饱和黏性土孔隙性对渗透系数的影响研究

庄心善， 郑 飞， 陶高梁， 朱志政

(湖北工业大学土木工程与建筑学院， 湖北 武汉 430068)

降雨不仅是引起边坡失稳的重要因素，也是分析城市垃圾填埋场建设与维护、地下污水的迁移即污染物的渗流与扩散、防洪堤坝的渗漏等工程的重要参数，一直以来受到广泛的重视[1-3]．曾玲玲[4]等人对天然沉积温州软粘土的原状样及重塑样进行结构性对黏性土渗透性状的影响研究，丁国平[5]等人对华北平原衡水沉降区基岩标钻孔中的第四系黏性土进行了土体渗透特征研究，明福林[6]等人对五道水库砾质黏性土心墙与基槽的接触进行了渗透变形试验．渗透系数是描述孔隙水在土中流动性质的一种度量[7]．由于粘性土的渗透系数较小，目前这方面的研究较少．本文基于变水头试验技术研究黏性土的渗透系数特性，得出了有益结论，供进一步深入研究粘性土的渗透性参考．

1 渗透试验的基本原理

渗透试验根据使用仪器类型分为常水头和变水头两种．常水头适用于透水性大(k>10-3cm/s)的土，例如砂土；变水头适用于透水性小(k<10-3cm/s)的土，例如粉土和黏土．黏性土由于渗透系数很小，流经试样的水量很少，难以准确量测,因此采用变水头法．变水头实验就是在整个试验过程中，渗透水头差随时间而变化的一种实验方法，试验过程中，某任一时间t作用于土样的水头为h,经过dt时间间隔后，刻度管(截面积为a)的水位降落了dh,则从时间间隔t至t+dt时间间隔内流经土样的水量dQ为-adh,其中负号表示水量Q随水头h的降低而增加．同一时间内作用于试样的水力坡降i=h/L,根据Darcy H定律，渗透系数[8]

式中：a为变水头管的截面积，cm2； 2.3为ln和log的变换因数；L为渗径，即试样高度cm；t1,t2为分别为测读水头的起始和终止时间s；h1,h2为起始和终止水头．

2 试验方法

试样土取自武汉汉街的一处工地基坑底部，埋深9 m，为非饱和黏土，土体的物理特性见表1．

表1 土体的物理特性

2.1 试验方法及步骤

2.1.1制样方法将所取土样风干后，过2 mm筛，测出土样的各种物理特性，含水率控制在15%左右时制样效果最好，测出土的风干含水率ω0之后，经计算，称取一定质量的风干土样和蒸馏水，按照《土工试验规程》[8]将其制成含水率为15%的试样土，密封静置24 h，复测含水率，得出实际含水率为15.13%；本次试验制样时三次分层填土，以利密实结合并采用液压千斤顶静压试验方法制备重塑试样，采用渗透环刀(高度4 cm,体积为120 cm3)，干密度及孔隙比见表2．称取一定质量的试样土(含水率为15.13%)，制备7相同平行试样，再将所制备试样进行抽气真空饱和，抽气时间为4 h，放入水中静置24 h，使饱和度达到95%以上，达不到时，继续进行饱和．

表2 土体试样编号及干密度

2.1.2试验步骤本试验采用的七组试样所采用的变水头管截面积分别是：0.484 cm2、0.526 cm2、0.491 cm2、0.491 cm2、0.491 cm2、 cm2、0.517 cm2、0.484 cm2.

依次将装有试样的环刀装入渗透容器放平，用螺母旋紧，要求密封至不透水不透气．将变水头管注满水，并渗入渗透容器，开排气阀，排除渗透容器底部的空气，直至溢出水中无气泡，关闭排水阀，向变水头管注水，使水升至预定高度，起始水头一般为130 cm左右(黏性土渗透系数小，起始水头太低易造成实验数据误差偏差大)．水位恒定后停止供水，把进水管夹打开使水流过试样，等待出水口有水溢出的现象时开始记录变水头管中的起始水头高度(H1)和起始时间(t1)，按指定时间间隔记录水头差(H1-H2)和时间差(t2-t1)，记录出水口水温．将变水头管中的水位变换高度，等待水位稳定后再次测量水头和时间的变化．

