陜西某地重塑黃土滲透系數(shù)的試驗研究

宋春梅

0 引言

黃土古稱“黃壤”,是干旱半干旱氣候條件下形成的第四紀堆積的以粉土顆粒為主,富含碳酸鹽,具有大孔性,黃色的松軟沉積物[1]。濕陷性是黃土特性,濕陷現(xiàn)象是由于水的滲透浸潤而引起,因而黃土的滲透特性直接影響著濕陷的發(fā)展。在濕陷性黃土地區(qū)的工程設計中,滲透性是一個重要的設計參數(shù),只有充分了解其滲透特性,才能進行科學合理的設計[2]。本文利用改制儀器對重塑黃土在不同滲透壓力下的滲透系數(shù)進行了試驗研究。

1 試樣來源及原狀土樣基本物理性質(zhì)指標

試驗所用土樣取至陜北,通過比重瓶法試驗測定原狀土樣的比重為2.69,烘干法測得土樣的天然含水量為20.8%,天然干密度為1.64 g/cm3。該土料的物理性質(zhì)指標見表1。

表1 試驗土樣基本物理性質(zhì)指標

2 重塑土樣的制備

2.1 散土制備

重塑土采用天然含水量散土和烘干后過0.25篩的烘干土。過篩試驗土分別按10%,15%,20%的含水量制備。不同含水量重塑黃土的制備過程為:將散土置于烘箱中,在105℃下烘24 h后置于干燥箱冷卻;然后將烘干土碾碎,過0.25 mm的篩;最后稱取2000 g過篩黃土,按設計含水量加水拌勻后置于保濕缸中,放48 h,使土樣水分分散均勻。

2.2 重塑土樣的制備

重塑土樣分為4組,即天然含水量散土直接擊實樣和10%,15%,20%三個含水量過篩黃土擊實樣。重塑土樣制備過程如下:1)稱取900 g土,一次性加入擊實儀,在設計的擊實數(shù)下?lián)魧?2)待擊實結(jié)束后取出擊實桶置于脫土儀上,將土柱脫出;3)用稱過重量的30 cm2×4 cm的環(huán)刀取出土樣;4)取一部分散土測量重塑土樣的實際含水量。

3 滲透系數(shù)試驗方法

3.1 試驗裝置

試驗裝置為組裝裝置,裝置組成圖見圖1,滲透容器為南55滲透容器。

3.2 試驗方法

通過調(diào)壓閥增加壓力到設計的壓力,啟動秒表記時的同時,在出水口處放置一量筒,同時記錄起始水頭壓力P1,經(jīng)過時間t后,讀取滲出水量Q。當相同時間段內(nèi)連續(xù)3次滲出水量相同時終止試驗。同時記錄試驗開始與終止時的水溫,取平均值。

計算公式:

其中,kT為水溫為T℃時試樣的滲透系數(shù),cm/s;Q為時間t內(nèi)的滲出水量,cm3;L為滲徑,即試樣高度,cm;A為試樣的面積,cm2;P1為常壓水頭,kPa;t為時間,s。

變水頭試驗和常水頭試驗結(jié)束后均按式(2)換算成標準溫度下的滲透系數(shù):

4 試驗結(jié)果

通過試驗,我們獲得不同含水量重塑土樣在不同滲透壓力下的滲透系數(shù),得到了滲透系數(shù)與滲透壓力的關系圖(見圖2)。

從圖2中可以看出重塑土樣的滲透系數(shù)在 10-6cm/s～10-7cm/s間變化,結(jié)合圖2,土樣滲透系數(shù)總體上隨土樣干密度的增大而減小,但最大干密度土樣的滲透系數(shù)并非最小,滲透系數(shù)最小的干密度為1.60 g/cm3左右。

