基于滲壓實驗的濟南典型粉質黏土滲透特性

摘要： 為了探討濟南14-1層典型粉質黏土滲透系數各向異性的內在機制，基于滲壓實驗并結合掃描電子顯微鏡技術，研究不同固結壓力條件下該土層的滲透特性及微觀結構特征，得出土層的滲透系數各向異性與固結壓力、 孔隙結構的關系。結果表明： 在室內常規滲透實驗中，該土層在豎直方向的滲透系數大于水平方向的，并且豎直方向的滲透系數平均值是水平方向的1.64倍；隨著固結壓力的增大，粉質黏土的滲透系數逐漸減小，并且豎直方向的滲透系數始終大于水平方向的，在固結壓力為500 kPa時，豎直方向的滲透系數增至水平方向的近5倍，體現出土層在不同方向的結構性差異； 原狀土的滲透系數顯著大于重塑土的，在固結壓力為100 kPa時，原狀土的滲透系數約為重塑土的5.5倍，突顯了土層結構性對滲透特性的顯著影響； 掃描電子顯微鏡圖像進一步揭示了土層中的空間網狀孔隙和孔洞結構，豎直方向的不均勻孔隙和裂隙結構有利于豎向滲流；固結壓力的增加導致土層孔隙減小，顆粒間接觸更緊密，從而使滲透阻力增大。

關鍵詞： 地下工程； 滲透系數； 滲壓實驗； 粉質黏土； 各向異性

文章編號：1671-3559（2025）02-0221-07

中圖分類號： TU41

文獻標志碼： A

Permeability Characteristics of Typical Silty Clay in Jinan Based on Osmotic Pressure Experiment

FU Qinghua1， LIU Yan1， ZHOU Xiang2， LIU Yong3， LI Haibo4

（1. a. School of Civil Engineering and Architecture， b. The Engineering Technology Research Center for Urban Underground Engineering Support and Risk Monitoring of Shandong Province， University of Jinan， Jinan 250022， Shandong， China;

2. China Railway 14th Bureau Group Big Shield Engineering Co.， Ltd.， Nanjing 211803， Jiangsu， China;

3. Shandong Chambon Construction Group Co.， Ltd.， Jinan 250014， Shandong， China

4. The Workers’Cultural Palace of Changyi City， Weifang 261300， Shandong， China）

Abstract： To explore internal mechanism of permeability coefficient anisotropy of 14-1 layer typical silty clay in Jinan， permeability characteristics and microstructure characteristicsofthesoillayerunderdifferentconsolidationpressures were researched on the basis of osmotic pressure experiment and scanning electron microscopy technology， and the relationship between" permeability coefficient anisotropy of the soil layer and consolidation pressure as well as pore structure was obtained. The results show that in indoor conventional permeability experiment， the permeability coefficient of the soil layer in vertical direction is greater than that in horizontal direction， and the average permeability coefficient in vertical direction is 1.64 times of that in" horizontal direction. With the increase of consolidation pressure， the permeability coefficient of silty clay gradually decreases， and the permeability coefficient in vertical direction is always greater than that in horizontal direction. When the consolidation pressure is 500 kPa，thepermeabilitycoefficientinverticaldirectionincreases to nearly 5 times of that in horizontal direction， reflecting structural difference of the soil layer in different directions. The permeabilitycoefficientofundisturbedsoilissignificantlygreaterthanthatofremolded soil. When the consolidation pressure was 100 kPa， the permeability coefficient of undisturbed soil is about 5.5 times of that of remodeled soil，whichhighlightssignificantinfluencesofsoilstructure on permeability characteristics. Scanning electron microscope images furtherrevealspatialreticularporeandporespace structures in the soil layer. Uneven pore and fissure structures in vertical direction are conducive to vertical seepage. The increase of consolidation pressure leads to the decrease of soil layer pores and tighter contact between particles， so that the permeability resistance increases.

Keywords： underground works; permeability coefficient; osmotic pressure experiment; silty clay; anisotropy

