重塑馬蘭黃土滲透性試驗(yàn)研究*

洪　勃　李喜安②　陳廣東　駱建文　李林翠

重塑馬蘭黃土滲透性試驗(yàn)研究*

洪勃①李喜安①②陳廣東③駱建文④李林翠①

( ①長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)與測(cè)繪工程學(xué)院西安710054)

( ②國(guó)土資源部巖土工程開(kāi)放研究實(shí)驗(yàn)室西安710054)

( ③河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院鄭州450016)

( ④西安長(zhǎng)慶科技工程有限責(zé)任公司西安710021)

摘要為了研究干密度和初始含水率對(duì)重塑黃土滲透性的影響，對(duì)延安新區(qū)I期工程所取的重塑馬蘭黃土進(jìn)行了飽和滲透試驗(yàn)。結(jié)果表明：在非飽和狀態(tài)，干密度對(duì)飽和時(shí)間的影響最為顯著，飽和時(shí)間隨干密度的增大而增大，而初始含水率對(duì)飽和時(shí)間的影響不明顯。重塑馬蘭黃土的滲透系數(shù)隨著干密度的增大而減小，其關(guān)系可以擬合為冪函數(shù)關(guān)系。在一定干密度范圍內(nèi)，滲透系數(shù)隨初始含水率的增大而減小，其關(guān)系可以用直線關(guān)系擬合。滲透系數(shù)與孔隙比之間可以用冪函數(shù)關(guān)系擬合，滲透系數(shù)隨孔隙比的減小而減小。初始含水率、干密度以及孔隙比都是影響重塑黃土滲透性的重要因素，其主要是通過(guò)對(duì)試樣微結(jié)構(gòu)的影響而影響滲透系數(shù)。該研究對(duì)延安新區(qū)的工程建設(shè)具有一定的理論指導(dǎo)和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞馬蘭黃土滲透系數(shù)干密度含水率試驗(yàn)

李喜安(1968-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事黃土地質(zhì)災(zāi)害方面的教學(xué)與科研工作.Email:dclixa@chd.edu.cn

(②OpenResearchLaboratoryofGeotechnicalEngineering，MinistryofLandandResources，Xi′an710054)

(③HenanInstituteofGeologicalEnvironmentMonitoring，Zhengzhou450016)

(④CompanylimitedofChang-qingScienceandTechnology，Xi′an710021)

Malanloess,Permeabilitycoefficient,Drydensity,Moisturecontent,Experiment

0引言

大多數(shù)地質(zhì)災(zāi)害及巖土工程中發(fā)生的事故都與土中水密切相關(guān)(李廣信等， 2004)。在濕陷性黃土地區(qū)地基處理、土石壩夯填及滲流破壞防治、黃土邊坡穩(wěn)定性防治、黃土滑坡及塌陷防治、黃土洞穴災(zāi)害防治等工程施工中，土體的破壞也常常是由土中水及其滲流引起的(李喜安等， 2004， 2005)。而黃土的濕陷性、水敏性、強(qiáng)可蝕性、崩解性等工程性質(zhì)都與水的滲流有著密切的聯(lián)系。因此，在濕陷性黃土地區(qū)工程實(shí)踐中，滲透性是一個(gè)極其重要的物理指標(biāo)，對(duì)滲透性的研究具有非常重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，只有充分地認(rèn)識(shí)其滲透性規(guī)律，才能科學(xué)的、合理的、經(jīng)濟(jì)的指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)。

正因?yàn)槿绱?，很多研究學(xué)者從壓實(shí)度(王麗琴等， 2003)、固結(jié)圍壓(李平， 2007)、干密度(王志杰等， 2007)、孔隙比(王輝等， 2009)、地區(qū)差異(郭鴻等， 2009)、干濕循環(huán)作用(劉宏泰等， 2010)、黃土節(jié)理(房江峰， 2010； 羅揚(yáng)， 2011)、吸力(梁燕等， 2012)以及滲流時(shí)間(Anetal.，2013)等因素對(duì)黃土的滲透性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并取得了一些可靠的研究成果。Haerietal.(2012)對(duì)伊朗Gorgan地區(qū)原狀和重塑黃土進(jìn)行了研究，結(jié)果表明初始含水率、初始干密度以及洪水壓力(inundationstress)對(duì)黃土濕陷潛能和滲透系數(shù)都有很大的影響。