對比三個不同含水量黃土不同擊實數(shù)下滲透系數(shù)與滲透壓力關系圖可以發(fā)現(xiàn)三種不同的滲透系數(shù)變化趨勢:1)11.4%含水量重塑樣在潛蝕貫通過程中的滲透系數(shù)的變化趨勢是隨著滲透壓力的增加而增加,而且在同一滲透壓力下,滲透系數(shù)隨時間不斷增大,這是因為重塑土的含水量較小,擊實后重塑樣的干密度較小,土體孔隙率大,在擊實過程中,骨架顆粒間的粘結(jié)力較弱,在滲流作用下,土體顆粒不斷被帶出,最終導致土體滲透性增強[3],滲透系數(shù)變大。從整體上看,滲透系數(shù)隨擊實數(shù)的增加而減小,這是因為隨著擊實數(shù)的增加,重塑樣的干密度增加,土樣的孔隙度變小,導致土體的滲透系數(shù)較低。2)15.4%含水量重塑土樣除10擊的土樣外,其余土樣的滲透系數(shù)隨滲透壓力的增加變化不大,在同一滲透壓力下,滲透系數(shù)基本保持為一個穩(wěn)定值。形成這種現(xiàn)象的原因可能在于重塑土樣結(jié)構性較好,在滲流作用過程中,土體的結(jié)構基本保持完好。總體上看,滲透系數(shù)隨擊實數(shù)的變化與11.4%含水量土樣相同。原因也是因為隨著擊實數(shù)的增加,土樣的孔隙度降低,導致滲透系數(shù)變小。3)20.8%含水量天然散土重塑樣滲透系數(shù)的變化趨勢也是隨滲透壓力的增加呈不斷下降趨勢,但在剛增加滲透壓力時,滲透數(shù)卻較前一個滲透壓力下的滲透系數(shù)有所增加,然而隨著時間的增加,滲透數(shù)又不斷降低,且比前一個滲透壓力下的滲透系數(shù)變小。但在擊實數(shù)為10擊的情況下,滲透系數(shù)隨滲透壓力的增加變化不大。同一擊實數(shù)土樣的滲透系數(shù)隨滲透壓力的增大而變小是因為土體骨架顆粒間的粘結(jié)強度較大,在滲流過程中,滲流不能將土顆粒帶出土體,而隨著滲透壓力的增大,土體產(chǎn)生滲透固結(jié),骨架顆粒間產(chǎn)生一定的位移,導致孔隙率降低,滲透系數(shù)減小[4]。

5 結(jié)語

1)試驗重塑土樣的滲透系數(shù)的變化范圍在 10-6cm/s～10-7cm/s間;2)土樣滲透系數(shù)總體上隨土樣干密度的增大而減小,但最大干密度土的滲透系數(shù)并非最小,滲透系數(shù)最小的干密度為1.60 g/cm3左右;3)不同含水量不同干密度的重塑土樣在不同滲透壓力下的滲透系數(shù)變化較大,但是當含水量為15.4%及干密度為1.60 g/cm3左右時,滲透系數(shù)隨滲透壓力的變化較小。這說明當重塑黃土含水量達到一定值且干密度為某一值時,重塑黃土的結(jié)構特性將比較穩(wěn)定,滲透壓力對滲透系數(shù)的影響較小,這對黃土地區(qū)的工程建設將有一定的參考意義。

[1]鄭晏武.中國黃土的濕陷性[M].北京:地質(zhì)出版社,1982.

[2]王 輝,岳祖潤,葉朝良.原狀黃土及重塑黃土滲透特性的試驗研究[J].石家莊鐵道學院(自然科學版),2009(6):45-47.

[3]蔣定生.黃土高原水土流失與治理模式[M].北京:中國水利水電出版社,1997.

[4]Imamura S,Sueoka T,Kamon M.Long term stability of bentonite/sand mixtures at L.L.R.W.storage[A].In:Kamon M ed,Environmental Geotechnics[C].Rotterdam:A.A.Balkema,2000:545-550.