濟南地區地質環境具有特殊性，地下水量豐沛，潛水與承壓水共存，粉質黏土、 細砂層和碎石層廣泛分布，導致在基坑工程建設中極易發生突涌、 流砂等工程事故。

目前學者們對粉質黏土的滲透特性開展了較多研究。 達西定律^［1］作為研究滲透系數的經典理論， 是在對均勻砂土開展滲透實驗的基礎上提出的， 盡管該定律在土力學領域中具有里程碑意義， 但是主要適用范圍限于均勻沙土，對于非均質土層，如粉質黏土， 該定律的應用存在一定的局限性。孫德安等^［2］研究了上海地區結構性軟土的滲透特性，通過對比原狀土和重塑土的滲透系數， 發現黏土的孔隙比和土層的組構是影響滲透特性的主要因素， 在孔隙比相同時， 原狀土的滲透系數大于重塑土的， 并且土層的黏粒含量和初始孔隙比對滲透系數有顯著影響。 王華敬等^［3］探討了華北地區平原水庫重塑粉質黏土的滲透特性， 發現土樣的固結時間和滲流起始水頭對滲透系數有顯著影響， 當固結時間至少為10 h且起始水頭為100 cm時滲透系數較穩定，并且直徑為10～40 μm的粉質黏土孔隙的數量是影響滲透特性的關鍵因素。黃天榮等^［4］對上海地區粉質黏土開展滲透特性試驗研究， 結果表明， 粉質黏土的滲透系數隨著固結壓力的增大而減小， 水平方向的滲透系數大于豎直方向的， 并且重塑土的滲透系數因擾動的存在而減小。 蔣玉坤等^［5］通過室內常規滲透實驗研究了深部黏土的滲透特性， 發現深部黏土與淺層黏土在結構和物理力學性質方面存在差異， 同時揭示了深部黏土的滲透系數與軸向應力的關系， 以及深部黏土的滲透系數各向異性， 并指出深部黏土在應力較大時的屈服并不明顯，而是通過微裂隙發育影響滲透特性的，研究成果對深基坑和礦井水防治決策有重要意義。 黃薛等^［6］采用４種滲透實驗測試方法測定粉質黏土的滲透系數， 結果表明， 室內常規滲透實驗與現場抽水試驗結果的差異性很顯著。

粉質黏土的滲透系數受到自身孔隙比、顆粒結構性、埋深等諸多因素的影響，在施工過程中基坑開挖或地下水動態變化的影響使得滲透系數呈現非定值的現象，如果不重視該問題則可能導致工程安全風險。本文中通過滲壓實驗分析濟南14-1層典型粉質黏土在豎直、 水平方向的滲透特性，并利用掃描電子顯微鏡（SEM）技術揭示該土層的微觀結構特征。通過對比滲透系數與微觀結構特征之間的關系，探討滲透系數各向異性的內在機制，從而為該地區的基坑工程設計和施工提供更準確的土層參數和理論依據。

1 實驗

1.1 實驗儀器

采用TT-APP2C型雙聯變水頭自動滲壓實驗儀測量粉質黏土的滲透系數。該儀器集成了氣壓加載、 穩定系統、 滲透測試室、 固結測試室，能有效地模擬土層在自然重力或外加負載條件下的固結過程，隨后進行滲透測試，得到在不同固結壓力時土層的滲透特性實驗數據。

采用Gemini 300型場發射掃描電子顯微鏡（FESEM）分析不同粉質黏土固結前、 后試樣的微觀結構特征。 該儀器通過發射電子束至土層表面，并捕捉由此產生的反射電子而形成SEM圖像。

1.2 土樣的基本物理力學性質

濟南西站片區某基坑工程的地質剖面圖如圖1所示。 濟南14-1層棕黃色粉質黏土^［7］作為濟南地區典型的弱透水層， 主要位于承壓含水層上部， 該土層因結構緊密及滲透特性較差而在過去的工程實踐中常作為理想的隔水層， 但是隨著基坑開挖的加深， 室內常規滲透實驗與現場抽水試驗、 回灌試驗數據存在顯著差異， 這些差異使得黏土層滲透特性的重新評估成為必要。 對所采集的14-1層粉質黏土土樣開展常規土工試驗， 基本物理力學性質如表1所示。由表可知，14-1層粉質黏土的孔隙比為0.847，而一般粉質黏土的孔隙比為0.4～0.6，14-1層粉質黏土的孔隙比比一般粉質黏土的大1.42～2.12倍， 即14-1層粉質黏土的孔隙比顯著大于一般粉質黏土的孔隙比，因此具有鮮明的地質特性。

1.3 實驗方案

1.3.1 室內常規滲透實驗

為了研究土層的滲透系數各向異性，根據國家標準GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》^［8］制樣，分別在豎直方向的橫斷面和水平方向的縱斷面上測量所采集土樣的滲透系數。為了確保結果的準確性，每個方向的實驗均進行3次平行測試。利用雙聯變水頭自動滲壓實驗儀開展室內常規滲透實驗，測得原狀土樣在水平和豎直方向的滲透系數并取平均值作為每個方向的滲透系數。同時，對比室內常規滲透實驗數據與現場抽水試驗數據。

