不同密實(shí)度下黏性土的滲透性分析

陳宗先，何　翔，熊云山，王　銳

(武漢輕工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430023)

?

不同密實(shí)度下黏性土的滲透性分析

陳宗先，何翔，熊云山，王銳

(武漢輕工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430023)

摘要：土體是具有復(fù)雜物理性能的材料，土體的微觀孔隙特征決定了土體宏觀的滲透性，從而決定了土體的物理性質(zhì)。對(duì)土體滲透性能與孔隙特征進(jìn)行分析，采用變水頭滲透試驗(yàn)。取武漢某工地的黏土來制備土體試樣，測(cè)量其物理指標(biāo)，進(jìn)行風(fēng)干過篩，采用靜壓試驗(yàn)制備重塑試樣，用于滲透試驗(yàn)。分析結(jié)果表明：隨著黏性土孔隙比e逐漸增大即土的干密度ρd逐漸減小，則滲透系數(shù)k也逐漸增大，并研究對(duì)比了滲透系數(shù)與孔隙比之間的多種經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：滲透系數(shù)；孔隙比；滲透試驗(yàn)；重塑試樣

1引言

土是一種松軟堆積物，內(nèi)部空間孔隙相互連通，土中水能透過土體發(fā)生滲流，土的滲透性是一個(gè)較復(fù)雜的研究課題，不少學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究，目前主要采用滲透試驗(yàn)和固結(jié)反演等方法確定土的滲透系數(shù)。對(duì)同一土樣，滲透系數(shù)與固結(jié)壓力或者孔隙比相關(guān)關(guān)系已有很多討論[1]?？紫侗仁潜碚魍馏w孔徑分布的宏觀指標(biāo)，是土體的應(yīng)力狀態(tài)、屈服狀態(tài)、擾動(dòng)狀態(tài)等的最終反映，因此對(duì)滲透系數(shù)與孔隙比關(guān)系進(jìn)行探討并取得了相對(duì)統(tǒng)一的結(jié)論，分析有條件下飽和黏性土滲透特性的變化規(guī)律[2]。

為了研究黏性土的滲透性，進(jìn)一步明確滲透系數(shù)與孔隙比相關(guān)關(guān)系，筆者對(duì)黏性土進(jìn)行滲透試驗(yàn)。所進(jìn)行的變水頭滲透試驗(yàn)步驟為：(1)取自基坑底部的土體，測(cè)量土體物理性質(zhì)指標(biāo)并風(fēng)干過篩，試驗(yàn)前制備了黏性土的重塑試樣1組共5個(gè)。(2)將制備的重塑試樣進(jìn)行變水頭滲透試驗(yàn)，對(duì)其結(jié)果進(jìn)行滲透性數(shù)據(jù)分析，分析并探索滲透系數(shù)與其孔隙比的變化規(guī)律，研究試樣的滲透性。

2試驗(yàn)材料與方法

2.1試驗(yàn)材料

試樣取自武漢某工地深度為9 m基坑坑底處，將采集的土樣進(jìn)行風(fēng)干，過2 mm的篩子篩選，測(cè)量其物理性質(zhì)指標(biāo)和物理特性。測(cè)得的土體含水率為ω0，經(jīng)過計(jì)算稱量一定量的土體與蒸餾水，按《土工試驗(yàn)技術(shù)手冊(cè)》要求，制備含水率為15%的重塑土，將其密封靜置24 h，復(fù)測(cè)含水率，最后含水率確定為15.13%[3]。

將試樣制備成密度ρd分別為1.35 g/cm3,1.4 g/cm3,1.45 g/cm3,1.5 g/cm3,1.6 g/cm3五個(gè)等級(jí)，經(jīng)計(jì)算之后再稱取一定量的試樣，制成1組5個(gè)平行試樣,含水率確定為15.13%，用于滲透性試驗(yàn)。黏性土試樣物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1試樣土體的物理性質(zhì)指標(biāo)

