陕西某地重塑黄土渗透系数的试验研究

宋春梅

0 引言

黄土古称“黄壤”,是干旱半干旱气候条件下形成的第四纪堆积的以粉土颗粒为主,富含碳酸盐,具有大孔性,黄色的松软沉积物[1]。湿陷性是黄土特性,湿陷现象是由于水的渗透浸润而引起,因而黄土的渗透特性直接影响着湿陷的发展。在湿陷性黄土地区的工程设计中,渗透性是一个重要的设计参数,只有充分了解其渗透特性,才能进行科学合理的设计[2]。本文利用改制仪器对重塑黄土在不同渗透压力下的渗透系数进行了试验研究。

1 试样来源及原状土样基本物理性质指标

试验所用土样取至陕北,通过比重瓶法试验测定原状土样的比重为2.69,烘干法测得土样的天然含水量为20.8%,天然干密度为1.64 g/cm3。该土料的物理性质指标见表1。

表1 试验土样基本物理性质指标

2 重塑土样的制备

2.1 散土制备

重塑土采用天然含水量散土和烘干后过0.25筛的烘干土。过筛试验土分别按10%,15%,20%的含水量制备。不同含水量重塑黄土的制备过程为:将散土置于烘箱中,在105℃下烘24 h后置于干燥箱冷却;然后将烘干土碾碎,过0.25 mm的筛;最后称取2000 g过筛黄土,按设计含水量加水拌匀后置于保湿缸中,放48 h,使土样水分分散均匀。

2.2 重塑土样的制备

重塑土样分为4组,即天然含水量散土直接击实样和10%,15%,20%三个含水量过筛黄土击实样。重塑土样制备过程如下:1)称取900 g土,一次性加入击实仪,在设计的击实数下击实;2)待击实结束后取出击实桶置于脱土仪上,将土柱脱出;3)用称过重量的30 cm2×4 cm的环刀取出土样;4)取一部分散土测量重塑土样的实际含水量。

3 渗透系数试验方法

3.1 试验装置

试验装置为组装装置,装置组成图见图1,渗透容器为南55渗透容器。

3.2 试验方法

通过调压阀增加压力到设计的压力,启动秒表记时的同时,在出水口处放置一量筒,同时记录起始水头压力P1,经过时间t后,读取渗出水量Q。当相同时间段内连续3次渗出水量相同时终止试验。同时记录试验开始与终止时的水温,取平均值。

计算公式:

其中,kT为水温为T℃时试样的渗透系数,cm/s;Q为时间t内的渗出水量,cm3;L为渗径,即试样高度,cm;A为试样的面积,cm2;P1为常压水头,kPa;t为时间,s。

变水头试验和常水头试验结束后均按式(2)换算成标准温度下的渗透系数:

4 试验结果

通过试验,我们获得不同含水量重塑土样在不同渗透压力下的渗透系数,得到了渗透系数与渗透压力的关系图(见图2)。

从图2中可以看出重塑土样的渗透系数在 10-6cm/s～10-7cm/s间变化,结合图2,土样渗透系数总体上随土样干密度的增大而减小,但最大干密度土样的渗透系数并非最小,渗透系数最小的干密度为1.60 g/cm3左右。

对比三个不同含水量黄土不同击实数下渗透系数与渗透压力关系图可以发现三种不同的渗透系数变化趋势:1)11.4%含水量重塑样在潜蚀贯通过程中的渗透系数的变化趋势是随着渗透压力的增加而增加,而且在同一渗透压力下,渗透系数随时间不断增大,这是因为重塑土的含水量较小,击实后重塑样的干密度较小,土体孔隙率大,在击实过程中,骨架颗粒间的粘结力较弱,在渗流作用下,土体颗粒不断被带出,最终导致土体渗透性增强[3],渗透系数变大。从整体上看,渗透系数随击实数的增加而减小,这是因为随着击实数的增加,重塑样的干密度增加,土样的孔隙度变小,导致土体的渗透系数较低。2)15.4%含水量重塑土样除10击的土样外,其余土样的渗透系数随渗透压力的增加变化不大,在同一渗透压力下,渗透系数基本保持为一个稳定值。形成这种现象的原因可能在于重塑土样结构性较好,在渗流作用过程中,土体的结构基本保持完好。总体上看,渗透系数随击实数的变化与11.4%含水量土样相同。原因也是因为随着击实数的增加,土样的孔隙度降低,导致渗透系数变小。3)20.8%含水量天然散土重塑样渗透系数的变化趋势也是随渗透压力的增加呈不断下降趋势,但在刚增加渗透压力时,渗透数却较前一个渗透压力下的渗透系数有所增加,然而随着时间的增加,渗透数又不断降低,且比前一个渗透压力下的渗透系数变小。但在击实数为10击的情况下,渗透系数随渗透压力的增加变化不大。同一击实数土样的渗透系数随渗透压力的增大而变小是因为土体骨架颗粒间的粘结强度较大,在渗流过程中,渗流不能将土颗粒带出土体,而随着渗透压力的增大,土体产生渗透固结,骨架颗粒间产生一定的位移,导致孔隙率降低,渗透系数减小[4]。

5 结语

1)试验重塑土样的渗透系数的变化范围在 10-6cm/s～10-7cm/s间;2)土样渗透系数总体上随土样干密度的增大而减小,但最大干密度土的渗透系数并非最小,渗透系数最小的干密度为1.60 g/cm3左右;3)不同含水量不同干密度的重塑土样在不同渗透压力下的渗透系数变化较大,但是当含水量为15.4%及干密度为1.60 g/cm3左右时,渗透系数随渗透压力的变化较小。这说明当重塑黄土含水量达到一定值且干密度为某一值时,重塑黄土的结构特性将比较稳定,渗透压力对渗透系数的影响较小,这对黄土地区的工程建设将有一定的参考意义。

[1]郑晏武.中国黄土的湿陷性[M].北京:地质出版社,1982.

[2]王 辉,岳祖润,叶朝良.原状黄土及重塑黄土渗透特性的试验研究[J].石家庄铁道学院(自然科学版),2009(6):45-47.

[3]蒋定生.黄土高原水土流失与治理模式[M].北京:中国水利水电出版社,1997.

[4]Imamura S,Sueoka T,Kamon M.Long term stability of bentonite/sand mixtures at L.L.R.W.storage[A].In:Kamon M ed,Environmental Geotechnics[C].Rotterdam:A.A.Balkema,2000:545-550.