關(guān)于粘性土的滲透特性問題的討論

趙忠偉

摘 要：土的滲透性質(zhì)的研究是土力學(xué)及滲流力學(xué)中極其重要的一環(huán)，常以滲透系數(shù)來表示，它同強(qiáng)度和變形特性一起都是土力學(xué)中所研究的主要力學(xué)性質(zhì)。土的滲透性分為粘性土的滲透性和無粘性土的滲透性。本文主要介紹粘性土的滲透影響因素、滲透破壞和抗?jié)B強(qiáng)度。

關(guān)鍵字：粘性土；滲透特性；滲透破壞；抗?jié)B強(qiáng)度

土的滲透性通常是指水和土的孔隙中流動(dòng)的過程和性質(zhì)，常以滲透系數(shù)來表示，它同強(qiáng)度和變形特性一起都是土力學(xué)中所研究的主要力學(xué)性質(zhì)，在土木工程中的各個(gè)領(lǐng)域中都有重要的作用。土的滲透性分為粘性土的滲透性和無粘性土的滲透性。

1 粘性土的滲透影響因素

通常所述的粘性土是指液限WL>26%，塑性指數(shù)IP>4-7的中高液限的粘質(zhì)土和粉質(zhì)土，粘粒含量一般大于10%。它在工程特性方面的表現(xiàn)是細(xì)顆粒之間具有一定的內(nèi)聚力，處于中等密實(shí)狀態(tài)以上時(shí)滲透系數(shù)K<1×10-4cm/s。

粘性土的滲透性要不無粘性土復(fù)雜的多，影響因素不僅是孔隙率與原級(jí)顆粒的組成，而是有復(fù)雜的機(jī)理。它與滲透液體的性質(zhì)、顆粒組成的礦物成分、原級(jí)顆粒的凝聚狀態(tài)以及孔隙大小的分布等因素有關(guān)。在巖土工程中將土的顆粒、粒團(tuán)和孔隙排列稱為土的組構(gòu)。結(jié)構(gòu)是指顆粒間諸力、成分和組構(gòu)的綜合效應(yīng)。它是由單個(gè)顆粒及粒團(tuán)組成的組構(gòu)單元，并由不同的化學(xué)和物理化學(xué)力相連結(jié)，而按一定的方式排列和組成。粘土的粒團(tuán)成雜亂排列時(shí)成凝聚性結(jié)構(gòu)，具有較大的孔隙；粒團(tuán)定向排列時(shí)形成分散性結(jié)構(gòu)，平均孔隙較小。密度和孔隙比相同的同一粘性土，由于結(jié)構(gòu)不同，可以具有極不相同的性質(zhì)。結(jié)構(gòu)對(duì)粘性土的滲透性質(zhì)具有巨大的影響。粘土顆粒的形狀是偏平的，有定向排列的性質(zhì)，使平行于層面和垂直于層面方向的滲透系數(shù)顯著不同。天然粘性土在沉積過程中是在垂直應(yīng)力P和水平應(yīng)力K0P（K0為靜止側(cè)壓力系數(shù)）作用下固結(jié)的，已受到偏應(yīng)力（1-K0）P的作用，使粘土顆粒沿剪切面定向排列，從而形成各向異性的滲透性質(zhì)。

2 滲透的基本定律

在滲透理論中，著名的達(dá)西定律就是描述飽和土中滲透的基本定律。達(dá)西定律中K是材料的一個(gè)基本性質(zhì)，稱之為滲透系數(shù)。它將滲流速度與滲透勢能聯(lián)系在一起，確立了滲透水在土體中流動(dòng)的速度、水力比降及土的性質(zhì)三者之間的關(guān)系。在天然土體中滲流大多數(shù)呈線性阻力或接近線性阻力關(guān)系，達(dá)西定律用于土力學(xué)的各個(gè)方面，是滲流的基本定律。

3 粘性土滲透破壞的機(jī)理

粘性土滲透破壞的主要形式是邊界面上的剝落和沿裂縫或洞穴的沖刷和侵蝕。此類土體抵抗?jié)B透破壞能力同它的礦物、物理化學(xué)、結(jié)構(gòu)等特性有關(guān)。具有穩(wěn)固團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的凝聚性土，滲透穩(wěn)定性好；具有不穩(wěn)定膠結(jié)的分散性土，滲透穩(wěn)定性差。

