黏性土滲透系數測定的影響因素分析

李珊珊，李大勇，史　萍

(山東科技大學 土木工程與建筑學院，山東 青島 266590)

黏性土滲透系數測定的影響因素分析

李珊珊，李大勇，史萍

(山東科技大學 土木工程與建筑學院，山東 青島 266590)

摘要：土的滲透性是土力學研究的基本問題，滲透系數是反映土體滲透性的重要參數，準確測定土體的滲透系數有重要的理論與工程應用價值。通過變水頭試驗，分析了變水頭管橫截面面積、起始水頭高度、記錄水頭高度變化的時間間隔、溫度等因素對測定滲透系數的影響，并得到滲透系數隨孔隙比和干密度的變化規律。結果表明：試驗前應對變水頭管的橫截面面積進行校訂以減小誤差；當起始水頭高度為110、120、140 cm時，滲透系數隨著記錄水頭高度變化的時間間隔增大而減小，且曲線形式相似，當起始水頭高度為100 cm時，滲透系數隨時間間隔的增加變化不大，因此，建議起始水頭高度設置在100 cm；為降低變水頭管內水分蒸發對滲透系數的影響，建議記錄水頭高度變化的時間間隔宜小于150 min；滲透系數與初始孔隙比和干密度的擬合關系均符合二次型函數。

關鍵詞：變水頭試驗；滲透系數；影響因素；壓實吹填黏土

土的滲透性是土力學研究的基本問題，而滲透系數是反映土體滲透性的重要參數，在土體固結理論、滲流作用下的有效應力等土力學計算理論中有重要作用[1-2]，并應用于工程降水[3]、壩堤防滲穩定[4]、桶形基礎吸力沉貫[5]等實際工程分析中。因此準確確定滲透系數有重要的理論及工程意義，也是理論研究和解決工程問題的關鍵。

測定滲透系數的方法分為直接法和間接法。直接法是通過室內試驗直接測定，包括常水頭試驗和變水頭試驗，其中，砂性土的滲透性高，通常采用常水頭法測定滲透系數，試驗操作相對簡單，而黏性土的滲透系數通過變水頭試驗測定，其滲透性低，試驗時間長，受周圍環境因素影響大。間接法則是根據一維固結理論，通過壓縮系數和固結系數間接算出，而由于固結系數的影響，使計算出的滲透系數存在較大偏差。

(1)

式中e為砂土孔隙比，其余符號的含義同前。然而，這些經驗公式僅供估算時參考，不能絕對化的采用，也不能用于替代滲透試驗。

國內，王媛等[11]對南京黏性土進行了5～45 ℃下的滲透試驗，發現：溫度越高，滲透性越大；試樣密度越小，滲透系數隨溫度變化率越低。曹勝飛等[12]根據膨潤土的物理化學特性、變水頭滲透原理和試驗環境條件分析了滲透系數測量的準確性及誤差產生的原因，提出常規2 m變水頭試驗裝置對滲透系數極低的膨潤土不適合，可采用改進的或密閉系統的試驗裝置。顧正維等[13]進行了原狀、重塑和固化黏土進行飽和滲透試驗，認為：原狀黏土的滲透系數隨時間的延長而逐漸減??；重塑黏土的孔隙比對滲透系數的影響關系曲線可用冪函數擬合。朱熹文等[14]討論了淤泥質飽和土滲透系數的試驗方法，并依據浙江樂清北巷區吹填土樣、上海閔行河道土樣的滲透試驗結果提出涵蓋高含水率情況的淤泥質飽和土的滲透系數經驗公式，該公式適用于粒徑范圍為d5≤2 μm≤d90，孔隙比范圍為0.8≤e≤4.0。張明等[15]對深圳前灣吹填淤泥進行了固結滲透聯合試驗，認為吹填淤泥的滲透系數隨固結壓力的增加呈非線性變化，滲透系數與孔隙比之間為冪函數關系。

