壓實度對膨脹土滲透特性的影響研究

許英姿　楊昀和　黃政棋

摘要：為研究不同壓實度對膨脹土滲透特性的影響規律，文章以南寧膨脹土為研究對象，通過壓力板儀試驗和變水頭滲透試驗，結合預測模型對非飽和滲透系數進行預測。結果表明：壓實度對膨脹土滲透特性的影響較明顯，壓實度為95%的膨脹土飽和滲透系數僅為8.69×10 -9 m/s，而壓實度為75%的膨脹土飽和滲透系數為6.33×10 -7 m/s，比壓實度為95%的大約2個數量級;當壓實度相同時，基質吸力越大，膨脹土滲透系數越小;當基質吸力相同時，壓實度越高，膨脹土滲透系數也越小;基質吸力為1 000 kPa時，各壓實度的膨脹土滲透系數均<10 -11 m/s，壓實度為95%的膨脹土滲透系數要比壓實度為75%的小約2個數量級。

關鍵詞：膨脹土;壓實度;滲透特性;滲透系數

中國分類號：U416.1 +67

0引言

膨脹土是一種具有典型特性即脹縮性、裂隙性和超固結性的高塑性黏土。膨脹土邊坡失穩常常發生在降雨后[1]，降雨入滲引起膨脹土內部含水量變化，導致土體的力學特性發生改變，最終觸發淺層滑坡[2]。因此，確定與膨脹土滲流相關的滲透參數，對分析膨脹土邊坡的穩定性有十分重要的意義[3]。工程中的膨脹土大部分處于非飽和狀態，非飽和滲透系數是描述膨脹土在非飽和狀態下導水能力的參數。眾多學者研究發現非飽和膨脹土的滲透系數受初始含水率、初始孔隙比、干密度等多種因素影響[4-7]，且其本身結構復雜，如果采用常規的飽和土滲透試驗精確測量非飽和土滲透系數，所需費用十分昂貴，且耗時較長。研究表明，根據土水特征曲線（簡稱SWCC曲線）能夠間接推測非飽和土的滲透系數，其計算精度在工程允許范圍內，且所需費用較少[8]。本文以廣西南寧膨脹土為研究對象，采用變水頭滲透試驗對膨脹土進行飽和滲透系數的量測，分析飽和滲透系數的影響規律，并結合壓力板儀試驗擬合結果，對非飽和膨脹土的滲透系數進行間接預測，研究非飽和滲透系數的影響規律，為分析膨脹土邊坡失穩提供參考。

1試驗土樣與方案

1.1土樣物理性質指標

本次試驗所用土樣取自廣西南寧市興[JP+1]寧區水牛研究所附近的膨脹土邊坡。土樣的物理性質指標試驗結果如表1所示。由自由膨脹率可知試驗土樣為中等膨脹性膨脹土。

1.2土樣制備和試驗方案

取風干土樣錘碎后過2 mm篩，按照最優含水率19%所需加水量配制土樣。采用靜壓法制備環刀試樣，試樣的壓實度分為95%、90%、85%、80%和75%五種，每個壓實度制取3個平行樣。土水特征曲線試驗與飽和滲透試驗均按照《公路土工試驗規程》（JTG E40-2007）進行操作。采用1500型15 Bar壓力板儀進行SWCC曲線試驗，所用環刀尺寸內徑為61.8 mm，高10 mm，加壓路徑為：0 kPa→25 kPa→50 kPa→100 kPa→200 kPa→400 kPa→600 kPa→800 kPa→1 000 kPa。采用TST-55型滲透儀進行變水頭滲透試驗，量測飽和滲透系數，所用環刀尺寸內徑為61.8 mm，高度為40 mm。

2試驗結果與分析

2.1壓力板儀試驗結果擬合

前人研究發現VG模型能較好地擬合膨脹土的土水特征曲線試驗結果[9]，故本次試驗選用VG模型對試驗結果進行擬合。擬合結果如表2所示。

2.2膨脹土飽和滲透系數分析

變水頭滲透試驗的飽和滲透系數按《公路土工試驗規程》（JTG E40-2007）的公式計算，為方便對比分析，將計算結果換算為20 ℃時的飽和滲透系數。換算結果如圖1所示。

由圖1可知，壓實度對膨脹土飽和滲透系數的影響較明顯。膨脹土在高壓實度時的飽和滲透系數很小，95%壓實度的膨脹土飽和滲透系數僅為8.69×10 -9 m/s。隨著壓實度的降低，膨脹土的飽和滲透系數會相應增大，這是因為膨脹土的滲透性與其結構特性有密切聯系。

