黃土粒度組成對(duì)其滲透系數(shù)各向異性影響的試驗(yàn)研究

趙茜，蘇立君，劉華，何江濤，楊金熹

(1.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西西安，710055；2.中國(guó)科學(xué)院·水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川成都，610041；3.中國(guó)科學(xué)院青藏高原地球科學(xué)卓越創(chuàng)新中心，北京，100101；4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京，100049)

我國(guó)黃土在地層學(xué)上具有分布廣泛、沉積連續(xù)、厚度大的特點(diǎn)，是了解古氣候信息、搬運(yùn)沉積過(guò)程、剝蝕風(fēng)化作用的重要載體[1-2]。黃土的形成是一個(gè)極其復(fù)雜的非線性地質(zhì)過(guò)程，粒度分布表現(xiàn)出全域持穩(wěn)又定向漸變的特點(diǎn)[3]。20 世紀(jì)60年代，研究者通過(guò)野外觀察和室內(nèi)分析(主要手段為沉降法、篩析法和顯微鏡法)得到了黃土粒度從西北向東南逐漸變細(xì)的空間變化規(guī)律，并自西北向東南劃分出砂黃土、黃土和黏黃土帶[3-4]。隨著技術(shù)手段的進(jìn)步，具有操作簡(jiǎn)便、測(cè)試準(zhǔn)確、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)的激光法成為沉積物顆粒分析的主要方式，對(duì)其基本數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理可得到相應(yīng)的粒度參數(shù)[5]。人們通過(guò)激光法已對(duì)伊朗東北部[6]、陜西洛川[7]、甘肅會(huì)寧[8]、河北豐寧[9]等地黃土的粒度特征及其環(huán)境指示意義進(jìn)行了系統(tǒng)分析，為黃土全域的整體研究提供了參考。土體的粒度組成決定了土體的結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)而影響其物理力學(xué)性質(zhì)(孔隙比、強(qiáng)度和變形等)與水理性質(zhì)(滲透性、濕陷性和保水性等)，其中滲透性質(zhì)與粒度組成之間聯(lián)系最密切[10]。目前滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式多以粗粒土為研究對(duì)象[11-17]，而黏性土的滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式多在粗粒土公式的基礎(chǔ)上加以修正得到[18]。通過(guò)試驗(yàn)探究影響?zhàn)ば酝翝B透性質(zhì)的因素時(shí)，需全面考慮取樣地域特點(diǎn)、土體粒度組成、黏粒含量及外附水膜、土體骨架與孔隙排列、結(jié)構(gòu)各向異性等諸多因素的共同作用，但多數(shù)學(xué)者僅對(duì)其中的某些參數(shù)進(jìn)行了研究。ZHANG 等[19]研究了蘭州非飽和重塑黃土的滲透性；彭昌盛等[20]側(cè)重于探討顆粒粒徑和水溶液性質(zhì)對(duì)多孔介質(zhì)滲透性的影響；王力等[21]揭示黏粒含量對(duì)滲透系數(shù)的影響及其微觀機(jī)理；CHAN等[22]將土體水平滲透系數(shù)kh與豎直滲透系數(shù)kv的比值定義為滲透各向異性比rk；LUO等[23]論證了黃土沿垂直節(jié)理方向的入滲速度遠(yuǎn)大于水平向的入滲速度。因此，本文作者從黏黃土、黃土和砂黃土區(qū)域縱向選擇西安、延安和米脂黃土作為研究對(duì)象，通過(guò)顆粒分析和三軸滲透試驗(yàn)，對(duì)比三地黃土的粒度分布差異及滲透性各向異性，提出通過(guò)粒度分布預(yù)測(cè)黃土滲透系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，并基于已有研究橫向選擇4處粒度差異顯著的黃土滲透試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)該公式進(jìn)行驗(yàn)證分析。

1 研究區(qū)域概況

按照已劃分好的黃土高原粒徑分布范圍[3-4]，選定西安市、延安市和榆林市米脂縣作為研究黏黃土、黃土和砂黃土粒度分布及滲透性質(zhì)的典型區(qū)域(見圖1)。其中西安黃土取自距地表7 m 左右的某建筑基坑側(cè)壁，延安黃土和米脂黃土取自高約7 m 的新開挖山體剖面。隨地域由南向北延伸(西安—延安—米脂)，土體由黃褐色向中黃色過(guò)渡，干密度逐漸增大，含水率逐漸降低，其基本物理指標(biāo)平均值見表1。不同區(qū)域取土?xí)r選擇深(高)度相對(duì)一致的位置，可保證所取試塊所受的上部先期固結(jié)壓力較相近，固結(jié)滲透試驗(yàn)中不同區(qū)域黃土均處于正常固結(jié)狀態(tài)。