2.2 试验仪器

测试仪器为上虞市勘测土工仪器厂生产的南55-2改进型渗透仪．仪器如图1、图2所示．

图 1 渗透装置 图 2 渗透仪

3 试验结果分析

用测试数据代入变水头计算公式算出7个试样平均渗透系数，不同温度所选用的修正系数不同，从而对最终渗透系数造成影响，见表3．

表3 试验结果

图 3 温度与温度修正系数关系图

根据对七组不同干密度试样进行渗透试验时测得的温度和不同温度下对应的渗透系数绘制曲线如图3所示，表明温度修正系数随着温度的升高而降低．

图 4 孔隙比与最终渗透系数的关系图

根据不同孔隙比的七组试样测得的最终渗透系数绘制成曲线(图4)，从图中可以看出，渗透系数随着孔隙比的增大而增大，且明显分为三段，有0.718 8和1.037两个特征点．在0.612 9～0.718 8区间内，因土体较密实、黏性土颗粒较小导致渗流孔径较小，曲率半径较小，由于水存在表面张力，致使渗透时的表面张力较大，渗透时水受土颗粒的阻力较大，水只在土体密实度薄弱的地方进行渗透，表现出渗透系数很小．在0.718 8～1.037区间内，随着土体孔隙比的增大，孔隙半径逐渐增大，曲率半径也随之增大，致使渗透时的表面张力减小，水渗透时受土颗粒的阻力减小，渗透系数增大，形成稳定的渗流．在1.037～1.1154区间内，孔隙率很大，水渗流时受表面张力的影响很小，能够在土体中形成连续渗流通道，使渗透系数急剧增大．在工程应用中，为了减小渗透性，对此种土体要控制干密度和孔隙比在一定范围内．

图 5 干密度与最终渗透系数的关系图

根据不同干密度的七组试样测得的最终渗透系数绘制曲线(图5)，在1.3～1.35区间内时，干密度比较小，土体内部孔隙较大，此时水的渗透性较强，表现为渗透系数较大．在1.35～1.6区间内，土体内部孔隙较小，属于缓慢渗流状态．在1.6～1.705区间内时，因为土体较密实，渗透很难进行，表现为渗透系数很小．

4 结论

采用变水头渗透试验装置对武汉汉街地区土质的渗透性质进行研究，得出如下结论：

1)此次渗透试验用土为饱和黏性土，透水性小(k<10-3cm/s)，因此用变水头法测设渗透系数．

2)该变水头渗透实验受温度影响，测试温度越高，修正系数越小．

3)渗透系数随着孔隙比的增大而增大，且明显分为三段，有0.718 8和1.037两个特征点．

4)干密度越小，土体颗粒孔隙越大，在渗透过程中可以形成连续通道，渗透系数表现为较大．因此渗透系数随着干密度的减小而减小．

[参考文献]

[1] 徐永福,叶翠明,赵书权,等. 压应力对非饱和土渗透系数的影响[J]. 上海交通大学学报,2004(06):982-986.

[2] 蔡国庆,赵成刚,刘 艳. 一种预测不同温度下非饱和土相对渗透系数的间接方法[J]. 岩土力学,2011(05):1 405-1 410.

[3] 胡瑞林,李向全, 官国琳,等. 土体微结构力学----概念·观点·核心[J]. 地球学报,1999(02):38-44.

[4] 曾玲玲,蔡 超. 结构性对黏性土渗透性状的影响研究[J]. 福建工程学院学报,2012(03):230-234.

[5] 丁国平,胡 成,陈华丽,等. 衡水地面沉降区黏性土体渗透特征研究[J]. 工程地质学报,2012(01):82-87.

[6] 明福林,付会成. 五道水库砾质黏性土心墙与基槽的接触渗透变形试验[J]. 铁道建筑,2012(02):66-68.

[7] 弗雷德隆德 D G,拉哈尔佐 H.非饱和土土力学[M]. 陈仲颐译.北京：中国建筑工业出版社, 1997.

[8] 南京水利科学研究院土工研究所.土工试验技术手册[M].北京：人民交通出版社，2003.