延安新區(qū)綜合開(kāi)發(fā)工程地處黃土丘陵地區(qū)，主要是第四系黃土。其地形條件、工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件復(fù)雜，同時(shí)又具有高填方、超大土方量、用地功能多樣、建設(shè)環(huán)境復(fù)雜、相互影響因素多等特點(diǎn)(王衍匯等， 2014)。隨著延安“中疏外擴(kuò)，上山建城”城市發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，削山的大量黃土回填，需要長(zhǎng)時(shí)間緩慢沉降。由于黃土土質(zhì)松軟，被雨水沖刷，極易造成地基沉降、塌陷、山體滑坡等災(zāi)害，對(duì)新城未來(lái)的安全帶來(lái)重大安全隱患。近年來(lái)，陜北的雨水增多，濕陷性黃土地區(qū)的一些地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題均十分突顯，存在著許多與滲透性相關(guān)的工程地質(zhì)問(wèn)題。

然而，對(duì)于延安新區(qū)大填方工程，黃土滲透性方面的研究成果卻相對(duì)匱乏。同時(shí)，人類的工程活動(dòng)誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害并惡化地質(zhì)環(huán)境，地質(zhì)環(huán)境惡化又可加重地質(zhì)災(zāi)害，從而形成龍建輝等(2014)提出的“3F”問(wèn)題鏈。因此，如何準(zhǔn)確分析滲透性在地基處理、邊坡穩(wěn)定以及滑坡、塌陷等工程中的特征，已成為該地區(qū)工程建設(shè)迫切需要解決的技術(shù)問(wèn)題。本文通過(guò)對(duì)延安新區(qū)重塑黃土在不同條件下的飽和滲透試驗(yàn)，研究了干密度對(duì)重塑黃土滲透系數(shù)的影響規(guī)律； 初始含水率對(duì)重塑黃土滲透系數(shù)的影響規(guī)律。其相關(guān)認(rèn)識(shí)對(duì)于延安新區(qū)的工程建設(shè)具有一定的理論指導(dǎo)和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1研究方法及試驗(yàn)內(nèi)容

1.1試驗(yàn)用土的基本性質(zhì)

試驗(yàn)所用黃土為Q3馬蘭黃土，取自延安新區(qū)Ⅰ期工程挖山填溝挖方工程新鮮剖面，自地表以下2m、4m、6m、8m、10m深度處人工切取土樣。試驗(yàn)前先將所取黃土按填方工程實(shí)際取土比例混合、風(fēng)干、碾碎后過(guò)2mm篩，經(jīng)輕型擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)得土樣最優(yōu)含水率為16.4%，最大干密度為1.79g·cm-3。使用激光粒度分析儀測(cè)得土樣的顆粒大小分布累積曲線 (圖1)，土樣主要物理力學(xué)指標(biāo)(表1)。

圖1　土樣的顆粒大小分布累積曲線Fig. 1　Particle size distribution of the soil cumulative curve

表1　土樣基本物理參數(shù)

1.2試驗(yàn)方案及方法

根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)所得的最大干密度和最優(yōu)含水率設(shè)計(jì)試驗(yàn)工況，分別設(shè)計(jì)5組含水率為14.4%、15.4%、16.4%、17.4%、18.4%； 5組干密度分別為1.4g·cm-3、1.5g·cm-3、1.6g·cm-3、1.7g·cm-3、1.79g·cm-3。