埋深/m天然密度/(g/cm3)相對(duì)密度天然含水率/%液限/%塑限/%塑性指數(shù)92.032.7521.938.9520.4318.52

2.2試驗(yàn)方法

2.2.1試驗(yàn)原理

溫度效應(yīng)對(duì)黏性土的力學(xué)性能有一定影響，對(duì)于不同溫度下的滲透試驗(yàn)，在一定溫度范圍內(nèi)隨著溫度升高，土樣滲透性呈線性增長；溫度變化對(duì)黏性土液塑限和黏性土吸附結(jié)合水量都有影響[4]。因此，為了更好地進(jìn)行變水頭滲透試驗(yàn)，本試驗(yàn)的水溫應(yīng)控制在一定范圍之內(nèi)。本次滲透試驗(yàn)，試驗(yàn)水溫經(jīng)測(cè)定維持在7—9 ℃之間。

滲透系數(shù)k是反映土的滲透性強(qiáng)弱的指標(biāo)，是滲流計(jì)算的重要參數(shù)，試驗(yàn)采用變水頭法量測(cè)黏性土的滲透系數(shù)，水頭在試驗(yàn)過程中是動(dòng)態(tài)變化的[5]。運(yùn)用滲透儀進(jìn)行不同干密度下飽和黏性土的滲透分析，推出不同干密度下試樣土體的滲透系數(shù)。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1　試驗(yàn)裝置

由圖1可知，取細(xì)玻璃管的內(nèi)截面截面積為a，試驗(yàn)試樣的截面面積為A，試驗(yàn)過程中某一時(shí)刻t所對(duì)應(yīng)的水頭為h，時(shí)間間隔dt的水位差為dh，則在t至t+dt的時(shí)間，流經(jīng)細(xì)管土樣的水量dQ：

dQ=-adh.

(1)

式1中的負(fù)號(hào)代表滲流過程中水量隨水位h的變小而增大。

(2)

同一時(shí)間內(nèi)，經(jīng)過同一截面積的總水量相等：

(3)

式3兩邊積分，積分后可得到：

(4)

即可得到土的滲透系數(shù)

(5)

改為常對(duì)數(shù)表示，則可寫成：

(6)

已知a、L、A，量測(cè)特定時(shí)刻t1,t2對(duì)應(yīng)水位h1,h2即可求得滲透系數(shù)[6]。

制樣時(shí)進(jìn)行三次分層填土，使用液壓千斤頂，用靜壓試驗(yàn)法。取一定質(zhì)量試樣(含水率測(cè)得為15.13%)制備五組平行試樣，將制備的試樣抽真空飽和，抽氣持續(xù)4 h，放水中24 h，飽和度到95%后取出。

土的物理性質(zhì)指標(biāo)已知，則黏性土試樣孔隙比e：

(7)

換算式：

(8)

式中，土粒相對(duì)密度ds；ρ為土的天然密度，g/cm3；ρw為水的密度，g/cm3；ρd為土的干密度，g/cm3；e0為初始孔隙比。

(9)

而重塑試樣土體的干密度ρd分別為1.35 g/cm3，1.40 g/cm3，1.45 g/cm3，1.50 g/cm3，1.60 g/cm3，試樣土體的孔隙率n：

(10)

求得的5組試樣的孔隙比和孔隙率如表2所示。

表2土體試樣編號(hào)及其物理指標(biāo)

試樣編號(hào)干密度ρd/(g/cm3)孔隙比e孔隙率n/%11.351.037050.9121.400.964349.0931.450.896647.2741.500.833345.4551.600.718841.82

本試驗(yàn)使用的五組試樣，其變水管的截面積經(jīng)測(cè)量分別是： 0.526 cm2,0.491 cm2,0.497 cm2,0.503 cm2,0.517 cm2。