圖1 黃土高原黃土粒徑分帶Fig.1 Granulometric zoning of the Loess Plateau

表1 試驗(yàn)用黃土的物理指標(biāo)平均值Table 1 Mean values of physical parameters of loess

2 試驗(yàn)方案

2.1 黃土顆粒分析

顆粒分析采用Bettersize2000激光粒度分布儀，儀器測(cè)試范圍為0.02～2 000.00 μm，重復(fù)測(cè)量誤差小于1%，需設(shè)置多組平行試樣以得到離散性較小的試驗(yàn)結(jié)果，最終可得西安、延安、米脂黃土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、粒度分布曲線與其他粒度參數(shù)。

2.2 電鏡掃描試驗(yàn)

將已進(jìn)行冷凍干燥的不同區(qū)域水平向原狀黃土削制成長(zhǎng)×寬×高分別為1.0 cm×0.5 cm×0.5 cm的長(zhǎng)方體，在其長(zhǎng)邊中部刻一圈深約1 mm 的凹槽，以便從刻槽處掰開試樣，選取較平整的豎向新鮮斷面用于掃描。對(duì)導(dǎo)電性較差的巖土材料，需提前進(jìn)行真空鍍金處理，以增強(qiáng)顆粒與孔隙之間的亮度對(duì)比。

2.3 三軸滲透試驗(yàn)

依據(jù)GB/T50123—1999“土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)”[24]，將不同區(qū)域原狀黃土分別削制成水平、豎直向的標(biāo)準(zhǔn)三軸圓柱試樣，其直徑為39.1 mm、高為80 mm。對(duì)試樣進(jìn)行飽和處理后放入GDS 三軸滲透儀中測(cè)定其飽和滲透系數(shù)(本文中的滲透系數(shù)均指飽和滲透系數(shù))。本試驗(yàn)條件為固結(jié)滲透，圍壓梯度設(shè)置為100，200，300和400 kPa。

3 結(jié)果與分析

3.1 粒度組成與分布特征

3.1.1 粒度組成特征

按照文獻(xiàn)[1]中的粒度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可將黃土顆粒按粒徑從小到大依次劃分為黏粒(＜4 μm)、細(xì)粉砂([4，16) μm)、中粉砂([16，32) μm)、粗粉砂([32，63) μm)及砂粒(＞63 μm) 5 個(gè)組分。在此基礎(chǔ)上，本文作者將西安、延安、米脂黃土按粒度組成及粒組劃分，結(jié)果見表2。由表2 可知：隨地域由南向北延伸(西安—延安—米脂)，黃土的黏粒、細(xì)粉砂及中粉砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減少，粗粉砂與砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增多，黏粉比(黏粒與粉砂質(zhì)量比)逐漸減??；第一峰值粒組的黃土顆粒由細(xì)變粗，只有西安黃土存在第二峰值粒組，這與西安黃土的“雙峰”粒度概率分布曲線(見圖2)一致。

圖解法是粒度分析中最常用的方法，能夠直觀判定沉積物的粒度特征并定量分析其變化規(guī)律。西安、延安、米脂黃土的粒度分布曲線如圖2 所示，其中，d10，d30，d50和d60分別為顆粒累計(jì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，30%，50%和60%時(shí)對(duì)應(yīng)的粒徑。由圖2(a)可知：西安黃土的粒度頻率分布曲線呈明顯“雙峰”特征，第一峰值粒組(粒徑為[4，63)μm)為分布峰度較高、分選性較好的粗粒組分，第二峰值粒組(粒徑＜4 μm)為峰度較低、峰形較緩的細(xì)粒組分。這種典型的粒度雙峰態(tài)分布特征與孫東懷等[25]的研究結(jié)果吻合，符合典型風(fēng)成黃土的粒度非對(duì)稱分布特點(diǎn)。延安、米脂黃土的第一峰值粒組以粒徑較大的中、粗粉砂和砂粒(粒徑＞16 μm)為主，但其細(xì)粒組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)極低，對(duì)應(yīng)曲線的峰形變化較小，因此粒度頻率分布曲線呈現(xiàn)“單峰”形式。由圖2(b)可知：西安、延安、米脂黃土累計(jì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線中對(duì)應(yīng)于第一峰值粒組的線段斜率逐漸增大，線型向右偏移，長(zhǎng)度逐漸增加，只有西安黃土在細(xì)粒端存在1個(gè)明顯的平臺(tái)，與其粒度“雙峰”特征吻合。