將過(guò)篩土樣根據(jù)設(shè)計(jì)含水率調(diào)配后靜置于密封容器內(nèi)24h，再按設(shè)計(jì)干密度稱取對(duì)應(yīng)質(zhì)量的土樣，用分層擊實(shí)法將其擊入滲透環(huán)刀內(nèi)，制成截面積30cm2，高度4cm的試樣，置于保濕皿中備用。由于理論上最大干密度只能在最優(yōu)含水率時(shí)達(dá)到，因此本次試驗(yàn)采用5種含水率下?lián)魧?shí)達(dá)到的干密度最大值，依次為1.74g·cm-3、1.75g·cm-3、1.79g·cm-3、1.77g·cm-3、1.76g·cm-3作為最大干密度和接近最大干密度時(shí)的干密度值進(jìn)行相關(guān)分析。制樣過(guò)程中跟蹤測(cè)定其實(shí)際含水率，采用實(shí)測(cè)含水率值進(jìn)行相關(guān)結(jié)果分析。

目前，在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)定滲透系數(shù)k20的儀器種類和試驗(yàn)方法很多，但主要有常水頭法和變水頭法兩種(王輝等， 2009)。相對(duì)來(lái)說(shuō)，變水頭試驗(yàn)過(guò)程中水頭差一直隨時(shí)間變化，可以比較準(zhǔn)確地測(cè)定出低滲材料的滲透系數(shù)，考慮到黃土滲透系數(shù)一般都在10-4cm·s-1以下，因此本試驗(yàn)采用變水頭法，選用TST-55型滲透儀進(jìn)行試驗(yàn)。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1土樣飽和過(guò)程

在飽和滲透試驗(yàn)滲流穩(wěn)定之前，土體一直處于非飽和狀態(tài)，而非飽和土是多相混合體。在實(shí)踐中許多情況下與滲透相關(guān)的各類現(xiàn)象都要經(jīng)歷由非飽和到飽和的這一過(guò)程，因此有必要在此進(jìn)行探討。

試驗(yàn)時(shí)，記錄滲流由試樣底部浸入開(kāi)始至由滲透儀頂部出水口溢出水的時(shí)間，即為試樣飽和時(shí)間。同一初始含水率條件下，控制干密度為1.4g·cm-3時(shí)，飽和時(shí)間僅需4min； 控制干密度為1.5g·cm-3時(shí)，飽和時(shí)間僅需9min； 控制干密度為1.6g·cm-3時(shí)，飽和時(shí)間僅需17min； 控制干密度為1.7g·cm-3時(shí)，飽和時(shí)間長(zhǎng)達(dá)23.3h； 控制干密度為1.79g·cm-3時(shí)，飽和時(shí)間長(zhǎng)達(dá)49h。

在同一含水率條件下，飽和時(shí)間隨干密度的增加而增大，且增速很快 (圖2)。這是由于在干密度較小情況下，由于土樣結(jié)構(gòu)疏松，孔隙較大且有效連通孔隙較多，根據(jù)最小阻力原理，滲流更易于使氣相排出，隨著土的基質(zhì)吸力的進(jìn)一步減小導(dǎo)致水占據(jù)的孔隙體積增大，即氣-水界面越來(lái)越遠(yuǎn)離土顆粒，使可供水流動(dòng)的空間增大，因而干密度越小其飽和時(shí)間越短。干密度接近最大干密度值時(shí)，分散體結(jié)構(gòu)緊密，形成相對(duì)均勻、細(xì)小的孔隙，導(dǎo)致水通過(guò)較小的孔隙流動(dòng)，從而使?jié)B流流程的迂曲度則相應(yīng)增加。換句話說(shuō)，即水驅(qū)氣的時(shí)間增長(zhǎng)，亦即試樣飽和時(shí)間增長(zhǎng)。

D.G弗雷德隆德等人認(rèn)為非飽和土，除固相、氣相和液相之外，土中水-氣分界面應(yīng)視為獨(dú)立的一相，稱為收縮膜。收縮膜具有一種特性，即表面張力。表面張力的產(chǎn)生是由于收縮膜內(nèi)的水分子受力不平衡，水體內(nèi)的水分子承受各向同值的力的作用。收縮膜內(nèi)的水分子有一指向水體內(nèi)部的不平衡力的作用，為了保持平衡，收縮膜內(nèi)必須產(chǎn)生表面張力(Fredlundetal.，1997)。但是在水頭壓力的作用下，此平衡被打破，水頭壓力推擠收縮膜驅(qū)使氣相排出，從而使土體含水率增加直至飽和狀態(tài)。