在重塑土樣制備過程中，土樣在溫度為105 ℃的條件下烘干24 h， 并利用篩網孔徑為2 mm的標準篩篩選。 采用擊實法制備土樣。 在制備重塑土樣的過程中控制其干密度為1.52 g/cm3， 在含水率為20%的條件下靜置24 h， 以確保水分均勻分布， 然后放入專用模具中， 采用擊實儀器分層擊實至所需厚度。

1.3.2 滲壓實驗

為了深入研究粉質黏土滲透系數各向異性的內在機制，在原狀土樣中分別沿豎直、 水平方向采集3個土樣，并制備3個孔隙比相同的重塑土樣，以測量粉質黏土在不同條件下的滲透系數。固結壓力從50 kPa逐步增至800 kPa，以考察較大固結壓力時滲透特性的變化趨勢，實驗方案如表2所示。

2 結果與分析

2.1 室內常規滲透實驗結果分析

表可知： 土樣的滲透系數在水平方向的橫斷面和豎直方向的縱斷面上表現出較大的差異。豎直、 水平方向滲透系數的最大值分別為1.971×10^-5、 1.304×10^-5 cm/s，豎直方向的滲透系數是水平方向的1.51倍，豎直方向的滲透系數平均值是水平方向的1.64倍。粉質黏土在豎直方向的滲透系數通常小于水平方向的^［9］， 但是在本次實驗中， 粉質黏土在豎直方向的滲透系數大于水平方向的。在現場抽水試驗中，土樣的綜合滲透系數為1.25～2.66 m/d， 與室內常規滲透實驗結果相差較大， 表明該土層的滲透特性可能受到特定微觀結構和土層排列的影響。 滲透系數各向異性的存在對土層的固結、 沉降以及地下水滲流等過程有重要影響， 然而目前該滲透系數各向異性產生的內在機制尚缺乏深入的認識， 尤其是微觀結構層面的解釋。

2.2 基于滲壓實驗的滲透系數變化規律

2.2.1 固結壓力的影響

為了深入探討固結壓力對粉質黏土滲透特性的影響，分析不同固結壓力時原狀土和重塑土的滲透特性。不同固結壓力時土樣的滲透系數與擬合曲線如圖2所示。由圖可知：當固結壓力由50 kPa逐漸增至800 kPa時，土樣的滲透系數呈現逐漸減小的趨勢，特別是在低壓力區間，該變化尤為明顯； 當壓力持續增大時，土樣的滲透系數變化逐漸趨于平緩。值得注意的是，不同類型的土樣對固結壓力的響應程度存在顯著差異。具體而言，重塑土樣在受到固結壓力作用時，滲透系數的變化相對較小，顯示出較強的穩定性。相比之下，水平方向的原狀土樣對固結壓力的反應稍明顯，豎直方向的原狀土樣則表現出最顯著的變化，滲透系數受固結壓力的影響最大。

為了更深入地分析固結壓力作用下滲透系數的變化規律，擬合分析實驗數據，擬合方程為

k=exp（a+bp） ，（1）

式中： k為滲透系數； a、 b為擬合參數； p為固結壓力。

不同固結壓力時土樣的滲透特性擬合參數如表4所示。由表可知， 原狀土樣和重塑土樣的滲透系數擬合相關系數的平方R2均大于98%，高度相關性進一步證實了擬合方程（1）在模擬粉質黏土滲透特性方面的適用性和有效性。對于原狀土樣和重塑土樣，a、 b反映了不同狀態土樣的滲透系數對固結壓力變化的敏感程度。較大的R2意味著擬合方程（1）能以較小的誤差預測滲透系數，為基坑工程設計提供了可靠的理論支持。此外，以上定量分析方法為預測土層在不同固結壓力條件下的滲透特性提供了強有力的工具，有助于優化地質工程設計和施工策略，確保工程安全和效率。

2.2.2 滲透系數的各向異性

為了進一步探討粉質黏土的滲透系數各向異性，對比土樣在水平、 豎直方向的滲透系數，結果如圖3所示。由圖可知，在固結壓力逐漸增大的過程中，豎直方向的滲透系數始終大于水平方向的，當固結壓力為100 kPa時，豎直、水平方向的滲透系數相差近3倍，并且該差異隨著固結壓力的逐漸增大而增大，當固結壓力為500 kPa時，豎直、 水平方向的滲透系數相差接近5倍，表明即使在較大的固結壓力時，土層的滲透特性仍保持一定的方向依賴性，對工程實踐中預測和控制土層的水分遷移行為有重要意義。同時，該顯著的滲透系數各向異性揭示了粉質黏土在不同方向的滲透特性存在顯著差異，對工程設計和施工有重要的指導意義。

