紅粘土滲透特性溫度效應試驗研究

朱厚影，薛凱喜，康國芳，陳國房，戴道文，田興華

(1.東華理工大學土木與建筑工程學院，江西 南昌 330013；2.中鐵十六局集團路橋工程有限公司，北京 101500)

0 引 言

隨著國內基礎設施的日益完善，諸多地下建筑投入使用，更多的熱源也隨之轉移至地下，造成淺層土體的溫度明顯上升，土體性質和流體性質均發生相應的變化，土體滲透性也隨之產生了變化[1]。國內外學者對粘性土滲透特性的溫度效應進行了深化研究，并對粘性土滲透性的溫度效應機理進行了深入分析。Ye等[2]研究了膨潤土的滲透特性在不同溫度下的變化規律發現，膨潤土的滲透系數隨溫度升高而增大，并指出粘性土滲透特性對溫度變化的響應機制僅考慮水的粘滯性變化是不合理的；Habibagahi[3]研究表明，粘性土滲透性對溫度的響應可歸結為溫度改變了水的粘滯性；Cho等[4]對膨潤土的溫度效應進行了研究，指出溫度對滲透系數的影響是由水的粘滯系數隨溫度變化引起的；Delage[5]研究表明，用粘性土固結試驗結果間接求取滲透系數值誤差較大；Wu等[6]研究了云南地區壓實固結紅粘土在垂直壓力下的滲透性。國內學者以粒徑級配、干密度、礦物成分等為切入點，研究了粘性土的滲透性及其與外界環境變化之間的聯系。邵玉嫻[7]指出粘土礦物含量對滲透性的溫度效應具有顯著的影響；何俊[8]采用2種儀器進行了粘土滲透性溫度試驗得出，滲透系數的對數值和溫度值之間呈正相關；肖桂元[9]研究了酸雨作用下的紅粘土滲透特性得出，酸雨的酸性越強，對紅粘土中含Fe、Si、Al、K金屬元素的化合物溶解度就越大，進而對紅粘土滲透特性產生更強的影響；有學者[8，10]以粘性土為研究對象，對滲透性的溫度效應機制進行分析得出，滲透性的溫度效應是由土體孔隙結構、水的活動性及吸附結合水量在溫度作用下發生改變而引起的。以上研究對紅粘土的滲透特性進行了較為深入的研究，但關于紅粘土滲透性溫度效應的研究成果較少。

紅粘土作為廣泛分布我國兩湖兩廣及江西等地區的特殊土，涉及到諸多工程。為研究土體滲透性在溫度升高時的變化規律和響應機制，本文以南昌地區第四系紅粘土為研究對象，采用TST-55滲透儀和自行研制的加熱裝置進行了變水頭滲透試驗，研究南昌地區的紅粘土在27、50、65、80 ℃和95 ℃等5種溫度下的滲透特性，在不同溫度下進行了變水頭滲透試驗，揭示不同溫度下紅粘土滲透性的變化規律，為地下建筑防滲和垃圾填埋場防污處理等工程設施建設提供理論依據。

1 試樣制備及試驗設備

1.1 試樣制備

試驗土樣為南昌地區的典型紅粘土，試樣為高4 cm、斷面面積30 cm2的圓柱形。試驗中，選擇溫度、初始含水率和初始干密度作為紅粘土滲透特性的影響因素。試樣的主要控制性物理特性指標見表1。紅粘土的基本物理特性指標見表2。

表1 試樣的主要控制性物理特性指標

表2 紅粘土的基本物理特性指標

1.2 試驗設備

測定土體滲透系數的方法和試驗儀器需要根據土體滲透性的強弱來選擇。對粘性土而言，其滲透系數一般選用變水頭試驗測定。本文試驗利用TST-55滲透儀和自行研發的加熱裝置，通過變水頭試驗測定紅粘土的滲透系數。變水頭滲透試驗裝置見圖1。試驗中，測定紅粘土滲透系數時的溫度可通過自行研發的加熱裝置進行調控。

