飽和黏性土孔隙性對滲透系數(shù)的影響研究

莊心善， 鄭 飛， 陶高梁， 朱志政

(湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

降雨不僅是引起邊坡失穩(wěn)的重要因素，也是分析城市垃圾填埋場建設(shè)與維護(hù)、地下污水的遷移即污染物的滲流與擴(kuò)散、防洪堤壩的滲漏等工程的重要參數(shù)，一直以來受到廣泛的重視[1-3]．曾玲玲[4]等人對天然沉積溫州軟粘土的原狀樣及重塑樣進(jìn)行結(jié)構(gòu)性對黏性土滲透性狀的影響研究，丁國平[5]等人對華北平原衡水沉降區(qū)基巖標(biāo)鉆孔中的第四系黏性土進(jìn)行了土體滲透特征研究，明福林[6]等人對五道水庫礫質(zhì)黏性土心墻與基槽的接觸進(jìn)行了滲透變形試驗．滲透系數(shù)是描述孔隙水在土中流動性質(zhì)的一種度量[7]．由于粘性土的滲透系數(shù)較小，目前這方面的研究較少．本文基于變水頭試驗技術(shù)研究黏性土的滲透系數(shù)特性，得出了有益結(jié)論，供進(jìn)一步深入研究粘性土的滲透性參考．

1 滲透試驗的基本原理

滲透試驗根據(jù)使用儀器類型分為常水頭和變水頭兩種．常水頭適用于透水性大(k>10-3cm/s)的土，例如砂土；變水頭適用于透水性小(k<10-3cm/s)的土，例如粉土和黏土．黏性土由于滲透系數(shù)很小，流經(jīng)試樣的水量很少，難以準(zhǔn)確量測,因此采用變水頭法．變水頭實驗就是在整個試驗過程中，滲透水頭差隨時間而變化的一種實驗方法，試驗過程中，某任一時間t作用于土樣的水頭為h,經(jīng)過dt時間間隔后，刻度管(截面積為a)的水位降落了dh,則從時間間隔t至t+dt時間間隔內(nèi)流經(jīng)土樣的水量dQ為-adh,其中負(fù)號表示水量Q隨水頭h的降低而增加．同一時間內(nèi)作用于試樣的水力坡降i=h/L,根據(jù)Darcy H定律，滲透系數(shù)[8]

式中：a為變水頭管的截面積，cm2； 2.3為ln和log的變換因數(shù)；L為滲徑，即試樣高度cm；t1,t2為分別為測讀水頭的起始和終止時間s；h1,h2為起始和終止水頭．

2 試驗方法

試樣土取自武漢漢街的一處工地基坑底部，埋深9 m，為非飽和黏土，土體的物理特性見表1．

表1 土體的物理特性

2.1 試驗方法及步驟

2.1.1制樣方法將所取土樣風(fēng)干后，過2 mm篩，測出土樣的各種物理特性，含水率控制在15%左右時制樣效果最好，測出土的風(fēng)干含水率ω0之后，經(jīng)計算，稱取一定質(zhì)量的風(fēng)干土樣和蒸餾水，按照《土工試驗規(guī)程》[8]將其制成含水率為15%的試樣土，密封靜置24 h，復(fù)測含水率，得出實際含水率為15.13%；本次試驗制樣時三次分層填土，以利密實結(jié)合并采用液壓千斤頂靜壓試驗方法制備重塑試樣，采用滲透環(huán)刀(高度4 cm,體積為120 cm3)，干密度及孔隙比見表2．稱取一定質(zhì)量的試樣土(含水率為15.13%)，制備7相同平行試樣，再將所制備試樣進(jìn)行抽氣真空飽和，抽氣時間為4 h，放入水中靜置24 h，使飽和度達(dá)到95%以上，達(dá)不到時，繼續(xù)進(jìn)行飽和．

表2 土體試樣編號及干密度

2.1.2試驗步驟本試驗采用的七組試樣所采用的變水頭管截面積分別是：0.484 cm2、0.526 cm2、0.491 cm2、0.491 cm2、0.491 cm2、 cm2、0.517 cm2、0.484 cm2.