影響粘性土滲透破壞的因素較多，其中最基本的因素有土的性質(zhì)、密度、水流方向和滲流出口無保護(hù)的臨空面的大小。粘性土的滲透破壞機(jī)理，不單純是在滲透力作用下土體在滲流出口沿臨空面周邊的抗拉問題，而且與土體在水中的水化能力和實(shí)際達(dá)到的水化程度密切相關(guān)。特別是一般粘性土，滲流向下，出口被誰淹沒時(shí)，它甚至?xí)兇庖蛩茐摹Ｓ捎谒a(chǎn)生崩解后的土體將會(huì)在自重的作用下脫離本體，土體不斷產(chǎn)生新的臨空面，使水化崩解過程可以向上部繼續(xù)發(fā)展，甚至在無水力比降的作用下可以一直破壞到頂部。此種現(xiàn)象在工程實(shí)踐中經(jīng)常可見，有些土石壩，防滲體承受的水力比降并不大，但出現(xiàn)垂直向上的滲透破壞，頂部呈現(xiàn)大的塌坑。

粘性土滲透破壞的原因有三個(gè)方面，即滲透破壞的三種典型：一是單純?cè)跐B透力作用下的破壞；二是滲流出口土體表面的水化崩解造成的破壞；三是在滲透力和土體水化崩解同時(shí)作用下的破壞。上述三種類型的特點(diǎn)是，破壞過程都是表面土體成塊成團(tuán)的流失。其中以滲流向下，土表面又被水淹沒的條件，即第三種情況為最不利，而且出現(xiàn)的機(jī)會(huì)較多。

4 粘性土抗?jié)B強(qiáng)度的確定

粘性土的滲透穩(wěn)定特性，在很大程度上取決于它的成因、粘土礦物成分、交換陽離子的成分和含量、孔隙液體含鹽量及成分等物理化學(xué)因素。我國南方殘積的紅粘土，粘土礦物一般以高嶺土為主，并含有一定量游離的鐵鋁氧化物。液限高而塑性指數(shù)低，親水性差，因此具有較高的抗?jié)B強(qiáng)度。北方的粘性土以沉積者為最多，粘土礦物以高嶺石和伊里石為主，遇水后易濕化崩解，抗?jié)B強(qiáng)度低于南方紅粘土。

粘性土的主要特征是具有較大的內(nèi)聚力，細(xì)顆粒都呈粒團(tuán)存在，工程性質(zhì)主要決定于粒團(tuán)遇水后的穩(wěn)定程度。我國南方的紅粘土粒團(tuán)穩(wěn)固性強(qiáng)，抗?jié)B強(qiáng)度很高，北方的粘性土粒團(tuán)穩(wěn)固性一般，抗?jié)B強(qiáng)度不是很高。

粘性土的抗?jié)B強(qiáng)度常以破壞水力比降表示，它的大小決定于土的性質(zhì)、密度及滲流出口的保護(hù)程度，并可寫成以下函數(shù)關(guān)系：

Jcr=f（Pdf、Pd、D）

式中：Pdf—代表土的性質(zhì)，以土體處于液性限度時(shí)的干密度來表示；

Pd—土體實(shí)際的干密度；

D—滲流出口無保護(hù)臨空面的大小，以孔徑大小表示，通常稱為孔隙直徑，決定于出口保護(hù)層的等效粒徑。

Pdf按下式確定：

Pdf=SrGPw/（Sr+G+WL）

式中：Sr—土的飽和度，在此等于1.0；

Pw—水的密度

WL—土的液限含水量

（1）抗?jié)B強(qiáng)度與土密度間的關(guān)系：通過研究抗?jié)B強(qiáng)度與干密度之間的關(guān)系，土的抗?jié)B強(qiáng)度與干密度呈雙曲線的函數(shù)關(guān)系。干密度是影響抗?jié)B強(qiáng)度的一種因素。

（2）抗?jié)B強(qiáng)度與出口無保護(hù)臨空面的孔徑的關(guān)系：出口無保護(hù)臨空面孔徑的大小是決定粘性土抗?jié)B強(qiáng)度的主要因素，隨著孔徑的增大，抗?jié)B強(qiáng)度逐漸降低。當(dāng)臨空面孔徑大于某一值后，土的抗?jié)B強(qiáng)度在數(shù)值上接近浮容重。在滲流方向向下的條件下，由于水化崩解，甚至在自重作用下土體就可發(fā)生滲透破壞。研究粘性土的抗?jié)B強(qiáng)度時(shí)必須考慮出口無保護(hù)臨空面孔徑的大小。

5 結(jié)語

土的強(qiáng)度、變形和滲透性之間有著密切的聯(lián)系，在土力學(xué)中由有效應(yīng)力將三者聯(lián)系在一起，形成了一個(gè)體系。加強(qiáng)粘性土滲透特性的研究，對(duì)土木工程各個(gè)領(lǐng)域里的許多課題都有著很大的幫助，對(duì)工程的應(yīng)用具有十分重要的意義。

參考文獻(xiàn)

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