细粒土含量对砂土渗透性的影响

史志敏

（身份证号：350322198509055153， 福建 福州 350001）

0 前言

土可以被水透过的性质，称为土的渗透性或透水性，它是土的力学性质之一。砂土具有良好的力学性能，广泛的应用于建筑、水利等诸多工程领域，但其良好的渗透性也为工程带来了安全隐患。因此，近些年来，细粒土含量对砂土工程性状的影响开始在国内外收到重视。目前，普遍认为有效粒径对砂土渗透性有影响，但对于不均匀系数、平均粒径等参数对砂土渗透性的影响研究较少。本文是通过试验，得到不同组砂土试样中细粒土含量及砂土其他状态参数对砂土渗透性的影响，分析细颗粒土含量与砂性土渗透性之间的关联性与具体规律。

1 试验方案

试验取土样级配情况如图 1所示，土样按《土工试验规程》划分，类别为中砂。骨架砂为取样砂土通过筛分仪获得，粒径在 0.075～1mm，进行风干处理。经过筛分获得的粒径小于0.075mm的细颗粒经风干后即为试验所使用的细粒土。试验所用土样分七组，细粒土掺入量分别为0%、5%、10%、15%、20%、25%、40%，使用搅拌仪进行均匀混合。

图1 试样用砂颗粒级配曲线

2 结果分析

试验数据汇总及计算结果如下：

对上表进行分析，分别画出砂土各状态参数与渗透系数的对应曲线，研究渗透系数与砂土的细颗粒含量、不均匀系数、曲率系数、平均粒径的关系。

随着细粒土的增加，骨架砂内的孔隙会被填充，从而对其渗透性产生影响。从图 2可以看出：随着砂土细颗粒含量的增多，渗透系数逐渐减小。但二者不是线性相关关系，细粒含量<5%时，渗透系数随细粒土含量增大略有下降；细粒含量在5%～10%时，随细粒含量增加渗透系数急剧减小；细粒含量>25%时，细粒对渗透系数影响不明显，曲线趋于水平；细粒含量在 10%～25%段时，细粒对渗透系数的影响处于以上两者之间，这与参考文献[1]的结论基本相同。

2.1 细粒含量与渗透系数关系

表1 细粒含量与渗透系数关系表

图2 细粒含量—渗透系数曲线

图3 不均匀系数—渗透系数曲线

2.2 不均匀系数与渗透系数关系

不均匀系数在一定程度上是反应砂土的级配情况，不均匀系数越大，控制粒径与有效粒径差值越大，颗粒级配曲线平缓。由表1及图4可以看出，随着砂土细颗粒含量的增大，土的结构发生改变，不均匀系数也逐渐增大。不均匀系数越大，砂土的渗透性越小，但是当不均匀系数超过某一界限值后，不均匀系数对砂土渗透性的影响趋于不变，对本土样在不均匀系数大于 9之后，渗透系数基本没有下降。出现这个情况的原因可能是不均匀系数达到一定值后，砂土密实度已经接近最大值，孔隙已经基本被填充，故继续提高不均匀系数不会使砂土渗透性进一步下降。

2.3 曲率系数与渗透系数关系

图4 曲率系数—渗透系数曲线

由曲率系数—渗透系数曲线可以看出，在曲率系数 1-3的范围内，曲率系数与细粒含量负相关。这与参考文献[2]结论不符，这是因为本试验主要讨论细颗粒土含量对砂土渗透性的影响，并未就曲率系数作为单一变量进行试验分析，不同组土样不均匀系数随细粒含量增大而增大，从而导致了渗透系数的下降。这说明了砂土渗透性是受不均匀系数和曲率系数共同影响的，在细粒土含量为单一变量的情况中，不均匀系数对渗透性的影响更为主要。

2.4 平均粒径与渗透系数关系

图5 平均粒径—渗透系数曲线

根据曲线能明显看出细粒含量越大，土的平均粒径越小，渗透性越差，且曲线存在一个突变点，当平均粒径小于某一数值时，渗透系数较小，当达到临界值时，渗透系数会快速增大。本试验土样中当平均粒径小于0.37mm时，渗透系数较小，在0.0003左右，当超过0.37mm时，发生突变，有较大的增加。该试验结果与参考文献[1，2]中平均粒径对渗透系数的影响有相似的规律，且根据参考文献[2]，当平均粒径为土样的单一变量时，渗透系数与平均粒径接近线性正相关。

3 结论

（1）细粒增加改变了砂土的孔隙性状，随着细粒的增加砂土骨架孔隙逐渐被细颗粒填充，砂土渗透性减小。渗透系数总体上随细粒增加而减小，细粒含量-渗透系数曲线可分为细粒含量<5%、细粒含量= 5%～15%、细粒含量= 15%～25%与细粒含量>25%四段。细粒含量<5%时，渗透系数随细粒土含量增大略有下降；细粒含量在5%～10%时，随细粒含量增加渗透系数急剧减小；细粒含量>25%时，细粒对渗透系数影响不明显，曲线趋于水平；细粒含量在 10%～25%段时，细粒对渗透系数的影响处于以上两者之间。

（2）由细粒土含量不同造成砂土的不均匀系数和曲率系数变化，二者共同影响砂土的渗透性。砂土的渗透系数与不均匀系数为负相关，与曲率系数为正相关。

（3）在只改变细粒土含量的情况下，平均粒径-砂土渗透系数曲线有一个临界值，平均粒径超过该值后对渗透性的影响极为明显。平均粒径是影响砂土渗透性的重要因素之一。

[1]孔令伟，李新明，田湖南. 砂土渗透系数的细粒效应与其状态参数关联性[J].岩土力学，2011，32（增刊2）

[2]杨兵，刘一飞，万奋涛，等. 级配特性对砂土渗透系数影响试验研究[J]. 西南交通大学学报，2016.51（5）

[3]苏立君，张宜健，王铁行. 不同粒径级砂土渗透特性试验研究[J]. 岩土力学，2014，35（5）

[4]毛昶熙. 渗流计算分析与控制[M]. 北京：中国水利水电出版社，2003.

[5]中华人民共和国水利部. SL237-1999 土工试验规程[S]. 北京：中国水利水电出版社，1999