宽级配砾质土三轴渗透试验研究

李方振，柳 侃，陈志波

(1.福建省地质工程勘察院 福建省地质灾害重点实验室，福州 350002；2.福州大学 a. 环境与资源学院； b. 岩土工程与工程地质研究所，福州 350108)



宽级配砾质土三轴渗透试验研究

李方振1,2a，柳 侃1，陈志波2a,2b

(1.福建省地质工程勘察院 福建省地质灾害重点实验室，福州 350002；2.福州大学 a. 环境与资源学院； b. 岩土工程与工程地质研究所，福州 350108)

为研究宽级配砾质土的渗透特性，对不同砾石含量的宽级配砾质土进行了一系列的三轴渗透试验。试验结果表明：随砾石含量的增加，宽级配砾质土的结构分别为悬浮-密实、密实-骨架、骨架-空隙3种形式；随砾石含量的增大，渗透系数呈现出先略微减小然后逐渐增大、最后迅速增大的变化规律；含水率、干密度均对宽级配砾质土的渗透系数有较大的影响；在最优含水率左右，渗透系数有明显的差异，施工中应注意对含水率控制。

宽级配砾质土；三轴渗透试验；干密度；含水率；渗透系数；砾石含量

1 研究背景

随着我国西部大开发的逐步推进，水利水电工程得到了极大的发展，特别是近20 a，在土石坝设计理论和设计方法以及筑坝技术方面取得了长足进步，极大地促进了高土石坝工程的迅速发展[1]。随着土石坝坝高的增加，传统的纯黏土心墙防渗料，由于其抗剪强度低、压缩模量小，在应力拱效应作用下，较容易产生裂缝和水力劈裂，已经不能满足高土石坝对心墙防渗料的要求[2-3]。

大量的室内试验以及工程实践表明，采用黏土和砾石料掺合而成的砾质黏土(本文称为宽级配砾质土)，不仅满足防渗要求，而且其变形模量大，变形量小，改善了应力状态，并减小水力劈裂的可能性，有较高的承载力，便于机械的运行，在高土石坝工程中得到广泛的应用[4-5]。

宽级配砾质土一般具有颗粒级配宽广，颗粒范围从黏粒(0.005 mm)至粗粒甚至巨粒(60 mm)，且多具不连续、稳定性差等特点[5]，因此对宽级配砾质土防渗性能的研究，一直是土石坝工程重点研究的内容。由于此类土含有较多的粗颗粒(粒径>5 mm),对其渗透特性的研究提出了较高的要求，室内常用渗透试验设备由于试样尺寸限制，较难完成对其防渗特性的研究。

目前，对于宽级配砾质土的渗透特性所作的研究大都比较单一，多在工程应用范围内对单一砾石含量、最大干密度、最优含水率情况下的宽级配砾质土渗透特性作研究，较少有针对单一变量的系统研究。故本文通过三轴渗透试验，研究了不同砾石含量、干密度及含水率对宽级配砾质土的渗透特性的影响。

2 试验条件

2.1 试验用料

试验采用的宽级配砾质土由黏土料和砾石料掺合而成。黏土料为经筛分剔除粒径>5 mm颗粒的花岗岩残积土，基本物理参数为：土粒相对密度Gs=2.75，液限wL=54%，塑限wP=35%，塑性指数IP=19，颗粒级配详见表1;砾石料为对粒径>20 mm的颗粒进行等量替代法处理后的人工花岗岩碎石，颗粒级配见表2。不同砾石含量的宽级配砾质土颗粒级配曲线见图1。

表1 黏土料级配

2.2 试验方案

本文研究掺砾石料含量(简称砾石含量)分别为30%，40%，50%，60%，70%，80%的宽级配砾质土的防渗特性，并以砾石含量50%和60%的宽级配砾质土为例，研究制样干密度和制样时试样含水率对渗透系数的影响。试验方案为：

表2 砾石料级配

图1 不同砾石含量宽级配砾质土颗粒级配曲线Fig.1 Grading curve of broadly graded gravel soil with different gravel contents

(1) 研究砾石含量对宽级配砾质土的防渗特性时，以砾石含量为变量，控制干密度取值为相对密实度85%时对应的干密度，含水率取最优含水率。

(2) 研究制样干密度对渗透系数的影响时，以干密度为变量，控制砾石含量取值，含水率取最优含水率。

(3) 研究制样含水率对渗透系数的影响时，以含水率为变量，控制砾石含量取值，干密度取值为相对密实度85%时对应的干密度。

考虑土石坝防渗料的实际应力环境，本文进行三轴渗透试验时围压均取为400 kPa。

2.3 试验设备

室内渗透试验根据不同的土质选择不同类型的仪器进行。对于粗粒土室内试验，一般采用70型渗透仪和土样管等方法，这些方法的共同点是土样盒为玻璃或有机玻璃制品。因本次试验试样为重塑且含有较多粗颗粒的砾质土，并且试验要求要在较高的密实度状态下进行，玻璃制品土样盒不满足制样要求。渗透系数测试设备如南55型渗透仪和负压式渗透仪，具有可在试验过程中逐级加压，用同一个试样测定不同孔隙比渗透系数的优势，但由于其试样盒较小(《土工试验规程》(SL237—1999)规范要求土样筒的直径要大于最大土颗粒直径的10倍)，不能满足粗粒土渗透试验，只适用于细粒土。

