土储水能力指标因干密度不同而略有差异,“土类划分”为根据中国GB50007—2011标准进行的分类。

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2.2 现场与室内红黏土储水能力差异

图7是采用体积压力板仪分别对现场覆盖层取回的原状红黏土与室内重塑红黏土的土水特征曲线测试结果。由图7可见：现场土和室内重塑土的土水特征曲线有一定区别。饱和含水率现场土为49.41%,重塑土为49.05%,两者几乎一致。田间持水率现场土为36.08%,重塑土为39.85%,前者较后者小3.77%。残余含水率现场土为18.08%,重塑土为21.09%,前者较后者小3.01%。现场土和室内重塑土干密度相近,测试仪器和方法相同但土水特性有一定差异可能与土样过筛、干密度控制和制样压实均匀性不同有关。图8给出了现场土和室内重塑土土样的对比。可见：现场大体量大范围施工而实验室精细制样使土样结构不同,由此导致两者水力特性有一定差异。

图 7 近似干密度室内重塑和现场红黏土土水特征曲线对比

Figure 7. Comparison of soil-water characteristic curves in laboratory remoulding and field red clay with approximate dry density

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图 8 现场土和室内重塑土对比

Figure 8. Comparison between field soil and laboratory remolded soil

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图9是现场覆盖层红黏土在自然气候条件下利用张力计和TDR联合测试所得土水特征点与覆盖层原状土在室内利用体积压力板仪所测土水特征点的对比。两者土样均为现场土,土样压实设备和方法均为现场冲击夯振动夯实,所不同的是测试方法和测试环境。图例中蓝色空心圆点是现场覆盖层红黏土在自然气候条件下,经埋设于其中的张力计（测试基质吸力）和TDR（测试体积含水率）联合测试而来。蓝色实心大圆点是从现场覆盖层取回的原状土样（图4）在实验室内由体积压力板仪测试而来。由图可见：现场测试点基质吸力分布于0～50 kPa,体积含水率多分布于30%～45%。当基质吸力为某一定值时,对应有多个体积含水率相同的点；而当体积含水率为某一定值时,也对应有多个基质吸力相同的点。这与现场覆盖层红黏土在自然气候作用下经历多个吸湿—脱湿滞回作用,这些点位于滞回环上有关。此外,现场小部分点较离散,甚至高于室内脱湿点或低于室内吸湿点,这与现场仪器和设备的工作稳定性或现场红黏土的结构、压实度等均匀性较差有关。

图 9 不同测试方法和环境红黏土土水特征点对比

Figure 9. Comparison of soil-water characteristic points of red clay under different environments by different test methods

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图10是^#2试验区覆盖层红黏土在2016年7月的一场自然降雨条件下,经埋设于土中的张力计和TDR共同测试而来的土水特征点。图例中,红色空心圆点为降雨时红黏土吸水过程的吸湿点,红色实心圆点为降雨后天气晴朗红黏土失水过程的脱湿点。灰色实心方形点是从现场覆盖层取回的原状红黏土在实验室内由体积压力板仪测试而来的0～1500 kPa土水特征点。由图10可见：本次降雨后部分现场测试点基质吸力达到或接近0 kPa,对应饱和体积含水率41%～46%,与室内测试点49.8%的饱和体积含水率相比,低3.8%～8.8%。这可能与现场红黏土有气泡,降雨入渗水分难以将气泡完全置换而呈假饱和状态有关。此外本次降雨前初始条件：红黏土吸湿起点初始基质吸力约25 kPa,而室内压力板仪测试吸湿起点初始基质吸力为1500 kPa,现场吸湿起点远远高于室内。由土水特征曲线的吸湿滞回特性可知：吸湿起点不同吸湿过程土水特征曲线也不同,进而会影响储水能力。现场吸湿起点高于室内,故现场大部分吸湿点位于室内吸湿曲线上方。这表明自然气候条件下,土质覆盖层的最大储水能力与降雨前土层的初始初始基质吸力或含水率有关,其随着气候变化而变化。

