重塑馬蘭黃土滲透性的室內試驗研究

高燕燕　錢會　楊佳　馮晶　霍晨琛

摘要：基于室內常規滲透試驗，對延安新區重塑馬蘭黃土不同壓實度下的滲透性進行研究，分析了飽和滲透系數隨顆粒大小、孔隙度及干密度等因素的變化規律。試驗數據擬合結果表明，該地區重塑馬蘭黃土的飽和滲透系數與孔隙度呈正指數函數關系，與干密度呈負指數函數關系。此外，不同干密度情況下，飽和滲透系數隨時間變化的統計結果表明，當干密度大于16 g/cm3時，重塑馬蘭黃土的滲透系數不再隨滲透時間變化，基本趨于穩定，且滲透性能低，因此可采用此干密度為不同要求和標準的地基壓實工程提供參考和指導。

關鍵詞：重塑馬蘭黃土；飽和滲透系數；孔隙度；干密度；滲透時間

中圖分類號：TU441 文獻標志碼：A 文章編號：

16721683（2016）05013007

Indoor experimental study on permeability characteristics of remolded Malan Loess

GAO Yanyan，QIAN Hui，YANG Jia，FENG Jing，HUO Chenchen

（School of Environment Science and Engineering，Chang′an University，Xi′an 710054，China）

Abstract：In this study，indoor routine permeability experiments were conducted to examine the saturated hydraulic conductivity of remolded Malan loess in Yan′an at different degree of compaction，and analyze the relationships between saturated hydraulic conductivity and several factors，including particle size，dry density and porosity.The results showed that saturated hydraulic conductivity had significant positive index correlation with porosity，and significant positive index correlation with dry density.Additionally，when the dry density was bigger than 1.6 g/cm3，the saturated hydraulic conductivity was not only stable with total permeability time，but also small enough to be considered as impermeability.Hence，1.6 g/cm3 could be adopted to guide the compaction engineering of different standards.

Key words：remolded Malan loess；saturated hydraulic conductivity；porosity；dry density；permeability time

隨著我國城鎮化的快速發展，山區城市人多地少的矛盾日益突出。近年來，許多城市通過“削山造地”為城市建設開辟出新的發展空間，其規模可達數十平方公里[1]。2012年8月啟動的延安市“削山造地”工程計劃造地面積785 km2，是目前老城區面積的兩倍。在黃土高原區，如此大規模的土方工程在世界建城史上尚無先例[1]。在造地過程中，通過削山填溝把位于高地處的黃土移填到低洼處，經重型機械層層壓實后，塑造大面積的平坦土地，從而使黃土的原有結構遭到破壞，人工填埋黃土成為含水層的重要組成部分，其滲透性將隨著填埋黃土的工后沉降不斷地發生變化，因此對“削山造地”工程中地下水環境變化的研究，離不開對重塑黃土滲透性變化規律的深入研究。

滲透性是黃土的重要工程性質之一，與黃土變形及強度等性質密切相關，對黃土濕陷性有直接影響。尤其在相對松散的土層中，當水發生滲透時，滲透力極易破壞土的結構，降低土的強度，從而誘發滑坡、地基與路基塌陷和工程失穩等事故。滲透系數是土層滲透性的表征參數，主要反映土層透水導水的能力，是基本的水文地質參數。近年來，諸多學者對黃土的滲透性開展了相關研究工作，王鐵行[2]等人通過配置不同干密度的壓實黃土土樣，研究了非飽和黃土滲透系數的相關影響因素。楊博[3]等人通過對不同膨潤土摻量的黃土試樣的微結構和孔隙特征進行統計分析，并與滲透試驗結果進行對比，發現大中孔隙對滲透系數有著決定意義。李廣冬[4]等人通過楊凌地區黃土不同干密度的常規滲透試驗和三軸滲透試驗，對比分析了圍壓和干密度對滲透系數的影響。但目前的研究還難以解決“削山造地”工程中填埋黃土滲透性的變化規律問題。這也是地面沉降問題研究中遇到的棘手問題，薛禹群院士[5]早在2006年就撰文指出應根據自己的試驗資料建立更合適的表達式。因此，本文采集延安新區削山填溝工程挖方區的馬蘭黃土，選取孔隙度與干密度作為反映黃土壓實度的主要因子，基于常規滲透試驗，對不同壓實度下重塑馬蘭黃土的滲透性能進行了研究，確定了馬蘭黃土飽和滲透系數隨孔隙度及干密度的變化規律，為黃土地區人工填埋區的地下水水環境變化研究及工程建設提供基礎資料和參考。