圖1 變水頭滲透試驗裝置

加熱裝置由升溫系統、控溫系統和感溫探頭3個部分組成。升溫系統主要由環狀硅膠加熱圈構成，被加熱物體在硅膠加熱圈內進行加熱，由電磁感應促使被加熱物體內部產生渦旋電流，再通過硅膠加熱圈的內阻產生大量熱能。控溫器在接通電源后即

可進入工作狀態，設置好溫度，電流通過控溫器上的輸出線路對加熱片進行加熱。感應探頭把加熱圈的溫度通過橋路傳給單片機，并在控溫儀上的顯示器顯示所測溫度。單片機會自動比對測量溫度和設定溫度，并在溫度升至設定溫度時發出指令，繼電器斷開電路，硅膠加熱圈停止工作，從而使工作溫度控制在設定溫度附近。加熱裝置見圖2。

圖2 加熱裝置

2 方案設計與結果分析

2.1 初始干密度對滲透性的影響

2.1.1方案設計

干密度是土體滲透性的一個重要影響因素，其值會影響到土體孔隙含量，進而影響滲流面積和孔隙連通性，干密度因此會對滲透性產生影響[11-13]。為研究初始干密度對滲透性溫度效應的影響，本方案設計了3種干密度水平的試樣(1.55、1.64、1.7 g/cm3)，每種干密度水平的試樣配置3種含水率(18.35%、20%、24%)。溫度由27 ℃逐漸升至95 ℃，測定27、50、65、80 ℃和95 ℃下的滲透系數，將試驗結果整理成滲透系數與初始干密度的關系曲線圖。

依據GB/T 50123—1999《土工試驗方法標準》，溫度為T℃時的粘土滲透系數KT計算公式如下

(1)

式中，a為變水頭管橫截面；L為紅粘土試樣高度，即滲流路徑；A為紅粘土試樣橫斷面積；t為水頭變化歷時；H1、H2分別為試驗起始和終止時的總水頭。按照試樣方案測定的3種干密度水平下不同含水率、不同溫度下的試樣的滲透系數實測值見表3。

表3 試樣的滲透系數實測值 10-6cm/s

2.1.2結果分析

相同含水率試樣不同溫度下的滲透系數與干密度的關系見圖3。從圖3可知：

(1)同一溫度下，滲透系數與干密度成反比，即低密度試樣滲透系數大于高密度試樣。

(2)溫度升高后，各干密度水平下的試樣滲透系數發生了不同程度的變化，干密度越小，溫度升高期間的滲透系數增量越大，隨著土體干密度的增大，滲透系數增量逐漸變小，圖3中的曲線斜率很好地表征了這一變化規律。

圖3 相同含水率試樣不同溫度下的滲透系數與干密度的關系

(3)干密度達到最大值時，各組折線相交于一點，各組試樣的滲透系數值相同，說明隨著干密度的增大，含水率和溫度對滲透系數的影響越來越小，初始干密度對滲透性的影響強于溫度和初始含水率。

(4)隨著干密度的增大，低含水率試樣滲透系數變化幅度相對較小；高含水率反之。

2.2 初始含水率對滲透性的影響

2.2.1方案設計

含水率對土體滲透性的影響是較為復雜的，含

水率的不同將導致土體飽和度存在差異，土體內部在飽和度較低的情況下會存在大量氣體，氣體堵塞細小通道，進而會降低孔隙的連通性并影響滲流活動[12]。為探明初始含水率對紅粘土滲透性的影響，測定3種含水率水平(18.35%、20%、24%)的紅粘土滲透系數，將試驗結果整理為滲透系數與含水率的關系曲線圖，并分析初始含水率對滲透性的影響。

2.2.2結果分析

同一干密度水平試樣不同溫度下的滲透系數與含水率的關系見圖4。從圖4可知：

圖4 同一干密度試樣不同溫度下的滲透系數與含水率的關系

(1)同一溫度下，滲透系數隨著含水率的升高均產生了不同程度的波動，隨著干密度的增大，這種波動越來越小，印證了初始干密度對滲透性的影響強于初始含水率這一規律。

(2)隨著含水率的增大，滲透系數急劇增大時對應的溫度區間不同，低含水率試樣對應的溫度區間最高(80～95 ℃)，高含水率對應溫度區間相對較低。隨著干密度的增大，各含水率下滲透系數變化顯著的溫度區間均為80～95 ℃。