图 10 现场红黏土自然降雨气候下的土水特征点

Figure 10. Soil-water characteristic points of red clay under natural rainfall climate

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2.3 现场红黏土长期服役土水特征随时间演变规律

图11是^#2试验区覆盖层分别在建造结束之初0.0 a和服役1.07 a,2.03 a从现场取回的原状红黏土在实验室内利用体积压力板仪测试而来的土水特征曲线。图12是由图11中的脱湿点基于V-G模型拟合而来的曲线,表3是V-G模型拟合得到的饱和含水率θ_s、残余含水率θ_r、与进气值有关的倒数a和脱水速率n四个参数值。结合图12和表3可见：覆盖层在自然气候作用下经历0.0 a,1.07 a和2.03 a的不同时间长期服役后,其土水特性会逐渐变化。饱和含水率θ_s由0.0 a的49.05%增加到服役2.03 a的50.31%。与进气值有关的倒数a由0.0 a的2.59增加到服役2.03 a的8.52。脱水速率n由0.0 a的1.01增加到服役2.03 a的1.19。有效储水率θ_a由0.0 a的16.30%增加到服役2.03 a的18.11%。图13是由图11中的吸湿点同样基于V-G模型拟合而来的吸湿曲线,表4是拟合得到的V-G模型参数。同样可见：从0.0 a到服役1.07 a或2.03 a一段时间后,4个参数θ_s,θ_r,a和n均在发生变化。图14是现场覆盖层红黏土在自然气候作用下服役2.03 a时土体的内部结构,土层中明显可见根系活动的水平向根缝和竖向根孔。上述长期服役过程中,红黏土土水特性和参数的变化可能与植物根系生长导致的土体结构改变^[25]和根系分泌物等有机物含量增加^[26]有关。

图 11 自然气候条件下红黏土不同服役时间土水特征曲线

Figure 11. Soil-water characteristic curves of red clay in different service time under natural climate

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图 12 自然气候条件下不同服役时间红黏土的土水特征曲线

Figure 12. Soil-water characteristic curves of red clay in different service time under natural climate (dehydration process)

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表 3 自然气候条件下不同服役时间红黏土的土水特征曲线V-G模型拟合参数和有效储水率（脱湿过程）

Table 3. Fitting parameters of V-G model and effective water storage rates of SWCCs of red clay in different service time under natural climate (dehydration process)

时间	θ_s	θ_r	a	n	θ_a
现场初始	49.05	18.78	2.59	1.01	16.30
现场第一年	50.27	20.12	6.31	1.16	17.03
现场第二年	50.31	19.74	8.52	1.19	18.11

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图 13 自然气候条件下不同服役时间红黏土的土水特征曲线（吸湿过程）

Figure 13. Soil-water characteristic curves of red clay in different service time under natural climate (adding moisture process)

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表 4 自然气候条件下不同服役时间红黏土的土水特征曲线V-G模型拟合参数和有效储水率（吸湿过程）

Table 4. Fitting parameters of V-G model and effective water storage rates of SWCCs of red clay in different service time under natural climate (adding moisture process)

时间	θ_s	θ_r	a	n	θ_a
现场初始	34.1	18.78	43.30	1.55	12.22
现场第一年	37.1	20.12	27.16	1.51	11.81
现场第二年	36.08	19.74	30.63	1.54	12.01

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图 14 自然气候长期服役有植被条件下覆盖层红黏土结构

Figure 14. Structure of red clay cover with vegetation in long-term service in natural climate