3.1.2 粒度分布規(guī)律

粒度參數(shù)是直觀描述沉積物粒度分布特征與沉積形成環(huán)境的量化指標(biāo)，本文試驗(yàn)地區(qū)黃土的粒度參數(shù)包括平均粒度Mz、粒度中值Md、分選系數(shù)σ、偏度SK與峰度KG，均根據(jù)Folk-Ward圖解法公式[26]計(jì)算得出，計(jì)算結(jié)果見表3。

式中：變量d下標(biāo)數(shù)值代表某一粒徑顆粒累計(jì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

平均粒度Mz代表沉積物粒度分布的集中趨勢(shì)，粒度中值Md是指顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)占50%的界限粒度(即d50)。由表3 可知：隨地域由南向北延伸(西安—延安—米脂)，黃土的平均粒度與粒度中值逐漸增大，顆粒整體由細(xì)變粗。不同粒度參數(shù)與級(jí)配參數(shù)的分級(jí)見表4。由表3 和表4 可知：不同區(qū)域黃土的分選性都差，說(shuō)明黃土顆粒的粒度分布范圍較廣、粗細(xì)不均。偏度SK反映粒度分布的不對(duì)稱程度，SK＞0 時(shí)屬正偏態(tài)，峰形偏向粗粒一側(cè)，|SK|越大，分布形態(tài)偏移程度越嚴(yán)重。由表3 可見不同區(qū)域黃土的偏度均大于0且逐漸減小，“單峰”分布曲線以最大峰值為中心向粗、細(xì)兩端變化的趨勢(shì)較對(duì)稱，而“雙峰”分布曲線向細(xì)粒端減小的速率較粗粒端明顯變緩，細(xì)粒端“次峰”的存在加劇了粒度分布的不對(duì)稱程度。峰度KG用來(lái)衡量頻率分布曲線峰形的寬窄陡緩程度，KG越大，峰形越窄尖，粒度分布越集中，這與不同區(qū)域黃土的峰度特征相吻合。西安黃土與延安、米脂黃土相比，不均勻系數(shù)及曲率系數(shù)都較大，依據(jù)級(jí)配良好的標(biāo)準(zhǔn)(不均勻系數(shù)Cu≥5，曲率系數(shù)Cc=1～3)判定，延安黃土與米脂黃土的級(jí)配較好。

表2 西安、延安、米脂黃土的粒度組成及粒組劃分Table 2 Particle size composition and particle division of Xi'an,Yan'an and Mizhi loess

圖2 不同區(qū)域黃土粒度分布曲線Fig.2 Particle size distribution curves of loess from different regions

表3 西安、延安、米脂黃土的粒度參數(shù)與級(jí)配參數(shù)Table 3 Particle size parameters and gradation parameters of Xi'an,Yan'an and Mizhi loess

表4 圖解法沉積物粒度參數(shù)(Folk-Word)[4]與級(jí)配參數(shù)[27]的分級(jí)Table 4 Classification of particle size parameters(Folk-Word)[4]and gradation parameters[27]of sediments by graphic method

3.2 粒度組成與滲透系數(shù)各向異性的關(guān)系

不同區(qū)域黃土滲透系數(shù)與圍壓的關(guān)系見圖3。由圖3可知：在相同圍壓下西安黃土的滲透系數(shù)最小，米脂黃土次之，延安黃土最大，不同區(qū)域黃土的滲透系數(shù)隨圍壓的增大逐漸減小并逐漸趨于穩(wěn)定。由圖3還可知：不同區(qū)域黃土豎直向滲透系數(shù)均大于水平向滲透系數(shù)，參照CHAN等[22]提出的滲透各向異性比rk概念(kh/kv)，本文作者定義豎直-水平滲透系數(shù)比(kv/kh)對(duì)黃土滲透性各向異性進(jìn)行分析。不同區(qū)域黃土豎直-水平滲透系數(shù)比與圍壓σ3的關(guān)系如圖4 所示。由圖4 可見：各級(jí)圍壓下不同區(qū)域黃土的豎直-水平滲透系數(shù)比始終大于1，其中西安黃土的豎直-水平滲透系數(shù)比最大且曲線斜率最陡，米脂黃土和延安黃土的豎直-水平滲透系數(shù)比變化較緩。從宏觀尺度表現(xiàn)可以看出：不同區(qū)域豎直向黃土試樣內(nèi)部存在發(fā)育良好的管狀植物根洞(見圖5)，這類以垂直分布為主的次生大孔隙的孔徑以0.5～1.0 mm居多，孔壁較整齊密實(shí)，多以次生碳酸鈣等物質(zhì)膠結(jié)構(gòu)成，在一定程度上增加了豎直向試樣的孔隙率[28]。與水平滲流相比，豎直滲流的過(guò)水?dāng)嗝鏋橄鄬?duì)孔隙面積較大的水平剖面，豎向管狀大孔隙為水分滲流提供優(yōu)勢(shì)通道，使得豎直向滲透系數(shù)相比于水平向滲透系數(shù)更大，土體各向異性特征顯著。