圖2　飽和時(shí)間與干密度的關(guān)系Fig. 2　Relationship between saturated time and dry density

在同一控制干密度條件下，試樣的飽和時(shí)間相差不大，說(shuō)明初始含水率對(duì)試樣飽和時(shí)間影響很小。也就是說(shuō)試樣飽和過(guò)程中，干密度是影響試樣飽和時(shí)間最主要的因素。在最大干密度時(shí)，飽和時(shí)間亦最長(zhǎng)。

2.2滲透系數(shù)k20與初始含水率W0關(guān)系

由圖3b、圖3c、圖3d可以看出，干密度一定時(shí)，滲透系數(shù)隨初始含水率的增大而減小，且呈數(shù)量級(jí)變化，可見(jiàn)初始含水率對(duì)滲透系數(shù)的影響很大。主要原因是膠結(jié)物因初始含水率不同，其賦存位置、賦存狀態(tài)可能不同。在黃土中膠結(jié)物主要是黏土礦物，而黏土礦物主要有高嶺石、伊利石、蒙脫石3種，部分高嶺石是形成孔隙結(jié)構(gòu)的骨架顆粒，而蒙脫石、伊利石主要以附著在顆粒表面和以膠結(jié)物的形式分布在骨架顆粒之間(張永雙等， 2005； 蔡瑋彬， 2014)。黃土骨架顆粒的排列方式及膠結(jié)物的作用形式?jīng)Q定黃土中孔隙的分布及有效連通孔隙的比例，這種微觀膠結(jié)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其具有獨(dú)特的水理性質(zhì)。同時(shí)，初始含水率也會(huì)影響試樣的擊實(shí)效果，從而影響其微觀結(jié)構(gòu)(楊晶等， 2012)。

圖3　不同干密度條件下的滲透系數(shù)與初始含水率隨時(shí)間變化關(guān)系Fig. 3　Relationship between permeability coefficient and initial water cut with time under different dry density

干密度為ρd=1.4g·cm-3時(shí) (圖3a)，滲透系數(shù)隨初始含水率的變化異常，即滲透系數(shù)隨時(shí)間增長(zhǎng)而增大，最終趨于穩(wěn)定，達(dá)到穩(wěn)滲狀態(tài)所需要的時(shí)間最短，且穩(wěn)滲系數(shù)基本上趨于同一數(shù)量級(jí)。分析認(rèn)為在此干密度條件下，重塑土樣結(jié)構(gòu)較為疏松，形成連通性相對(duì)較好的有效滲流通道，孔隙在滲流力的作用下，微細(xì)顆粒被沖蝕、少量搬運(yùn)以及少量可溶鹽溶解，使得微細(xì)孔隙貫通，最后滲透系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定。滲透系數(shù)在5×10-5～9×10-5cm·s-1之間，初始滲透系數(shù)約為平穩(wěn)滲透系數(shù)的1～2倍 (圖4a)，滲透系數(shù)與初始含水率的關(guān)系基本呈一條水平直線，即在此控制干密度情況下，初始含水率對(duì)滲透系數(shù)的影響不大。由于擊實(shí)功的影響，且控制于密度較小(遠(yuǎn)小于最大干密度)，使得重塑結(jié)構(gòu)疏松，膠結(jié)物的黏性尚不能充分發(fā)揮，不能建立起有效的黏連效果，因此相對(duì)來(lái)說(shuō)孔隙連通性較好，這樣的孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)滲透系數(shù)的貢獻(xiàn)相對(duì)較大，從而掩蓋了初始含水率對(duì)滲透系數(shù)的影響。

圖4　滲透系數(shù)與初始含水率擬合關(guān)系Fig. 4　Fitting relationship between permeability coefficient and initial moisture content

圖5　滲透系數(shù)與干密度擬合關(guān)系Fig. 5　Fitting relationship between permeability coefficient and dry density

