粉砂土路基滲透系數的試驗研究

宇德忠，楊洪生，于立澤

(黑龍江省交通科學研究所)

1 粉砂土的性質

粉砂土的礦物組成主要以石英為主并含有少量長石、云母以及其他礦物，其顆粒粒徑介于粉土和細砂之間。根據《公路土工試驗規程》JTG E40-2007中的土體分類，粉砂土是指土粒徑大于0.1 mm的顆粒含量不超過總質量的75%的砂土。在齊泰公路選擇具有代表性的A、B兩種試驗土樣，每種土樣的顆粒分析及物理力學性能指標見表1和表2。

2 滲透試驗

室內滲透試驗是指土體滲透系數K值的實驗室測定，室內滲透試驗分為常水頭滲透試驗和變水頭滲透試驗。在國內外這兩種常規試驗方法都有較為普遍的應用，但不同的滲透裝置在測量形式和測量精度上都是不同的，通常認為顆粒較大的砂類土等材料宜采用常水頭滲透試驗;粘質土、細粒土等顆粒較小的土工材料宜采用變水頭滲透試驗。粉砂土的顆粒相對較細，因此根據《公路土工試驗規程》(JTG E40-2007)本試驗最終采用的試驗方法為變水頭滲透試驗，試驗裝置采用TST-55型變水頭滲透儀。

表1 土樣的顆粒分析試驗結果

土樣編號 天然含水率/%天然密度/(g/cm-3)天然孔隙比n比重GS最大干密度/(g/cm-3)最佳含水率/%

本試驗先用電動擊實儀制件，在最佳含量率條件下制備了三種不同壓實度的試件，不同壓實度試件所采用的每層土樣擊實變數分別為30次、50次和98次，所對應的壓實度分別為93%、96%和100%。制好件后再用環刀取土，不同土樣每種壓實度做3個平行試件，以此來對比分析最佳含水率不同壓實度條件下的粉砂土滲透系數的變化規律。

試驗所采用的土樣不能烘干是因為過高溫度會破壞土體中的有機質，對試驗結果產生影響。試驗前要將經風干土樣過0.5 cm的篩，取篩下土樣做試驗;同時還要測定風干土樣的含水率，確定試驗用土的質量。根據計算結果稱取試驗用土和水的質量，將兩者經均勻拌和后裝入塑料袋內密封12 h使水分充分浸潤。采用擊實儀制件時要將土分三層裝入擊實筒內并且每層土體的裝入量應為擊實后的試件高度等于或高于擊實筒高的1/3。每層土體經擊實后要將表層“拉毛”后在將下層試驗用土裝入擊實桶筒內，重復上述方法將每層土體擊實，擊實完畢后在用修土刀將最上層土體削平。

在用環刀切取試樣時為了使試樣與環刀內壁之間沒有縫隙要將環刀的內側均勻地涂抹凡士林，在切取過程中要確保環刀刀口均勻下切。切好后在用鋼絲鋸在試樣的上下兩個層面要從中間向兩邊刮平，同時要避免用刮土刀在試樣表

式中：kt為水溫t℃時的試樣滲透系數，cm/s;a為變水頭管的斷面積，cm2;2.3為ln和log的變換因數;L為滲徑，即試樣高度，cm;A為試樣的過水面積;t1，t2為測讀水頭的起始和終止時間，s;H1，H2為起始和終止水頭。

3 試驗數據分析

滲透系數在一定程度上反映了壓密土體中水分滲透的強弱。由于粉砂土顆粒介于細砂土和粉土之間，其顆粒組成中粘性顆粒含量相對較少主要以砂粒和粉粒為主，因此親水礦物含量也較低，對土體的滲透系數也會產生影響，通過變水頭滲透試驗可以有效地反映出路基土在不同壓實度條件下滲透系數的變化規律。各標土樣的試驗結果見表3所示。面反復刮抹，造成土孔隙堵塞而影響測試結果。最后將制好的試件放入抽氣缸內使試樣充分飽和，經過12 h的浸泡后再抽氣20～30 min，抽氣完畢后將試樣裝入變水頭滲透儀器內，控制試驗水頭在120 cm左右水柱高，當滲透儀的滴水孔有水溢出時，說明土樣已達到充分飽和，即可進行變水頭滲透試驗。

本次試驗所用均為飽和土樣，因此計算土樣的變水頭滲透系數時，根據《公路土工試驗規程》(JTG E40-2007)所提供的變水頭滲透系數計算公式(T0130-4)進行計算，同時還要量出變水頭滲透儀出水口處的流水溫度，在整理試驗結果時要對溫度進行修正。具體計算公式如公式1所示

表3 土樣的滲透系數 cm/s

由表3分析可知，壓實度越大土體的滲透系數越小，這主要是由于土體在欠密實的狀態下土顆粒間存在許多不均勻的孔隙，為水的滲透提供了通道，隨著擊實次數的增加，土顆粒間出現了相互嵌擠的現象，彼此間的相對位置有所改變，即較小顆粒填充了較大顆粒形成的間隙，同時經壓實后土體中空氣的含量也在擊實過程中被壓縮了，自由水的滲透受阻，土體的滲透系數也隨之變小。

由表3還可以看出B土樣在壓實度相同的條件下滲透系數都要小于土樣A，這是由于自由水在土體中的滲透與土中的細粒含量有關。由表2土樣的顆粒分析結果可以看出B土樣的細粒含量要多于A土樣，由于粉土和粘土顆粒表面活性較大，因此細粒含量越多，土體的分散程度就越大，親水礦物的含量就越多，土顆粒表面結合水膜的厚度也就越厚，水膜持水量增加也進一步堵塞了自由水的滲透，使土體的滲透系數變小。

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［1］劉紅軍，張秀華.工程地質學［D］.東北林業大學，2004.

［2］徐學祖.國內外對凍土中水分遷移課題的研究［J］.冰川凍土，1982，4(3)：97-104.