(3)干密度水平較低時(ρd=1.55 g/cm3)，含水率低于20%，滲透系數隨著含水率的增大而增大；含水率高于20%，滲透系數隨著含水率的增大而降低。隨著溫度的升高，這種變化趨勢逐漸減弱，當溫度高于65 ℃時，滲透系數隨含水率增大(從18.35%增至24%)而增大，說明在低密度水平下，溫度高于65 ℃時，溫度對滲透性的影響強于含水率。

2.3 溫度對滲透性的影響

2.3.1方案設計

溫度對土體滲透性的影響是復雜的，其復雜性體現在溫度升高會導致水的粘滯性降低，水的活動性增強[10]；其次，土體中的吸附結合水量隨著溫度升高會明顯降低[7，10]，吸附結合水量的降低會釋放一定的空間，有效滲流通道會進一步擴大；再者，粘性土的孔隙結構也會隨溫度升高而發生變化[14-15]。基于此，為探明環境溫度對紅粘土滲透特性的影響，本方案設計了27、50、65、80 ℃和95 ℃等5種溫度，測定5種溫度下各組試樣的滲透系數，將試驗結果進一步整理為滲透系數與溫度的關系曲線圖。

2.3.2結果分析

同一含水率試樣不同干密度下的滲透系數與溫度的關系見圖5。從圖5可知：

圖5 同一含水率試樣不同干密度下的滲透系數與溫度的關系

(1)各組試樣的滲透系數均隨溫度的升高而增大，低密度水平的滲透系數受溫度影響較為明顯，ρd=1.55 g/cm3時，3種含水率下的滲透系數增幅分別為112.7×10-6、116.48×10-6、186.6×10-6cm/s。

(2)高密度試樣受溫度影響較弱，ρd=1.64 g/cm3的試樣滲透系數增幅分別為17.2×10-6、62.3×10-6、8.2×10-6cm/s；最大干密度水平的試樣滲透系數增幅分別為1.3×10-6、2.5×10-6、1.1×10-6cm/s。根據上述滲透系數變化幅度可知，溫度對低密度高含水率試樣的滲透性影響最為顯著。

(3)ρd=1.7 g/cm3的試樣，其滲透系數值基本保持不變，再次驗證了溫度對滲透性的影響弱于干密度的規律。

3 結 語

本文以南昌市紅粘土為研究對象，利用TST-55滲透儀和自行研發的加熱裝置測定了南昌市紅粘土在27、50、65、80 ℃和95 ℃等5種溫度下的滲透系數，分析了在溫度升高的條件下滲透性的變化規律，得出的主要結論如下：

(1)初始干密度對紅粘土滲透性的影響較為明顯，初始干密度越小，紅粘土的滲透性越強；初始干密度越小，滲透性受溫度影響越顯著，滲透系數增量越大。最大干密度水平的試樣，其滲透性基本保持不變，受溫度和初始含水率影響最小，說明加大干密度是有效的防滲措施；加大干密度對高含水率試樣滲透性影響強于低含水率試樣。

(2)含水率大于20%時，低密度試樣的滲透系數在常溫下與含水率成反比，溫度高于65 ℃時，低密度試樣的滲透系數與含水率成正比，此時，溫度對紅粘土滲透性的影響強于含水率。低含水率(18.35%)試樣，在80～95 ℃的溫度區間內，滲透系數增加幅度與低溫相比較大，對于高含水率試樣，在相對低的溫度區間內紅粘土滲透系數即會大幅增加。

(3)紅粘土滲透性隨溫度升高而增大，因干密度和含水率不同而出現差異。低密度高含水率試樣受溫度影響最為顯著，滲透系數增幅最大。

(4)初始干密度對紅粘土滲透性的影響強于溫度和初始含水率。