飽和黏性土孔隙性對滲透系數的影響研究

莊心善， 鄭 飛， 陶高梁， 朱志政

(湖北工業大學土木工程與建筑學院， 湖北 武漢 430068)

降雨不僅是引起邊坡失穩的重要因素，也是分析城市垃圾填埋場建設與維護、地下污水的遷移即污染物的滲流與擴散、防洪堤壩的滲漏等工程的重要參數，一直以來受到廣泛的重視[1-3]．曾玲玲[4]等人對天然沉積溫州軟粘土的原狀樣及重塑樣進行結構性對黏性土滲透性狀的影響研究，丁國平[5]等人對華北平原衡水沉降區基巖標鉆孔中的第四系黏性土進行了土體滲透特征研究，明福林[6]等人對五道水庫礫質黏性土心墻與基槽的接觸進行了滲透變形試驗．滲透系數是描述孔隙水在土中流動性質的一種度量[7]．由于粘性土的滲透系數較小，目前這方面的研究較少．本文基于變水頭試驗技術研究黏性土的滲透系數特性，得出了有益結論，供進一步深入研究粘性土的滲透性參考．

1 滲透試驗的基本原理

滲透試驗根據使用儀器類型分為常水頭和變水頭兩種．常水頭適用于透水性大(k>10-3cm/s)的土，例如砂土；變水頭適用于透水性小(k<10-3cm/s)的土，例如粉土和黏土．黏性土由于滲透系數很小，流經試樣的水量很少，難以準確量測,因此采用變水頭法．變水頭實驗就是在整個試驗過程中，滲透水頭差隨時間而變化的一種實驗方法，試驗過程中，某任一時間t作用于土樣的水頭為h,經過dt時間間隔后，刻度管(截面積為a)的水位降落了dh,則從時間間隔t至t+dt時間間隔內流經土樣的水量dQ為-adh,其中負號表示水量Q隨水頭h的降低而增加．同一時間內作用于試樣的水力坡降i=h/L,根據Darcy H定律，滲透系數[8]

式中：a為變水頭管的截面積，cm2； 2.3為ln和log的變換因數；L為滲徑，即試樣高度cm；t1,t2為分別為測讀水頭的起始和終止時間s；h1,h2為起始和終止水頭．

2 試驗方法

試樣土取自武漢漢街的一處工地基坑底部，埋深9 m，為非飽和黏土，土體的物理特性見表1．

表1 土體的物理特性

2.1 試驗方法及步驟

2.1.1制樣方法將所取土樣風干后，過2 mm篩，測出土樣的各種物理特性，含水率控制在15%左右時制樣效果最好，測出土的風干含水率ω0之后，經計算，稱取一定質量的風干土樣和蒸餾水，按照《土工試驗規程》[8]將其制成含水率為15%的試樣土，密封靜置24 h，復測含水率，得出實際含水率為15.13%；本次試驗制樣時三次分層填土，以利密實結合并采用液壓千斤頂靜壓試驗方法制備重塑試樣，采用滲透環刀(高度4 cm,體積為120 cm3)，干密度及孔隙比見表2．稱取一定質量的試樣土(含水率為15.13%)，制備7相同平行試樣，再將所制備試樣進行抽氣真空飽和，抽氣時間為4 h，放入水中靜置24 h，使飽和度達到95%以上，達不到時，繼續進行飽和．

表2 土體試樣編號及干密度

2.1.2試驗步驟本試驗采用的七組試樣所采用的變水頭管截面積分別是：0.484 cm2、0.526 cm2、0.491 cm2、0.491 cm2、0.491 cm2、 cm2、0.517 cm2、0.484 cm2.

依次將裝有試樣的環刀裝入滲透容器放平，用螺母旋緊，要求密封至不透水不透氣．將變水頭管注滿水，并滲入滲透容器，開排氣閥，排除滲透容器底部的空氣，直至溢出水中無氣泡，關閉排水閥，向變水頭管注水，使水升至預定高度，起始水頭一般為130 cm左右(黏性土滲透系數小，起始水頭太低易造成實驗數據誤差偏差大)．水位恒定后停止供水，把進水管夾打開使水流過試樣，等待出水口有水溢出的現象時開始記錄變水頭管中的起始水頭高度(H1)和起始時間(t1)，按指定時間間隔記錄水頭差(H1-H2)和時間差(t2-t1)，記錄出水口水溫．將變水頭管中的水位變換高度，等待水位穩定后再次測量水頭和時間的變化．