2.2.2實(shí)驗(yàn)操作步驟

(1)切取試樣。切取試樣應(yīng)盡量獲取原狀土。使黏土試樣的上下面整平擊實(shí)，在環(huán)刀內(nèi)壁涂一層凡士林，慢慢地垂直下壓 ，保持環(huán)刀和試樣緊密貼合。

應(yīng)用唑來膦酸后出現(xiàn)急性葡萄膜炎一般需要糖皮質(zhì)激素治療。本研究中1例患者首選給予眼部抗病毒及抗炎治療，眼部癥狀惡化[16]，提示抗病毒及抗炎治療通常無效。一般局部應(yīng)用類固醇激素能使大部分病例的眼部癥狀完全緩解。如局部應(yīng)用類固醇激素，患者眼部癥狀未明顯改善，或患者急性葡萄膜炎始發(fā)癥狀較嚴(yán)重，可口服或靜脈全身給予糖皮質(zhì)激素治療。另外，為解除睫狀肌痙攣，改善局部血循環(huán)，減少滲出物，防止虹膜后黏連，可聯(lián)合使用睫狀肌麻痹滴眼劑[31]。

(2)使試樣與刀刃相接的黏性土試樣直徑大于環(huán)刀的內(nèi)徑，將環(huán)刀放進(jìn)滲透容器前涂層凡士林在容器內(nèi)壁，裝止水墊圈以及將螺母旋緊，將裝有試樣容器的供、進(jìn)水的裝置連通。關(guān)閉止水夾，直到水從排氣孔流出，倒放容器，打開排氣管管夾，再打開止水夾與進(jìn)水夾，空氣會(huì)排出，直到?jīng)]有氣泡排除為止。

(3)往變水頭管中注水，等到了預(yù)期的高度后，把進(jìn)水管夾打開，起始時(shí)間t1和終止時(shí)間t2，所對(duì)應(yīng)的起始水頭h1和終止水頭h2,記錄出口的開始和終止水溫。

3試驗(yàn)結(jié)果與討論

根據(jù)上述試驗(yàn)基本原理、操作步驟，并結(jié)合本節(jié)將要介紹的計(jì)算公式和溫度校正系數(shù)，得到飽和黏性土的滲透系數(shù)k。

(1)T℃的滲透系數(shù)公式：

(11)

其中，a為測(cè)壓管截面積；L為試樣高度，即為滲徑；h1為開始水頭；h2為終止水頭。

(2)水溫20 ℃時(shí)的滲透系數(shù)：

(12)

其中，kT、k20分別為T℃、20 ℃水溫時(shí)的滲透系數(shù)(cm/s)；ηT、η20分別為T℃、20 ℃的動(dòng)力黏滯系數(shù)(10-6kPa·s)。

滲透系數(shù)k與水的重度γω及黏滯度η有關(guān)，不同水溫時(shí)，γω相差不多，η變化比較大。水溫越高，η越低，k與η呈線性關(guān)系。溫度T下測(cè)得的kT值應(yīng)加溫度修正，成為標(biāo)準(zhǔn)溫度下滲透系數(shù)值。

確定能使度量正確、測(cè)量儀器和校正儀器都具有正確指示的溫度。所以，水溫因素的影響不容忽視。在本試驗(yàn)中，特別需要注意的是水頭差應(yīng)大于10 cm。針對(duì)本次滲透試驗(yàn)，試驗(yàn)水溫經(jīng)測(cè)定維持在7—9 ℃之間。規(guī)范中規(guī)定采用10 ℃或20 ℃水溫的滲透系數(shù)為試驗(yàn)中標(biāo)準(zhǔn)滲透系數(shù)[7]。滲透試驗(yàn)中水的滲透力作用會(huì)使試樣的干密度產(chǎn)生變化，會(huì)致使最后的結(jié)果誤差變大。水的動(dòng)力黏滯系數(shù)η、黏滯系數(shù)比ηT/η20、溫度校正值Tp如表3所示。

