陜西某地重塑黃土滲透系數的試驗研究

宋春梅

0 引言

黃土古稱“黃壤”,是干旱半干旱氣候條件下形成的第四紀堆積的以粉土顆粒為主,富含碳酸鹽,具有大孔性,黃色的松軟沉積物[1]。濕陷性是黃土特性,濕陷現象是由于水的滲透浸潤而引起,因而黃土的滲透特性直接影響著濕陷的發展。在濕陷性黃土地區的工程設計中,滲透性是一個重要的設計參數,只有充分了解其滲透特性,才能進行科學合理的設計[2]。本文利用改制儀器對重塑黃土在不同滲透壓力下的滲透系數進行了試驗研究。

1 試樣來源及原狀土樣基本物理性質指標

試驗所用土樣取至陜北,通過比重瓶法試驗測定原狀土樣的比重為2.69,烘干法測得土樣的天然含水量為20.8%,天然干密度為1.64 g/cm3。該土料的物理性質指標見表1。

表1 試驗土樣基本物理性質指標

2 重塑土樣的制備

2.1 散土制備

重塑土采用天然含水量散土和烘干后過0.25篩的烘干土。過篩試驗土分別按10%,15%,20%的含水量制備。不同含水量重塑黃土的制備過程為:將散土置于烘箱中,在105℃下烘24 h后置于干燥箱冷卻;然后將烘干土碾碎,過0.25 mm的篩;最后稱取2000 g過篩黃土,按設計含水量加水拌勻后置于保濕缸中,放48 h,使土樣水分分散均勻。

2.2 重塑土樣的制備

重塑土樣分為4組,即天然含水量散土直接擊實樣和10%,15%,20%三個含水量過篩黃土擊實樣。重塑土樣制備過程如下:1)稱取900 g土,一次性加入擊實儀,在設計的擊實數下擊實;2)待擊實結束后取出擊實桶置于脫土儀上,將土柱脫出;3)用稱過重量的30 cm2×4 cm的環刀取出土樣;4)取一部分散土測量重塑土樣的實際含水量。

3 滲透系數試驗方法

3.1 試驗裝置

試驗裝置為組裝裝置,裝置組成圖見圖1,滲透容器為南55滲透容器。

3.2 試驗方法

通過調壓閥增加壓力到設計的壓力,啟動秒表記時的同時,在出水口處放置一量筒,同時記錄起始水頭壓力P1,經過時間t后,讀取滲出水量Q。當相同時間段內連續3次滲出水量相同時終止試驗。同時記錄試驗開始與終止時的水溫,取平均值。

計算公式:

其中,kT為水溫為T℃時試樣的滲透系數,cm/s;Q為時間t內的滲出水量,cm3;L為滲徑,即試樣高度,cm;A為試樣的面積,cm2;P1為常壓水頭,kPa;t為時間,s。

變水頭試驗和常水頭試驗結束后均按式(2)換算成標準溫度下的滲透系數:

4 試驗結果

通過試驗,我們獲得不同含水量重塑土樣在不同滲透壓力下的滲透系數,得到了滲透系數與滲透壓力的關系圖(見圖2)。

從圖2中可以看出重塑土樣的滲透系數在 10-6cm/s～10-7cm/s間變化,結合圖2,土樣滲透系數總體上隨土樣干密度的增大而減小,但最大干密度土樣的滲透系數并非最小,滲透系數最小的干密度為1.60 g/cm3左右。

對比三個不同含水量黃土不同擊實數下滲透系數與滲透壓力關系圖可以發現三種不同的滲透系數變化趨勢:1)11.4%含水量重塑樣在潛蝕貫通過程中的滲透系數的變化趨勢是隨著滲透壓力的增加而增加,而且在同一滲透壓力下,滲透系數隨時間不斷增大,這是因為重塑土的含水量較小,擊實后重塑樣的干密度較小,土體孔隙率大,在擊實過程中,骨架顆粒間的粘結力較弱,在滲流作用下,土體顆粒不斷被帶出,最終導致土體滲透性增強[3],滲透系數變大。從整體上看,滲透系數隨擊實數的增加而減小,這是因為隨著擊實數的增加,重塑樣的干密度增加,土樣的孔隙度變小,導致土體的滲透系數較低。2)15.4%含水量重塑土樣除10擊的土樣外,其余土樣的滲透系數隨滲透壓力的增加變化不大,在同一滲透壓力下,滲透系數基本保持為一個穩定值。形成這種現象的原因可能在于重塑土樣結構性較好,在滲流作用過程中,土體的結構基本保持完好。總體上看,滲透系數隨擊實數的變化與11.4%含水量土樣相同。原因也是因為隨著擊實數的增加,土樣的孔隙度降低,導致滲透系數變小。3)20.8%含水量天然散土重塑樣滲透系數的變化趨勢也是隨滲透壓力的增加呈不斷下降趨勢,但在剛增加滲透壓力時,滲透數卻較前一個滲透壓力下的滲透系數有所增加,然而隨著時間的增加,滲透數又不斷降低,且比前一個滲透壓力下的滲透系數變小。但在擊實數為10擊的情況下,滲透系數隨滲透壓力的增加變化不大。同一擊實數土樣的滲透系數隨滲透壓力的增大而變小是因為土體骨架顆粒間的粘結強度較大,在滲流過程中,滲流不能將土顆粒帶出土體,而隨著滲透壓力的增大,土體產生滲透固結,骨架顆粒間產生一定的位移,導致孔隙率降低,滲透系數減小[4]。

5 結語

1)試驗重塑土樣的滲透系數的變化范圍在 10-6cm/s～10-7cm/s間;2)土樣滲透系數總體上隨土樣干密度的增大而減小,但最大干密度土的滲透系數并非最小,滲透系數最小的干密度為1.60 g/cm3左右;3)不同含水量不同干密度的重塑土樣在不同滲透壓力下的滲透系數變化較大,但是當含水量為15.4%及干密度為1.60 g/cm3左右時,滲透系數隨滲透壓力的變化較小。這說明當重塑黃土含水量達到一定值且干密度為某一值時,重塑黃土的結構特性將比較穩定,滲透壓力對滲透系數的影響較小,這對黃土地區的工程建設將有一定的參考意義。

[1]鄭晏武.中國黃土的濕陷性[M].北京:地質出版社,1982.

[2]王 輝,岳祖潤,葉朝良.原狀黃土及重塑黃土滲透特性的試驗研究[J].石家莊鐵道學院(自然科學版),2009(6):45-47.

[3]蔣定生.黃土高原水土流失與治理模式[M].北京:中國水利水電出版社,1997.

[4]Imamura S,Sueoka T,Kamon M.Long term stability of bentonite/sand mixtures at L.L.R.W.storage[A].In:Kamon M ed,Environmental Geotechnics[C].Rotterdam:A.A.Balkema,2000:545-550.