2.2 試驗儀器

測試儀器為上虞市勘測土工儀器廠生產的南55-2改進型滲透儀．儀器如圖1、圖2所示．

圖 1 滲透裝置 圖 2 滲透儀

3 試驗結果分析

用測試數據代入變水頭計算公式算出7個試樣平均滲透系數，不同溫度所選用的修正系數不同，從而對最終滲透系數造成影響，見表3．

表3 試驗結果

圖 3 溫度與溫度修正系數關系圖

根據對七組不同干密度試樣進行滲透試驗時測得的溫度和不同溫度下對應的滲透系數繪制曲線如圖3所示，表明溫度修正系數隨著溫度的升高而降低．

圖 4 孔隙比與最終滲透系數的關系圖

根據不同孔隙比的七組試樣測得的最終滲透系數繪制成曲線(圖4)，從圖中可以看出，滲透系數隨著孔隙比的增大而增大，且明顯分為三段，有0.718 8和1.037兩個特征點．在0.612 9～0.718 8區間內，因土體較密實、黏性土顆粒較小導致滲流孔徑較小，曲率半徑較小，由于水存在表面張力，致使滲透時的表面張力較大，滲透時水受土顆粒的阻力較大，水只在土體密實度薄弱的地方進行滲透，表現出滲透系數很?。?.718 8～1.037區間內，隨著土體孔隙比的增大，孔隙半徑逐漸增大，曲率半徑也隨之增大，致使滲透時的表面張力減小，水滲透時受土顆粒的阻力減小，滲透系數增大，形成穩定的滲流．在1.037～1.1154區間內，孔隙率很大，水滲流時受表面張力的影響很小，能夠在土體中形成連續滲流通道，使滲透系數急劇增大．在工程應用中，為了減小滲透性，對此種土體要控制干密度和孔隙比在一定范圍內．

圖 5 干密度與最終滲透系數的關系圖

根據不同干密度的七組試樣測得的最終滲透系數繪制曲線(圖5)，在1.3～1.35區間內時，干密度比較小，土體內部孔隙較大，此時水的滲透性較強，表現為滲透系數較大．在1.35～1.6區間內，土體內部孔隙較小，屬于緩慢滲流狀態．在1.6～1.705區間內時，因為土體較密實，滲透很難進行，表現為滲透系數很?。?/p>

4 結論

采用變水頭滲透試驗裝置對武漢漢街地區土質的滲透性質進行研究，得出如下結論：

1)此次滲透試驗用土為飽和黏性土，透水性小(k<10-3cm/s)，因此用變水頭法測設滲透系數．

2)該變水頭滲透實驗受溫度影響，測試溫度越高，修正系數越小．

3)滲透系數隨著孔隙比的增大而增大，且明顯分為三段，有0.718 8和1.037兩個特征點．

4)干密度越小，土體顆?？紫对酱?，在滲透過程中可以形成連續通道，滲透系數表現為較大．因此滲透系數隨著干密度的減小而減?。?/p>

[參考文獻]

[1] 徐永福,葉翠明,趙書權,等. 壓應力對非飽和土滲透系數的影響[J]. 上海交通大學學報,2004(06):982-986.

[2] 蔡國慶,趙成剛,劉 艷. 一種預測不同溫度下非飽和土相對滲透系數的間接方法[J]. 巖土力學,2011(05):1 405-1 410.

[3] 胡瑞林,李向全, 官國琳,等. 土體微結構力學----概念·觀點·核心[J]. 地球學報,1999(02):38-44.

[4] 曾玲玲,蔡 超. 結構性對黏性土滲透性狀的影響研究[J]. 福建工程學院學報,2012(03):230-234.

[5] 丁國平,胡 成,陳華麗,等. 衡水地面沉降區黏性土體滲透特征研究[J]. 工程地質學報,2012(01):82-87.

[6] 明福林,付會成. 五道水庫礫質黏性土心墻與基槽的接觸滲透變形試驗[J]. 鐵道建筑,2012(02):66-68.

[7] 弗雷德隆德 D G,拉哈爾佐 H.非飽和土土力學[M]. 陳仲頤譯.北京：中國建筑工業出版社, 1997.

[8] 南京水利科學研究院土工研究所.土工試驗技術手冊[M].北京：人民交通出版社，2003.