表3水的動(dòng)力黏滯系數(shù)η、黏滯系數(shù)比ηT/η20、溫度校正值Tp

求得的5個(gè)黏性土試樣的滲透系數(shù)如表4所示。

由現(xiàn)有數(shù)據(jù)繪制孔隙比e以及黏土試樣干密度ρd分別與滲透系數(shù)k的關(guān)系圖，如圖2和圖3所示。

表4黏性土試樣的滲透系數(shù)

試樣編號(hào)溫度/℃kt的平均值/(cm/s)修正系數(shù)最終值/(cm/s)19.05.510×10-51.3447.350×10-529.02.740×10-51.3443.655×10-537.02.366×10-51.4143.346×10-547.51.730×10-51.3932.409×10-557.01.324×10-61.4141.872×10-6

圖2　試樣孔隙比e與滲透系數(shù)k的關(guān)系曲線

圖3　試樣干密度ρd與滲透系數(shù)k的關(guān)系曲線

從圖2可知滲透系數(shù)k隨著孔隙比e的增大而增大，主要分為3個(gè)區(qū)域:當(dāng)孔隙比e為0.718 8—0.833 3區(qū)域的試樣，起初孔隙孔徑較小，但其孔隙率慢慢變大，孔隙孔徑也逐漸增大；當(dāng)孔隙比e為0.833 3—0.964 3時(shí)，土體孔隙比進(jìn)一步增大，但是滲透系數(shù)增加不多；當(dāng)孔隙比為0.964 3—1.037 0區(qū)域的試樣，土體密實(shí)度最小，孔隙孔徑最大，水在滲透過程中受到的顆粒間阻力是最小的，所以滲透系數(shù)是最大的。

從圖3可知，滲透系數(shù)k隨著黏土試樣干密度ρd的增大而減小，主要分為3個(gè)區(qū)域:當(dāng)干密度在1.35—1.40時(shí)，干密度逐漸增加，土體孔隙孔徑由最大逐漸減小，同樣滲透系數(shù)也是逐漸減小；當(dāng)干密度在1.40—1.50時(shí)，干密度逐漸增加，但滲透系數(shù)變化不大；當(dāng)干密度在1.50—1.60時(shí)，干密度增加到最大，土體孔隙孔徑是最小的，滲透系數(shù)是最小的。

對(duì)重塑黏性土試樣進(jìn)行變水頭滲透試驗(yàn)，進(jìn)行黏土試樣的滲透系數(shù)k與孔隙比e和土體干密度ρd的關(guān)系分析[8]。曾玲玲，洪振舜在對(duì)重塑黏性土的壓縮過程中，對(duì)滲透系數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)隨著重塑黏性土干密度ρd的增大和孔隙比e的減小，滲透系數(shù)k呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)減小，可以通過e—lgk、lge—lgk以及l(fā)g(1+e)—lgk的單對(duì)數(shù)或雙對(duì)數(shù)形式，特別研究滲透系數(shù)與孔隙比的關(guān)系，提出考慮不同重塑土基本物理指標(biāo)的影響表達(dá)式，從而建立簡單實(shí)用的關(guān)于滲透系數(shù)與孔隙比關(guān)系的預(yù)測(cè)公式[9]。研究本次變水頭滲透試驗(yàn)的關(guān)系，通過已知e和k,得出對(duì)應(yīng)的lge、lg(1+e)、lgk值，對(duì)數(shù)形式如表5所示。

表5e—lgk、lge—lgk、lg(1+e)—lgk對(duì)數(shù)形式

編號(hào)孔隙率elgelg(1+e)lgk滲透系數(shù)/(10-5cm/s)11.03700.01580.3090-4.13377.35020.9643-0.01580.2932-4.43713.65530.8966-0.04740.2780-4.47553.34640.8333-0.07920.2632-4.61822.40950.7188-0.14340.2352-5.72771.872

