連續沖擊下無粘性砂滲透特性試驗

黎曉冬，邱艷宇,，李胡軍，徐觀淦，紀玉國

(1.陸軍工程大學 爆炸沖擊防災減災國家重點實驗室，南京 210007；2.南京理工大學 機械工程學院， 南京 210094)

1 引言

砂樣的滲透性代表了水在砂樣孔隙中滲透流動情況的好壞，是評價砂石地基穩定性的重要指標，滲透性同時影響土體內部排水固結速率，對工程的排水措施及安全評估等方面有著顯著影響。目前對于砂樣滲透性的研究，多集中在水力條件和砂樣自身性質如粒徑級配、初始含水率、初始密度等對砂樣的滲透性影響上，并設計有多種試驗裝置進行測定。

而有外荷載作用下的砂土滲透過程往往會與正常穩定下的砂樣滲透過程有較大區別，Huang等設計了非飽和土三軸滲透儀，可用于測定不同固結壓力下試樣的滲透系數；Tomlinson等以及Chang等通過改良滲透儀研究了應力狀態對砂土滲透變形的影響；師旭超等研制了一種滲透固結試驗裝置，用于探究飽和軟粘土在外荷載作用下的滲透特性問題；蔣中明利用大直徑滲透變形儀加載系統，研究了鉛直應力大小對含黏粒粗粒土滲透變形特性及臨界水力梯度的影響；付宏淵等研制了有壓滲透儀，得出了荷載以及壓實度與土體滲透系數的相互關系。以上研究大多集中于靜力荷載作用下的試樣的滲透性改變問題，研究對象也多集中于軟粘土。

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。我國南方梅雨季節降水頻繁，由于施工現場通常地勢較低洼，使得地基區域土質含水率普遍較高，甚至在基坑等位置出現積水。而在建筑、水利等實際工程中，砂土地基通常會受到夯實、碾壓、構造物施工等動態外力荷載連續作用，因此在施工處理過程中，砂土地基的滲透性也會隨著外荷載的作用而產生極大變化，進而影響砂土地基的穩定性。在島嶼建設過程中，大陸架及近海平原屬于高富水區域，砂樣受到連續武器沖擊后，自身滲透性改變對其地基的進一步失穩作用也值得關注。因此通過試驗探究動態荷載下，砂樣滲透系數的改變情況，對進一步研究沖擊時沿海島嶼地基穩定性分析、砂面沉降計算等具有重要的理論與工程實際意義。

因此，本文針對無黏性砂的滲透特點，研制了可用于研究連續沖擊荷載環境下砂樣滲透性特性的試驗裝置，并進行了多組不同孔隙比砂樣的動態和靜態滲流試驗。

2 裝置結構組成

2.1 試驗原理

相比于靜力荷載對砂樣滲透性的影響，瞬時動態外荷載作用時，砂土往往因內部水分無法及時排出，而引起砂樣有效應力發生明顯變化。根據文獻[15]的研究，按照有效應力原理，砂樣中所受到的總應力可分為有效應力和孔隙水壓力兩個部分承擔，即:

=′+

(1)

式中:為砂樣總應力；′為砂樣有效應力；為砂樣孔隙水壓力。

因此由式(1)可知，砂樣在受外荷載時，其有效應力與孔隙水壓力的改變量相等，即：

Δ′=Δ

(2)

假設滲流試驗符合達西定律，則砂樣的滲透系數為

(3)

式中:為砂樣斷面平均滲流速度；為單位時間內試樣的滲流出水量；為試樣的橫截面積；等于水頭差Δ與滲流路徑的比值，其中Δ等于孔壓的變化值Δ與水的重度之比，為滲流通過的試樣高度。因此，結合式(2)，滲透系數可進一步表示為

(4)

由式(4)可以看出,砂樣的滲透系數受砂樣的高度和有效應力的共同影響，而不同位置處的砂樣上覆高度又會影響其有效應力變化，因此砂樣的滲透系數與其有效應力改變量密切相關，即與所施加的外荷載有關。

沖擊荷載下的動態滲流裝置如圖1所示，該裝置由供水系統、裝置主體以及沖擊加載系統組成，可用于模擬飽和砂樣在沖擊荷載作用時的滲流狀態。其中供水系統可向裝置內的試樣提供恒定壓力水流；裝置主體用于模擬砂樣在側限條件下的滲流過程；沖擊加載系統可向裝置主體底部施加沖擊荷載。

