非飽和黏土受凍融影響的滲透性演化試驗研究

鐘佳思 童富果 劉暢 劉剛 劉創

摘要：土體的滲透性是評價其抗凍性能的重要指標，在凍融循環條件下，土體結構及孔隙特征改變，導致滲透性能產生差異。為研究非飽和黏土受凍融影響的滲透性演化規律，針對不同飽和度和密實度的試樣，開展了凍融循環條件下黏土的滲透性測試。結果表明：隨著凍融次數的增加，黏土的滲透系數先快速增大而后逐步趨于穩定，并且這種變化趨勢受到飽和度和密實度的影響；飽和度越高，滲透系數增量和增長率越大；密實度越高，凍融對滲透性的影響越小，凍融過程中滲透系數能更快達到穩定狀態。最后根據試驗結果提出了包含凍融次數、飽和度和密實度的滲透系數演化模型。

關鍵詞：滲透性；凍融循環；飽和度；密實度；非飽和土

中圖分類號：P642. 11+1； TV443

文獻標志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.07.029

滲透性作為土體抗凍性能的評價指標，與土體的結構、孔隙、顆粒大小等有著密切的關系。因為凍融循環條件下土體的粒徑和孔隙大小會發生變化，所以土體的滲透性必然受到影響。而土體滲透性能的劣化可能會降低結構的耐久性、影響邊坡的穩定性以及地基的承載能力等。因此，有必要研究凍融后土體滲透性能的變化規律。

肖東輝等研究了原狀黃土與重塑黃土凍融后的孔隙率與滲透性，結果表明凍融循環作用通過破壞黃土顆粒的大小等影響孔隙率，滲透系數的變化曲線與孔隙率的變化曲線相似；倪萬魁等認為凍融循環作用使黃土顆粒之間原始固有膠結減弱，多次凍融循環作用使黃土的結構更加疏松；胡田飛等在最優含水率狀態下研究壓實度對凍融后黏土性質的影響，結果表明試樣內部水分的重分布會引起不同密實度土體的抗剪強度呈現完全相反的變化趨勢。這些研究雖然取得了豐富的成果，但他們選擇的凍融土樣都基于某一固定飽和度，然而自然界中的土體多數處于非飽和狀態，水分的含量非恒定，而且天然土體的密實度差異也較大。汪恩良等認為土體的初始飽和度和密實度等對凍融試驗結果有較大的影響。鑒于此，筆者以黏土為研究對象，針對不同飽和度和密實度的試樣，進行凍融循環試驗和滲透性測試，分析凍融條件下飽和度和密實度對滲透系數的影響規律，并基于試驗結果得出一個包含飽和度及密實度影響的滲透系數演化模型。

1試驗方法

本試驗用土的基本物理性質指標見表1，根據《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2002）中對土的分類，將其定義為黏土。根據《土工試驗方法標準》（GB/T50123-1999）中有關土樣和試樣制備標準的要求，先將土體在自然環境中風干，碾碎去除雜質，過2mm篩，然后將其放人烘干箱中烘干，最后得到的土體即為制樣所需土料，用多層塑料袋密封保存。試樣的制備：首先根據飽和度和需要的土量將烘干后的土料用蒸餾水配置成濕土，用多層塑料袋將濕土密封放置一段時間待水分均勻分布；然后根據裝樣器容積和密實度計算所需濕土的質量；最后將濕土分五層填人直徑6.18cm、高度11.90cm的裝樣器中。為了研究凍融前黏土飽和度和密實度對凍融后滲透系數的影響，試驗設定了5組凍融前飽和度（簡稱飽和度）和3組密實度的試樣，飽和度Sr為0.4、0.5、0.6、0.7、0.8，每一飽和度下的密實度pd 為1.3、1.5、1.7g/cm^3。

本試驗分為兩個階段，首先對試樣進行凍融循環試驗，然后將凍融后的試樣進行滲透性測試。凍融循環試驗采用HDK-9型快速凍融試驗機，其溫度的控制精度為0.1℃。試驗過程設置為無外界補水條件，利用保鮮膜將試樣包裹，構造不補水的密閉環境。目前室內凍融循環試驗在參數的選擇上具有較大的差異性，尚未形成相對統一的試驗標準，本試驗以試樣能完全凍結和融化為依據設置凍融方案。選取凍融方案為凍結時間6h、凍結溫度-20℃，融化時間6h、融化溫度20℃，一個完整的凍融循環需要12h；凍融次數設定為0、1、3、7、9、12、15、20。凍融結束后對試樣進行滲透性測試，為了反映凍融過程中土體結構和孔隙的改變對滲透性的影響，排除孔隙中空氣的干擾，本文測量的滲透系數為飽和滲透系數。試驗采用圖1所示的滲透性測試裝置。首先將水泵上方的電磁閥打開，利用水泵將水抽人滲流管，關閉該電磁閥。再打開與空壓機相連的電磁閥，利用空氣壓縮機提供高壓力水頭，水流方向如圖1中箭頭所示。進行測量時除裝樣器上部的電磁閥外，其他的電磁閥均處于關閉狀態。試樣上下部位水頭均由傳感器測量，傳感器與數據采集系統連接，可定時將獲取的數據傳人計算機，進而求得滲透系數。測量結束后，將左上角與大氣相通的電磁閥打開，卸掉多余氣壓力。水泵與集水器之間的管路用于尾水回收再利用。

