黃河沖積粉土的滲透特性研究

南 鈺，蔡瀚琛*，鄭 罡，海 岳，時 剛

（1.國網河南省電力公司開封供電公司，河南開封；2.鄭州大學土木工程學院，河南鄭州）

引言

黃河流域中下游平原廣泛分布著粉土，大部分屬于水成粉土[1-2]。粉土是介于砂土和黏性土之間的一種土，滲透系數高于黏性土[3-4]。相關學者采用太沙基滲透系數公式[5]、kozeny-carman 公式等[6-8]研究了粉土的滲透性[9-11]。但是其分析不夠深入，因此，本文以鄭州地區黃河沖積粉土為研究對象，分析粉土的滲透性。

1 試驗研究

1.1 試驗材料

1.1.1 基本物理性質

本試驗用土取自鄭州市西四環西側某工程場地。對試驗用土分別進行了相對密度、顆分、液塑限聯合測定試驗，得到土體的基本物理性質指標如表1 所示，顆粒級配試驗結果如圖1 所示。

圖1 鄭州粉土的顆粒級配曲線

表1 試驗用土的基本物理性質指標

由表1 可知，根據《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007-2011）[12]第4.1.11 條,判定試驗用土為粉土。

1.1.2 SEM 掃描

采用電子掃描方法分析研究區域粉土試樣的顆粒微觀結構，如圖2 所示。由圖可知，低放大倍數下（1 000 倍），粉土的顆粒輪廓清晰，顆粒大小分布不均勻，細顆粒占比較高，偶爾見粗大顆粒，與顆分試驗結果相吻合。在高放大倍數下（5 000 倍），粉土顆粒形狀以棱角顆粒和磨圓顆粒為主，棱角顆粒棱角分明，形狀不規則，分布不均勻，其中，土顆粒粒徑以20～50 um 為主。因此，鄭州地區黃河沖積粉土的顆粒組成以粉粒為主，膠粒含量相對較少。

圖2 鄭州地區的黃河沖積粉土掃描電鏡圖片

1.2 試樣的壓實標準

研究黃河沖積粉土的滲透特性時，需要考慮試樣壓實度影響，因此開展粉土擊實試驗，得到研究區域粉土的最大干密度和最佳含水量，進而制備不同壓實度粉土試樣。制備過程將風干、碾碎試驗用粉土并過2 mm 篩，參考塑限含水量，分別配置含水量為8.6%、10.6%、13.6%、16.6%、18%和20.6%的試樣。擊實試驗采用南京土壤儀器廠生產的JDS-2 型數控電動擊實儀，選用輕型擊實試驗，具體方法按《土工試驗規程》（SL 237-1999 規定進行。結果如圖3 所示，由圖可得出試驗用粉土的最佳含水量為13.5%，最大干密度為1.86 g/cm3。

圖3 黃河沖積粉土的擊實試驗結果

1.3 滲透試驗方法

為研究鄭州地區黃河沖積粉土的滲透特性，對不同壓實度粉土試樣進行滲透試驗，其中，每個壓實度制作兩個試樣進行平行試驗。根據顆粒級配分析結果，本試驗用粉土的細顆粒含量大于50%，屬于細粒土，因此，土體滲透試驗采用變水頭滲透試驗方法，采用南-55 型變水頭滲透試驗設備。進行變水頭滲透試驗時，主要分為土料準備、制樣、土樣飽和和測試四個步驟。準備土料時，按要求的含水量配置土料后，應在密封袋中保存48 h 以上；按要求的壓實度制樣后，將試樣上下表面墊上濾紙，用透水石和橡皮筋固定后，放置于真空飽和器中抽氣飽和；最后將試樣裝入滲透容器，并在低壓水頭下靜置12 h 進行二次飽和。滲透試驗時，每3 min 作為一個測量時間段，記錄該時間間隔內起始水頭高度及終止水頭高度，一次數據讀完需將水頭調至原來起始水頭高度。每個試樣測量6～8次，直至數據基本穩定。

2 試驗結果分析

2.1 滲透試驗結果

對不同壓實度的鄭州地區黃河沖積粉土土樣的滲透試驗結果進行整理，以壓實度λ 為橫坐標，以滲透系數k 為縱坐標，做出粉土滲透系數隨壓實度的變化曲線，如圖4 所示。

圖4 黃河沖積粉土滲透系數隨壓實度的變化曲線

由圖4 可知，鄭州地區黃河沖積粉土的滲透系數隨壓實度的增大而減小，壓實度越小，壓實度的變化對滲透系數的影響幅度越大。對滲透試驗結果進行擬合顯示，黃河沖積粉土的滲透系數k 與壓實度λ 近似成指數函數關系，這表明，若粉土填料壓實度不足則會使粉土地基的滲透系數顯著增大，進而引發沖刷、潛蝕等滲透破壞。

2.2 黃河沖積粉土滲透系數經驗公式的驗證

巖土工程、水利工程學等科研領域已有許多用于計算土體滲透系數的經驗公式，如表2所示。這些經驗公式大大簡化了滲透系數測試過程，且揭示了影響土體滲透特性的因素。

表2 土體滲透系數的常用經驗公式

式中，e0為無效孔隙比；a0細粒土中結合水質量占液限含水量的比例系數，0＜a0＜1，對某特定的細粒土，a0為近似常數，本文取0.8；ρaw結合水密度，取1.2g/cm3；ρs土顆粒的密度，取2.65g/cm3。

然而，表2 中列出的經驗公式是否適用于鄭州地區黃河沖積粉土尚未可知，需要通過室內試驗檢驗上述經驗公式的適用性。比較粉土滲透系數試驗結果與上述滲透系數的經驗公式計算值，結果如表3 所示。

表3 黃河沖積粉土滲透系數試驗結果與經驗公式計算結果的對比

由表3 可知，與黃河沖積粉土滲透系數的試驗結果相比，中科院經驗公式與kozeny-carman 公式的計算結果比試驗結果偏大2～3 個數量級，太沙基公式的計算結果比試驗結果偏小1 個數量級，預測誤差較大；而采用修正后的kozeny-carman 公式的計算結果與試驗結果誤差相對較小，大體在同一數量級上。此外，修正后的kozeny-carman 公式比修正前的公式計算結果更接近實際結果，且基本能夠反映壓實度對滲透系數的影響規律，除壓實度95%試樣外，其他計算結果誤差相對較小。因此，修正后的kozeny-carman 公式可運用于預測鄭州地區黃河沖積粉土的滲透系數。

3 結論

（1） 顆粒級配分析和SEM 結果表明鄭州地區黃河沖積粉土顆粒以粉粒組為主，黏粒含量相對較少。

（2） 鄭州地區黃河沖擊粉土的滲透系數隨壓實度的增大而減小，滲透系數減小可達一個數量級以上，滲透系數與壓實度呈負指數關系。

（3） 修正kozeny-carman 公式更適于預測鄭州地區黃河沖積粉土的滲透系數，且該公式也能反映壓實度不同對粉土滲透系數的影響。