不同尺度下黃土孔隙具有不同的展布形式，且尺度之間必然存在相互轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。固結(jié)滲透前后不同區(qū)域黃土試樣微觀結(jié)構(gòu)(放大1 000倍)如圖6所示。由圖6可知：除了考慮黃土的顆粒排列、孔隙形態(tài)和膠結(jié)程度等微觀結(jié)構(gòu)特征之外，更需重視結(jié)構(gòu)孔隙的構(gòu)造特性。風(fēng)成黃土在沉積過(guò)程中受自身重力作用影響較大，而水平向不受力，因此土體普遍呈現(xiàn)顆粒豎向排列緊湊、橫向排列疏松的結(jié)構(gòu)特征。“雙峰”黃土中粗顆粒與其表面吸附的外包黏粒(統(tǒng)稱為集粒)形成黃土的基本單元體，在空間以聚集狀相互接觸為主，形成孔壁較為光滑的豎向管狀狹長(zhǎng)孔隙與豎向尺度較大的支架孔隙。部分黏粒聚集在粗顆粒的接觸點(diǎn)形成膠結(jié)結(jié)構(gòu)，最終構(gòu)成黃土的支架-鑲嵌微孔半膠結(jié)結(jié)構(gòu)。與粉-黏二元混合體的“雙峰”黃土不同，“單峰”黃土可以看作粉-砂顆?；旌系乃缮⒉牧希涔羌艽诸w粒形態(tài)以棱角狀和次棱角狀為主，多由棱角、棱邊與粒面直接接觸或由黏粒聯(lián)結(jié)形成架空孔隙或豎向縫隙狀狹長(zhǎng)孔隙(其徑向尺寸小于管狀狹長(zhǎng)孔隙)，構(gòu)成黃土的支架大孔微膠結(jié)結(jié)構(gòu)。管狀或縫隙狀狹長(zhǎng)孔隙可以看作次生豎向管狀大孔隙的微觀表現(xiàn)，豎向孔隙可以在外部作用下實(shí)現(xiàn)向上尺度的擴(kuò)張(微-宏觀)與向下尺度的衰退(宏-微觀)。

圖3 不同區(qū)域黃土滲透系數(shù)與圍壓的關(guān)系Fig.3 k-σ3 curves of loess from different regions

圖4 不同區(qū)域黃土豎直-水平滲透系數(shù)比(kv/kh)與圍壓的關(guān)系Fig.4 kv/kh-σ3 curves of loess from different regions

圖5 風(fēng)干黃土試樣豎直剖面圖Fig.5 Vertical section of air-dried loess specimens

固結(jié)滲透條件下，不同區(qū)域黃土骨架顆粒的接觸方式轉(zhuǎn)變?yōu)殍偳督佑|為主，顆粒排列趨于定向且更加緊密，附著在粗粒表面的碎屑顆粒與膜狀顆粒明顯增多，支架孔隙與豎向狹長(zhǎng)孔隙的數(shù)量、尺度及其曲折程度顯著減小且加深。小微孔隙所占比例較高，加之活動(dòng)性強(qiáng)的黏粒可滑動(dòng)填充于粒間孔隙，使得西安黃土滲透性能最差，各向異性削弱最嚴(yán)重；對(duì)于顆粒較粗、骨架牢固性差、易于透水的延安、米脂黃土而言，顆粒尺度可以有效抵御引起孔隙壓縮破壞的外力作用，因此，土體各向異性變化不甚明顯。

