粉砂土路基滲透系數(shù)的試驗(yàn)研究

宇德忠，楊洪生，于立澤

(黑龍江省交通科學(xué)研究所)

1 粉砂土的性質(zhì)

粉砂土的礦物組成主要以石英為主并含有少量長(zhǎng)石、云母以及其他礦物，其顆粒粒徑介于粉土和細(xì)砂之間。根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》JTG E40-2007中的土體分類，粉砂土是指土粒徑大于0.1 mm的顆粒含量不超過(guò)總質(zhì)量的75%的砂土。在齊泰公路選擇具有代表性的A、B兩種試驗(yàn)土樣，每種土樣的顆粒分析及物理力學(xué)性能指標(biāo)見表1和表2。

2 滲透試驗(yàn)

室內(nèi)滲透試驗(yàn)是指土體滲透系數(shù)K值的實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，室內(nèi)滲透試驗(yàn)分為常水頭滲透試驗(yàn)和變水頭滲透試驗(yàn)。在國(guó)內(nèi)外這兩種常規(guī)試驗(yàn)方法都有較為普遍的應(yīng)用，但不同的滲透裝置在測(cè)量形式和測(cè)量精度上都是不同的，通常認(rèn)為顆粒較大的砂類土等材料宜采用常水頭滲透試驗(yàn);粘質(zhì)土、細(xì)粒土等顆粒較小的土工材料宜采用變水頭滲透試驗(yàn)。粉砂土的顆粒相對(duì)較細(xì)，因此根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)本試驗(yàn)最終采用的試驗(yàn)方法為變水頭滲透試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置采用TST-55型變水頭滲透儀。

表1 土樣的顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果

土樣編號(hào) 天然含水率/%天然密度/(g/cm-3)天然孔隙比n比重GS最大干密度/(g/cm-3)最佳含水率/%

本試驗(yàn)先用電動(dòng)擊實(shí)儀制件，在最佳含量率條件下制備了三種不同壓實(shí)度的試件，不同壓實(shí)度試件所采用的每層土樣擊實(shí)變數(shù)分別為30次、50次和98次，所對(duì)應(yīng)的壓實(shí)度分別為93%、96%和100%。制好件后再用環(huán)刀取土，不同土樣每種壓實(shí)度做3個(gè)平行試件，以此來(lái)對(duì)比分析最佳含水率不同壓實(shí)度條件下的粉砂土滲透系數(shù)的變化規(guī)律。

試驗(yàn)所采用的土樣不能烘干是因?yàn)檫^(guò)高溫度會(huì)破壞土體中的有機(jī)質(zhì)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。試驗(yàn)前要將經(jīng)風(fēng)干土樣過(guò)0.5 cm的篩，取篩下土樣做試驗(yàn);同時(shí)還要測(cè)定風(fēng)干土樣的含水率，確定試驗(yàn)用土的質(zhì)量。根據(jù)計(jì)算結(jié)果稱取試驗(yàn)用土和水的質(zhì)量，將兩者經(jīng)均勻拌和后裝入塑料袋內(nèi)密封12 h使水分充分浸潤(rùn)。采用擊實(shí)儀制件時(shí)要將土分三層裝入擊實(shí)筒內(nèi)并且每層土體的裝入量應(yīng)為擊實(shí)后的試件高度等于或高于擊實(shí)筒高的1/3。每層土體經(jīng)擊實(shí)后要將表層“拉毛”后在將下層試驗(yàn)用土裝入擊實(shí)桶筒內(nèi)，重復(fù)上述方法將每層土體擊實(shí)，擊實(shí)完畢后在用修土刀將最上層土體削平。

在用環(huán)刀切取試樣時(shí)為了使試樣與環(huán)刀內(nèi)壁之間沒有縫隙要將環(huán)刀的內(nèi)側(cè)均勻地涂抹凡士林，在切取過(guò)程中要確保環(huán)刀刀口均勻下切。切好后在用鋼絲鋸在試樣的上下兩個(gè)層面要從中間向兩邊刮平，同時(shí)要避免用刮土刀在試樣表