1 試驗原理

測定黃土滲透系數有多種方法，在室內滲透試驗中，依據試驗儀器類型的不同有三軸滲透試驗及常規滲透試驗。三軸滲透試驗考慮了土體所受復雜應力因素的影響[4]，但施加壓力過程中，土體內外受力不均，在飽水的情況下，易發生不均勻變形，進而導致所測得滲透系數代表性較差。常規滲透試驗采用擊實試驗方法制備一定壓實度（以土樣的干密度或孔隙度來表征）下的一系列均質試樣，通過室內滲透試驗求取相應壓實度下土樣的滲透系數。由于試驗采用的是常規的達西試驗方法，因此試驗結果可信度高。本文即采用這種方法，利用TST55型滲透儀對重塑黃土的飽和滲透系數進行研究。常規滲透試驗分為常水頭滲透試驗和變水頭滲透試驗。

依據土工試驗標準[6]，對于粗粒土一般采用常水頭滲透試驗方法，對于細粒土則采用變水頭試驗方法。這是因為粗粒土滲透速度較快，而且粒徑較大，若采用變水頭試驗方法，環刀尺寸較小故代表性差，水頭降速快不易讀取且誤差較大。細粒土滲透速度相對較慢，若采用常水頭試驗裝置，所需土體多且難于達到密度均勻及飽和狀態。黃土為細粒土，依據土工試驗標準，應采用變水頭試驗方法，但在本試驗中，采用變水頭試驗裝置同時進行常水頭滲透試驗，克服了土樣難于飽和的問題，且試驗過程中滲流量要求達到25 ml，從而大大降低了試驗誤差。在整理試驗結果中，將兩種方法所測得的試驗結果進行比對，從而排除偶然誤差，確保試驗結果的準確性。

2 試驗步驟

2.1 試驗材料

對延安新區施工現場進行野外調查，查明該區黃土地層較為齊全且厚度較大，其中馬蘭黃土可達數十米厚，在削山填溝現場存在較多機械挖取的新鮮剖面。在挖方區選取地層劃分較明顯且厚度相對較大的剖面進行散狀馬蘭黃土取樣，取樣點位置見圖1。馬蘭黃土的基本物理性質指標見表1，其中分選系數為2.07<2.5，故土樣分選性良好。

2.2 土樣制備

依據壓實工程中常采用含水率為土方最優含水率±2%，設定擊實試驗所用土樣的質量含水率為16%。將散狀馬蘭黃土過篩（孔徑為2 mm）后，在110 ℃條件下烘干8 h，冷卻后配制目標質量含水率為16%的土樣。將配好的土樣密封放置24 h，至土粒與水分充分混合均勻后，測定實際含水率，所測含水率與目標含水率之差不得大于0.5%。

削山填溝工程中，挖方區黃土經運移填埋到低洼處，然后經機械層層碾壓，達到相應的壓實度標準。在本室內試驗中，為探究填方區不同壓實度與滲透系數的關系，采用JDS1型數控電動擊實儀（單位體積擊實功約為592.2 kJ/m3）對土樣進行分層擊實，確保土柱密度均勻。依據馬蘭黃土的天然干密度與最大干密度，設定試樣干密度范圍為1.4～1.8 g/cm3，制備13組不同干密度的試樣。