3.3 滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式擬合

黃土的滲透性能與其粒度組成、級(jí)配特征、密實(shí)程度等密切相關(guān)。對(duì)于粗粒土的滲透系數(shù)公式而言，HAZEN公式[14]只考慮了粗粒土有效粒徑，而TERZAGHI公式[11]、扎烏葉列布公式[12]和滲透系數(shù)公式[13]在HAZEN 公式[14]的基礎(chǔ)上加入了孔隙率這一變量；朱崇輝等[15-16]提出的擬合公式考慮了土體的級(jí)配特征；KOZENY-CARMAN 公式[17]引入了一個(gè)不易通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得的固相比表面積S。要想實(shí)現(xiàn)黏性土與粗粒土滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式的統(tǒng)一，需對(duì)粗粒土滲透系數(shù)公式加以修正，黨發(fā)寧等[18]推薦采用基于有效孔隙比的KOZENY-CARMAN 公式。本文作者根據(jù)文獻(xiàn)[13]，[15]，[16]和[18]，并結(jié)合西安、延安、米脂黃土的粒度分布規(guī)律，提出可通過(guò)粒度分布預(yù)測(cè)黃土滲透系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。

圖6 固結(jié)滲透前后西安、延安和米脂黃土試樣微觀結(jié)構(gòu)(放大1 000倍)Fig.6 Microstructure of Xi'an,Yan'an and Mizhi loess samples before and after consolidation and permeability tests

3.3.1 粒度對(duì)滲透系數(shù)的影響

在不考慮級(jí)配參數(shù)時(shí)，已有公式[15-16]多以d30作為顆粒體系的代表粒徑(文獻(xiàn)[16]中的擬合公式經(jīng)簡(jiǎn)單推導(dǎo)后也是如此)。然而西安、延安、米脂黃土的顆粒粗細(xì)不均、級(jí)配優(yōu)劣不一，僅以某一特征粒徑作為顆粒體系的代表粒徑不具說(shuō)服力，因此，本文采用可反映粒度分布集中趨勢(shì)與不對(duì)稱程度的平均粒度與偏度共同表征黃土的粒度特征，平均粒度與偏度二次方的乘積與各級(jí)圍壓下的滲透系數(shù)都具有良好的線性正相關(guān)性，即本文僅展現(xiàn)σ3=100 kPa時(shí)的回歸關(guān)系(見圖7)。

3.3.2 級(jí)配特性對(duì)滲透系數(shù)的影響

不均勻系數(shù)Cu及曲率系數(shù)Cc用來(lái)判斷土的級(jí)配優(yōu)劣，可間接反映土體粒度分布特征，影響土體滲透性質(zhì)。本文將級(jí)配參數(shù)之間進(jìn)行各種組合，最終發(fā)現(xiàn)各級(jí)圍壓下滲透系數(shù)與不均勻系數(shù)及曲率系數(shù)二次方的商呈最佳的線性正相關(guān)性，即時(shí)滲透系數(shù)與級(jí)配參數(shù)的關(guān)系如圖8所示。

圖7 滲透系數(shù)與粒度的關(guān)系(σ3=100 kPa)Fig.7 Relationship between permeability coefficient and particle size(σ3=100 kPa)

圖8 滲透系數(shù)與級(jí)配參數(shù)的關(guān)系(σ3=100 kPa)Fig.8 Relationship between permeability coefficient and gradation parameters(σ3=100 kPa)

3.3.3 孔隙率對(duì)滲透系數(shù)的影響

由圖3可知固結(jié)滲透條件下不同區(qū)域黃土的滲透系數(shù)均隨圍壓的增大逐漸減小并趨于穩(wěn)定，而孔隙數(shù)量是影響土體滲透性能的主要原因，且已有研究結(jié)果表明[11-13,15-18]滲透系數(shù)與土體孔隙率之間存在直接關(guān)聯(lián)。因此，本文以圍壓作為過(guò)渡變量，先得到圍壓與不同區(qū)域黃土孔隙率的關(guān)系，如圖9所示。采用線性擬合公式(6)近似計(jì)算得到各級(jí)圍壓下土體的孔隙率；再得到滲透系數(shù)k與各級(jí)圍壓下孔隙率nσ3的線性回歸關(guān)系，如圖10 所示。由圖10 可見：滲透系數(shù)k與各級(jí)圍壓下孔隙率nσ3的相關(guān)性較強(qiáng)，存在如下關(guān)系：。

式中：n為初始孔隙率。

綜合以上線性回歸關(guān)系，得到最終的滲透系數(shù)K的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：C為與圍壓相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，