綜上所述，滲透性研究的土類涉及砂土、膨潤土、黏性土、淤泥及淤泥質黏土。其中，淤泥質黏土在我國東部沿海有較多分布，將吹填淤泥用于圍海造地已成為緩解土地資源緊張的一種方法。同時，青島正大力推進西海岸建設，而西海岸吹填土多為海底淤泥質軟黏土，可將吹填海底軟土用于圍海造地的方法推廣應用，以此為工程背景，對壓實后的吹填淤泥質軟黏土的滲透性進行了測試。然而，在黏土滲透系數的測定過程中，發現我國土工試驗方法標準[16]中的某些規定比較模糊，實際操作時存在困難，如：“變水頭管內徑應均勻”、“水頭高度根據試樣結構的疏松程度確定，一般不大于2 m”、“按預定時間間隔測記水頭和時間的變化”等。本文旨在研究影響淤泥質軟黏土滲透系數精確測定的因素，期望對規范中變水頭試驗部分進行相應的補充或明確，便于指導實際操作。

1試驗

1)試驗裝置：試驗采用STS-55型滲透儀，由上蓋、底座、套座、螺桿、環刀(內徑61.8 mm、高40 mm)、透水石(滲透系數大于10-3cm/s)、變水頭裝置組成。其中，變水頭裝置由滲透容器、變水頭管、供水瓶、進水管等組成，變水頭管內徑標注為6 mm、長度為1.7 m，管外壁刻度尺精度為1 mm。

2)試驗用土：試驗用土取自青島黃島壓實吹填淤泥質軟黏土，土質較均勻，呈灰黑色，其基本物理參量匯于表1中，而輕型擊實試驗得出的壓實曲線如圖1所示，得到土樣的最大干密度為1.82 g/cm3，最優含水率為17.2%。

表1　土的物理參數

圖1　擊實試驗

3)土樣制備：①將土樣烘干、碾碎，過0.1 mm孔徑篩，稱取過篩土，按最優含水率(以最優含水率配制試樣，其最易壓實)計算用水量，分層灑水并充分攪拌，用保鮮膜密封保存一段時間，使土樣內水分均勻分布，復測土樣含水率，若土樣含水率偏離最優含水率較大，重新調配土樣；②采用輕型擊實儀制備試樣，分3層壓實，每層擊25次，用推土器將試筒內土推出，再用涂有凡士林的標準環刀切取試樣，放入飽和器內，在真空缸中抽氣飽和6 h，水中靜置10 h，使試樣充分飽和，當飽和度低于95%時，繼續抽氣1 h左右。

2滲透系數的影響因素分析

通過討論影響黏性土滲透系數精確測定可能存在的因素，研究了變水頭管的截面面積、水頭高度、記錄水頭高度變化的時間間隔以及水分蒸發對其測定的影響。此外，在上述研究的基礎上，探討了黏性土的滲透系數隨土樣初始孔隙比及干密度的變化規律。

2.1變水頭管截面面積的影響

變水頭試驗中滲透系數的計算公式為

(2)

其中：a為變水頭管的截面面積；A為試樣的截面面積；L為試樣高度；H1為起始水頭高度；H2為終止水頭高度；t2、t1分別對應H2和H1的記錄時刻；(t2-t1)為記錄變水頭管內水頭高度變化的時間間隔。從公式(2)可看出，變水頭管的截面面積是影響滲透系數測定的一個因素，而變水頭管的截面面積由其內徑值決定。測定變水頭管內徑值的具體方法為：將變水頭管內注滿純水，管內水位每下降20 cm稱量一次出水的質量，再由式(3)計算變水頭管的截面面積，并通過式(4)反算出變水頭管的內徑值，重復三次取平均值。

m=ρ·a·h；

(3)

a=π/4·d2。

(4)

式中：m為出水質量，g；ρ為純水密度，g/cm3；a為變水頭管的截面面積，cm2；h為水位下降高度，cm；d為變水頭管內徑值，cm。

測定結果表明：變水頭管內徑的平均值為5.86 mm，小于廠家標注的6 mm。若直接采用廠家提供的內徑數據，按式(1)計算滲透系數將產生5%的計算誤差。然而，變水頭管內徑的均勻性及其實際值均與產品質量有關，因此，試驗前應對變水頭管內徑進行復核測定。

