孔隙度對黏性土滲透系數影響的試驗研究

楊忠翰， 李明寶， 張 旭

(東北林業大學土木工程學院，哈爾濱 150040)

土體的滲透性及滲透系數是巖土工程中十分重要的研究方向，在垃圾填埋場的濾液污染、水利工程的滲漏、地面地基沉降量以及水土壓力的計算等實際工程中都起著決定性作用[1-2]。土體作為一種由土顆粒、孔隙水和空氣組成的三相松散多孔介質，土顆粒組成土體的骨架，而孔隙水和空氣則存在于土體內部土顆粒之間相互連通的孔隙之中。滲流是指土體內部的孔隙水在水頭差的作用下流經土顆粒骨架之間相互連通孔隙的現象。而滲透性是指土體允許水或其他流體流經其內部的性能[2]。土體的滲透性研究對于建筑工程選址、基坑工程的防水及其對于周圍建筑物的影響、基坑開挖和水利、農業、環保等許多工程領域均有非常重要的影響[3]。相關學者對于土體的滲透系數進行了大量的試驗及理論推導[4-7]，近年來，中外學者從不同角度對黏性土的滲透系數計算方法進行了大量的研究[8]，但由于參數無法從簡單的試驗中獲取，實用性有待提高。梁健偉等[9]對影響黏性土滲流特性的原因及改變滲流特性的重要影響參數進行研究。何俊等[10]從微觀角度對土工合成黏土襯墊的飽和滲透系數進行研究。張一軍[11]研究了黏性土尾礦壩的穩定性，結果表明黏性土具有滲透性差、易變性、強度低、觸變性、非均勻性等特點；唐大雄等[12]總結了黏性土的滲透規律，并提出了達西定律的適用條件；董邑寧等[13]對飽和黏性土進行了大量的滲透試驗，揭示了土體只要有水壓差就會發生滲流。梁健偉[14]研究發現黏性土中的黏性土顆粒會吸附部分水在其孔隙中，使得黏性土的滲流規律與達西定律有一定的偏差。在油氣開采領域中大量學者提出土體三相間是存在相互作用的且滲流液體自身具有物理化學性質和流變性質[15-16]。

黏性土是指粒徑小于0.075 mm的土體質量占總質量一半以上的一類土。傳統滲透系數經驗公式計算黏性土滲透系數常與實測值存在一定偏差。造成這種誤差的根本原因是黏性土顆粒粒徑較小，在靜電力作用下土顆粒外存在結合水膜，而結合水滲透性極差具有類似固體的性質，不會產生滲流。本文結合變水頭滲透試驗，通過控制黏性土樣的干密度研究孔隙度對黏性土滲透系數的影響。對試驗數據進行整理分析，擬合黏性土的滲透系數與孔隙比之間的數值關系，并分析了傳統滲透系數在計算黏性土時常存在誤差的原因。

1 試驗土樣基本物理指標測定

1.1 顆粒分析

試驗所用土體為重塑土，分別為紅黏土與黃黏土。烘干后土樣如圖1所示。采用密度計法對兩種黏性土樣進行顆分試驗，兩種黏性土的顆粒分析結果如表1所示，顆粒級配曲線如圖2所示。

圖1 烘干后土樣

由兩種黏性土的顆粒級配曲線可知試樣使用兩種黏性土級配良好，均滿足《土工試驗規程》SL237—1999的相關土工試驗要求。

圖2 土樣顆粒級配曲線

1.2 比重實驗

將兩種黏性土樣烘干，校正比重瓶，稱量15 g土樣并將其裝入100 mL比重瓶中，并向比重瓶內注入一半蒸餾水，將土樣浸泡于比重瓶內24 h，將比重瓶置于砂浴中煮沸。自懸液沸騰時開始計算煮沸時間，兩種黏性土煮沸時間均為1 h，令土顆粒均勻分散。冷卻后將蒸餾水注入比重瓶至滿瓶。比重瓶冷卻至室溫，擦干比重瓶外壁，對比重瓶、試樣及水的總質量進行稱量并測量蒸餾水的溫度。試驗測量數據應精確至0.001 g，兩種土樣比重試驗結果如表2所示。

表1 黃黏土、紅黏土顆粒分析結果

表2 兩種試驗土樣的比重

1.3 最大、最小干密度試驗

通過最大孔隙比試驗及最小孔隙比試驗來測定試驗所用黏性土樣的最大干密度與最小干密度，以設定黏性土樣干密度。最大孔隙比試驗使用量筒法，最小孔隙比試驗使用錘擊振動法。兩種試驗需進行兩次平行試驗，并取算術平均值作為土樣最大及最小干密度，兩次平行試驗所得結果之差不可超過0.03 g/cm3。兩種黏性土最大、最小干密度試驗數據如表3所示。

表3 兩種黏性土樣的基本物理參數

2 滲透試驗及結果分析

2.1 土樣制備

土樣底面直徑為39.1 mm，高度為80 mm。根據最大及最小孔隙比試驗所測得的土樣最大干密度及最小干密度，分別設定兩種黏性土的五種土樣干密度。計算所需土樣質量及配水質量。配水方法為將每組土樣所需黏性土等質量分成四份，用滴定管將計算好質量的水均勻滴入土樣上方并將土樣攪拌均勻，配水結束后，將黏性土試樣密封并保存48 h。