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3. 红黏土的渗透特性随服役时间演变规律

3.1 现场与室内红黏土饱和渗透性

室内变水头渗透试验测得压实度85%,干密度1.37 g/cm³的重塑红黏土饱和渗透系数k_s为1.42×10^-7 cm/s；压实度为90%,干密度为1.45 g/cm³的重塑红黏土饱和渗透系数k_s为1.33×10^-7 cm/s。现场覆盖层红黏土土体夯实结束后服役0.0 a,开展了双套环原位入渗试验,试验曲线如图15。经测算现场红黏土稳定入渗系数k_f为1.94×10^-7 cm/s。由室内和现场对比可见,干密度都为1.37 g/cm时,现场红黏土稳定入渗系数k_f为1.94×10^-7 cm/s,而室内重塑红黏土k_s为1.42×10^-7 cm/s,前者比后者大36.62%。这可能与如前所述实验室、现场土样的过筛与否,土样压实均匀性和制作精细程度不同有关。值得注意的是工程实践中上述实验室精细制样和现场大体量夯实施工质量差异是普遍存在的。在公路路基、土石坝、各类尾矿以及本文的土质覆盖层防渗设计中,应充分注意从实验室到现场间压实土防渗性能“打折”的现象。

图 15 现场试验区建造之初双套环入渗系数曲线

Figure 15. Infiltration curves of double rings at beginning of construction of field test area

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3.2 无植被红黏土入渗系数随服役时间演变规律

图16是在^#1试验区无植被分别于建造完之初服役0.0 a、建造结束自然气候条件下服役0.51 a,1.07 a和2.03 a利用双套环原位试验测得的现场红黏土入渗系数曲线。表5列出了不同服役时间测得的稳定入渗系数。由图16和表5可见：建造完之初服役0.0 a,现场稳定入渗系数为1.94×10^-7 cm/s；自然气候下服役0.51 a入渗系数为2.38×10^-6 cm/s；服役1.07 a为5.65×10^-3 cm/s；服役2.03 a为8.11×10^-5 cm/s。在2.0 a有余的长期服役期,红黏土稳定入渗系数从建造之初的10^-7 cm/s量级增加到1.07 a时最大的10^-3 cm/s,增大2.9×10⁴倍；之后到2.03 a又减小到10^-5 cm/s量级。图17给出了服役1.07 a时现场红黏土的开裂情况。由图17可见：无植被时红黏土在干湿循环作用下易开裂,不仅土体表层分布有裂缝,沿着土体竖直探洞往下裂缝发育到土体深部且相互交错汇集。

图 16 现场无植被条件不同服役时间红黏土入渗曲线

Figure 16. Infiltration curves of double rings of red clay in different service time without vegetation on site

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表 5 现场无植被红黏土不同服役时间稳定入渗系数

Table 5. Infiltration coefficients of red clay without vegetation in long-term service

时间	干密度/(g·cm^-3)	稳定入渗系数k_f/(cm·s^-1)
建造之初（0.0 a）	1.37	1.94×10^-7
半年（0.51 a）	1.37	2.38×10^-6
1年（1.07 a）	1.37	5.65×10^-3
2年（2.03 a）	1.37	8.11×10^-5
注：测试方法现场双套环。

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图 17 长期服役过程中现场探洞观测无植被条件红黏土裂缝

Figure 17. Observation of cracks in red clay without vegetation by on-site exploration during long-term service

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3.3 有植被红黏土入渗系数随服役时间演变规律

图18是在^#2试验区有植被分别于建造之初服役0.0 a、建造完自然气候条件下服役0.51 a,1.07 a和2.03 a利用双套环原位实验测得的现场红黏土入渗系数曲线,表6列出了不同服役时间测得的稳定入渗系数。由图18和表6可见：建造完之初服役0.0 a,现场稳定入渗系数为1.94×10^-7 cm/s；服役0.51 a入渗系数为1.78×10^-7 cm/s；服役1.07 a为7.49×10^-7 cm/s；服役2.03 a为1.03×10^-6 cm/s。在0.51 a时,稳定入渗系数较0.0 a的1.94×10^-7 cm/s减小到1.78×10^-7 cm/s,这可能与植被种植初期大量生长活跃的根系在土体中生长发育增加了土体密实度且植被没有经历一个完整的“茂盛—零”生长周期而无死根烂根现象有关。继续服役到2.03 a,稳定入渗系数从建造之初的10^-7 cm/s量级增加到10^-6 cm/s,增大约10倍。这可能与植被根系生长经历了完整生命周期,如冬季植被枯萎部分根系坏死或红黏土历经干湿循环微裂缝进一步发育有关。图19给出了服役1.07 a时现场红黏土的开裂情况。由图可见：表层土因有植被遮挡导致红黏土裂缝肉眼不易观察,但沿着土体探洞竖直往下,肉眼未见裂缝明显发育,土体开裂情况优于同期无植被条件。