2.2 供水系統

供水裝置包括供水水泵、流量計、針形閥、管道，可保證向裝置主體內通入穩定水流。

1) 水泵：試驗過程中設定水泵的供水壓力不變，保證水泵在固定時間內的出水量穩定。為防止水流量過大，在水泵出水口處向外安裝多個排水管道，試驗管道與其中一排水管道相連接，即可獲得試驗需要量程范圍內的出水量。

2) 針形閥：選用的針型閥具有安裝拆卸方便、連接緊固、耐壓能力高、密封性能良好等優點，可以控制壓力水流向裝置主體的施加情況。

圖1 滲流試驗裝置圖

2.3 裝置主體

該部分由試樣筒、鋼箍、法蘭盤、螺紋桿支架、過濾盒以及排水管等組成。

1) 試樣筒：該部分裝置主要用于承載試驗試樣，其管內徑10 cm，高26 cm，采用透明有機玻璃管，可方便觀察試驗過程中砂粒間的滑移方式和砂樣內部的結構改變。試樣筒側壁開有一排上下間隔為5 cm的螺紋孔，用于安裝孔隙水壓力傳感器，可實時檢測不同高度處砂樣的孔隙水壓力值變化，也可連接排水管，以測量試驗過程中滲流出水量。

2) 法蘭盤：法蘭盤結構示意圖如圖2所示。

圖2 法蘭盤結構示意圖

試樣筒底部與法蘭盤通過螺母進行固定。為向試樣提供自下而上的滲透水流，在法蘭盤側壁設有連接頭與供水裝置相連接，因此為了防止試樣筒底部漏水，保證裝置的整體密封性，法蘭盤上表面開設有一道O型槽，用于放置O型橡膠密封圈，同時在法蘭盤上表面涂抹一定量的凡士林。

3) 過濾盒：為防止細砂流失，在試樣筒內安裝有過濾盒，其過濾孔徑為0.075 mm，可使水流均勻流過上部砂面，從而增加試驗精度。

4) 鋼箍：沖擊試驗過程中，在試樣筒上部通過安裝鋼箍將試樣筒與螺紋桿支架固定為一體，可保證沖擊狀態下試樣筒上部結構穩定，減少因為試樣筒晃動而對試樣造成的干擾。

2.4 沖擊加載裝置

在試驗過程中，采用氣錘改進裝置進行加載。氣錘的內部結構如圖3所示，其高度為32 cm，沖擊頭部的直徑為 7 cm，氣錘通過固定螺栓與裝置底座相連接。當相連接的氣泵工作時，大量氣體從進氣口進入氣錘內部，推動震芯向上壓縮壓簧，進而推動沖擊頭部向上進行沖擊。為防止沖擊系統卡死，在沖擊頭部安裝有由緩沖彈簧和沖擊銅帽的緩沖裝置。沖擊頭部旁有排氣口，在震芯上升時排除多余氣體，保證氣錘內外大氣壓相等。

圖3 沖擊裝置內部結構示意圖

沖擊裝置所能提供的沖擊荷載峰值大小為0.3～1 MPa，間隔頻率在0.2～2 Hz，通過調節時間繼電器和氣泵出氣量來控制沖擊荷載的間隔頻率和大小，從而模擬不同荷載下無黏性砂土的滲流狀態。以間隔頻率為0.25 Hz，峰值大小為0.3 MPa的沖擊荷載為例，在試樣筒底部測試到的多次沖擊壓力典型波形如圖4所示。

圖4 多次沖擊壓力波形圖

3 沖擊滲透特性試驗

3.1 試樣制備

選用砂樣為粒徑在0.15～5 mm的石英砂顆粒，具體級配曲線如圖5所示，各項物理指標如表1所示。砂樣試驗原料拍攝照片如圖6所示，取1.18～2.36 mm的試樣進行電鏡掃描分析，電鏡掃描圖如圖7，可發現所選用試驗材料與實際工程所用砂樣形狀一致。

