細粒土含量對砂土滲透性的影響

史志敏

（身份證號：350322198509055153， 福建 福州 350001）

0 前言

土可以被水透過的性質，稱為土的滲透性或透水性，它是土的力學性質之一。砂土具有良好的力學性能，廣泛的應用于建筑、水利等諸多工程領域，但其良好的滲透性也為工程帶來了安全隱患。因此，近些年來，細粒土含量對砂土工程性狀的影響開始在國內外收到重視。目前，普遍認為有效粒徑對砂土滲透性有影響，但對于不均勻系數、平均粒徑等參數對砂土滲透性的影響研究較少。本文是通過試驗，得到不同組砂土試樣中細粒土含量及砂土其他狀態參數對砂土滲透性的影響，分析細顆粒土含量與砂性土滲透性之間的關聯性與具體規律。

1 試驗方案

試驗取土樣級配情況如圖 1所示，土樣按《土工試驗規程》劃分，類別為中砂。骨架砂為取樣砂土通過篩分儀獲得，粒徑在 0.075～1mm，進行風干處理。經過篩分獲得的粒徑小于0.075mm的細顆粒經風干后即為試驗所使用的細粒土。試驗所用土樣分七組，細粒土摻入量分別為0%、5%、10%、15%、20%、25%、40%，使用攪拌儀進行均勻混合。

圖1 試樣用砂顆粒級配曲線

2 結果分析

試驗數據匯總及計算結果如下：

對上表進行分析，分別畫出砂土各狀態參數與滲透系數的對應曲線，研究滲透系數與砂土的細顆粒含量、不均勻系數、曲率系數、平均粒徑的關系。

隨著細粒土的增加，骨架砂內的孔隙會被填充，從而對其滲透性產生影響。從圖 2可以看出：隨著砂土細顆粒含量的增多，滲透系數逐漸減小。但二者不是線性相關關系，細粒含量<5%時，滲透系數隨細粒土含量增大略有下降；細粒含量在5%～10%時，隨細粒含量增加滲透系數急劇減小；細粒含量>25%時，細粒對滲透系數影響不明顯，曲線趨于水平；細粒含量在 10%～25%段時，細粒對滲透系數的影響處于以上兩者之間，這與參考文獻[1]的結論基本相同。

2.1 細粒含量與滲透系數關系

表1 細粒含量與滲透系數關系表

圖2 細粒含量—滲透系數曲線

圖3 不均勻系數—滲透系數曲線

2.2 不均勻系數與滲透系數關系

不均勻系數在一定程度上是反應砂土的級配情況，不均勻系數越大，控制粒徑與有效粒徑差值越大，顆粒級配曲線平緩。由表1及圖4可以看出，隨著砂土細顆粒含量的增大，土的結構發生改變，不均勻系數也逐漸增大。不均勻系數越大，砂土的滲透性越小，但是當不均勻系數超過某一界限值后，不均勻系數對砂土滲透性的影響趨于不變，對本土樣在不均勻系數大于 9之后，滲透系數基本沒有下降。出現這個情況的原因可能是不均勻系數達到一定值后，砂土密實度已經接近最大值，孔隙已經基本被填充，故繼續提高不均勻系數不會使砂土滲透性進一步下降。

2.3 曲率系數與滲透系數關系

圖4 曲率系數—滲透系數曲線

由曲率系數—滲透系數曲線可以看出，在曲率系數 1-3的范圍內，曲率系數與細粒含量負相關。這與參考文獻[2]結論不符，這是因為本試驗主要討論細顆粒土含量對砂土滲透性的影響，并未就曲率系數作為單一變量進行試驗分析，不同組土樣不均勻系數隨細粒含量增大而增大，從而導致了滲透系數的下降。這說明了砂土滲透性是受不均勻系數和曲率系數共同影響的，在細粒土含量為單一變量的情況中，不均勻系數對滲透性的影響更為主要。

2.4 平均粒徑與滲透系數關系

圖5 平均粒徑—滲透系數曲線

根據曲線能明顯看出細粒含量越大，土的平均粒徑越小，滲透性越差，且曲線存在一個突變點，當平均粒徑小于某一數值時，滲透系數較小，當達到臨界值時，滲透系數會快速增大。本試驗土樣中當平均粒徑小于0.37mm時，滲透系數較小，在0.0003左右，當超過0.37mm時，發生突變，有較大的增加。該試驗結果與參考文獻[1，2]中平均粒徑對滲透系數的影響有相似的規律，且根據參考文獻[2]，當平均粒徑為土樣的單一變量時，滲透系數與平均粒徑接近線性正相關。

3 結論

（1）細粒增加改變了砂土的孔隙性狀，隨著細粒的增加砂土骨架孔隙逐漸被細顆粒填充，砂土滲透性減小。滲透系數總體上隨細粒增加而減小，細粒含量-滲透系數曲線可分為細粒含量<5%、細粒含量= 5%～15%、細粒含量= 15%～25%與細粒含量>25%四段。細粒含量<5%時，滲透系數隨細粒土含量增大略有下降；細粒含量在5%～10%時，隨細粒含量增加滲透系數急劇減小；細粒含量>25%時，細粒對滲透系數影響不明顯，曲線趨于水平；細粒含量在 10%～25%段時，細粒對滲透系數的影響處于以上兩者之間。

（2）由細粒土含量不同造成砂土的不均勻系數和曲率系數變化，二者共同影響砂土的滲透性。砂土的滲透系數與不均勻系數為負相關，與曲率系數為正相關。

（3）在只改變細粒土含量的情況下，平均粒徑-砂土滲透系數曲線有一個臨界值，平均粒徑超過該值后對滲透性的影響極為明顯。平均粒徑是影響砂土滲透性的重要因素之一。

[1]孔令偉，李新明，田湖南. 砂土滲透系數的細粒效應與其狀態參數關聯性[J].巖土力學，2011，32（增刊2）

[2]楊兵，劉一飛，萬奮濤，等. 級配特性對砂土滲透系數影響試驗研究[J]. 西南交通大學學報，2016.51（5）

[3]蘇立君，張宜健，王鐵行. 不同粒徑級砂土滲透特性試驗研究[J]. 巖土力學，2014，35（5）

[4]毛昶熙. 滲流計算分析與控制[M]. 北京：中國水利水電出版社，2003.

[5]中華人民共和國水利部. SL237-1999 土工試驗規程[S]. 北京：中國水利水電出版社，1999