張志紅等[29]指出，當(dāng)圍壓增大到500 kPa 以上時(shí)，土體將變得非常密實(shí)，流體特性、力學(xué)荷載以及化學(xué)荷載作用對(duì)土體滲透性質(zhì)的影響可忽略不計(jì)。結(jié)合本文有關(guān)試驗(yàn)，對(duì)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)公式(8)提出適用范圍，認(rèn)為圍壓σ3＜500 kPa 時(shí)可使用式(7)預(yù)測(cè)黃土滲透系數(shù)。

3.3.4 擬合公式適用性分析

為證明滲透系數(shù)擬合公式的合理性及適用性，在本文由南向北不同區(qū)域黃土滲透試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，收集已有研究中的滲透試驗(yàn)數(shù)據(jù)，自西向東分別選取粒度組成差異顯著的甘肅黑方臺(tái)Q3和Q2黃土[30]、寧夏沙壤土[31]、陜西靖邊黃土[32]及山西粉質(zhì)黏土與粉土[33]共同進(jìn)行驗(yàn)證分析。本文三地黃土的滲透系數(shù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)值與公式計(jì)算值(見式(7))的對(duì)比見表5，不同區(qū)域黃土的基本物理指標(biāo)、粒度參數(shù)、級(jí)配參數(shù)及滲透系數(shù)見表6，其中所有數(shù)據(jù)均為引用文獻(xiàn)中的原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)。綜合表5和表6可知：除西安水平向黃土與甘肅黑方臺(tái)Q2黃土的公式計(jì)算值明顯大于試驗(yàn)實(shí)測(cè)值外，其余黃土的公式計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值均處于同一數(shù)量級(jí)，二者結(jié)果較吻合，故認(rèn)為該公式可預(yù)測(cè)不同區(qū)域內(nèi)正常固結(jié)原狀黃土的滲透系數(shù)。其中數(shù)值偏差較大的兩地黃土均為細(xì)粒豐富、級(jí)配不佳、大圍壓條件下實(shí)測(cè)滲透系數(shù)較小的密實(shí)黃土，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的細(xì)微差異都將導(dǎo)致滲透性能發(fā)生變化，因此，使用僅考慮孔隙率的經(jīng)驗(yàn)公式不能完全體現(xiàn)土體結(jié)構(gòu)性特征對(duì)其滲透性能的影響。為得到更加客觀準(zhǔn)確的理論預(yù)測(cè)結(jié)果，后續(xù)應(yīng)進(jìn)一步從土體成因歷史、自然環(huán)境演變、力學(xué)作用機(jī)理等方面對(duì)黃土進(jìn)行細(xì)化研究，針對(duì)顆粒排列方式、孔隙形狀性質(zhì)、膠結(jié)物質(zhì)成分等黃土結(jié)構(gòu)性因素提取相應(yīng)參數(shù)補(bǔ)充現(xiàn)有公式。

圖9 圍壓與孔隙率的關(guān)系Fig.9 Relationship between cell pressure and porosity

圖10 滲透系數(shù)與孔隙率的關(guān)系Fig.10 Relationship between permeability coefficient and porosity

表5 不同區(qū)域黃土滲透系數(shù)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比值K/k對(duì)比Table 5 Comparison of calculated values and measured values of permeability coefficient

表6 文獻(xiàn)[30-33]中黃土的滲透試驗(yàn)參數(shù)值與滲透系數(shù)計(jì)算值對(duì)比Table 6 Comparison of calculated permeability coefficient and seepage test parameter values from refs.[30-33]

4 結(jié)論

1) 隨著地域由南向北延伸(西安—延安—米脂)，黃土細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減少，粗粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增多，粒度分布曲線逐漸向粗粒一側(cè)偏移，由“雙峰”向“單峰”形式過(guò)渡。

2)在相同圍壓下，西安、延安、米脂黃土均呈現(xiàn)出豎直向滲透系數(shù)大于水平向滲透系數(shù)，且滲透系數(shù)與豎直-水平滲透系數(shù)比均隨圍壓的增大逐漸減小并趨于穩(wěn)定，其中西安“雙峰”黃土相比于延安、米脂“單峰”黃土滲透系數(shù)更小，豎直、水平滲透差異更為明顯。

3)受風(fēng)成沉積過(guò)程中自身重力的影響，土顆粒豎向排列較緊密，西安、延安、米脂黃土中豎向尺度較大的支架孔隙與縫隙狀狹長(zhǎng)孔隙可作為次生管狀大孔隙的微觀結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；孔隙尺度與形態(tài)是影響土體滲透能力及各向異性程度的關(guān)鍵因素。

4)本文提出的考慮粒度、級(jí)配、孔隙率與圍壓的黃土滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式具有普適性。