图 18 现场有植被条件不同服役时间红黏土入渗曲线

Figure 18. Infiltration curves of double rings of red clay in different service time with vegetation on site

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表 6 现场有植被红黏土稳定入渗系数随服役时间变化规律

Table 6. Infiltration coefficients of red clay with vegetation in long-term service

时间	干密度/(g·cm^-3)	稳定入渗系数k_f/(cm·s^-1)
建造之初（0.0 a）	1.37	1.94×10^-7
半年（0.51 a）	1.37	1.78×10^-7
1年（1.07 a）	1.37	7.49×10^-7
2年（2.03 a）	1.37	1.03×10^-6
注：测试方法现场双套环。

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图 19 长期服役过程中现场探洞观测有植被条件红黏土裂缝

Figure 19. Observation of cracks in red clay with vegetation by on-site exploration during long-term service

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上述红黏土覆盖层在同一填埋场,同一自然气候条件下,无植被裸土较有植被更易开裂。可能有如下原因：“大气-植被-土”连续系统中,植被通过深入土中的根系将深层水向上抽吸,这使得覆盖层水分蒸发不仅仅局限于浅表层而是整个根系深度分布区,由此导致水分腾发作用加快。但由于植被对表层土的遮阴作用,植草区表层土接受更低的太阳净辐射量,温度升高和水分散失速度比无植被条件慢,因而开裂现象得到抑制。而裸土条件因太阳的直接照射使得浅表层土体温度激剧升高、蒸发速度快水分急剧降低,水分急剧降低的同时导致红黏土渗透系数大幅下降而使深层水分向上运移受阻,由此导致表层土因剧烈温差和失水而开裂。上述红黏土有、无植被入渗系数和开裂情况对比表明：植被对土质覆盖层细粒土因开裂导致的防渗性能劣化有明显的抑制作用。

3.4 红黏土非饱和渗透特性

图20为红黏土的非饱和渗透系数和文献[5]中西北黏性黄土的非饱和渗透系数对比。本文红黏土非饱和渗透系数是基于V-G模型,根据室内重塑红黏土土水特征曲线与饱和渗透系数预测而来；文献[5]中西北黏性黄土的非饱和渗透系数预测方法同上。文献[5]中的黏性黄土已被证实具有良好的储水防渗性能,可用于西北地区垃圾填埋场封场覆盖。由两者对比可见：红黏土的饱和渗透系数在10^-9 m/s或10^-7 cm/s数量级,而西安地区黏性黄土的饱和渗透系数在10^-7 m/s或10^-5 cm/s数量级,前者较后者小两个数量级。从渗透性来看,红黏土属于典型的黏土渗透性更低,黄土属于粉质黏土渗透性稍大。但红黏土中黏粒含量高,极易因自然气候条件下的日照-降雨循环而开裂,使渗透系数显著增加而导致长期服役防渗性能大打“折扣”。故若采用红黏土作路基、土石坝、尾矿坝以及本文的土质覆盖层细粒土等防渗材料时,须密切注意其开裂情况,采取措施如种植植被并评估因开裂导致防渗性能的劣化。

图 20 红黏土与文献[5]黏性黄土非饱和渗透系数对比

Figure 20. Comparison of unsaturated permeability between red clay and clay loess in paper^[5]

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4. 结论

在填埋场建设了红黏土覆盖层现场试验区,对自然气候条件下的长期防渗服役水力参数开展了测试,对比了现场与实验室单元体层面红黏土水力参数的差异,分析比较了长期服役中有、无植被红黏土水力参数的不同变化,获得3点结论。