图2 试验仪器及试样Fig.2 Test apparatus and specimen

图3 砾石含量与渗透系数关系曲线Fig.3 Relationship between gravel content and permeability coefficient

考虑到以上渗透设备均不能满足宽级配砾质土渗透试验的要求，参阅文献[6-7]，选择采用三轴仪来完成宽级配砾质土的渗透试验，试样直径101 mm，试样高200 mm(图2)。利用三轴仪不但克服了实验室常用渗透仪器的不足，而且还具有其独特的优势。渗透试验通常是将土样放置在刚性环形成的容器内，这样很容易导致土样和容器内壁之间接触不密实形成渗流，三轴仪采用橡皮膜柔性接触，有效避免了容器壁与试样之间的空隙；另一方面，可以在试验前通过围压系统使试样达到固结要求或者所要求的应力状态，可以准确测定宽级配砾质土在实际工作状态时的渗透系数[8]。

2.4 试验方法

首先，将三轴仪围压系统、反压系统内的气体排出，然后按照三轴试验固结不排水试验方法安装试样。之后，利用反压系统饱和试样，待试样饱和度达到要求后，施加400 kPa围压使试样充分固结。最后，对试样底部施加稳定的水头P1(通过施加反压实现)，待体变管内水流稳定后，记录时间t与体变管液面高度h，按式(1)计算渗透系数k[6]。

(1)

式中：a为体变管截面面积(mm2)；H为试样高度(mm)；A为试样截面面积(mm2)；t为时间间隔(min)，t=tf-t0，t0，tf分别为试验开始时间和试验结束时间；P1为反压力(kPa)，相当于水头；h0，hf分别为t0和tf时液面高出排水口的高度(mm)。

3 试验结果及分析

3.1 砾石含量对渗透系数的影响

不同砾石含量下宽级

图4 砾质土的骨架-空隙结构Fig.4 Framework-pore structure of gravelly soil

表3 砾石含量与粗粒含量P5的关系

3.2 干密度对渗透系数的影响

图5 干密度与渗透系数关系曲线Fig.5 Relationship between dry density and permeability coefficient

本文以制样时干密度为变量，对砾石含量50%和60%的宽级配砾质土进行渗透试验，试验结果见图5。从图5中可以看出，随干密度的增加，渗透系数逐渐减小，当干密度达到一定值时渗透系数最小；之后随干密度的增大。渗透系数逐渐增大。砾石含量50%的宽级配砾质土在相同相对密实度的情况下，其渗透系数均小于砾石含量60%的宽级配砾质土的渗透系数，符合第3.1节中砾石含量对宽级配砾质土渗透系数影响的试验结果。

表4显示，试样中粒径大于0.5 mm的颗粒含量均有不同程度的改变，并且有几组粒径的颗粒含量增幅在30%左右。在击实功小于颗粒极限强度范围内，随击实功的增加，试样的密实度逐渐增加，渗透系数减小；当击实功增加到超过极限击实功时，粗颗粒被压碎土体发生剪切破坏，颗粒间形成渗透通道，致使其防渗性能降低[8]。

表4 试验前后颗粒含量的变化

宽级配砾质土作为土石坝心墙料应用于工程中，防渗是其主要任务，减小变形和增大抗剪强度次之。因此建议采用适当的压实功能，防止超压使土体内部发生剪切破坏，形成渗透通道，影响防渗效果。

3.3 含水率对渗透系数的影响

图6为含水率与渗透系数的关系曲线。从图6中可知，筑坝时砾质土的含水率对其渗透系数有较大的影响，在最优含水率wop左右(wop-2%，wop+2%)，其渗透系数有较大的变化，有时会达到1个数量级，因此筑坝时必须严格控制心墙料的含水率。

图6 含水率与渗透系数的关系曲线Fig.6 Relationship between water content and permeability coefficient

图6(a)和图6(b)表现出相似的变化规律：在含水率高于最优含水率wop(砾石含量50%和60%的宽级配砾质土，最优含水率分别为11.22%和9.87%)时，随含水率的增大，渗透系数逐渐减小；含水率低于最优含水率，其渗透系数迅速增大，然后随着含水率的进一步降低，其渗透系数又呈现小幅度的减小趋势。

