孔隙度對黏性土滲透系數(shù)影響的試驗研究

楊忠翰， 李明寶， 張 旭

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

土體的滲透性及滲透系數(shù)是巖土工程中十分重要的研究方向，在垃圾填埋場的濾液污染、水利工程的滲漏、地面地基沉降量以及水土壓力的計算等實際工程中都起著決定性作用[1-2]。土體作為一種由土顆粒、孔隙水和空氣組成的三相松散多孔介質(zhì)，土顆粒組成土體的骨架，而孔隙水和空氣則存在于土體內(nèi)部土顆粒之間相互連通的孔隙之中。滲流是指土體內(nèi)部的孔隙水在水頭差的作用下流經(jīng)土顆粒骨架之間相互連通孔隙的現(xiàn)象。而滲透性是指土體允許水或其他流體流經(jīng)其內(nèi)部的性能[2]。土體的滲透性研究對于建筑工程選址、基坑工程的防水及其對于周圍建筑物的影響、基坑開挖和水利、農(nóng)業(yè)、環(huán)保等許多工程領(lǐng)域均有非常重要的影響[3]。相關(guān)學(xué)者對于土體的滲透系數(shù)進行了大量的試驗及理論推導(dǎo)[4-7]，近年來，中外學(xué)者從不同角度對黏性土的滲透系數(shù)計算方法進行了大量的研究[8]，但由于參數(shù)無法從簡單的試驗中獲取，實用性有待提高。梁健偉等[9]對影響?zhàn)ば酝翝B流特性的原因及改變滲流特性的重要影響參數(shù)進行研究。何俊等[10]從微觀角度對土工合成黏土襯墊的飽和滲透系數(shù)進行研究。張一軍[11]研究了黏性土尾礦壩的穩(wěn)定性，結(jié)果表明黏性土具有滲透性差、易變性、強度低、觸變性、非均勻性等特點；唐大雄等[12]總結(jié)了黏性土的滲透規(guī)律，并提出了達西定律的適用條件；董邑寧等[13]對飽和黏性土進行了大量的滲透試驗，揭示了土體只要有水壓差就會發(fā)生滲流。梁健偉[14]研究發(fā)現(xiàn)黏性土中的黏性土顆粒會吸附部分水在其孔隙中，使得黏性土的滲流規(guī)律與達西定律有一定的偏差。在油氣開采領(lǐng)域中大量學(xué)者提出土體三相間是存在相互作用的且滲流液體自身具有物理化學(xué)性質(zhì)和流變性質(zhì)[15-16]。

黏性土是指粒徑小于0.075 mm的土體質(zhì)量占總質(zhì)量一半以上的一類土。傳統(tǒng)滲透系數(shù)經(jīng)驗公式計算黏性土滲透系數(shù)常與實測值存在一定偏差。造成這種誤差的根本原因是黏性土顆粒粒徑較小，在靜電力作用下土顆粒外存在結(jié)合水膜，而結(jié)合水滲透性極差具有類似固體的性質(zhì)，不會產(chǎn)生滲流。本文結(jié)合變水頭滲透試驗，通過控制黏性土樣的干密度研究孔隙度對黏性土滲透系數(shù)的影響。對試驗數(shù)據(jù)進行整理分析，擬合黏性土的滲透系數(shù)與孔隙比之間的數(shù)值關(guān)系，并分析了傳統(tǒng)滲透系數(shù)在計算黏性土?xí)r常存在誤差的原因。

1 試驗土樣基本物理指標(biāo)測定

1.1 顆粒分析

試驗所用土體為重塑土，分別為紅黏土與黃黏土。烘干后土樣如圖1所示。采用密度計法對兩種黏性土樣進行顆分試驗，兩種黏性土的顆粒分析結(jié)果如表1所示，顆粒級配曲線如圖2所示。