擊實后，用液壓千斤頂將土柱從擊實筒中推出用于樣品制備。使用直徑為61.8 mm，高為40 mm的滲透環刀進行取樣，制備樣品的過程中，注意事項如下：（1）應盡量取土柱中間部位的黃土進行制樣，從而避免擊實過程產生周邊土質疏密不同的情況。（2）按壓過程中應注意手部用力均勻，盡量避免環刀內壁與土樣之間出現縫隙。（3）要保證取出的試樣上下面分別與環刀頂底邊沿齊平，不得出現大孔洞等現象。

2.3 滲透試驗

采用自制變水頭裝置同時進行定水頭和變水頭試驗，試驗裝置見圖2。

試驗步驟如下。

（1）對試樣進行充分排水飽和后進行變水頭滲透試驗。將供水管用止水夾夾住，記錄此刻水位及時間。此后水頭每下降10 cm，進行一次記錄。每三個變水頭作為一組，一組讀取完畢，將水位回升，重復上述步驟進行下一組數據的記錄。

（2）三組變水頭試驗完成后，進行定水頭滲透試驗。將供水管的止水夾打開，待水位穩定后，測記水位。滲出水量大于25 ml時，可移取量杯同時記錄相應時間。

（3）三組常水頭試驗數據讀取完畢后，再進行三組變水頭滲透試驗，并與前述的三組變水頭試驗結果進行平均，求得變水頭滲透試驗的平均滲透系數。

3 試驗結果與分析

3.1 常水頭與變水頭滲透試驗結果對比

圖3對比了常水頭與變水頭滲透試驗的滲透系數結果，可見常水頭試驗飽和滲透系數均大于變水頭試驗飽和滲透系數，兩者差值隨著干密度增大有減小趨勢。

從時間、水頭、測管截面、水量等影響因素對兩種滲透方法所得試驗數據的相對誤差進行分析，結果見表2。

兩種試驗中滲透系數計算結果產生差異的原因可歸結為以下兩點：（1）儀器誤差，如測管上下截面的不均勻性，測尺的刻度誤差等。（2）人為誤差，如計時的不精確，讀取水頭和量取滲出水量體積時產生的誤差等。

由于變水頭滲透試驗中，受水頭高度、時間、測管橫截面積等諸多因素的影響較大。當水頭下降到測管的不同位置時，測管的橫截面積有所不同，但在實際操作和計算過程中，一般將測管的平均截面積作為變水頭管的斷面積a。且在團體配合讀數和記錄過程中，存在一定的時間差，尤其是在滲透速度較快的時候，水頭和時間均會產生相對較大的誤差。幾種因素相結合，所測數據較易產生較大的誤差。而常水頭滲透試驗主要受時間和水頭影響，且水頭幾乎恒定，讀取水頭高度產生的誤差一般小于0.1 cm。由上述誤差分析可以看出，使用常水頭滲透試驗方法所得結果通常更為可靠，且累計誤差較小。

從試驗原理上來看，變水頭滲透試驗主要是依據測管下降水量作為滲入介質中的水量來計算W，并采用瞬時方法計算。常水頭滲透試驗則是測定介質中滲出水量作為W，來計算滲透系數。滲透系數是定量反應介質滲透性能的參數，而透水性是指介質允許水透過的能力。因此，依據常水頭滲透試驗方法，所得滲透系數更加科學。

因此，在下文的分析中，采用常水頭滲透試驗結果作為某干密度情況下的滲透系數。

3.2 孔隙度與飽和滲透系數的關系

影響滲透系數的內在因素是孔隙度、孔隙大小及孔隙連通性等[8]。因此研究孔隙度與飽和滲透系數的關系具有重要的意義，也是解決“削山造地”工程中填埋黃土滲透性隨沉降變化問題的關鍵。根據本次試驗結果，延安重塑馬蘭黃土的飽和滲透系數隨孔隙度的變化關系見圖4：

