關于粘性土的滲透特性問題的討論

趙忠偉

摘 要：土的滲透性質的研究是土力學及滲流力學中極其重要的一環，常以滲透系數來表示，它同強度和變形特性一起都是土力學中所研究的主要力學性質。土的滲透性分為粘性土的滲透性和無粘性土的滲透性。本文主要介紹粘性土的滲透影響因素、滲透破壞和抗滲強度。

關鍵字：粘性土；滲透特性；滲透破壞；抗滲強度

土的滲透性通常是指水和土的孔隙中流動的過程和性質，常以滲透系數來表示，它同強度和變形特性一起都是土力學中所研究的主要力學性質，在土木工程中的各個領域中都有重要的作用。土的滲透性分為粘性土的滲透性和無粘性土的滲透性。

1 粘性土的滲透影響因素

通常所述的粘性土是指液限WL>26%，塑性指數IP>4-7的中高液限的粘質土和粉質土，粘粒含量一般大于10%。它在工程特性方面的表現是細顆粒之間具有一定的內聚力，處于中等密實狀態以上時滲透系數K<1×10-4cm/s。

粘性土的滲透性要不無粘性土復雜的多，影響因素不僅是孔隙率與原級顆粒的組成，而是有復雜的機理。它與滲透液體的性質、顆粒組成的礦物成分、原級顆粒的凝聚狀態以及孔隙大小的分布等因素有關。在巖土工程中將土的顆粒、粒團和孔隙排列稱為土的組構。結構是指顆粒間諸力、成分和組構的綜合效應。它是由單個顆粒及粒團組成的組構單元，并由不同的化學和物理化學力相連結，而按一定的方式排列和組成。粘土的粒團成雜亂排列時成凝聚性結構，具有較大的孔隙；粒團定向排列時形成分散性結構，平均孔隙較小。密度和孔隙比相同的同一粘性土，由于結構不同，可以具有極不相同的性質。結構對粘性土的滲透性質具有巨大的影響。粘土顆粒的形狀是偏平的，有定向排列的性質，使平行于層面和垂直于層面方向的滲透系數顯著不同。天然粘性土在沉積過程中是在垂直應力P和水平應力K0P（K0為靜止側壓力系數）作用下固結的，已受到偏應力（1-K0）P的作用，使粘土顆粒沿剪切面定向排列，從而形成各向異性的滲透性質。

2 滲透的基本定律

在滲透理論中，著名的達西定律就是描述飽和土中滲透的基本定律。達西定律中K是材料的一個基本性質，稱之為滲透系數。它將滲流速度與滲透勢能聯系在一起，確立了滲透水在土體中流動的速度、水力比降及土的性質三者之間的關系。在天然土體中滲流大多數呈線性阻力或接近線性阻力關系，達西定律用于土力學的各個方面，是滲流的基本定律。

3 粘性土滲透破壞的機理

粘性土滲透破壞的主要形式是邊界面上的剝落和沿裂縫或洞穴的沖刷和侵蝕。此類土體抵抗滲透破壞能力同它的礦物、物理化學、結構等特性有關。具有穩固團粒結構的凝聚性土，滲透穩定性好；具有不穩定膠結的分散性土，滲透穩定性差。

影響粘性土滲透破壞的因素較多，其中最基本的因素有土的性質、密度、水流方向和滲流出口無保護的臨空面的大小。粘性土的滲透破壞機理，不單純是在滲透力作用下土體在滲流出口沿臨空面周邊的抗拉問題，而且與土體在水中的水化能力和實際達到的水化程度密切相關。特別是一般粘性土，滲流向下，出口被誰淹沒時，它甚至會純粹因水化而破壞。由于水化產生崩解后的土體將會在自重的作用下脫離本體，土體不斷產生新的臨空面，使水化崩解過程可以向上部繼續發展，甚至在無水力比降的作用下可以一直破壞到頂部。此種現象在工程實踐中經常可見，有些土石壩，防滲體承受的水力比降并不大，但出現垂直向上的滲透破壞，頂部呈現大的塌坑。

粘性土滲透破壞的原因有三個方面，即滲透破壞的三種典型：一是單純在滲透力作用下的破壞；二是滲流出口土體表面的水化崩解造成的破壞；三是在滲透力和土體水化崩解同時作用下的破壞。上述三種類型的特點是，破壞過程都是表面土體成塊成團的流失。其中以滲流向下，土表面又被水淹沒的條件，即第三種情況為最不利，而且出現的機會較多。

4 粘性土抗滲強度的確定

粘性土的滲透穩定特性，在很大程度上取決于它的成因、粘土礦物成分、交換陽離子的成分和含量、孔隙液體含鹽量及成分等物理化學因素。我國南方殘積的紅粘土，粘土礦物一般以高嶺土為主，并含有一定量游離的鐵鋁氧化物。液限高而塑性指數低，親水性差，因此具有較高的抗滲強度。北方的粘性土以沉積者為最多，粘土礦物以高嶺石和伊里石為主，遇水后易濕化崩解，抗滲強度低于南方紅粘土。

粘性土的主要特征是具有較大的內聚力，細顆粒都呈粒團存在，工程性質主要決定于粒團遇水后的穩定程度。我國南方的紅粘土粒團穩固性強，抗滲強度很高，北方的粘性土粒團穩固性一般，抗滲強度不是很高。

粘性土的抗滲強度常以破壞水力比降表示，它的大小決定于土的性質、密度及滲流出口的保護程度，并可寫成以下函數關系：

Jcr=f（Pdf、Pd、D）

式中：Pdf—代表土的性質，以土體處于液性限度時的干密度來表示；

Pd—土體實際的干密度；

D—滲流出口無保護臨空面的大小，以孔徑大小表示，通常稱為孔隙直徑，決定于出口保護層的等效粒徑。

Pdf按下式確定：

Pdf=SrGPw/（Sr+G+WL）

式中：Sr—土的飽和度，在此等于1.0；

Pw—水的密度

WL—土的液限含水量

（1）抗滲強度與土密度間的關系：通過研究抗滲強度與干密度之間的關系，土的抗滲強度與干密度呈雙曲線的函數關系。干密度是影響抗滲強度的一種因素。

（2）抗滲強度與出口無保護臨空面的孔徑的關系：出口無保護臨空面孔徑的大小是決定粘性土抗滲強度的主要因素，隨著孔徑的增大，抗滲強度逐漸降低。當臨空面孔徑大于某一值后，土的抗滲強度在數值上接近浮容重。在滲流方向向下的條件下，由于水化崩解，甚至在自重作用下土體就可發生滲透破壞。研究粘性土的抗滲強度時必須考慮出口無保護臨空面孔徑的大小。

5 結語

土的強度、變形和滲透性之間有著密切的聯系，在土力學中由有效應力將三者聯系在一起，形成了一個體系。加強粘性土滲透特性的研究，對土木工程各個領域里的許多課題都有著很大的幫助，對工程的應用具有十分重要的意義。

參考文獻

[1]《土的工程性質》 黃文熙

[2]《土的滲透穩定與滲流控制》 劉杰 水利電力出版社 1992年

[3]《土力學與基礎工程》 高大釗 中國建筑工業出版社 1998年

[4]《地下水動力學》 薛禹群 地質出版社 1997年