图6中曲线均以拐点为界可分为前后2段，前段为渗透系数随含水率的增加而增大，后段为渗透系数随含水率的增加而减小。在后段曲线，随着试样中含水率的增大，颗粒间的滑动摩阻力逐渐减小，利于颗粒之间的重新排列。在击实功的作用下，土体产生的剪应变促使颗粒按接近于平行的方式定向排列，形成比较分散和均匀的结构，虽然含水率越大，孔隙比越高，但孔隙排列均匀且孔隙尺寸小，所以其渗透系数逐渐减小。因此施工时配料时要坚持“宁湿勿干”的原则[8]。

对于图6中的前段曲线，这里有必要给出说明。在含水率较低时土层表面吸着的水膜较薄，颗粒间的作用力以引力为主，在击实过程中，土颗粒错动比较困难，粗细颗粒分布不均匀，并趋向于形成任意排列，造成土体击实不均匀[5]。在实际的制样过程中，每层土体击实后上半部分会比较密实，这样就在一个试样内形成人为的透水性较差的断面，所以其渗透系数会有一定程度的减小，图7比较明显地看出试样的分层现象。

注：左边试样含水率13.22%，右边试样含水率7.22%。图7 不同含水率击实后土样分层现象(砾石含量50%)Fig.7 Stratification phenomenon of test specimen with different water contents after compaction (with gravel content of 50%)

4 结 论

(1) 随着砾石含量的增加，宽级配砾质土表现为悬浮-密实、密实-骨架、骨架-空隙3种不同的结构形式。

(3) 含水率、干密度均对宽级配砾质土的渗透系数有较大的影响。在最优含水率左右，土样渗透系数会有量级上的差别，填筑时应注意砾质土含水率的控制。随制样干密度的增加，渗透系数逐渐减小；但当干密度增大到一定值之后，由于粗颗粒的破碎，导致渗透系数不再减小反而增大。

[1] 林 昭. 碾压式土石坝设计[M]. 郑州: 黄河水利出版社, 2003.

[2] 张丙印, 袁会娜,孙 逊. 糯扎渡高心墙堆石坝心墙砾石土变形参数反演分析[J]. 水力发电学报,2005,24(3)：18-23.

[3] 杨萌华. 土石料的压实和质量控制[M]. 北京: 水利水电出版社, 1992.

[4] 朱建华, 游 凡, 杨凯虹. 宽级配砾石土坝料的防渗性及反滤[J]. 岩土工程学报，1993，15(6)：18-27.

[5] 陈志波, 朱俊高，王 强. 宽级配砾质土压实特性试验研究[J]. 岩土工程学报, 2008, 30(3): 446-449.

[6] 朱思哲, 包承纲, 郭熙灵. 三轴试验原理与应用技术[M]. 北京：中国电力出版社，2003.

[7] 岳中文, 杨仁树, 孙中辉, 等. 伊犁一矿砾石土三轴渗透试验研究[J]. 中国矿业, 2010, 19(12)：98-101.

[8] 郭庆国. 粗粒土的工程特性及应用[M]. 郑州：黄河水利出版社, 1998.

(编辑：黄 玲)Experimental Study on the Triaxial Permeability ofBroadly Graded Gravelly Soil

LI Fang-zhen1,2, LIU Kan1, CHEN Zhi-bo2,3

(1.Fujian Key Laboratory of Geohazard Prevention, Geo-engineering Investigation Institute of Fujian Province,Fuzhou 350008, China; 2.College of Environment and Resources,Fuzhou University, Fuzhou 350108, China; 3.Institute of Geotechnical Engineering and Geological Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China)

In order to study the permeability characteristics of the broadly graded gravelly soil， triaxial seepage tests in the presence of different gravel contents. The test results show that, with the increasing gravel content，the structure types of the broadly graded gravelly soil can be divided into three different kinds，including suspend-dense structure, dense-framework structure and framework-pore structure. When the gravel content increases, the permeability coefficient decreases slowly first, then increases slowly, and increases quickly finally. Dry density has main influence on permeability coefficient, so does the moisture content. The permeability coefficient is obviously different near the optimum moisture content, so we should pay attention to controlling the moisture content in construction.

broadly graded gravelly soil; triaxial permeability test; dry density; moisture content; permeability coefficient；gravel content

2014-08-08；

2014-09-13

国家自然科学基金项目(41102167)；福州大学科技发展基金资助项目(2011-XQ-12)

李方振(1985-)，男，山东菏泽人，助理工程师，硕士，研究方向为地质灾害监测预警，(电话)0591-83780229(电子信箱)qingdaofangzhen@163.com。

陈志波(1977-)，男，福建仙游人，副教授，博士，主要从事土体基本特性、土工数值分析等方面的研究，(电话)0591-22866083(电子信箱)czb@fzu.edu.cn。

10.11988/ckyyb.20140677

2016,33(01):126-129，133

TU47

A

1001-5485(2016)01-0126-04