圖4顯示：隨孔隙度的增大，滲透系數不斷增大，但是兩者并非線性關系。對于研究區的馬蘭黃土，可采用指數函數對重塑馬蘭黃土的試驗結果進行擬合。結果表明兩者關系可用下式表示：K20=exp[41.878×（n-0.709）]，相關系數R=0.945。Lambe[9]等學者研究表明滲透系數的對數與孔隙度呈直線關系，陳明珠等[10]人在對貴州土體的滲透性研究中提出，對于無黏性土，孔隙比與滲透系數的對數呈線性相關，但對于黏性土，兩者并不呈線性關系。對上述擬合公式進行對數變換得出lg（K20）=18.208×（n-0.709）。顯見，本試驗結果與前人結論相一致。為便于直觀了解孔隙度與滲透系數的關系，本文采用正指數形式。該方程可用于延安黃土填埋區地面沉降模型及地下水流模型，通過孔隙度的變化不斷修正滲透系數，從而使水流模型反映實際壓縮情況，為更準確模擬壓縮沉降和水流運動情況提供依據。

由圖4的飽和滲透系數與孔隙度的擬合曲線可以看出：（1）當孔隙度低于0.43時，滲透系數隨孔隙度的增大變化很小。滲透性很低，滲透系數值在106～109 cm/s。（2）當孔隙度高于0.43時，飽和滲透系數隨孔隙度的增大急劇上升?？赡茉蚴窃谠摽紫抖认?，小孔隙所占比例相對較大且結構相當穩定，而大孔隙所占比例較少。此時雖然孔隙度有所變化，但是有效孔隙度變化極小，因此飽和滲透系數變化很小。且當孔隙度大于0.43時，顆粒的排布較為疏松。隨著孔隙度的增長，大孔隙和團塊間的孔隙較為發育[11]。此時飽和滲透系數主要受到大孔隙的影響，隨著孔隙度的增大，大孔隙的數量不斷增多，因此滲透系數不斷增大。

3.3 干密度與飽和滲透系數的關系

圖5中同樣采用指數函數對重塑馬蘭黃土的試驗結果進行擬合。結果表明重塑馬蘭黃土的飽和滲透系數（K20）與干密度（ρd）呈負指數關系，擬合曲線表達形式為：K20=9.089×104exp（-15.018×ρd），相關系數R=0.995。這與孔隙度和滲透系數關系式相似，但此處干密度與滲透系數呈負指數關系。這與其他學者對粉砂和陜北重塑紅土干密度與飽和滲透系數關系的研究結果一致[1213]。

由圖5可以看出：重塑馬蘭黃土飽和滲透系數隨著干密度的增大而變小，但變小的趨勢逐漸減緩，當土的干密度大于1.6 g/cm3時，隨著干密度的增大，滲透系數幾乎保持恒定，并處于很小的水平。據相關文獻[19]對滲透性能的劃分，此時土的滲透性能在低與極低之間。

在擊實作用下，土樣的干密度顯著增大，飽和滲透系數減小。不同土樣孔隙大小的分析結果表明壓實作用下，孔隙會顯著減小[1415]。而土的壓實取決于壓實度和土粒抗壓強度，在一定的壓力下，集粒仍保持原有強度不發生變形，只有集粒間的結構受到壓實的影響[16]。Li and Zhang（2009）[17]研究表明，在壓實狀態下集粒間的孔隙體積與壓實黃土的最終孔隙比有密切的聯系，并且在壓實過程中，主要是集粒間的孔隙變化，因而壓實必然會對黃土的滲透性能產生影響。當干密度大于1.6 g/cm3時，大中孔隙在整個土樣中所占比例相當小，隨著擊實次數的增多，繼續壓實時土壤內部主要是粒團本身壓縮及顆粒的重新排列[18]。李云峰[19]在洛川黃土滲透性研究中提出影響滲透系數的主要因素是孔隙大小，其次是孔隙度。可見在干密度大于1.6 g/cm3時，土樣的孔隙大小變化較小，此時滲透系數的變化就相對較小。