滲透系數各向異性的形成主要與土層的沉積和固結歷程相關。在土層的沉積過程中，土顆粒的排列和土層的組構在不同方向受到不同程度的影響，導致土層不同方向的滲透特性表現出明顯的差異。同時，固結壓力的作用也進一步加劇了滲透系數的各向異性。由此可知，在研究和應用粉質黏土時，必須充分考慮滲透系數的各向異性，以確保基坑工程的安全性和穩定性。

2.2.3 粉質黏土的結構性

在實際工程施工中， 土層的擾動是難以避免的問題， 土層的擾動對土層滲透特性的影響不容忽視。 為了揭示土層結構變化對滲透特性的影響， 對比原狀土樣與具有相同孔隙比的重塑土樣的滲透系數， 結果如圖4所示。 由圖可知： 在固結壓力逐漸增大的過程中， 原狀土樣的滲透系數始終大于重塑土樣的，說明相對于重塑土樣， 原狀土樣天然的土層結構使其有更好的滲透特性。當固結壓力為100 kPa時， 原狀土樣的滲透系數是重塑土樣的5.5倍，與顧正維等^［10］的研究結果（5倍）較接近。當固結壓力增至500 kPa時，差異更顯著，原狀土樣的滲透系數高達重塑土樣的12倍，說明在固結壓力較大時，原狀土樣與重塑土樣之間的滲透特性差距進一步擴大。原因可能是原狀土樣保持了天然的土層結構和孔隙網絡，為水分的滲透提供了更有效的通道。相比之下，重塑土樣的在重塑過程中破壞了天然的土層結構，導致滲透特性劣化。

為了更全面地分析土層滲透特性與孔隙比之間的關系，在實驗過程中通過記錄雙聯變水頭自動滲壓實驗儀百分表的位移值計算土樣的孔隙比，不同固結壓力時土樣的滲透系數與孔隙比的關系及擬合曲線如圖5所示。由圖可知： 在固結過程中，滲透系數隨著孔隙比的減小而減小，原因是較小的孔隙比意味著土層更密實， 滲流通道相應減少。隨著孔隙比的變化，不同土樣的滲透系數變化趨勢不同， 其中原狀土樣在豎直方向的滲透特性變化趨勢最明顯， 接近線性；" 隨著孔隙比的變化， 原狀土樣在水平、 豎直方向的滲透系數的差異進一步揭示了土層滲透系數的各向異性。 當土樣的孔隙比較小時， 滲透系數均較接近，表明在較小的孔隙比范圍內，土層的緊密度較高， 孔隙空間有限， 因此滲透特性受到較大限制。

為了更深入地分析固結過程中孔隙比與滲透系數的變化規律， 擬合分析實驗數據， 擬合方程為

k=ae2+be+c ，（2）

式中： e為孔隙比； c為擬合參數。

不同固結壓力時土樣的滲透系數與孔隙比擬合結果如表5所示。由表可知，滲透系數與孔隙比擬合的R2均大于96%，高度相關性進一步證實了擬合方程（2）在模擬粉質黏土滲透特性方面的適用性和有效性。

2.3 微觀結構特征分析

不同土樣固結前、 后的SEM圖像如圖6所示。由圖可知： 水平、 豎直方向的原狀土樣與重塑土樣的結構存在顯著的差異。在原狀土樣表面可以清晰地觀察到近圓形且在土層內部分布不均的孔隙和豎向裂隙，但是數量較多，形成了復雜的孔隙網絡。大量孔洞為黏土層的富水性提供了有利的結構條件，豎向裂縫則為土層發生豎向滲流提供了便捷的路徑。

由圖6（a）、 （c）可知： 固結前水平方向的原狀土樣顆粒主要以層疊和搭接的方式排列； 與豎直方向的原狀土樣相比，水平方向的原狀土樣顆粒排列更緊密，孔隙數量和尺寸都顯著小于豎直方向的原狀土樣的。由此可知，土樣在豎直方向的孔隙結構較發達，有利于水分在土層內部豎向滲流。

由圖6（b）、 （d）可知： 固結后豎直方向原狀土樣顆粒間的接觸點增加，顆粒排列更緊密，孔隙比減小； 水平方向原狀土樣的孔隙變小，固結壓力導致土顆粒重新排列和壓實。