圖1 烘干后土樣

由兩種黏性土的顆粒級配曲線可知試樣使用兩種黏性土級配良好，均滿足《土工試驗規(guī)程》SL237—1999的相關(guān)土工試驗要求。

圖2 土樣顆粒級配曲線

1.2 比重實驗

將兩種黏性土樣烘干，校正比重瓶，稱量15 g土樣并將其裝入100 mL比重瓶中，并向比重瓶內(nèi)注入一半蒸餾水，將土樣浸泡于比重瓶內(nèi)24 h，將比重瓶置于砂浴中煮沸。自懸液沸騰時開始計算煮沸時間，兩種黏性土煮沸時間均為1 h，令土顆粒均勻分散。冷卻后將蒸餾水注入比重瓶至滿瓶。比重瓶冷卻至室溫，擦干比重瓶外壁，對比重瓶、試樣及水的總質(zhì)量進行稱量并測量蒸餾水的溫度。試驗測量數(shù)據(jù)應(yīng)精確至0.001 g，兩種土樣比重試驗結(jié)果如表2所示。

表1 黃黏土、紅黏土顆粒分析結(jié)果

表2 兩種試驗土樣的比重

1.3 最大、最小干密度試驗

通過最大孔隙比試驗及最小孔隙比試驗來測定試驗所用黏性土樣的最大干密度與最小干密度，以設(shè)定黏性土樣干密度。最大孔隙比試驗使用量筒法，最小孔隙比試驗使用錘擊振動法。兩種試驗需進行兩次平行試驗，并取算術(shù)平均值作為土樣最大及最小干密度，兩次平行試驗所得結(jié)果之差不可超過0.03 g/cm3。兩種黏性土最大、最小干密度試驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 兩種黏性土樣的基本物理參數(shù)

2 滲透試驗及結(jié)果分析

2.1 土樣制備

土樣底面直徑為39.1 mm，高度為80 mm。根據(jù)最大及最小孔隙比試驗所測得的土樣最大干密度及最小干密度，分別設(shè)定兩種黏性土的五種土樣干密度。計算所需土樣質(zhì)量及配水質(zhì)量。配水方法為將每組土樣所需黏性土等質(zhì)量分成四份，用滴定管將計算好質(zhì)量的水均勻滴入土樣上方并將土樣攪拌均勻，配水結(jié)束后，將黏性土試樣密封并保存48 h。

將保濕缸中攪拌均勻并靜置48 h的土樣取出，每種干密度的土樣分別分等質(zhì)量的四份倒入制樣器中。每份倒入后均對土樣進行擊實并在擊實后對土樣上表面進行刮毛處理，待土樣全部放入制樣器并壓實后撫平土樣上表面，如圖3所示。在土樣的上下表面均貼上濾紙并用透水石進行固定，每個試樣上貼好記有試樣的土樣種類及試樣干密度的標(biāo)簽，采用真空飽和法對試樣進行飽和處理，如圖4所示。

圖3 壓實后的黏性土樣

圖4 土樣飽和

試樣飽和后將試樣裝入滲透儀器中，如圖5所示。施加圍壓直至試樣變形趨于穩(wěn)定，固結(jié)時間不少于6 h。試樣固結(jié)完成后，分別施加上下水頭壓力并設(shè)置水頭壓力差為20 kPa，待單位時間內(nèi)上端流入水體積與下端流出水體積大致相等，根據(jù)Darcy定律計算試樣的滲透系數(shù)：

(1)

式(1)中：kT為試樣在溫度T時的滲透系數(shù)，cm/s；Q為單位時間內(nèi)流過試樣的水體積，cm3/s；A為試樣的橫截面積，cm2；L為試樣高度即滲流長度，cm；h1-h2為上下水頭高度差，cm。每個試樣分別在滲流穩(wěn)定之后反復(fù)記錄6次以上并計算試樣滲透系數(shù)直至計算結(jié)果趨于穩(wěn)定，同時測量試驗開始及結(jié)束時的水溫。根據(jù)式(2)計算標(biāo)準(zhǔn)溫度下的試樣滲透系數(shù)：

(2)

式(2)中：k20為標(biāo)準(zhǔn)室溫20 ℃時試樣的滲透系數(shù)，ηT/η20為T℃時與20 ℃時水的黏滯系數(shù)比。

圖5 滲透儀器

2.3 滲透試驗結(jié)果分析

基于滲透試驗測試數(shù)據(jù)，可得到兩種黏性土樣在不同干密度條件下滲透系數(shù)隨時間的變化如圖6所示。

圖6 兩種黏土在不同孔隙比條件下滲透系數(shù)隨時間的變化

通過變水頭滲透試驗所得結(jié)果顯示黏性土滲透系數(shù)隨土樣干密度增大而減小，即滲透系數(shù)隨試樣孔隙比減小而減小。且由于試驗數(shù)據(jù)具備一定的波動性，經(jīng)過數(shù)次試驗之后，試驗數(shù)據(jù)基本趨于穩(wěn)定，取多次變水頭滲透試驗所得滲透系數(shù)的算術(shù)平均值作為最終的滲透系數(shù)實測值。基于滲透試驗測試數(shù)據(jù)，可得到兩種黏性土不同孔隙比對應(yīng)滲透系數(shù)實測值匯總于表4，滲透系數(shù)隨土樣孔隙比變化的規(guī)律如圖7所示。