根據(jù)表中數(shù)據(jù)得出試樣的e—lgk、lge—lgk以及l(fā)g(1+e)-lgk的單對(duì)數(shù)或雙對(duì)數(shù)關(guān)系曲線圖，如圖4—圖6所示。

圖4　不同干密度的試樣lgk—e的半對(duì)數(shù)關(guān)系圖

圖5　不同干密度的試樣lgk—lge的雙對(duì)數(shù)關(guān)系

由圖4可知，孔隙比e與lgk呈直線關(guān)系，其斜率為孔隙比e的函數(shù)，這一經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式位于數(shù)據(jù)點(diǎn)的中間，總體上具有很好的相關(guān)性，利用origin繪圖軟件對(duì)孔隙比e與lgk的坐標(biāo)關(guān)系曲線進(jìn)行擬合，擬合的曲線關(guān)系式：

y=-8.78671+4.61604x.

(13)

其線性相關(guān)系數(shù)R為0.920 65，y是對(duì)滲透系數(shù)k取的對(duì)數(shù)，即lgk，x是試樣土體的孔隙比e。

由圖5可知，lge與lgk呈直線關(guān)系，其斜率為孔隙比lge的函數(shù)，這一經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式位于數(shù)據(jù)點(diǎn)的中間，總體上具有很好的相關(guān)性，對(duì)lge與lgk的坐標(biāo)關(guān)系曲線進(jìn)行擬合，擬合的曲線關(guān)系式：

y=-4.17139+9.38975x.

(14)

其線性相關(guān)系數(shù)R為0.938 81，y是對(duì)滲透系數(shù)k取的對(duì)數(shù)，即lgk，x是對(duì)試樣土體的孔隙比e取的對(duì)數(shù)，即lge。不同干密度試樣lgk—lg(1+e)的雙對(duì)數(shù)關(guān)系如圖6所示。

圖6　不同干密度試樣lgk—lg(1+e)的雙對(duì)數(shù)關(guān)系圖

由圖6可知，lg(1+e)與lgk的呈直線關(guān)系，其斜率為孔隙比lg(1+e)的函數(shù)，這一經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式位于數(shù)據(jù)點(diǎn)的中間，總體上具有很好的相關(guān)性，對(duì)lg(1+e)與lgk的坐標(biāo)關(guān)系曲線進(jìn)行擬合，擬合的曲線關(guān)系式：

y=-10.21286+20.07259x.

(15)

其線性相關(guān)系數(shù)R為0.929 33，y是對(duì)滲透系數(shù)k取的對(duì)數(shù)，即lgk，x是對(duì)(1+e)取的對(duì)數(shù)，即lg(1+e)。

結(jié)果表明，幾種關(guān)系式反映了滲透系數(shù)與孔隙比呈直線關(guān)系，以對(duì)數(shù)形式表示的lgk—lg(1+e)和lgk—lge的雙對(duì)數(shù)形式得到的相關(guān)性系數(shù)，要高于半對(duì)數(shù)形式lgk—e所得到的相關(guān)性系數(shù)。并且線性相關(guān)性的大小順序?yàn)閘gk—lge>lgk—lg(1+e)>lgk—e。關(guān)系曲線位于數(shù)據(jù)點(diǎn)的中間，總體上具有很好的相關(guān)性，說明lgk—lge所得到的擬合曲線關(guān)系(14)對(duì)試樣的滲透系數(shù)與孔隙比關(guān)系的描述最好。

