壓實度對膨脹土滲透特性的影響研究

許英姿　楊昀和　黃政棋

摘要：為研究不同壓實度對膨脹土滲透特性的影響規(guī)律，文章以南寧膨脹土為研究對象，通過壓力板儀試驗和變水頭滲透試驗，結(jié)合預測模型對非飽和滲透系數(shù)進行預測。結(jié)果表明：壓實度對膨脹土滲透特性的影響較明顯，壓實度為95%的膨脹土飽和滲透系數(shù)僅為8.69×10 -9 m/s，而壓實度為75%的膨脹土飽和滲透系數(shù)為6.33×10 -7 m/s，比壓實度為95%的大約2個數(shù)量級;當壓實度相同時，基質(zhì)吸力越大，膨脹土滲透系數(shù)越小;當基質(zhì)吸力相同時，壓實度越高，膨脹土滲透系數(shù)也越小;基質(zhì)吸力為1 000 kPa時，各壓實度的膨脹土滲透系數(shù)均<10 -11 m/s，壓實度為95%的膨脹土滲透系數(shù)要比壓實度為75%的小約2個數(shù)量級。

關(guān)鍵詞：膨脹土;壓實度;滲透特性;滲透系數(shù)

中國分類號：U416.1 +67

0引言

膨脹土是一種具有典型特性即脹縮性、裂隙性和超固結(jié)性的高塑性黏土。膨脹土邊坡失穩(wěn)常常發(fā)生在降雨后[1]，降雨入滲引起膨脹土內(nèi)部含水量變化，導致土體的力學特性發(fā)生改變，最終觸發(fā)淺層滑坡[2]。因此，確定與膨脹土滲流相關(guān)的滲透參數(shù)，對分析膨脹土邊坡的穩(wěn)定性有十分重要的意義[3]。工程中的膨脹土大部分處于非飽和狀態(tài)，非飽和滲透系數(shù)是描述膨脹土在非飽和狀態(tài)下導水能力的參數(shù)。眾多學者研究發(fā)現(xiàn)非飽和膨脹土的滲透系數(shù)受初始含水率、初始孔隙比、干密度等多種因素影響[4-7]，且其本身結(jié)構(gòu)復雜，如果采用常規(guī)的飽和土滲透試驗精確測量非飽和土滲透系數(shù)，所需費用十分昂貴，且耗時較長。研究表明，根據(jù)土水特征曲線（簡稱SWCC曲線）能夠間接推測非飽和土的滲透系數(shù)，其計算精度在工程允許范圍內(nèi)，且所需費用較少[8]。本文以廣西南寧膨脹土為研究對象，采用變水頭滲透試驗對膨脹土進行飽和滲透系數(shù)的量測，分析飽和滲透系數(shù)的影響規(guī)律，并結(jié)合壓力板儀試驗擬合結(jié)果，對非飽和膨脹土的滲透系數(shù)進行間接預測，研究非飽和滲透系數(shù)的影響規(guī)律，為分析膨脹土邊坡失穩(wěn)提供參考。

1試驗土樣與方案

1.1土樣物理性質(zhì)指標

本次試驗所用土樣取自廣西南寧市興[JP+1]寧區(qū)水牛研究所附近的膨脹土邊坡。土樣的物理性質(zhì)指標試驗結(jié)果如表1所示。由自由膨脹率可知試驗土樣為中等膨脹性膨脹土。

1.2土樣制備和試驗方案

取風干土樣錘碎后過2 mm篩，按照最優(yōu)含水率19%所需加水量配制土樣。采用靜壓法制備環(huán)刀試樣，試樣的壓實度分為95%、90%、85%、80%和75%五種，每個壓實度制取3個平行樣。土水特征曲線試驗與飽和滲透試驗均按照《公路土工試驗規(guī)程》（JTG E40-2007）進行操作。采用1500型15 Bar壓力板儀進行SWCC曲線試驗，所用環(huán)刀尺寸內(nèi)徑為61.8 mm，高10 mm，加壓路徑為：0 kPa→25 kPa→50 kPa→100 kPa→200 kPa→400 kPa→600 kPa→800 kPa→1 000 kPa。采用TST-55型滲透儀進行變水頭滲透試驗，量測飽和滲透系數(shù)，所用環(huán)刀尺寸內(nèi)徑為61.8 mm，高度為40 mm。

2試驗結(jié)果與分析

2.1壓力板儀試驗結(jié)果擬合

前人研究發(fā)現(xiàn)VG模型能較好地擬合膨脹土的土水特征曲線試驗結(jié)果[9]，故本次試驗選用VG模型對試驗結(jié)果進行擬合。擬合結(jié)果如表2所示。

2.2膨脹土飽和滲透系數(shù)分析

變水頭滲透試驗的飽和滲透系數(shù)按《公路土工試驗規(guī)程》（JTG E40-2007）的公式計算，為方便對比分析，將計算結(jié)果換算為20 ℃時的飽和滲透系數(shù)。換算結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，壓實度對膨脹土飽和滲透系數(shù)的影響較明顯。膨脹土在高壓實度時的飽和滲透系數(shù)很小，95%壓實度的膨脹土飽和滲透系數(shù)僅為8.69×10 -9 m/s。隨著壓實度的降低，膨脹土的飽和滲透系數(shù)會相應增大，這是因為膨脹土的滲透性與其結(jié)構(gòu)特性有密切聯(lián)系。