黃黏土及紅黏土的滲透系數(shù)量級分別是10-6～10-7cm/s、10-7～10-8cm/s。經(jīng)整理分析，試驗所得滲透系數(shù)數(shù)據(jù)具備較強的規(guī)律性并基本符合函數(shù)擬合曲線。由圖7、圖8可知，對于同種黏性土，隨著孔隙度增大滲透系數(shù)也不斷增大?？梢娍紫侗葘︼柡宛ば酝恋臐B透性存在影響，隨著孔隙比的增加，滲透系數(shù)呈非線性增加，通過數(shù)據(jù)擬合，可得到黃黏土滲透系數(shù)k與孔隙比e間的函數(shù)關(guān)系式為：

圖7 兩種黏土滲透系數(shù)隨試樣孔隙比的變化

k=10-7(7 513.3e4-2 6621e3+35 406e2-

20 742e+4 500.2)

(3)

紅黏土滲透系數(shù)k與孔隙比e之間的函數(shù)關(guān)系式為

k=10-7(3 442.2e4-12 923e3+18 124e2-

11 245e+2 603.9)

(4)

對于黏性土而言，將黏性土的基本物理參數(shù)直接代入傳統(tǒng)的滲透系數(shù)經(jīng)驗公式中，計算結(jié)果往往與實測結(jié)果有一定的誤差，這說明傳統(tǒng)的滲透系數(shù)經(jīng)驗公式并不適用于黏性土。造成這一現(xiàn)象的主要原因是黏性土內(nèi)部土顆粒粒徑相對較小、比表面積大、分子間引力較大、土體中所包含的細(xì)顆粒含量較高、并且黏性土顆粒具有帶電性質(zhì)，黏性土土顆粒表面會吸附一層結(jié)合水膜。而黏性土內(nèi)部結(jié)合水由于黏滯性大，透水性差且不受重力影響，具有類似于固體的性質(zhì)，造成這部分孔隙基本是不能產(chǎn)生滲流。傳統(tǒng)的滲透系數(shù)經(jīng)驗公式并未考慮這一部分無效滲透孔隙，因此在計算黏性土?xí)r往往會使得計算值大于實際滲透系數(shù)，通過對不同孔隙比的黏性土試樣進行滲透試驗并擬合出黏性土孔隙比與滲透系數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，進一步完善了黏性土滲透性理論，為實際工程提供了一定的借鑒和參考。

表4 兩種黏性土在不同干密度孔隙度情況下的滲透系數(shù)

3 結(jié)論

通過控制干密度制備不同孔隙比的黏性土試樣，對不同孔隙比的黏性土試樣進行變水頭滲透試驗，并對黏性土孔隙比與滲透系數(shù)間的函數(shù)關(guān)系進行擬合，可得到如下結(jié)論。

(1)黏性土的干密度與孔隙比呈負(fù)相關(guān)，且二者基本呈線性關(guān)系。

(2)通過對不同干密度的黏性土試樣進行變水頭滲透試驗，可以發(fā)現(xiàn)黏性土干密度越大，孔隙比越小，滲透系數(shù)越小。且孔隙比與滲透系數(shù)之間呈冪函數(shù)關(guān)系，擬合結(jié)果符合黏性土的滲透基本規(guī)律。

(3)傳統(tǒng)的滲透系數(shù)經(jīng)驗公式由于未考慮黏性土內(nèi)部結(jié)合水對黏性土滲透系數(shù)的影響，計算結(jié)果常大于黏性土實際滲透系數(shù)，對黏性土滲透系數(shù)與孔隙比之間的函數(shù)關(guān)系進行擬合，為土木及水利工程防滲及黏性土地基沉降提供了參考。