4結(jié)束語

筆者采用變水頭法試驗(yàn)對(duì)黏性土試樣進(jìn)行滲透系數(shù)的測(cè)量。由曲線知：隨著黏性土孔隙比e逐漸增大即土的干密度ρd逐漸減小，則滲透系數(shù)k也逐漸增大。得出滲透系數(shù)k與孔隙比e的3種關(guān)于lgk—lge、lgk—lg(1+e)、lgk—e半對(duì)數(shù)或雙對(duì)數(shù)關(guān)系曲線圖以及對(duì)應(yīng)的關(guān)系式，滲透系數(shù)與孔隙比呈直線關(guān)系，通過對(duì)比分析知道lgk—lge的線性相關(guān)性最顯著。本試驗(yàn)只研究了土體孔隙比與其滲透系數(shù)之間的關(guān)系，但孔隙比并不能完全反映土體孔隙結(jié)構(gòu)的情況，所以試驗(yàn)研究中還要考慮土體其它參數(shù)，如液限、土體的含水比等對(duì)其滲透系數(shù)的影響。本文中許多關(guān)系曲線在擬合時(shí)為了研究與運(yùn)算的方便，筆者只是做了簡單的線性擬合，并沒有考慮比較復(fù)雜的折線與非線性擬合[10]。

參考文獻(xiàn)：

[1]張力霆,齊清蘭,魏靜,等.淤填黏土固結(jié)過程中孔隙比的變化規(guī)律[J].巖土力學(xué), 2009, 30(10).

[2]李廣信.對(duì)與基坑工程有關(guān)的一些規(guī)范的討論(3)[J].工程勘察, 2013(11):1-4.

[3]土工試驗(yàn)技術(shù)手冊(cè)[M].北京:人民交通出版社, 2003.

[4]唐朝生,施斌,劉春,等.黏性土在不同溫度下干縮裂縫的發(fā)展規(guī)律及形態(tài)學(xué)定量分析[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2007, 29(5): 743-749.

[5]符二東.變水頭法測(cè)定滲透系數(shù)試驗(yàn)方法分析及探討[J].山西建筑,2014,40(2): 68-69.

[6]劉松玉.土力學(xué)[M]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2005.

[7]李聰,吳建林,陳瓏.納米蒙脫土對(duì)軟黏土性能影響的試驗(yàn)[J].武漢輕工大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 33(2): 72-76.

[8]包孟碟,何翔.基于砂巖 CT 圖像的滲透系數(shù)數(shù)值模擬研究[J]. 江西建材, 2015 (13): 1-2.

[9]曾玲玲,洪振舜,陳福全.壓縮過程中重塑黏土滲透系數(shù)的變化規(guī)律[J].巖土力學(xué),2012,33(5):1286-1292.

[10]黃發(fā)興,陸海軍,陳威,等.飽和—非飽和填埋場(chǎng)襯墊系統(tǒng)中水滲流規(guī)律的數(shù)值模擬[J]. 武漢工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào), 2013, 32(4): 69-73.

Cohesive soils’s permeability analysis under different compactness

CHENZong-xian,HEXiang,XIONGYun-shan,WANGRui

(School of Civil Engineering and Architecture , Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023, China)

Abstract：Soil mass is a material with complex physical properties,and the microscopic pore characteristics of the soil determine the permeability of the soil. So the physical properties of soil are determined. The permeability and porosity of soil are analyzed in this paper, using variable head permeability test. Main research task: the soil sample was prepared from a Wuhan site, to measure its physical index, for dry sieving,and to prepar remodeling sample by static pressure test, for penetration testing. Analysis results show that: With the increasing of the clay pore ratio e and dry density of soil gradually decreasing, the permeability coefficientkincreases gradually.And the various experience relationship between permeability coefficient and void ratio are compared.

Key words：permeability coefficient; void ratio; penetration test; remodeling sample

收稿日期：2015-12-02.修回日期：2015-12-24.

作者簡介：陳宗先(1990-)，男，碩士研究生，E-mail: 1007447368@qq.com. 通信作者：何翔(1974-)，男，副教授，E-mail: hexiangchn@163.com.

文章編號(hào)：2095-7386(2016)02-0067-05

DOI:10.3969/j.issn.2095-7386.2016.02.012

中圖分類號(hào)：TU 411

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A