將保濕缸中攪拌均勻并靜置48 h的土樣取出，每種干密度的土樣分別分等質量的四份倒入制樣器中。每份倒入后均對土樣進行擊實并在擊實后對土樣上表面進行刮毛處理，待土樣全部放入制樣器并壓實后撫平土樣上表面，如圖3所示。在土樣的上下表面均貼上濾紙并用透水石進行固定，每個試樣上貼好記有試樣的土樣種類及試樣干密度的標簽，采用真空飽和法對試樣進行飽和處理，如圖4所示。

圖3 壓實后的黏性土樣

圖4 土樣飽和

試樣飽和后將試樣裝入滲透儀器中，如圖5所示。施加圍壓直至試樣變形趨于穩定，固結時間不少于6 h。試樣固結完成后，分別施加上下水頭壓力并設置水頭壓力差為20 kPa，待單位時間內上端流入水體積與下端流出水體積大致相等，根據Darcy定律計算試樣的滲透系數：

(1)

式(1)中：kT為試樣在溫度T時的滲透系數，cm/s；Q為單位時間內流過試樣的水體積，cm3/s；A為試樣的橫截面積，cm2；L為試樣高度即滲流長度，cm；h1-h2為上下水頭高度差，cm。每個試樣分別在滲流穩定之后反復記錄6次以上并計算試樣滲透系數直至計算結果趨于穩定，同時測量試驗開始及結束時的水溫。根據式(2)計算標準溫度下的試樣滲透系數：

(2)

式(2)中：k20為標準室溫20 ℃時試樣的滲透系數，ηT/η20為T℃時與20 ℃時水的黏滯系數比。

圖5 滲透儀器

2.3 滲透試驗結果分析

基于滲透試驗測試數據，可得到兩種黏性土樣在不同干密度條件下滲透系數隨時間的變化如圖6所示。

圖6 兩種黏土在不同孔隙比條件下滲透系數隨時間的變化

通過變水頭滲透試驗所得結果顯示黏性土滲透系數隨土樣干密度增大而減小，即滲透系數隨試樣孔隙比減小而減小。且由于試驗數據具備一定的波動性，經過數次試驗之后，試驗數據基本趨于穩定，取多次變水頭滲透試驗所得滲透系數的算術平均值作為最終的滲透系數實測值。基于滲透試驗測試數據，可得到兩種黏性土不同孔隙比對應滲透系數實測值匯總于表4，滲透系數隨土樣孔隙比變化的規律如圖7所示。

黃黏土及紅黏土的滲透系數量級分別是10-6～10-7cm/s、10-7～10-8cm/s。經整理分析，試驗所得滲透系數數據具備較強的規律性并基本符合函數擬合曲線。由圖7、圖8可知，對于同種黏性土，隨著孔隙度增大滲透系數也不斷增大。可見孔隙比對飽和黏性土的滲透性存在影響，隨著孔隙比的增加，滲透系數呈非線性增加，通過數據擬合，可得到黃黏土滲透系數k與孔隙比e間的函數關系式為：

圖7 兩種黏土滲透系數隨試樣孔隙比的變化

k=10-7(7 513.3e4-2 6621e3+35 406e2-

20 742e+4 500.2)

(3)

紅黏土滲透系數k與孔隙比e之間的函數關系式為

k=10-7(3 442.2e4-12 923e3+18 124e2-

11 245e+2 603.9)

(4)

對于黏性土而言，將黏性土的基本物理參數直接代入傳統的滲透系數經驗公式中，計算結果往往與實測結果有一定的誤差，這說明傳統的滲透系數經驗公式并不適用于黏性土。造成這一現象的主要原因是黏性土內部土顆粒粒徑相對較小、比表面積大、分子間引力較大、土體中所包含的細顆粒含量較高、并且黏性土顆粒具有帶電性質，黏性土土顆粒表面會吸附一層結合水膜。而黏性土內部結合水由于黏滯性大，透水性差且不受重力影響，具有類似于固體的性質，造成這部分孔隙基本是不能產生滲流。傳統的滲透系數經驗公式并未考慮這一部分無效滲透孔隙，因此在計算黏性土時往往會使得計算值大于實際滲透系數，通過對不同孔隙比的黏性土試樣進行滲透試驗并擬合出黏性土孔隙比與滲透系數之間的函數關系，進一步完善了黏性土滲透性理論，為實際工程提供了一定的借鑒和參考。

表4 兩種黏性土在不同干密度孔隙度情況下的滲透系數

3 結論

通過控制干密度制備不同孔隙比的黏性土試樣，對不同孔隙比的黏性土試樣進行變水頭滲透試驗，并對黏性土孔隙比與滲透系數間的函數關系進行擬合，可得到如下結論。

(1)黏性土的干密度與孔隙比呈負相關，且二者基本呈線性關系。

(2)通過對不同干密度的黏性土試樣進行變水頭滲透試驗，可以發現黏性土干密度越大，孔隙比越小，滲透系數越小。且孔隙比與滲透系數之間呈冪函數關系，擬合結果符合黏性土的滲透基本規律。

(3)傳統的滲透系數經驗公式由于未考慮黏性土內部結合水對黏性土滲透系數的影響，計算結果常大于黏性土實際滲透系數，對黏性土滲透系數與孔隙比之間的函數關系進行擬合，為土木及水利工程防滲及黏性土地基沉降提供了參考。