圖5 試樣顆粒級配曲線

表1 試樣的物理指標

圖6 試樣照片

圖7 試樣掃描電鏡圖

為保證砂樣裝樣均勻，對砂樣進行分層裝樣。首先，將每層預先確定質量的砂樣通過長頸漏斗傾倒，漏斗下方出口保持在高出試樣筒內砂面1～2 cm的位置處，放開錐形塞使砂樣緩慢且均勻分布地落入試樣筒中，而后將砂面撫平。每層砂樣裝樣結束后，在試樣筒內壁旁，放置一層薄薄的彩色砂，以便在試驗過程中觀察不同高度砂層的厚度和變形。用橡膠錘輕輕敲打試樣筒，根據砂樣所需密度調整砂樣至所需高度，為了保證整體裝樣均勻，防止底層砂樣被過度壓實，首先將下層壓實至高于所需厚度，之后根據彩色砂的位置，調整每層試樣的高度大約一致為止。圖8所示為制備后的試樣。

圖8 制備后的砂樣圖

本試驗采用水頭飽和的方式對砂樣進行飽和，試驗開始前，將脫氧水從砂樣底部緩慢注入砂樣內直至從頂部排水管溢出，而后將砂樣中的穩定水流保持24 h，以確保砂樣充分飽和。

試驗中在試樣筒側壁安裝如圖9所示的微型孔隙水壓力傳感器，用于測量試驗過程中不同高度位置處砂樣的孔隙水壓力值變化。傳感器直徑為6 mm，采用此種較小的直徑可以有效降低對試樣筒側壁的影響；傳感器量程為0～500 kPa，精度為0.1%FS；在傳感器表面安裝透水石，防止砂粒與傳感器直接接觸產生誤差，同時確保砂樣中水的自由流通，提高試驗的準確性。

圖9 孔隙水壓力傳感器圖

3.2 試驗步驟

首先進行簡單滲流試驗，在無荷載環境下，調整水泵壓力使試驗中水流流速保持穩定，打開針形閥向砂樣底部通入恒定水流。試驗中通過調整排水管出水速度使試樣筒水位高度保持不變，將不同位置處的傳感器孔壓值轉換為該位置處的水頭高度，同時測定該試驗一定時間內排水管的滲流出水量，進而計算靜態環境下的滲透系數。

沖擊荷載下的滲流試驗，簡單滲流試驗步驟完成后繼續保持恒定水流流速，調節氣泵和繼電器，使沖擊裝置開始施加由下向上的沖擊荷載。記錄沖擊穩定后不同位置處的傳感器孔壓值，并將其轉換為水頭高度，測定沖擊穩定后一定時間內排水管的滲流出水量，計算得此時滲透系數為沖擊荷載下的滲透系數。

整個試驗過程中水溫控制在20 ℃。為保證試驗結果的可重復性，每組試樣分別進行4～5次試驗。

3.3 滲透系數計算

由于沖擊穩定后的試樣孔壓變化微小，因此采用常水頭滲透系數公式進行計算。2種試驗條件下均分別用標定好的量杯每50 s測量一次試樣筒上部排水管的滲流出水量，連續測量3次。當連續兩次數據差值不超過5%時，取3次滲流出水量的平均值進行計算。按照土工試驗規程，滲透系數的計算公式為

(5)

式(5)中，為滲透時間；為試樣在時間內的滲流出水量；為兩傳感器之間的試樣高度;Δ為兩傳感器位置處的水頭差，通過傳感器測得的孔壓數據計算獲得。

3.4 不同孔隙比試樣滲透特性試驗結果與分析

為探究相同沖擊荷載對不同孔隙比飽和砂樣的滲透性影響，按照式(6)，通過控制干密度的大小來制備五組具有多個不同孔隙比的石英砂試樣。

(6)

式中:為水的密度(g/cm)；為比重。

每組試樣試驗過程中的水流流速保持在0.4 L/min，所用沖擊荷載峰值穩定在0.5 MPa，間隔頻率保持為0.25 Hz。試驗結束后，獲得相應的參數，按式(5)計算不同孔隙比飽和砂樣沖擊荷載施加之前的靜態滲透系數和沖擊穩定狀態下的滲透系數。在所得的試驗結果中選取3組在允許誤差范圍以內的數值(相互之間差值不大于1×10cm/s)，求其平均值，具體的研究結果如表2和圖10所示。

