土體滲透特性研究現狀

【摘要】土體的滲透性代表了孔隙水在土孔隙之間發生滲流運動的性能，其對土體內部的排水固結速率、土體中的各項排水措施以及工程的安全評估有著顯著的影響。實際工程中，不同類型的土樣在不同的外荷載環境下其滲透特性具有明顯的差異，因此，對目前取得的各種土樣在不同外荷載環境下的滲透特性問題進行綜述，可為安全建設提供相應的工程指導。

【關鍵詞】土樣;滲透特性;荷載作用? ? ?【中圖分類號】TJ205? ?【文獻標識碼】A? ? ? ?【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.36.117

1、引言

土體的滲透性代表了孔隙水在土孔隙之間發生滲流運動的性能，其對土體內部的排水固結速率、土體中的各項排水措施以及工程的安全評估有著顯著的影響。土體中的滲透性主要受外力條件、水力條件和砂樣如粒徑級配、初始含水率、初始密度等自身性質的影響。

工程中，不同類型的土樣的滲透特性具有明顯的差異，砂石顆粒間由于通常不存在黏聚力，因此荷載對其滲透過程影響相較于粉土、粘土更加顯著;位于我國南海海域附近的鈣質砂保留有海洋生物骨架中的大量微小孔隙，內孔隙含量較多，易在外荷載下產生破碎，這也使得其與一般陸相沉積物的滲透特性有著明顯不同。

因此，為了維護國家利益，促進國家經濟發展，以往學者深入探究各種土樣在不同外荷載環境下的滲透特性問題，為工程安全建設提供了大量工程指導和科學保障。

2、靜態滲流問題

目前靜態滲流問題研究主要集中在砂樣不同的物理參數和水力條件對其滲透系數大小的影響上的。

2.1級配對砂樣的滲透性的影響

朱崇輝等通過石英砂滲透系數隨不均勻系數、曲率系數、孔隙比的變化規律，建立了石英砂滲透系數模型。針對鈣質砂，任玉賓研究發現其他物理量保持不變，在鈣質砂為單一粒徑時，鈣質砂的滲透性隨著粒徑的增大而增大;錢琨通過探究有效粒徑d10、孔隙比e、顆粒級配對鈣質砂滲透性的影響，擬合出鈣質砂滲透系數計算的經驗公式。值得一提的是，大多數學者通過試驗探究發現，鈣質砂的滲透系數會隨不均勻系數Cu的增大而增大，而胡明鑒進行現場雙環滲透試驗中卻發現與此相反的結論。

2.2 粒徑大小與密實度對砂樣滲透性的影響

郭慶國研究了不同粗顆粒含量下石英砂的滲透性變化關系，發現粗顆粒含量對砂樣的滲透性能存在顯著影響，當含量大于40%后，石英砂的滲透性與粗顆粒含量呈正相關，并且在粗顆粒含量為65%～75%內的某點，滲透系數會隨粗顆粒含量的增加而出現激增;崔翔等針對細小顆粒隨滲流作用移動問題研發了相關試驗裝置，并且通過試驗表明隨著粒徑小于等于0.075 mm的顆粒含量增加，鈣質砂滲透系數總體呈減小趨勢;孔令偉則研究發現當砂土中粒徑小于0.075 mm的顆粒質量占比低于10%時，滲透系數會隨細顆粒的增加而急劇減小。

胡明鑒研究發現鈣質砂的滲透系數會隨著干密度的增大呈指數規律增大;錢琨通過試驗證實相同級配的鈣質砂隨著孔隙比的增大，滲透系數也隨之呈指數增大規律。

2.3 顆粒形狀對砂樣滲透性的影響

鈣質砂顆粒自身形狀結構復雜多變，為了對顆粒幾何形狀進行具體分析，陳海洋等通試驗測試，發現鈣質砂顆粒形狀的分形特征明顯，并且其分型特性會隨著砂樣粒徑的減小而逐漸增強;任玉賓探究顆粒形狀與滲透性之間的關系，分析在相同相對密度Dr下，不同砂樣的滲透系數大小，最終獲得的滲透系數結果為：鈣質砂<標準砂<人造玻璃珠;邱珍鋒引入球形度參數對粗粒土顆粒形狀進行判定，球形度越高的土粒，棱角度越弱，滲透性越強。

3、外荷載作用下的滲流問題研究

砂樣在受到外力荷載作用下時，由于內部結構的變化，其滲透性能將會發生明顯改變，對于不同的外荷載，土體的滲透性能變化也不同。

3.1 軸向應力對砂樣滲透變形特性的影響

師旭超通過進行滲透固結試驗，探究飽和軟粘土在外荷載作用下的滲透特性問題;蔣中明發現應力狀態是影響砂礫石土的滲透變形特性的關鍵因素，即土體承受的約束應力越大，滲透破壞所需的臨界水力梯度值越大;付宏淵等發現當砂樣的初始孔隙比較大時，荷載的作用會使其滲透系數相較于其他密實度較大的試樣迅速下降，但隨著荷載作用下砂樣壓實度的不斷提高，滲透系數的減小速率將會逐漸放緩。

3.2 振動作用與剪切應力對砂樣滲透變形特性的影響

萬良勇等通過改進常用的動三軸儀，研究飽和砂土在保持穩定滲流的條件下振動作用對穩定性的影響。研究發現同樣的外力作用下，飽和砂土水力梯度值越大，飽和砂土抵抗動力荷載變形作用的能力越低;繆姜燕等通過對軟黏土進行振動試驗，發現軟黏土的滲透系數會隨著荷載振次的增多而非線性減小，會隨著荷載的振動頻率提高以冪函數的形式來衰減，另外，在試驗過程中如果砂樣的滲透壓升高，砂樣滲透系數也會隨之產生指數衰減。雷紅軍等發現黏性土在發生較大軸向應變時滲透特性產生規律性變化，在剪切試驗的起始階段，試樣的滲透系數迅速減小，而后隨著軸向位移的不斷增加，其變化程度逐漸減小，滲透系數值最終趨于穩定。

3.3 沖擊作用對砂樣滲透變形特性的影響

Ueng等將滲透試驗與沖擊液化試驗相結合，用于直接評估飽和砂土液化前、液化中和液化后滲透性變化。滲透破壞試驗表明：太沙基理論方程可以很好地預測砂土試樣砂沸的臨界狀態，液化試驗表明：液化時砂的滲透性約為初始值的4倍，而超孔壓完全消散和完全沉降后約為初始值的0.9。此外，試驗結果表明，只有液化現象發生時才會引起砂樣明顯沉降，而非液化狀態下砂樣幾乎沒有沉降產生。

結論：

目前針對土體的滲透特性研究結果豐富，總結以往學者成果，得到的主要結論如下：

（1）砂樣的滲透性會隨自身物理參數影響而發生改變，根據有效粒徑d10、孔隙比e、顆粒級配等對砂樣的滲透特性影響，擬合出砂樣滲透系數計算的相應經驗公式，并且發現相同相對密度Dr下，不同砂樣的滲透系數大小顯著不同，不同砂樣的顆粒形狀不同，通過研究發現，球形度越高的土粒，棱角度越弱，滲透性越強;

（2）土體所受的外荷載不同，其滲透性能將會發生不同的改變，當荷載作用使得砂樣的孔隙比減小時，其滲透系數也會逐漸減小;而當砂樣在外荷載作用下發生液化時，液化狀態下砂樣的滲透性將會顯著增大。

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作者簡介：

黎曉冬（1996—），女，漢族，山東菏澤人，碩士研究生，研究方向：巖土工程。