（1）壓實的作用主要是壓碎膨脹土中的較大土顆粒，破壞膨脹土的原有結構，而壓碎后的土顆粒會填充孔隙，使得土體的孔隙率減小，同時也會阻塞水的入滲通道，進而影響滲透性。膨脹土壓實度越高，壓實作用越顯著，孔隙率越小，水的入滲通道也越少，導致飽和滲透系數越小。

（2）飽和土中的自由水不受多孔黏土顆粒表面性質的影響，壓實度高的土樣孔隙率較小，自由水在土中流動會被滲流通道的數量限制，故其飽和滲透系數相對壓實度低的土樣要小。當土的壓實度較低時，土體內部的大孔隙數量會顯著增加，粒間孔隙的連通性變好，土的滲透性也會變好。當壓實度為75%時，土體的飽和滲透系數為6.33×10 -7 m/s，相比95%壓實度的土樣大了約2個數量級，說明壓實度對土體飽和滲透系數的影響十分顯著。

2.3膨脹土非飽和滲透系數的預測

利用SWCC曲線預測膨脹土的非飽和滲透系數需要借助滲透系數模型。本文利用Van Genuchten的滲透系數模型[10]，如式（1）、式（2）所示，在已知飽和滲透系數的前提下，結合SWCC曲線擬合結果對土體的滲透系數進行預測。

膨脹土SWCC曲線的VG模型擬合參數如前頁表2所示，將各參數代入式（1）和式（2）即可計算非飽和滲透系數。不同壓實度膨脹土的滲透系數與基質吸力的關系如圖2所示。

由圖2可知，在相同壓實度條件下，膨脹土中基質吸力越大時對應的滲透系數越小，在基質吸力為1 000 kPa時，各壓實度的膨脹土滲透系數均<10 -11 m/s，這說明處于高吸力狀態下的膨脹土很難入滲。根據滲透系數的降低速率可把曲線分為兩段：

（1）第一段為基質吸力在0～200 kPa范圍，這一段滲透系數隨基質吸力的增加而減小的現象十分顯著，基質吸力為200 kPa時的滲透系數平均值要比飽和狀態時的滲透系數小約3個數量級。

（2）第二段為基質吸力在200～1 000 kPa范圍，該段滲透系數也呈現出隨基質吸力增加而減小的變化趨勢，但是其降低的幅度要明顯小于第一段。而在相同的基質吸力條件下，膨脹土的壓實度越高時對應的滲透系數越小，在基質吸力為1 000 kPa時，壓實度為95%的膨脹土滲透系數要比壓實度為75%的小約2個數量級。其主要原因可能是膨脹土的滲透系數會受到土體孔隙比變化的影響，高壓實度的土樣孔隙比會相應較小，其大孔隙的數量也會少于低壓實度的土樣。基質吸力從0 kPa開始增大時，土樣由飽和狀態向非飽和狀態轉變，空氣會將部分大孔隙中的水逐步取代，而在大孔隙中的自由水對整個土體的滲透率起著控制作用，低壓實度的膨脹土中大孔隙數量較多，孔隙中的自由水也較多，因此低壓實度膨脹土的滲透系數要比高壓實度膨脹土的大。隨著空氣壓力將大孔隙中自由水排出，土的飽和度不斷降低。當大孔隙中的水被空氣取代后，水只能在較小的孔隙中流動，孔隙水流動的路徑變得更小更曲折，因此滲透系數也不斷減小。

3結語

（1）壓實度對膨脹土飽和滲透系數的影響較為明顯，膨脹土在高壓實度時的飽和滲透系數很小，壓實度為95%的膨脹土飽和滲透系數僅為8.69×10 -9 m/s。隨著壓實度的降低，膨脹土的飽和滲透系數會相應增大，當壓實度為75%時，土體的飽和滲透系數為6.33×10 -7 m/s，比壓實度為95%的大了約2個數量級。

（2）當壓實度相同時，膨脹土中基質吸力越大，對應的滲透系數越小，當基質吸力為1 000 kPa時，各壓實度的膨脹土滲透系數均<10 -11 m/s。當基質吸力相同時，膨脹土的壓實度越高，對應的滲透系數也越小，當基質吸力為1 000 kPa時，壓實度為95%的膨脹土滲透系數要比壓實度為75%的小約2個數量級。

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