（1）红黏土饱和渗透系数在10^-9 m/s或10^-7 cm/s量级,渗透性低,防渗性能好；有效储水率约18.8%,与粉土—粉质黏土相当,储水能力好。长期服役中,红黏土易开裂使渗透系数显著增加导致防渗性能大幅下降。工程实践中若用红黏土作防渗材料,须采取措施并评估因开裂导致防渗性能的劣化。

（2）因实验室标本精细制样和现场大体量大范围施工导致土样结构有显著差异。干密度相近时,现场红黏土入渗系数比室内重塑红黏土饱和渗透系数大36.62%。鉴于实验室和现场压实施工间差异的普遍性,工程实践中应充分考虑从实验室到现场间压实黏土防渗性能的“打折”现象。

（3）长期服役过程中,无植被时红黏土覆盖层因开裂导致入渗系数较建设之初最大增加2.9×10⁴倍；有植被时较建设之初或减小或增加,最大增加10倍。植被对土质覆盖层细粒土因开裂导致防渗性能劣化有明显的抑制作用。

图 1 平面过滤过程及轴对称过滤示意图

Figure 1. (a)unidimensional coordinate; (b) cylindrical coordinate

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图 2 流泥轴对称过滤模型示意图

Figure 2. Schematic diagram of formation and growth

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图 3 土柱内土单元应力平衡分析

Figure 3. Stress equilibrium analysis for soil element within soil column

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图 4 流泥真空预压工况

Figure 4. Operating conditions of vacuum preloading for slurry

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图 5 节点划分

Figure 5. Distribution of grid points

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图 6 土柱半径随时间变化

Figure 6. Variation of radius of soil column with time

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图 7 孔压消散随时间变化

Figure 7. Variation of pore water dissipation with time

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图 8 泥浆液面高度随时间变化曲线

Figure 8. Heights of slurry surface versus time

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图 9 真空荷载幅值对土柱大小的影响

Figure 9. Effects of negative pressure on size of soil column

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图 10 径向移动边界位置随时间变化曲线

Figure 10. Radial moving boundary versus time

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图 11 土柱内部淤堵性状

Figure 11. Internal clogging characteristics of soil column

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图 12 淤堵区半径随时间变化曲线

Figure 12. Radii of clogging column

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图 13 排水板滤膜处表观流速随时间变化曲线

Figure 13. Temporal variation in apparent flow velocity of water drained through PVD membrane

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图 14 土柱半径随时间变化

Figure 14. Variation of radius of soil column with time

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图 15 孔压消散随时间变化：r=25 mm

Figure 15. Variation of pore water dissipation with time: r=25 mm

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图 16 孔压消散随时间变化：r=50 mm

Figure 16. Variation of pore water dissipation with time: r=50 mm

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表 1 流泥土样基本参数

Table 1 Physical and mechanical parameters of main soils

物理参数	相对质量密度 ${G_{\text{s}}}$	液限 ${w_{\text{L}}}$ /%	塑限 ${w_{\text{P}}}$ /%	平均粒径 ${d_{50}}$ / ${\text{μ m}}$
台州流泥	2.67	40	23	11
温州流泥	2.68	53	32	5

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表 2 计算参数取值

Table 2 Parameters used in PIV validation of proposed theory

土样	本构参数					真空荷载 ${P_0}$ /kPa	PVD流动阻力 $R$ /m^-1	PVD等效半径 ${r_{\text{w}}}$ /m	泥浆初始高度 ${H_0}$ /m	等效影响区半径 S/ m
土样	$\varepsilon _{\text{s}}^{\text{0}}$	$\delta$	$\beta$	${p_{\text{a}}}$ /kPa	${K_0}$ /10^-15 m²	真空荷载 ${P_0}$ /kPa	PVD流动阻力 $R$ /m^-1	PVD等效半径 ${r_{\text{w}}}$ /m	泥浆初始高度 ${H_0}$ /m	等效影响区半径 S/ m
台州流泥	0.3675	0.8548	0.1067	1.3	9.283	80	21.8	0.033	0.3	0.267
温州流泥	0.3832	0.6596	0.076	1.3	3.601	80	100	0.033	0.3	0.267

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