由于黃土的干密度可作為孔隙度及孔隙大小的外在綜合表現，且其測定較為簡易方便，因此可將黃土干密度用于實際工程中作為黃土壓實程度的標準。根據上述討論，對于本次試驗中的馬蘭黃土，可以選取1.6g/cm3作為與水有關工程中黃土壓實的目標干密度，在此干密度下，滲透系數已經很小，黃土中特有的粒狀架空體系已經喪失，這時黃土的濕陷及由此誘發的地面沉降將相對較小。

3.4 飽和滲透系數隨滲透時間的變化

為較為全面了解滲透系數的變化過程，對重塑馬蘭黃土各干密度情況下，飽和滲透系數隨時間的變化情況進行統計，結果見圖6：

從圖6中可以看出，當土樣的干密度小于1.6 g/cm3時，飽和滲透系數隨滲透時間的增長而減小，但隨著干密度的不斷增大，變化的速率不斷減小；當干密度大于1.6 g/cm3時，滲透系數隨滲透時間的增長不再發生較大的變化，基本趨于穩定情況。

這主要是由于黃土中存在著一定量的黏土礦物[20]，且主要以伊利石為主，還有高嶺石、蒙脫石等。韓家懋[21]（1990）對洛川剖面礦物進行分析，發現馬蘭黃土黏粒中伊利石的平均含量高達40.7%，高嶺石平均含量則達15.8%。這些礦物具有可塑性，遇水后易膨脹、軟化和黏結。當干密度小于1.6 g/cm3時，在滲透初始階段，顆粒排布相對疏松，孔隙及孔隙度相對而言均比較大。隨著水流的不斷入滲，黃土顆粒間的架空體系逐漸喪失，并且顆粒中的礦物成分與水接觸后不斷膨脹并黏結，導致水在孔隙間流動時，所受的阻力不斷加大，因而隨著滲透時間的增長滲透系數呈現逐漸減小的趨勢。同時，土樣的干密度越大，孔隙及孔隙度則越小，礦物成分雖然有所膨脹，但是由于空間限制，對水流的影響相對較小。因此，當干密度大于1.6 g/cm3時，飽和滲透系數不再隨時間發生較大變化。

重塑馬蘭黃土滲透性的這一特點，表明黃土的滲透性不僅與顆粒組成和結構特征等因素相關，而且與礦物成分等化學物質有十分密切的關系。同時，根據上述討論，將干密度1.6 g/cm3作為工程中的黃土壓實的目標干密度，重塑馬蘭黃土的滲透性較低且穩定。

4 結論

本文采用常規滲透試驗，對重塑馬蘭黃土的滲透性及其相關影響因素進行了深入分析。得到如下結論。

（1）對比分析常水頭和變水頭飽和滲透系數的試驗結果，發現常水頭試驗滲透系數均大于變水頭試驗。通過對試驗結果進行誤差分析和原理探究表明常水頭滲透試驗結果更為可靠。

（2）重塑馬蘭黃土的飽和滲透系數隨孔隙度的增大呈正指數形式增大，表達式為：K20=exp[41.878×（n-0.709）]。當孔隙度低于0.43時，重塑馬蘭黃土的飽和滲透系數隨孔隙度增大變化較小。當孔隙度大于0.43時，飽和滲透系數隨孔隙度增大變化較快。該公式的確立，可為黃土地區人工填埋區地面沉降及地下水水環境變化研究提供重要參考依據。

（3）重塑馬蘭黃土飽和滲透系數隨干密度的增大呈負指數形式減小，表達式為：K20=9.089×104exp（-15.018×ρd）。當干密度小于1.6 g/cm3時，飽和滲透系數隨干密度增大變化較快。當干密度大于1.6 g/cm3時，飽和滲透系數變化較小且滲透性能很低。據此，可采用1.6 g/cm3的干密度作為實際工程中馬蘭黃土壓實程度的標準。

（4）重塑馬蘭黃土飽和滲透系數隨時間增長而減小，但隨干密度的增大，變化速率不斷減小。在干密度大于1.6g/cm3時，飽和滲透系數不隨時間發生較大變化，較為穩定。

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