2.2記錄水頭高度變化時間間隔的影響

國內外規范[16-17]未對試驗過程中的起始水頭高度及記錄水頭高度變化的時間間隔進行規定或提出建議，這給實際操作帶來了困難，本節分析了在不同起始水頭高度下，滲透系數與時間間隔的變化關系，試驗工況及結果如表2所示。

由表2得到滲透系數-時間間隔關系曲線(圖2)。由圖2分析知：當起始水頭高度為110、120、140 cm時，滲透系數-時間間隔關系曲線形式基本一致，即滲透系數隨時間間隔的增大而減小，這是因為起始階段土體的孔隙比相對較大，隨時間的增長試樣的內部結構發生輕微的變化，滲流力使得試樣有效應力增大，土體發生固結；當起始水頭高度為100 cm時，滲透系數隨時間間隔增加，其數值變化不大。從圖中還可看出，大約在150 min后滲透系數數值出現增大的趨勢，這是因為變水頭管內水分蒸發引起的水頭損失使得滲透系數的計算結果偏大。

滲透系數測量計算時的水頭損失包括兩部分：一部分是滲透引起的，一部分是管內水分蒸發引起的。而理論滲透系數計算時只考慮了前者，試驗進行時間越長，測量滲透系數與理論滲透系數的偏差越大，如淤泥質軟黏土的滲透性較低，試驗耗時較長，變水頭管內水分蒸發對滲透系數的精確測定產生影響。另外，蒸發與溫度、濕度等因素有關且隨時發生變化，蒸發引起的滲透系數測量誤差大小不能定量的得出，只能定性的去分析，但可間接的從記錄水頭高度變化的時間間隔上進行控制。

表2　試驗工況及結果

表中：H為變水頭管內的初始水頭高度；修正系數參考GB/T 50123—1999土工試驗方法標準[16]；ω0為試樣的初始含水率；ρ為試樣的密度；kT為滲透系數；時間為記錄水頭高度變化的時間間隔。

圖2　滲透系數-時間間隔關系曲線

綜上所述，對軟黏土進行變水頭滲透試驗時，建議變水頭管內起始水頭的高度可設置在100 cm左右，且記錄起始水頭和終止水頭高度變化的時間間隔不宜過長，宜控制在150 min以內。

2.3滲透系數與孔隙比、干密度的關系

制備了8組初始孔隙比、干密度不同的試樣，并采用上述建議進行試驗，試驗中需隨時測定滲透儀出水管口處的水溫，對試驗的滲透系數進行溫度修正，以20 ℃為標準溫度，標準溫度下的滲透系數公式為

k20=(ηT/η20)·kT。

(5)

式中:k20為標準溫度下的滲透系數，cm·s-1；ηT為溫度T時水的動力粘滯系數，kPa·s；η20為20 ℃時水的動力粘滯系數，可查文獻[16]中表13.1.3，試驗結果如表3所示。

表3　試樣的滲透系數

圖3為壓實吹填黏土滲透系數-初始孔隙比關系曲線，由圖可知：滲透系數隨初始孔隙比增加逐漸增大。其中：當初始孔隙比為0.55～0.61時，增長趨勢較為平緩；而當初始孔隙比大于0.61，曲線呈現明顯增長趨勢；試樣滲透系數與初始孔隙比的關系符合二次型函數(如式(6)所示)，相關系數達0.97，擬合結果理想。

圖4為滲透系數-干密度關系曲線，可以發現：滲透系數隨干密度增大呈逐漸減小趨勢。其中，當干密度為1.38～1.60 g/cm3時，曲線較陡，滲透系數減小幅度大，而當干密度大于1.60 g/cm3，曲線變緩，滲透系數減小趨勢減弱；曲線擬合結果表明：二次型函數擬合的效果最好，其相關系數達0.98，表達式如式(7)所示。

(6)

(7)

式中：k為修正后的滲透系數，其數量級為10-7cm·s-1；e0為試樣的初始孔隙比；ρd為試樣的干密度，g·cm-3。

圖3　滲透系數-初始孔隙比關系曲線

圖4　滲透系數-干密度關系曲線

此外，試驗中發現試樣的初始孔隙比不同，滲透儀出水管口處初次溢出水的時間差別較大(表4)，試樣初次溢水時間-初始孔隙比關系曲線如圖5所示。結果表明：當初始孔隙比在0.547～0.610時，溢水時間約為48 h；當初始孔隙比在0.677～0.777時，溢水時間約14 h；當初始孔隙比大于0.851時，時間為2 h左右，

