不同黏粒含量對黃土滲透系數(shù)影響的試驗研究

王 力, 李喜安,2, 何 軍, 洪 勃, 李林翠

(1.長安大學 地質與測繪工程學院, 陜西 西安 710054; 2.國土資源部 巖土工程開放研究實驗室, 陜西 西安 710054)

中國是世界上黃土面積分布最廣的國家之一，黃土分布面積約有6.40×104km2。黃土是一種特殊性土，它是干旱和半干旱地區(qū)的一種較松散的欠壓密土，具有粒狀架空的大孔隙結構[1]。黃土對水有特殊的敏感性，即在浸水的時候甚至于增濕的時候均會發(fā)生強度大幅度降低和變形大幅度突增的特性[2]。濕陷性是水敏性在變形方面的一種具體表現(xiàn)，黃土的濕陷現(xiàn)象正是因為水的滲透浸潤而引起的，因而濕陷的發(fā)展受黃土土體的滲透特性直接影響著。在濕陷性黃土地區(qū)的工程實踐中，滲透性是一個極其重要的指標，對滲透特性的試驗和研究對巖土工程和工程地質領域具有非常重要的理論意義和實際應用價值，只有充分地了解其滲透的規(guī)律性，才能科學的、經濟的、合理的指導工程設計。黃土的滲透性質主要受土顆粒的組成、土的孔隙比、土的結構和水的黏滯性等的影響[3]。作為黃土重要組成部分的黏粒，巨大的比表面積使其具有很大的吸附能力而影響土中的水流速度，同時，細小的黏粒對較大孔隙的鑲嵌填充也對土中的水流通道有阻擋作用，所以黏粒含量對土的滲透能力必然有較大影響。關于黃土滲透性國內外很多專家進行了較多研究，取得了豐碩的成果。許健等[4]研究了圍壓、初始含水率及凍融次數(shù)對原狀黃土滲透系數(shù)的影響。文杰等[5]和劉保健等[6]研究了黃土非飽和滲透系數(shù)與含水率、時間及空間關系。Leong[7]、王鐵行等[8,11]、王輝等[9]、趙彥旭等[10]、洪勃等[12]研究了干密度對黃土滲透系數(shù)的影響。Fredlund等[13]、Van Genuchten[14]、盧應發(fā)等[15]、李萍等[16]通過土—水特征曲線和經驗公式，間接預測了非飽和土滲透系數(shù)。高永寶等[17]利用水—氣運動聯(lián)合測試量測滲透系數(shù)。李永樂等[18]對直接測定非飽和土滲透性方面進行了研究。朱建華[19]、Chan等[20]、梁燕等[21]等研究了原狀黃土滲透性的各向異性及形成機制。Crawford[22]研究了孔隙的各向異性以及孔隙邊界的形狀等對黃土飽和與非飽和滲透系數(shù)的影響。肖東輝等[24]研究了凍融作用對黃土滲透性的影響。AN Peng[25]研究了滲流時間對黃土的滲透性的影響。Haeri等[26]研究了初始含水率、初始干密度以及洪水壓力對原狀和重塑黃土濕陷潛能和滲透系數(shù)的影響。然而，由于天然黃土級配的差異性較大，通過現(xiàn)場取樣難以獲得較為理想的在其他粒組含量相同條件下的不同黏粒含量序列，因此關于在其他粒組含量基本相同的條件下針對黏粒含量對黃土滲透性影響的相關研究工作尚少導致對黏粒含量對滲透系數(shù)的影響及其微觀機理尚難以把握?；诖耍疚耐ㄟ^自制負壓濕篩裝置篩取了其他粒組基本不變條件下的不同黏粒含量的黃土試樣，采用靜壓法將不同黏粒含量的擾動黃土制備成相同天然干密度水平下不同含水率的試樣進行飽和滲透試驗，分析其他粒組不變情況下黏粒含量對黃土滲透系數(shù)的影響規(guī)律，初始含水率對黃土滲透系數(shù)的影響規(guī)律，并基于SEM圖像對其微觀機理進行分析，其相關認識為黃土及其滲透性相關的理論與工程實踐提供了重要的基礎依據(jù)。

1 試驗方案

1.1 試驗黃土的性質

本試驗所用黃土為晚更新世Q3黃土，原始土樣取自延安新區(qū)Ⅰ期工程挖山填溝挖方工程新鮮剖面，自地表以下4 m深度處人工切取土樣，土樣取出后標定其上下表面并用保鮮膜包裹。試驗所用黃土的物理指標詳見表1。為了制備不同黏粒含量的黃土試樣，需對風干后的黃土土樣進行分選，同時為了更好的研究黏粒對黃土滲透性的影響，本次試驗土樣先后經過0.5 mm圓孔標準篩除去石礫，再通過自制負壓濕篩裝置篩取不同黏粒含量的黃土土樣，以實現(xiàn)對黃土試樣中黏粒含量的人為可控，并利用激光粒度儀對土樣的黏粒含量進行跟蹤測定。由于延安地區(qū)原始黃土土樣的黏粒含量均在20%～25%之間，故本次試驗以24%黏粒含量為上限建立序列，通過自制負壓濕篩裝置分別獲得黏粒含量為12%，16%，20%，24%的黃土土樣，經過激光粒度儀測定，顆粒分布曲線如圖1所示。