表2 不同孔隙比e飽和石英砂的滲透系數

圖10 孔隙比e與飽和砂樣滲透系數k關系曲線

1) 由圖10可知，在無荷載條件下,飽和砂樣靜態滲透系數大小在10cm/s量級范圍內，其值會隨著其孔隙比的增大而顯著增大，通過最小二乘法進行擬合得相關系數值為0.996 4，因此可認為砂樣滲透系數與其孔隙比之間存在很高的線性相關度。從微觀角度分析，對于顆粒級配相同的砂樣，隨著其孔隙比的增大，試樣單位體積內所包含的孔隙也不斷增多，平均孔隙直徑不斷增大，試驗過程中的滲流通道也隨之更加開闊，這使得滲流過程中的阻力不斷減小，水流更容易在顆粒介質中流通。

2) 在外部荷載沖擊下，砂樣滲透系數也會隨著其孔隙比的增大而增大，通過Origin軟件進行擬合得到相關系數值為0.969。觀察圖10可發現，對于相同孔隙比的試樣來說，在此種荷載下，其動態滲透系數小于靜態滲透系數，但兩者數值依舊保持在同一量級上。

另外，隨著孔隙比的增大，2種滲透系數的差值會不斷增大，即荷載對初始孔隙比大的土體滲透性影響更大，這一點與文獻[11]中荷載對低壓實度地基土滲透系數的影響極為明顯得結論保持一致。

試驗過程中施加的瞬時沖擊荷載主要改變了砂樣的內部孔隙結構，激發砂樣中的孔隙水產生沖擊動水壓，這一壓力會帶動砂粒中的細顆粒隨滲流路徑運動，極易對砂粒間的孔隙進行填充。進而在沖擊穩定階段，試樣中的水流通道減小且變得狹長，水流通過試樣時的阻力加大，宏觀上表現為試樣受到荷載時滲透系數減小。對于初始孔隙比大的試樣，初始狀態下的粒間孔隙較多，更容易在荷載作用改變自身孔隙結構，因此荷載對孔隙比大的試樣滲透性影響更加明顯。

3.5 不同荷載作用下試樣滲透特性試驗結果與分析

為探究不同荷載作用下飽和砂樣的滲透特性問題，按式(6)控制每組試樣孔隙比均為0.338來進行試驗研究，試驗所用水流流速為0.4 L/min，保持荷載間隔頻率為 0.25 Hz，改變荷載大小進行沖擊滲流試驗。試驗結束后，按式(5)計算不同大小荷載下砂樣的滲透系數，具體的研究結果如表3和圖11所示。

表3 不同荷載下飽和石英砂的滲透系數

圖11 荷載p與飽和砂樣滲透系數k關系曲線

從圖11可以看出，荷載間隔頻率不變的情況下，砂樣的滲透系數會隨著施加荷載的增大而呈指數減小，對數據進行擬合得此時相關系數值為0.995。

因為砂樣初始級配和孔隙比均相同，所以當施加荷載越大時，砂樣內部結構變形量將越大，從而導致砂樣滲透系數的改變越明顯。 但由于最大密實度的限制，荷載大小對砂樣結構改變能力的增強會隨其值的增大而逐漸減弱，砂樣滲透系數減少量也會隨之變化緩慢。因此，在施工過程中應該充分考慮荷載大小對砂土地基進行處理，避免施工中引起滲透性的大幅變動。

4 結論

本文研制了沖擊荷載飽和砂土動態滲流裝置，采用該裝置開展了石英砂的沖擊滲透特性試驗，得到的主要結論如下：

1) 研制的試驗裝置可向滲流狀態下的砂樣提供峰值大小0.3～1 MPa，頻率0.2～2 Hz的沖擊荷載。利用該裝置可模擬有側限條件下無粘性砂的動態滲流狀態，同時可測量不同高度位置砂樣的孔壓變化，進而計算砂樣的滲透系數。

2) 對于具有相同級配的石英砂來說，砂樣滲透系數會隨孔隙比的增大而呈線性增大；同一初始孔隙比砂樣在沖擊作用時的動態滲透系數小于靜態滲透系數，并且隨著孔隙比的增大，2種滲透系數差值逐漸增大；對于相同級配和相同初始孔隙比的砂樣，保持荷載的間隔頻率不變，砂樣的滲透系數隨著荷載大小的增加而呈指數衰減。