粘性土渗透破坏及渗透劣化试验研究

罗慧华

（惠州市大禹工程质量检测中心有限公司，广东 惠州 516001）

土体结构是影响土体强度和稳定性的主要因素，渗透侵蚀是破坏土体结构的主要因素。其通过外力作用可有效地改变粘土矿物的分布情况，从而降低土壤侵蚀，保障工程效益。

1 渗透理论

坝体渗透是坝体中的水分子在水头压力作用下，形成的一种由高压向低压的迁移现象[1]。在自然界中，不同材料具有不同的性质和功能，其渗透作用也存在着较大差异。在固—液相渗流的过程当中，由于各种因素的影响，使得固—液相的浓度分布不均，导致各组分之间存在相对密度差，也会造成不同成分的渗透差别。

通常土壤的渗透系数经验值（cm/s）如下：黏土＜1.2×10-6；粉质黏土1.2×10-6～6.0×10-5；粉土6.0×10-5～6.0×10-4；黄土3.0×10-4～6.0×10-4；粉砂6.0×10-4～1.2×10-3；细砂1.2×10-3～6.0×10-3；中砂6.0×10-2～2.4×10-2；粗砂2.4×10-2～6.0×10-2；砾石6.0×10-2～1.8×10-1。

2 粘性土渗透破坏试验

2.1 试验准备

实验器材：（1）试验材料包括黄土、红壤、砂土等。（2）土体的测量仪器，包括土体的沉降仪、土的拉杆测力计、粘性土的静力计以及压力表等；（3）抗压强度的测定方法，是通过对不同粘土进行静力学试验，确定抗剪强度的大小；粘性黏土的静态荷载强度试验，是在实验样本中逐渐增加静态荷载，测量发生剪切破坏的荷载值。

试验方法：粘性土的渗透系数和土壤的容重，是通过对不同含水量粘性土的测试确定的。在试验过程中，将不同配比的粘土和粉煤灰混合土进行测试，以得到渗透系数的变化规律。常用方法有面沉降法、水膜法、重力沉降法、渗流强度法，渗透系数测定法等。在这些不同的方法中，最常用的就是透水性渗透指数的计算法，因为它可以反映出被测场的渗流特征，所以也是最基本的测水渗透参数的方法[2]。

2.2 堤坝基底原位检测实验

堤坝属人工构筑物，其整体稳固状态和各施工段的受力强度，需在原位状态下进行实验验证，以确保各施工部位具备足够的稳定性，来保障堤顶道路的施工，根据要求可选择以下三种方式的任意一种进行实验验证。

2.2.1 静态触探实验

实验利用圆锥形的探测设备，在固定检测位置施加稳定的作用力，使探头在匀速状态下钻入待检测坝体，测定坝体粘土反作用力。并通过不同检测段的反作用力，判断堤坝粘土承受力是否符合施工要求。受力计算公式如下：

式中：ps——钻头钻进阻力，MPa；

qc——钻头受到的正向阻力，MPa；

fs——钻头受到的侧向阻力，MPa；

F——堤坝岩土的摩擦系数；

kp——钻进阻力系数；

kq——正向阻力系数；

kf——侧向阻力系数；

εp——测得的钻进力；

εq——测得的正向阻力；

εf——测得的侧向钻进阻力。

通过所受阻力大小的变化，判断探测位置粘土的情况。

2.2.2 堤坝粘土十字测试

通过施加剪切力，破坏检测样本结构，并通过扭矩与作用力计算，推断样本抗剪切力。假定样本粘土的性质形态稳定且具有代表性，计算公式如下：

式中：M——剪切力值；

D——圆形施力工具的直径；

D1——操作杆的直径；

H——设备操作杆扭矩；

Cv——粘土十字值；

Ch——十字板试验成果。

一般情况下，操作杆的直径D1，在计算过程中可以忽略，因此上述算式简化为：

由于大部分时间Cv数值与Ch相等，被使用的最终公式：

式中：Cu——排水强度值。

2.2.3 动态击打实验

采用SPT 检测仪器，通过悬挂在探测头上的传感仪器，将测量数据传输和记录下来。再通过分析计算，确定检测样本所能承受的最大劈裂作用力。

2.2.4 旁压实验

实验需要检测仪器保持稳定，试验器材的作用力恒定不发生方向偏移，保证仪器以及测量设备准确检测；通过向待检测粘土注入水分，形成压力造成破坏，并通过产生的压力大小计算土体稳定情况。在压力施加过程中，随着测管水位下降，称压力变化主要分为三个基本的阶段，如图1 所示。

