膨脹土滲透特性與膨脹特性實驗研究

【摘要】膨脹土作為高塑性粘土，承載力因水體滲透而逐漸衰減，這極大地限制實際工程的應用范圍。本文通過對膨脹土進行重塑土與原狀土滲透性能與膨脹性試驗，對比分析重塑土與原狀土在不同上覆荷載值下滲透系數的變化規律，研究了上覆荷載、水頭高度、含水率對重塑土滲透系數的影響規律并進一步分析不同初始含水率下的膨脹量與膨脹力。結果表明：隨上覆荷載的增大重塑土與原狀土滲透系數逐漸減小。隨含水率增加，滲透系數在一定范圍內先減小，達到一定程度后，滲透系數逐漸增大。滲透系數隨水頭高度增加而增大。隨著初始含水量的增加，膨脹量逐漸減小;膨脹力逐漸減小。

【關鍵詞】膨脹土;滲透系數;膨脹量

【中圖分類號】 TU411.4

【文獻標識碼】A

1、引言

膨脹土是一種非飽和的、結構不穩定的區域性的高塑性粘土，其礦物成分主要為蒙脫石和伊利石。膨脹土特性性能極不穩定，具有吸水膨脹、失水收縮、反復脹縮變形、浸水承載力衰減和干縮裂縫發育等不良特性。對膨脹土的工程特性進行研究，分析膨脹土特性規律，對于實際的工程建設具有重大意義。

本論文主要通過三組實驗，分別對重塑土與原狀土滲透性性能進行分析研究。

2、試驗條件

2.1實驗用料

實驗所用土樣為膨脹粘土，滲透系數為6.19×10-7 cm/s;原狀土滲透系數為8.98×10-8cm/s。

2.2實驗方法

將實驗所用土體進行處理后，分別進行滲透實驗和膨脹模型實驗。

3、實驗結果與分析

3.1膨脹土的滲透系數變化

3.1.1 原狀土滲透系數變化

從圖1可以看出，對于同一組試驗，上覆荷載分別為0、100、200、300、400kPa時，滲透系數依次為6.19x10-7cm/s、3.23×10-7cm/s、2.31×10-7cm/s、9.69×10-8cm/s、7.15×10-8cm/s，隨著上覆荷載的增大，滲透系數逐漸減小;在較小荷載作用時，滲透系數隨上覆荷載增大而較快減小，在較大荷載作用時，滲透系數隨上覆荷載增大減小變得平緩。滲透系數隨上覆荷載變化呈現非線性規律，變化率隨著荷載增大而逐漸減小。

3.1.2 重塑土滲透系數變化

重塑的結果破壞了絮凝集聚體，從圖2可以看出，上覆荷載分別為0、100、200、300、400kPa時，滲透系數依次為8.98×10-8cm/s、5.26×10-8cm/s、3.11×10-8cm/s、2.71×10-8cm/s、1.64×10-8cm/s，隨著上覆荷載增大，滲透系數逐漸減小。滲透對重塑土的影響主要是通過壓實作用改變其孔隙比，土體中孔隙比的改變引起滲透性變化。

3.1.3 原狀土與重塑土滲透系數比較

將上述的兩組實驗結果進行對比，研究重塑作用對膨脹土滲透系數的影響作用。從圖3以看出，在上覆荷載為0時，原狀土滲透系數為6.19×10-7cm/s，重塑土滲透系數為8.98×10-8cm/s，原狀土滲透系數大于重塑土滲透系數，兩者大約相差1個數量級。這主要是由于原狀土中有天然的孔隙以及微小裂隙等，為水的滲流提供了很好的通道;而重塑土破壞了土體的結構性，通過擊實作用使得土體顆粒重新分布。從整個趨勢圖來看，原狀土滲透系數隨上覆荷載曲線變化幅度大，重塑土較為平緩。對從重塑土施加較大的上覆荷載，也無法達到原狀土滲透系數，說明原狀土在較長時間沉積中具有較大密實度。

3.1.4 含水率對滲透系數的影響

含水率一直是影響土滲透系數的一項重要參數，本實驗通過試驗分析，得出以下規律：隨著含水率的增加，滲透系數在一定范圍內先減小，達到一定程度后，滲透系數逐漸增大，隨著含水率的逐步增大，滲透系數也逐漸增大，含水率增大的越快，滲透系數增大的越快。當含水率相同時，隨著密度的增加，土顆粒的質量也增加，滲透儀體積不變，土試樣更加密實，滲流的通道變小，滲透系數隨著變小。變化規律見圖4。

（1）在重塑土與原狀土的滲透性試驗中，隨著上覆荷載的增加，滲透系數逐漸減小;原狀土由于其結構致密，不容易發生滲透;對干密度不同的重塑土樣，隨著干密度的增加，滲透系數逐漸減小;不同高度的重塑土樣，隨著高度增加，滲透系數逐漸增大，并且高度增加越快，滲透系數的變化越快;不同含水率的重塑土樣，隨著含水率的增加，滲透系數在一定范圍內先減小，達到一定程度后，滲透系數逐漸增大，隨著含水率的逐步增大，滲透系數也逐漸增大，含水率增大的越快，滲透系數增大的越快。

（2） 在膨脹性實驗中，隨著初始含水量的增加，膨脹量逐漸減小;隨著初始含水量的增加，膨脹力逐漸減小;土中含水率越大，膨脹量越大;由于試驗時通過增加水量增大初始含水量，且保濕較長時間，導致一部分膨脹力以膨脹量的形式釋放，初始含水量增大的越多，以膨脹量形式釋放的膨脹力也就越多，因而剩余的膨脹力越小。

（3）在膨脹模型實驗中，隨著開孔數的增加，膨脹量的減小呈3個階段 ，加水驟增階段、正常膨脹階段、膨脹穩定階段。當加水到一定程度時，膨脹量穩定，說明土樣不再進行膨脹，此時，土樣達到最大膨脹值。隨著含水量的增加，不同孔數的土樣膨脹量初始膨脹量不相同，最終膨脹量呈減小趨勢。

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作者簡介：

李小剛，出生于1993年12月，男，本科，中鐵七局集團第三工程有限公司，助理工程師。