2飽和度對滲透性的影響

根據試驗結果，得到凍融循環條件下不同飽和度試樣滲透系數的演化過程，見圖2。可以看出，不同飽和度的試樣經過凍融循環后滲透系數的演化趨勢相同，都隨著凍融次數的增加不斷增大，但增大的程度逐漸減小，后期逐步趨于穩定。其原因在于凍融后土體的變形可看作是一個由彈性變形和塑性變形組成的過程，彈性變形是土體變形中可以恢復的部分，在凍融循環往復后，對土體的孔隙和結構的影響可忽略。塑性變形為不可逆變形，導致凍結融化后的土體部分變形無法恢復。經過多次凍融后，達到了土體在該飽和度和密實度狀態下的塑性變形極限值，則孔隙不再繼續變形擴展，相應的滲透系數也不再變化。

為了更直觀地展示凍融過程中滲透系數變化的快慢，采用滲透系數增長率（凍融后的滲透系數減去未凍融時的滲透系數除以該凍融次數）來表示。

滲透系數增長率隨凍融次數變化曲線見圖3，可以發現，高飽和度（80%）的試樣在凍融過程中，滲透系數的增長率較大。因為高飽和度的試樣水分含量相對較多，凍結后對土顆粒的擠壓作用以及融化后孔隙增大程度都更為明顯，所以滲透系數相應增大較快。不僅如此，無論密實度高低，凍融前幾次滲透系數增長率大幅降低，因為土體結構受到擾動后孔隙和顆粒均會重新分布，在此期間滲透系數變化較大，即滲透系數增長率較大。經過幾次凍融達到了新的平衡，則滲透系數增長率趨于穩定。

3滲透性隨密實度的變化規律

不同密實度的試樣在凍融后滲透性的演化規律同樣存在差異性。圖4給出了試樣在不同密實度下滲透系數的演化過程，為了直觀地展示演化的規律性，曲線的縱坐標采用對數坐標。在凍融過程中，無論密實度高低，試樣滲透系數都有不同程度的增長。隨著凍融次數不斷增加，滲透系數最終趨于穩定。低密實度的試樣其滲透系數在凍融過程中的增量相對較大，滲透系數在凍融后期仍然有較為明顯的增大趨勢。而高密實度的試樣，凍融對滲透性的影響較小，表現為凍融后期的滲透系數達到了一個動態平衡狀態，即基本不隨凍融次數變化。這種現象表明高密實度的土體未凍融前孔隙的結構已經較為緊密，經過幾次凍融循環即可達到其塑性變形的極限值，因此滲透系數能夠快速穩定。

4滲透系數演化模型

根據試驗結果可知，黏土的滲透系數與凍融次數、飽和度以及密實度的關系密切，受它們的影響顯著。因此，依據試驗結果的規律性可以求得黏土滲透系數的多因素演化模型。

首先根據滲透系數隨凍融次數先增加后趨于穩定的變化趨勢，得出滲透系數和凍融次數滿足關系式：實度都有關系的參數。由前述可知，滲透系數隨飽和度的增大而增大、隨密實度的增大而減小（對于同一凍融次數而言）。因此，參數P1與飽和度和密實度的關系可用如下函數表示：式中：Sr為飽和度；ρd 為密實度，g/cm^3；a、b、c、d為參數。表3給出了參數a、6、c、d的擬合值。

根據表3，最終得出滲透系數隨著凍融次數、飽和度以及密實度變化的多因素模型為

該模型不僅綜合考慮了飽和度、密實度在凍融過程中對黏土滲透性的影響，而且也可單獨考慮某一變量（其余兩個變量控制不變）變化時滲透系數的變化情況。表2、表3中的擬合相關系數的平方R^2均在0.960以上，說明該模型可以較好地反映黏土滲透性隨凍融次數的改變以及飽和度和密實度的變化而變化的規律，具有一定的參考價值。

5結論

本文研究了凍融循環條件下飽和度、密實度的變化對黏土滲透性演化規律的影響，先后進行了凍融循環試驗和滲透性測試，得出如下結論：

（1）黏土滲透系數受凍融作用的影響明顯，隨著凍融次數的增加滲透系數不斷增大，凍融前期增長較快，凍融后期趨于動態穩定狀態。

（2）滲透系數隨凍融次數的演化過程與飽和度有關。飽和度越高，受到凍融作用的影響越大，表現為土體的滲透系數在凍融過程中的增長率越大，凍融擾動作用持續的時間長，需要更長的周期達到動態穩定狀態。

（3）凍融過程中，滲透系數同樣受密實度的影響。凍融初期，高密實度土體對應低滲透系數：凍融后期，密實度較低的土體滲透系數仍有明顯的增長，而高密實度的土體滲透系數基本趨于穩定。

（4）根據試驗結果的規律性得出了包含凍融次數、飽和度以及密實度的滲透系數演化模型，其相關系數均在0.960以上，可以較準確地反映凍融過程中滲透系數的變化趨勢，具有一定的實際應用價值。