由圖6（e）、 （f）可知： 重塑土樣在受擾動后，內部的絮凝集聚體結構遭受破壞，分解為小顆粒，填充了原本存在的大孔隙，從而引發孔隙與孔隙之間接觸模式的變化，由邊-面接觸模式逐漸演變為邊-邊接觸模式。新的接觸模式使重塑土樣的顆粒排列更緊密，導致滲透特性顯著劣化。由此可知，孔隙大小及孔隙與孔隙之間接觸模式的變化是結構性存在的主導因素。

綜上，在固結壓力為500 kPa的作用下，土層經歷擠壓過程，部分土顆粒因受力而破裂，生成新的小顆粒并填充到原有的孔隙，較大的孔隙逐漸被壓縮為小孔，小孔則因小顆粒的填充而逐漸被堵塞。隨著固結壓力的持續增加，顆粒間的接觸模式逐漸相同，邊與面的界限難以分辨，顆粒間的鑲嵌作用更顯著。微觀結構的變化增加了水分在土層中滲透的阻力，導致土層的滲透特性隨著固結壓力的增加而不斷劣化。固結過程中孔隙大小及孔隙與孔隙之間接觸模式的變化規律不僅揭示了土層滲透特性變化的內在原因，而且為預測土層的水力學行為提供了重要的理論支撐。

3 結論

為了探究濟南14-1層典型粉質黏土在豎直方向的滲透系數大于水平方向的滲透系數的原因，并揭示該土層固結過程中孔隙大小及孔隙與孔隙之間接觸模式的變化規律，通過滲壓實驗和SEM技術，研究了粉質黏土在不同固結壓力時的滲透特性和微觀結構特征，得到以下主要結論：

1）通過室內常規滲透實驗發現，粉質黏土在豎直、 水平方向的滲透系數存在明顯差異，并且表現出不同于一般粉質黏土的滲透特性，粉質黏土在豎直方向的滲透系數大于水平方向的且豎直方向的滲透系數是水平方向的1.51倍，豎直方向的滲透系數平均值是水平方向的1.64倍。通過與現場抽水試驗對比，該土層的綜合滲透系數與室內常規滲透實驗結果相差較大。

2）在固結壓力的作用下，隨著固結壓力的逐漸增大，粉質黏土的滲透系數呈現出減小的變化趨勢。在較小的壓力范圍內，該變化尤為顯著，隨著壓力的持續增大，滲透系數的變化逐漸趨于平緩。不同類型的土樣對固結壓力的響應程度存在顯著差異，在固結壓力逐漸增大的過程中，豎直方向的滲透系數始終大于水平方向的，當固結壓力為100 kPa時，豎直、 水平方向的滲透系數相差接近3倍，并且差異隨著固結壓力的逐漸增大而增大，當固結壓力為500 kPa時，豎直、 水平方向的滲透系數相差接近5倍。

3）該土層的原狀土樣與重塑土樣的對比結果表明，該土層有明顯的結構性特征。當固結壓力較小時，如固結壓力為100 kPa，原狀土的滲透系數顯著大于重塑土的。原狀土的滲透系數是重塑土滲透系數的近5.5倍，充分說明了土層的結構性對滲透特性的影響； 當固結壓力較大時，原狀土與重塑土之間的滲透特性差距進一步擴大。不同孔隙比與滲透系數之間存在一定的正相關關系，在固結過程中，滲透系數隨著孔隙比的減小而減小。

4）SEM圖像揭示了粉質黏土獨特的孔隙結構特征和原狀土在豎直方向的滲透系數大于水平方向的滲透系數的滲流機制。該土層有典型的空間網狀孔隙和孔洞結構。同時，豎直方向的原狀土有不均勻分布的孔隙和裂隙，促進了富水性的提升和豎向滲流，而水平方向的原狀土顆粒主要以層疊和搭接的方式排列，排列更緊密。與原狀土相比，重塑土的顆粒結構更致密，滲透特性劣化。固結壓力的增加導致土層孔隙減小，顆粒接觸更緊密，從而使滲透阻力增大。

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［10］ 顧正維， 孫炳楠， 董邑寧. 粘土的原狀土、重塑土和固化土滲透性試驗研究［J］. 巖石力學與工程學報， 2003， 22（3）： 505.［題名中“粘”應為“黏”］

（責任編輯：王 耘）

基金項目： 山東省自然科學基金項目（ZR2022ME042）

第一作者簡介： 付青華（1995—），男，山東棗莊人。碩士研究生，研究方向為土木工程。E-mail： 1114509719@qq.com。

通信作者簡介： 劉燕（1978—），女，山東濟南人。教授，博士，研究方向為巖土與地下空間工程。E-mail： liuyan322@163.com。