图1 水位下降与极限称压力关系线性图

其中：Pf代表能够保持稳定的承压能力；P1代表了极限承压力。

2.3 土壤结构以及土壤属性实验室饱和检验法

实验室饱和检验法，为针对土壤法性质进行检测的室内实验方法。实验主要通过不同方法，使土壤中空气完全排出，由水填补所有空隙，对土壤进行属性检测形式。实验中经常使用真空压力作用、土壤毛细作用、水头饱和、二氧化碳辅助、反压力作用或脱气等方法获取饱和状态的土壤，采用以下函数进行计算。

2.3.1 饱和度检测

其中Sr为待检测饱和度；VW为实验物质含水总体积；VV为实验物质存水空间总体积；γS为实验对象重度；γW为水重度；msat为饱和状态下实验对象总重；md为无水状态下实验对象重量；e 为孔隙比。

2.3.2 空隙环境中水的压力情况

式中：B 为待检测水压力；Δui为水压力增加情况；Δδз为周围压力增加情况；ui为周围压力作用下的水压变化情况；δзi为周围压力情况。

3 试验结果分析

3.1 试验成果

经过对堤坝地形、地貌以及周边环境的分析，选择试验取样地点，对试验区域的粘土进行了随机与定点两种取样方法取样。按照相关规定选取了合适的多种试验方法，对粘性土的含水量、含水率、土壤容重、孔隙度、抗剪切力等进行了测量与计算，并采用常规的固体渗析法，对水进行高效分离。试验成果见表1。

表1 堤坝粘土渗透试验成果表

同时采用人工模拟法，在实验室中利用计算机的快速计算功能，对粘性土的渗透性质及影响因素等进行了模拟计算，完成了粘土性质的分析与评价。

3.2 渗透性影响因素分析

3.2.1 土壤渗透性影响因素

（1）土粒间的粘结力。土体颗粒间的作用力，是由其自身的性质和结构决定的。土体的强度和微观颗粒结构对粘土的渗透性影响较大，增强粘土的微观结构，不仅可以提高粘土的抗剪切能力，而且可以使粘土的渗透率增加。

（2）土壤的含水量。在不同的土体中，其渗透状态和渗透系数都会有所差异。如细砂的渗透率高于粘土的渗透率，黏土中的含水量相对较大，但在干旱地区，由于水分含量较低，细颗粒含量较大，土体孔隙度减小，渗流阻力增加，导致渗透率降低。

（3）孔隙度。孔隙度的大小会对渗透效率造成影响。一般来说，当孔隙度大于等于0.25 时，渗流的速度会加快；当孔隙度小于0.1 时，渗流损失就会减少，所以应该尽可能地减小孔隙度。粘土孔隙类型如图2 所示。

图2 粘性土孔隙类型示意图

3.2.2 粘土的颗粒级配

（1）粘土的渗流过程是一个复杂的物理过程，它不仅包括渗透层的水化作用，还包含了渗透层非均质的相互作用。

（2）影响粘性土渗透性能的主要因素是粘土的颗粒级配，不同土层的物理性质，也不尽相同；而当土壤中水分含量较高，会使土壤孔隙率增加，渗透的阻力减小，粘性强度降低，材料耐久性变差。同一粘土样本，随着含水量的增大，其抗压、抗剪切能力都有不同程度降低；含水量减少塑性指数升高，含水率上升塑形指数减小。

4 建议

粘性土发生渗透破坏，主要是由于含水量高，导致土体的抗剪、抗弯性能降低[3]。为了保证工程质量，必须进行合理渗透加固，降低土体的长期渗透性。应考虑到以下因素：（1）含水量影响粘性土渗透率、粘度、密度。（2）土壤的孔度、孔隙通透性、含水率对粘性土渗透率会产生一定的作用。（3）粘性土松散度、级配、颗粒结构，可能改变粘性土的渗流能力。（4）粘土的易风化性，也会使渗流阻力增大。