依次將裝有試樣的環(huán)刀裝入滲透容器放平，用螺母旋緊，要求密封至不透水不透氣．將變水頭管注滿水，并滲入滲透容器，開排氣閥，排除滲透容器底部的空氣，直至溢出水中無氣泡，關(guān)閉排水閥，向變水頭管注水，使水升至預(yù)定高度，起始水頭一般為130 cm左右(黏性土滲透系數(shù)小，起始水頭太低易造成實驗數(shù)據(jù)誤差偏差大)．水位恒定后停止供水，把進(jìn)水管夾打開使水流過試樣，等待出水口有水溢出的現(xiàn)象時開始記錄變水頭管中的起始水頭高度(H1)和起始時間(t1)，按指定時間間隔記錄水頭差(H1-H2)和時間差(t2-t1)，記錄出水口水溫．將變水頭管中的水位變換高度，等待水位穩(wěn)定后再次測量水頭和時間的變化．

2.2 試驗儀器

測試儀器為上虞市勘測土工儀器廠生產(chǎn)的南55-2改進(jìn)型滲透儀．儀器如圖1、圖2所示．

圖 1 滲透裝置 圖 2 滲透儀

3 試驗結(jié)果分析

用測試數(shù)據(jù)代入變水頭計算公式算出7個試樣平均滲透系數(shù)，不同溫度所選用的修正系數(shù)不同，從而對最終滲透系數(shù)造成影響，見表3．

表3 試驗結(jié)果

圖 3 溫度與溫度修正系數(shù)關(guān)系圖

根據(jù)對七組不同干密度試樣進(jìn)行滲透試驗時測得的溫度和不同溫度下對應(yīng)的滲透系數(shù)繪制曲線如圖3所示，表明溫度修正系數(shù)隨著溫度的升高而降低．

圖 4 孔隙比與最終滲透系數(shù)的關(guān)系圖

根據(jù)不同孔隙比的七組試樣測得的最終滲透系數(shù)繪制成曲線(圖4)，從圖中可以看出，滲透系數(shù)隨著孔隙比的增大而增大，且明顯分為三段，有0.718 8和1.037兩個特征點．在0.612 9～0.718 8區(qū)間內(nèi)，因土體較密實、黏性土顆粒較小導(dǎo)致滲流孔徑較小，曲率半徑較小，由于水存在表面張力，致使?jié)B透時的表面張力較大，滲透時水受土顆粒的阻力較大，水只在土體密實度薄弱的地方進(jìn)行滲透，表現(xiàn)出滲透系數(shù)很小．在0.718 8～1.037區(qū)間內(nèi)，隨著土體孔隙比的增大，孔隙半徑逐漸增大，曲率半徑也隨之增大，致使?jié)B透時的表面張力減小，水滲透時受土顆粒的阻力減小，滲透系數(shù)增大，形成穩(wěn)定的滲流．在1.037～1.1154區(qū)間內(nèi)，孔隙率很大，水滲流時受表面張力的影響很小，能夠在土體中形成連續(xù)滲流通道，使?jié)B透系數(shù)急劇增大．在工程應(yīng)用中，為了減小滲透性，對此種土體要控制干密度和孔隙比在一定范圍內(nèi)．

圖 5 干密度與最終滲透系數(shù)的關(guān)系圖

根據(jù)不同干密度的七組試樣測得的最終滲透系數(shù)繪制曲線(圖5)，在1.3～1.35區(qū)間內(nèi)時，干密度比較小，土體內(nèi)部孔隙較大，此時水的滲透性較強(qiáng)，表現(xiàn)為滲透系數(shù)較大．在1.35～1.6區(qū)間內(nèi)，土體內(nèi)部孔隙較小，屬于緩慢滲流狀態(tài)．在1.6～1.705區(qū)間內(nèi)時，因為土體較密實，滲透很難進(jìn)行，表現(xiàn)為滲透系數(shù)很小．

4 結(jié)論

采用變水頭滲透試驗裝置對武漢漢街地區(qū)土質(zhì)的滲透性質(zhì)進(jìn)行研究，得出如下結(jié)論：

1)此次滲透試驗用土為飽和黏性土，透水性小(k<10-3cm/s)，因此用變水頭法測設(shè)滲透系數(shù)．

2)該變水頭滲透實驗受溫度影響，測試溫度越高，修正系數(shù)越小．

3)滲透系數(shù)隨著孔隙比的增大而增大，且明顯分為三段，有0.718 8和1.037兩個特征點．

4)干密度越小，土體顆粒孔隙越大，在滲透過程中可以形成連續(xù)通道，滲透系數(shù)表現(xiàn)為較大．因此滲透系數(shù)隨著干密度的減小而減小．

[參考文獻(xiàn)]

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