（1）壓實的作用主要是壓碎膨脹土中的較大土顆粒，破壞膨脹土的原有結(jié)構(gòu)，而壓碎后的土顆粒會填充孔隙，使得土體的孔隙率減小，同時也會阻塞水的入滲通道，進而影響滲透性。膨脹土壓實度越高，壓實作用越顯著，孔隙率越小，水的入滲通道也越少，導致飽和滲透系數(shù)越小。

（2）飽和土中的自由水不受多孔黏土顆粒表面性質(zhì)的影響，壓實度高的土樣孔隙率較小，自由水在土中流動會被滲流通道的數(shù)量限制，故其飽和滲透系數(shù)相對壓實度低的土樣要小。當土的壓實度較低時，土體內(nèi)部的大孔隙數(shù)量會顯著增加，粒間孔隙的連通性變好，土的滲透性也會變好。當壓實度為75%時，土體的飽和滲透系數(shù)為6.33×10 -7 m/s，相比95%壓實度的土樣大了約2個數(shù)量級，說明壓實度對土體飽和滲透系數(shù)的影響十分顯著。

2.3膨脹土非飽和滲透系數(shù)的預測

利用SWCC曲線預測膨脹土的非飽和滲透系數(shù)需要借助滲透系數(shù)模型。本文利用Van Genuchten的滲透系數(shù)模型[10]，如式（1）、式（2）所示，在已知飽和滲透系數(shù)的前提下，結(jié)合SWCC曲線擬合結(jié)果對土體的滲透系數(shù)進行預測。

膨脹土SWCC曲線的VG模型擬合參數(shù)如前頁表2所示，將各參數(shù)代入式（1）和式（2）即可計算非飽和滲透系數(shù)。不同壓實度膨脹土的滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力的關(guān)系如圖2所示。

由圖2可知，在相同壓實度條件下，膨脹土中基質(zhì)吸力越大時對應的滲透系數(shù)越小，在基質(zhì)吸力為1 000 kPa時，各壓實度的膨脹土滲透系數(shù)均<10 -11 m/s，這說明處于高吸力狀態(tài)下的膨脹土很難入滲。根據(jù)滲透系數(shù)的降低速率可把曲線分為兩段：

（1）第一段為基質(zhì)吸力在0～200 kPa范圍，這一段滲透系數(shù)隨基質(zhì)吸力的增加而減小的現(xiàn)象十分顯著，基質(zhì)吸力為200 kPa時的滲透系數(shù)平均值要比飽和狀態(tài)時的滲透系數(shù)小約3個數(shù)量級。

（2）第二段為基質(zhì)吸力在200～1 000 kPa范圍，該段滲透系數(shù)也呈現(xiàn)出隨基質(zhì)吸力增加而減小的變化趨勢，但是其降低的幅度要明顯小于第一段。而在相同的基質(zhì)吸力條件下，膨脹土的壓實度越高時對應的滲透系數(shù)越小，在基質(zhì)吸力為1 000 kPa時，壓實度為95%的膨脹土滲透系數(shù)要比壓實度為75%的小約2個數(shù)量級。其主要原因可能是膨脹土的滲透系數(shù)會受到土體孔隙比變化的影響，高壓實度的土樣孔隙比會相應較小，其大孔隙的數(shù)量也會少于低壓實度的土樣。基質(zhì)吸力從0 kPa開始增大時，土樣由飽和狀態(tài)向非飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變，空氣會將部分大孔隙中的水逐步取代，而在大孔隙中的自由水對整個土體的滲透率起著控制作用，低壓實度的膨脹土中大孔隙數(shù)量較多，孔隙中的自由水也較多，因此低壓實度膨脹土的滲透系數(shù)要比高壓實度膨脹土的大。隨著空氣壓力將大孔隙中自由水排出，土的飽和度不斷降低。當大孔隙中的水被空氣取代后，水只能在較小的孔隙中流動，孔隙水流動的路徑變得更小更曲折，因此滲透系數(shù)也不斷減小。

3結(jié)語

（1）壓實度對膨脹土飽和滲透系數(shù)的影響較為明顯，膨脹土在高壓實度時的飽和滲透系數(shù)很小，壓實度為95%的膨脹土飽和滲透系數(shù)僅為8.69×10 -9 m/s。隨著壓實度的降低，膨脹土的飽和滲透系數(shù)會相應增大，當壓實度為75%時，土體的飽和滲透系數(shù)為6.33×10 -7 m/s，比壓實度為95%的大了約2個數(shù)量級。

（2）當壓實度相同時，膨脹土中基質(zhì)吸力越大，對應的滲透系數(shù)越小，當基質(zhì)吸力為1 000 kPa時，各壓實度的膨脹土滲透系數(shù)均<10 -11 m/s。當基質(zhì)吸力相同時，膨脹土的壓實度越高，對應的滲透系數(shù)也越小，當基質(zhì)吸力為1 000 kPa時，壓實度為95%的膨脹土滲透系數(shù)要比壓實度為75%的小約2個數(shù)量級。

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