表4　試樣初次溢水時間

因此，試樣初始孔隙比不同，出水管口處溢出水的時間差別很大。當初始孔隙比較小時，需要等待很長時間，試樣才會滲透溢水，并進行相關試驗數據的記錄，因此試驗進行得很慢，需要試驗人員隨時觀察并且要有耐心。

圖5　初次溢水時間-初始孔隙比關系曲線

3結論

為保證試驗結果具有可重復性、可靠性，每個試驗工況至少重復3次，最大值與最小值誤差不超過3%，否則重新進行試驗，最后結果取其平均值。由于試驗工況較多，本次試驗歷時近4個月，得到如下研究成果，為《土工試驗方法標準》中變水頭試驗有關條文的執行提供參考。

1)試驗前應重新標定變水頭管的內徑值，以降低變水頭管截面面積對精確測定黏性土滲透系數的影響。

2)當初始水頭高度為110、120、140 cm時，滲透系數隨時間間隔的增大而減小，且曲線的變化規律相似；而當起始水頭高度為100 cm時，滲透系數隨時間間隔增加其變化不大。因此，對淤泥質軟土進行變水頭滲透試驗時，建議將起始水頭高度設置在100 cm。

3)為降低變水頭管內水分蒸發對滲透系數的影響，建議記錄水頭高度變化的時間間隔宜小于150 min。

4)重塑壓實淤泥質軟土的滲透系數隨初始孔隙比增大呈正相關性，而隨干密度增大呈負相關性，且均以二次型函數關系的擬合效果最好。

5)試樣初次滲透溢水的時間受試樣初始孔隙比的影響較大，尤其當壓實程度較好、孔隙比較低時，試樣的初次滲透出水時間非常長，一般為40 h以上，試驗人員需要耐心等候。

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(責任編輯：呂海亮)

Influencing Factors on Hydraulic Conductivity of Clay

LI Shanshan,LI Dayong,SHI Ping

(College of Civil Engineering and Architecture,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266590,China)

Abstract:Soil permeability is a fundamental problem in soil mechanics, and hydraulic conductivity is one of the essential parameters reflecting soil permeability. Thus, to accurately determine the hydraulic conductivity of soils is of great theoretical and practical significance in engineering. A series of falling-head tests were conducted to investigate the behaviors of hydraulic conductivity. Some factors affecting hydraulic conductivity were explored, such as the cross-sectional area of the standpipe, change in the initial head and the time interval of reading the head and the temperature and the law of hydraulic conductivity changing with void ratio and dry density was obtained. The results show that the cross-sectional area of standpipe affected hydraulic conductivity significantly, which should be calibrated before testing. When the initial head is 110, 120 and 140 cm, the hydraulic conductivity decreases with the increase of the time interval of the head change, and the hydraulic conductivity versus the time interval curves is similar, while when the head is 100 cm, the hydraulic conductivity changes little with the increase of the time interval. Therefore, it is recommended that the initial head should be set to 100 cm and the time interval of the head change should be less than 150 min to reduce the impact of evaporation on hydraulic conductivity. Hydraulic conductivity agrees well with void ratio and dry density and both their relationships can be stated with a quadratic function.

Key words:falling-head test;hydraulic conductivity;influence factors;compacted dredged clay

收稿日期：2015-11-16

基金項目：國家自然科學基金項目(51379118); 山東科技大學科研創新團隊資助項目(2015KYTD104)

作者簡介：李珊珊(1989—)，女，山東泰安人，博士研究生，主要從事巖土工程理論與應用研究. E-mail:shanshan3709@163.com 李大勇(1971—)，男，山東泰安人，教授，博士生導師，主要從事海洋巖土工程等方面的研究工作，本文通信作者. E-mail: ldy@sdust.edu.cn

中圖分類號：TU476

文獻標志碼：A

文章編號：1672-3767(2016)03-0046-07