當(dāng)控制干密度在最大干密度值附近 (圖3e)，初始含水率小于最優(yōu)含水率時(shí)，滲透系數(shù)在1×10-7cm·s-1左右； 當(dāng)初始含水率大于最優(yōu)含水率時(shí)，滲透系數(shù)基本穩(wěn)定，在5×10-8cm·s-1左右，在最優(yōu)含水率前后滲透系數(shù)相差近50倍。由于工程上大多數(shù)情況下要求壓實(shí)干密度要達(dá)到最大干密度，所以最大干密度附近的初始含水率有必要進(jìn)行探討。為此我們?cè)谠囼?yàn)過(guò)程中跟蹤測(cè)定了最大干密度值附近試樣的實(shí)際干密度和含水率值進(jìn)行了相關(guān)分析。在最優(yōu)含水率時(shí)，滲透系數(shù)最低，可見(jiàn)最優(yōu)含水率時(shí)，土的含水率最有利于土粒在擊實(shí)時(shí)更趨于緊密排列，膠結(jié)物的黏性得以充分發(fā)揮，松軟且易黏連，有較好的止水效果，因此容易堵塞孔隙，從而降低滲透系數(shù)。此時(shí)形成的結(jié)構(gòu)最為致密，滲透性最差 (圖4e)。

在圖4b、圖4c、圖4d中可以看出，當(dāng)干密度在1.5～1.7g·cm-3范圍內(nèi)時(shí)，滲透系數(shù)與初始含水率線性相關(guān)(k20=a+bW0)，即滲透系數(shù)隨初始含水率的增大而線性減小。該結(jié)果表明不同含水率條件下?lián)魧?shí)到同一干密度的土樣其結(jié)構(gòu)性有所不同。另外，在一定含水率范圍內(nèi)，隨著土的初始含水率的增大，土粒散體間結(jié)合水膜變厚，粒間引力減弱，土粒便于移動(dòng)，加之水膜的潤(rùn)滑作用，使得土粒能夠更好的嵌合，從而形成更加細(xì)密、分布均勻的細(xì)小孔隙。同時(shí)，黏土礦物的黏性隨含水率的增加也得以充分發(fā)揮，吸水膨脹后越來(lái)越多地填充到于試樣內(nèi)部的孔隙中，或使得孔隙喉道堵塞而導(dǎo)致孔隙連通性降低，滲透系數(shù)下降。

2.3滲透系數(shù)k20與干密度ρd關(guān)系

從圖5 可以看出，在初始含水率相同的情況下，重塑黃土滲透系數(shù)隨干密度增加而顯著減小。在干密度較小情況下，測(cè)得的滲透系數(shù)均在10-5cm·s-1量級(jí)，而在最大干密度時(shí)，滲透系數(shù)均在10-6～10-8cm·s-1量級(jí)之間。因此，在濕陷性黃土地區(qū)地基處理、路基填筑、黃土陷穴防治、土石壩夯填等工程設(shè)計(jì)中，可充分利用滲透系數(shù)隨著干密度的增加而顯著減小這一規(guī)律，盡量控制在最優(yōu)含水率下壓實(shí)，以便獲得最大干密度，從而達(dá)到防滲的目的。

當(dāng)重塑土干密度小于最大干密度，而初始含水率較小時(shí)，滲透系數(shù)總是隨干密度的增加而減小，且增速很快。當(dāng)達(dá)到最大干密度之后，滲透系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定。這是由于粒間引力使得土體保持相對(duì)疏松的顆粒結(jié)構(gòu)，土體中孔隙的連通性較好，一定壓力水頭下滲流優(yōu)先驅(qū)除大、中孔隙中的氣體而最先開(kāi)始滲流，初始滲透系數(shù)也相對(duì)較大。在之后的滲流過(guò)程中，由于滲流力的沖蝕、搬運(yùn)及易溶鹽的溶解，使得架空空隙、支架空隙的變形或微細(xì)顆粒移動(dòng)堵塞滲流有效孔隙的喉道，或影響有效孔徑的連通孔隙，導(dǎo)致總體有效孔徑減小以至相對(duì)穩(wěn)定。滲透系數(shù)整體表現(xiàn)為先降低，最終趨于穩(wěn)定 (圖5)。