式中：kt為水溫t℃時(shí)的試樣滲透系數(shù)，cm/s;a為變水頭管的斷面積，cm2;2.3為ln和log的變換因數(shù);L為滲徑，即試樣高度，cm;A為試樣的過(guò)水面積;t1，t2為測(cè)讀水頭的起始和終止時(shí)間，s;H1，H2為起始和終止水頭。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

滲透系數(shù)在一定程度上反映了壓密土體中水分滲透的強(qiáng)弱。由于粉砂土顆粒介于細(xì)砂土和粉土之間，其顆粒組成中粘性顆粒含量相對(duì)較少主要以砂粒和粉粒為主，因此親水礦物含量也較低，對(duì)土體的滲透系數(shù)也會(huì)產(chǎn)生影響，通過(guò)變水頭滲透試驗(yàn)可以有效地反映出路基土在不同壓實(shí)度條件下滲透系數(shù)的變化規(guī)律。各標(biāo)土樣的試驗(yàn)結(jié)果見表3所示。面反復(fù)刮抹，造成土孔隙堵塞而影響測(cè)試結(jié)果。最后將制好的試件放入抽氣缸內(nèi)使試樣充分飽和，經(jīng)過(guò)12 h的浸泡后再抽氣20～30 min，抽氣完畢后將試樣裝入變水頭滲透儀器內(nèi)，控制試驗(yàn)水頭在120 cm左右水柱高，當(dāng)滲透儀的滴水孔有水溢出時(shí)，說(shuō)明土樣已達(dá)到充分飽和，即可進(jìn)行變水頭滲透試驗(yàn)。

本次試驗(yàn)所用均為飽和土樣，因此計(jì)算土樣的變水頭滲透系數(shù)時(shí)，根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)所提供的變水頭滲透系數(shù)計(jì)算公式(T0130-4)進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)還要量出變水頭滲透儀出水口處的流水溫度，在整理試驗(yàn)結(jié)果時(shí)要對(duì)溫度進(jìn)行修正。具體計(jì)算公式如公式1所示

表3 土樣的滲透系數(shù) cm/s

由表3分析可知，壓實(shí)度越大土體的滲透系數(shù)越小，這主要是由于土體在欠密實(shí)的狀態(tài)下土顆粒間存在許多不均勻的孔隙，為水的滲透提供了通道，隨著擊實(shí)次數(shù)的增加，土顆粒間出現(xiàn)了相互嵌擠的現(xiàn)象，彼此間的相對(duì)位置有所改變，即較小顆粒填充了較大顆粒形成的間隙，同時(shí)經(jīng)壓實(shí)后土體中空氣的含量也在擊實(shí)過(guò)程中被壓縮了，自由水的滲透受阻，土體的滲透系數(shù)也隨之變小。

由表3還可以看出B土樣在壓實(shí)度相同的條件下滲透系數(shù)都要小于土樣A，這是由于自由水在土體中的滲透與土中的細(xì)粒含量有關(guān)。由表2土樣的顆粒分析結(jié)果可以看出B土樣的細(xì)粒含量要多于A土樣，由于粉土和粘土顆粒表面活性較大，因此細(xì)粒含量越多，土體的分散程度就越大，親水礦物的含量就越多，土顆粒表面結(jié)合水膜的厚度也就越厚，水膜持水量增加也進(jìn)一步堵塞了自由水的滲透，使土體的滲透系數(shù)變小。

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［1］劉紅軍，張秀華.工程地質(zhì)學(xué)［D］.東北林業(yè)大學(xué)，2004.

［2］徐學(xué)祖.國(guó)內(nèi)外對(duì)凍土中水分遷移課題的研究［J］.冰川凍土，1982，4(3)：97-104.