红粘土渗透特性温度效应试验研究

朱厚影，薛凯喜，康国芳，陈国房，戴道文，田兴华

(1.东华理工大学土木与建筑工程学院，江西 南昌 330013；2.中铁十六局集团路桥工程有限公司，北京 101500)

0 引 言

随着国内基础设施的日益完善，诸多地下建筑投入使用，更多的热源也随之转移至地下，造成浅层土体的温度明显上升，土体性质和流体性质均发生相应的变化，土体渗透性也随之产生了变化[1]。国内外学者对粘性土渗透特性的温度效应进行了深化研究，并对粘性土渗透性的温度效应机理进行了深入分析。Ye等[2]研究了膨润土的渗透特性在不同温度下的变化规律发现，膨润土的渗透系数随温度升高而增大，并指出粘性土渗透特性对温度变化的响应机制仅考虑水的粘滞性变化是不合理的；Habibagahi[3]研究表明，粘性土渗透性对温度的响应可归结为温度改变了水的粘滞性；Cho等[4]对膨润土的温度效应进行了研究，指出温度对渗透系数的影响是由水的粘滞系数随温度变化引起的；Delage[5]研究表明，用粘性土固结试验结果间接求取渗透系数值误差较大；Wu等[6]研究了云南地区压实固结红粘土在垂直压力下的渗透性。国内学者以粒径级配、干密度、矿物成分等为切入点，研究了粘性土的渗透性及其与外界环境变化之间的联系。邵玉娴[7]指出粘土矿物含量对渗透性的温度效应具有显著的影响；何俊[8]采用2种仪器进行了粘土渗透性温度试验得出，渗透系数的对数值和温度值之间呈正相关；肖桂元[9]研究了酸雨作用下的红粘土渗透特性得出，酸雨的酸性越强，对红粘土中含Fe、Si、Al、K金属元素的化合物溶解度就越大，进而对红粘土渗透特性产生更强的影响；有学者[8，10]以粘性土为研究对象，对渗透性的温度效应机制进行分析得出，渗透性的温度效应是由土体孔隙结构、水的活动性及吸附结合水量在温度作用下发生改变而引起的。以上研究对红粘土的渗透特性进行了较为深入的研究，但关于红粘土渗透性温度效应的研究成果较少。

红粘土作为广泛分布我国两湖两广及江西等地区的特殊土，涉及到诸多工程。为研究土体渗透性在温度升高时的变化规律和响应机制，本文以南昌地区第四系红粘土为研究对象，采用TST-55渗透仪和自行研制的加热装置进行了变水头渗透试验，研究南昌地区的红粘土在27、50、65、80 ℃和95 ℃等5种温度下的渗透特性，在不同温度下进行了变水头渗透试验，揭示不同温度下红粘土渗透性的变化规律，为地下建筑防渗和垃圾填埋场防污处理等工程设施建设提供理论依据。

1 试样制备及试验设备

1.1 试样制备

试验土样为南昌地区的典型红粘土，试样为高4 cm、断面面积30 cm2的圆柱形。试验中，选择温度、初始含水率和初始干密度作为红粘土渗透特性的影响因素。试样的主要控制性物理特性指标见表1。红粘土的基本物理特性指标见表2。

表1 试样的主要控制性物理特性指标

表2 红粘土的基本物理特性指标

1.2 试验设备

测定土体渗透系数的方法和试验仪器需要根据土体渗透性的强弱来选择。对粘性土而言，其渗透系数一般选用变水头试验测定。本文试验利用TST-55渗透仪和自行研发的加热装置，通过变水头试验测定红粘土的渗透系数。变水头渗透试验装置见图1。试验中，测定红粘土渗透系数时的温度可通过自行研发的加热装置进行调控。

图1 变水头渗透试验装置

加热装置由升温系统、控温系统和感温探头3个部分组成。升温系统主要由环状硅胶加热圈构成，被加热物体在硅胶加热圈内进行加热，由电磁感应促使被加热物体内部产生涡旋电流，再通过硅胶加热圈的内阻产生大量热能。控温器在接通电源后即

可进入工作状态，设置好温度，电流通过控温器上的输出线路对加热片进行加热。感应探头把加热圈的温度通过桥路传给单片机，并在控温仪上的显示器显示所测温度。单片机会自动比对测量温度和设定温度，并在温度升至设定温度时发出指令，继电器断开电路，硅胶加热圈停止工作，从而使工作温度控制在设定温度附近。加热装置见图2。

图2 加热装置

2 方案设计与结果分析

2.1 初始干密度对渗透性的影响

2.1.1方案设计

干密度是土体渗透性的一个重要影响因素，其值会影响到土体孔隙含量，进而影响渗流面积和孔隙连通性，干密度因此会对渗透性产生影响[11-13]。为研究初始干密度对渗透性温度效应的影响，本方案设计了3种干密度水平的试样(1.55、1.64、1.7 g/cm3)，每种干密度水平的试样配置3种含水率(18.35%、20%、24%)。温度由27 ℃逐渐升至95 ℃，测定27、50、65、80 ℃和95 ℃下的渗透系数，将试验结果整理成渗透系数与初始干密度的关系曲线图。

依据GB/T 50123—1999《土工试验方法标准》，温度为T℃时的粘土渗透系数KT计算公式如下

(1)

式中，a为变水头管横截面；L为红粘土试样高度，即渗流路径；A为红粘土试样横断面积；t为水头变化历时；H1、H2分别为试验起始和终止时的总水头。按照试样方案测定的3种干密度水平下不同含水率、不同温度下的试样的渗透系数实测值见表3。