表2　滲透系數(shù)與干密度擬合關(guān)系

隨初始含水率的增大，冪函數(shù)曲線的傾斜度越小。當(dāng)初始含水率達(dá)到最優(yōu)含水率之后，滲透系數(shù)隨干密度的變化很小，基本趨于穩(wěn)定。

2.4滲透系數(shù)與孔隙比關(guān)系

由此可見(jiàn)，隨著孔隙比增大(即孔隙所占的體積增大)，有效連通孔隙所占的比例相應(yīng)也增加，因此更有利于滲流通過(guò)，從而說(shuō)明孔隙比也是影響滲透性的重要因素(Chapuis，2002)。

圖6　滲透系數(shù)與孔隙比擬合曲線關(guān)系Fig. 6　Fitting relationship between permeability coefficient and void ratio

3結(jié)論

通過(guò)對(duì)延安新區(qū)Ⅰ期工程重塑黃土不同初始含水率和不同干密度滲透試驗(yàn)的對(duì)比分析，得到以下結(jié)論：

(1)在非飽和狀態(tài)，飽和時(shí)間隨干密度的增大而增大，而隨初始含水率的變化不明顯，說(shuō)明干密度是影響試樣飽和的重要因素。

(4)一定干密度范圍內(nèi)，滲透系數(shù)隨初始含水率的增大呈減小的趨勢(shì)，可以擬合為k20=a+bW0的直線關(guān)系。

(5)重塑黃土的初始含水率與干密度對(duì)試樣微結(jié)構(gòu)影響很大，黃土顆粒重新排列形成凝聚結(jié)構(gòu)，在擊實(shí)后土體形成更加細(xì)密、分布均勻但連通性差的微小孔隙。工程實(shí)踐中嚴(yán)格控制最優(yōu)含水率以獲得最大干密度，是提高填方地基壓實(shí)質(zhì)量的關(guān)鍵。

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EXPERIMENTALSTUDYOFPERMEABILITYOFREMOLDEDMALANLOESS

HONG Bo①LI Xi'an①②CHEN Guangdong③LUO Jianwen④LI Lincui①

Abstract(①School of Geological Engineering and Geomatics， Chang′an University，Xi′an710054)

Key wordsThis paper examines the influence of dry density and initial moisture content to the remolded loess permeability. It carries out the permeability test of Malan remolded loess in I phase project of Yan’an New District. The results show that under non-saturation conditions, the time that samples take to get saturated getting longer with the increase of dry density. So the dry density influence on penetration time is most significant, but the initial moisture content is not obvious. Remolded Malan loess permeability coefficient decreases with the increase of initial water content and dry density and gradually tends to stabilize. The relationship between them can be fitted to a power function. Within a certain scope around dry density, the permeability coefficient decreases with the initial water content. Their relation curve can be coupled to a linear equation. The permeability coefficient reduces with the decrease of the void ratio. Moreover, there has a power function relationship between them. The initial moisture content, dry density and void ratio are important factors affecting the permeability of remodeling loess, which has a great influence on the micro-structure of the sample, and leads to the influences to its permeability. This study has many theoretical guidance and practical application value for the engineering construction of Yan’an New District．

DOI:10.13544/j.cnki.jeg.2016.02.014

* 收稿日期：2015-07-24; 收到修改稿日期： 2015-11-05.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.41172255， 41572264， 41440044)，中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(2014G2260008)，西安長(zhǎng)慶科技工程有限責(zé)任公司資助項(xiàng)目(CTEC(2014)Z-KY-013)資助.

第一作者簡(jiǎn)介：洪勃(1987-)，男，碩士生，主要研究方向黃土工程地質(zhì)及地質(zhì)災(zāi)害防治. Email: hongbo611x@163.com

中圖分類號(hào)：P642.13+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A