表3 试样的渗透系数实测值 10-6cm/s

2.1.2结果分析

相同含水率试样不同温度下的渗透系数与干密度的关系见图3。从图3可知：

(1)同一温度下，渗透系数与干密度成反比，即低密度试样渗透系数大于高密度试样。

(2)温度升高后，各干密度水平下的试样渗透系数发生了不同程度的变化，干密度越小，温度升高期间的渗透系数增量越大，随着土体干密度的增大，渗透系数增量逐渐变小，图3中的曲线斜率很好地表征了这一变化规律。

图3 相同含水率试样不同温度下的渗透系数与干密度的关系

(3)干密度达到最大值时，各组折线相交于一点，各组试样的渗透系数值相同，说明随着干密度的增大，含水率和温度对渗透系数的影响越来越小，初始干密度对渗透性的影响强于温度和初始含水率。

(4)随着干密度的增大，低含水率试样渗透系数变化幅度相对较小；高含水率反之。

2.2 初始含水率对渗透性的影响

2.2.1方案设计

含水率对土体渗透性的影响是较为复杂的，含

水率的不同将导致土体饱和度存在差异，土体内部在饱和度较低的情况下会存在大量气体，气体堵塞细小通道，进而会降低孔隙的连通性并影响渗流活动[12]。为探明初始含水率对红粘土渗透性的影响，测定3种含水率水平(18.35%、20%、24%)的红粘土渗透系数，将试验结果整理为渗透系数与含水率的关系曲线图，并分析初始含水率对渗透性的影响。

2.2.2结果分析

同一干密度水平试样不同温度下的渗透系数与含水率的关系见图4。从图4可知：

图4 同一干密度试样不同温度下的渗透系数与含水率的关系

(1)同一温度下，渗透系数随着含水率的升高均产生了不同程度的波动，随着干密度的增大，这种波动越来越小，印证了初始干密度对渗透性的影响强于初始含水率这一规律。

(2)随着含水率的增大，渗透系数急剧增大时对应的温度区间不同，低含水率试样对应的温度区间最高(80～95 ℃)，高含水率对应温度区间相对较低。随着干密度的增大，各含水率下渗透系数变化显著的温度区间均为80～95 ℃。

(3)干密度水平较低时(ρd=1.55 g/cm3)，含水率低于20%，渗透系数随着含水率的增大而增大；含水率高于20%，渗透系数随着含水率的增大而降低。随着温度的升高，这种变化趋势逐渐减弱，当温度高于65 ℃时，渗透系数随含水率增大(从18.35%增至24%)而增大，说明在低密度水平下，温度高于65 ℃时，温度对渗透性的影响强于含水率。

2.3 温度对渗透性的影响

2.3.1方案设计

温度对土体渗透性的影响是复杂的，其复杂性体现在温度升高会导致水的粘滞性降低，水的活动性增强[10]；其次，土体中的吸附结合水量随着温度升高会明显降低[7，10]，吸附结合水量的降低会释放一定的空间，有效渗流通道会进一步扩大；再者，粘性土的孔隙结构也会随温度升高而发生变化[14-15]。基于此，为探明环境温度对红粘土渗透特性的影响，本方案设计了27、50、65、80 ℃和95 ℃等5种温度，测定5种温度下各组试样的渗透系数，将试验结果进一步整理为渗透系数与温度的关系曲线图。

2.3.2结果分析

同一含水率试样不同干密度下的渗透系数与温度的关系见图5。从图5可知：

图5 同一含水率试样不同干密度下的渗透系数与温度的关系

(1)各组试样的渗透系数均随温度的升高而增大，低密度水平的渗透系数受温度影响较为明显，ρd=1.55 g/cm3时，3种含水率下的渗透系数增幅分别为112.7×10-6、116.48×10-6、186.6×10-6cm/s。

(2)高密度试样受温度影响较弱，ρd=1.64 g/cm3的试样渗透系数增幅分别为17.2×10-6、62.3×10-6、8.2×10-6cm/s；最大干密度水平的试样渗透系数增幅分别为1.3×10-6、2.5×10-6、1.1×10-6cm/s。根据上述渗透系数变化幅度可知，温度对低密度高含水率试样的渗透性影响最为显著。

(3)ρd=1.7 g/cm3的试样，其渗透系数值基本保持不变，再次验证了温度对渗透性的影响弱于干密度的规律。

3 结 语

本文以南昌市红粘土为研究对象，利用TST-55渗透仪和自行研发的加热装置测定了南昌市红粘土在27、50、65、80 ℃和95 ℃等5种温度下的渗透系数，分析了在温度升高的条件下渗透性的变化规律，得出的主要结论如下：

(1)初始干密度对红粘土渗透性的影响较为明显，初始干密度越小，红粘土的渗透性越强；初始干密度越小，渗透性受温度影响越显著，渗透系数增量越大。最大干密度水平的试样，其渗透性基本保持不变，受温度和初始含水率影响最小，说明加大干密度是有效的防渗措施；加大干密度对高含水率试样渗透性影响强于低含水率试样。

(2)含水率大于20%时，低密度试样的渗透系数在常温下与含水率成反比，温度高于65 ℃时，低密度试样的渗透系数与含水率成正比，此时，温度对红粘土渗透性的影响强于含水率。低含水率(18.35%)试样，在80～95 ℃的温度区间内，渗透系数增加幅度与低温相比较大，对于高含水率试样，在相对低的温度区间内红粘土渗透系数即会大幅增加。

(3)红粘土渗透性随温度升高而增大，因干密度和含水率不同而出现差异。低密度高含水率试样受温度影响最为显著，渗透系数增幅最大。

(4)初始干密度对红粘土渗透性的影响强于温度和初始含水率。