表1 試驗所用黃土的物理指標

圖1 黃土土樣顆粒分布曲線

1.2 試驗方法

將篩選后的其他粒組不變而黏粒含量不同的黃土樣加水調和靜置，分別配制成含水率為12%，14%，16%，18%，20%的土樣。然后將調配好的土樣放入保濕皿使試樣表層的水滲入到其內部，直至試樣含水率均勻，再按同一干密度稱取對應質量的土樣，用靜壓法將其壓入滲透環(huán)刀內，制成截面積為30 cm2，高度為4 cm的試樣，置于保濕皿中備用。目前，在實驗室中測定滲透系數(shù)的儀器種類和試驗方法很多，但從原理上大體可分為常水頭法和變水頭法兩種。相對來說，變水頭法試驗過程中水頭差一直在隨時間變化，可以比較準確地測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以下，因此本試驗采用變水頭法，選用TST-55型滲透儀進行試驗。在進行微觀電鏡試驗時，將不同黏粒含量的黃土試樣切成10 mm×10 mm×20 mm(長×寬×高)的型樣，置于室內自然風干，然后采用環(huán)氧樹脂、丙酮、乙二胺、二丁酯4種試劑的混合液體對試樣進行硬化。待其充分硬化后，用切割機將粘結在土樣周圍多余的環(huán)氧樹脂切除、研磨和拋光，然后對其進行噴碳處理，以保證試樣斷面具有良好的導電性，再將試樣用導電膠帶粘在載玻片上放置于Quanta FEG 450掃描電子顯微鏡載物臺進行微觀觀察和圖像拍攝。最后，通過掃描電鏡拍攝不同黏粒含量的電鏡試樣照片，分析不同黏粒含量試樣微觀結構上的差異，從而分析其對滲透性的影響。

2 試驗結果與分析

2.1 黏粒含量對黃土滲透性的影響

圖2—3所示為黃土滲透系數(shù)與黏粒含量之間的關系曲線及其擬合關系。從圖2—3中可以看出，黏粒含量對黃土滲透性影響顯著，在同一含水率條件下，隨著黏粒含量的增多，其滲透系數(shù)減小，滲透系數(shù)與黏粒含量呈顯著指數(shù)函數(shù)負相關關系，且相關系數(shù)都在0.9以上。分析其原因，首先，黏粒以分散質點式的形式充填在試樣的粒間空隙中，顆粒排列比較疏松，顆粒表面也比較干凈，孔隙發(fā)育。隨著黏粒含量的增加，賦存在骨架顆粒周圍的黏粒逐漸聚集，或者在骨架顆粒的周圍定向排列，構成連續(xù)的黏土薄膜粘附在顆粒表面，呈薄膜狀(蔥皮結構)，黏土薄膜的存在大大減小了孔隙的有效半徑，并且常常造成孔隙吼道的堵塞。

圖2 黃土滲透系數(shù)與黏粒含量關系曲線

隨著黏粒含量的進一步增加，黏粒晶粒由顆粒表面延伸、穿越、切割孔隙空間，與孔隙共生絞纏，骨架顆粒就逐漸被包埋在黏粒物質中，顆粒之間完全由黏粒物質連接(嵌埋狀)，使試樣原有的粒間孔隙被切割，變遷呈迂回曲折，成為黏粒晶粒之間的微細孔隙。黏粒物質作為黃土的膠結材料，其含量、賦存位置和賦存狀態(tài)的不同均可導致孔隙特征和滲透性的變化，黏粒物質包括黏土礦物如高嶺石、伊利石、蒙脫石3種，部分高嶺石是形成孔隙結構的骨架顆粒，而蒙脫石、伊利石主要以附著在顆粒表面和以膠結物的形式分布在骨架顆粒之間；還包括黏土粒級的微細碎屑，如石英，長石，云母，碳酸鹽等，這些微細碎屑將骨架顆粒相互連接在一起[1,27]。黃土骨架顆粒的形態(tài)、排列方式及膠結物的作用形式決定了黃土中孔隙的分布及有效連通孔隙的比例，這種微觀膠結結構導致了其獨特的滲透特性。其次，黏粒中的黏土礦物特別是強親水的黏土礦物由于其高分散性和巨大的表面積而具有顯著的黏著性和吸附性。

圖3 黃土滲透系數(shù)與黏粒含量擬合關系

黃土高原黃土的主要黏土礦物成分為中等混層比的蒙脫石/伊利石混層礦物，作為一種膨脹性黏土礦物，中等混層比的蒙脫石/伊利石混層礦物不僅具有很強的的親水性，而且具有漲縮特性，在滲透過程會引起晶體膨脹和絮凝作用，導致黏土膠團體積變大，封閉孔隙吼道。從根本上來說，滲透系數(shù)的降低是由于黃土在浸水后黏土礦物水化膨脹和微粒運移所引起的[27-28]。黃土的膨脹主要決定于它的黏土礦物、吸附陽離子、可溶鹽等的成分和含量，土在浸水后，黏粒進一步水化，吸附水膜厚度增加，因而土粒產生了膨脹。由于土樣周圍上下均受到剛性限制，不能向四外擴展，所以膨脹的土粒只好向粒間的孔隙發(fā)展。土中可溶鹽的不斷溶出，土中水的可溶鹽濃度逐漸減少，土粒表面吸附水膜隨之逐漸增厚，ζ電位也因之增高，因而土粒獲得了新的膨脹，且繼續(xù)向粒間孔隙發(fā)展。同時，在滲透過程中，高嶺石大都離散開并松散的附著在孔隙壁上，或作為粒間的填充物，直徑10 μm左右的單個黏粒在水動力作用下或在化學與水動力的聯(lián)合作用下，可隨水流自由通過并遷移，而20 μm左右的黏粒則多形成卷狀或積聚起來。當運移到孔隙的狹小處遇阻，或在孔道的轉彎處碰撞孔壁，或水流的流速降低，或者在漩流的作用下把微粒推向孔壁，都可以使微粒沉積在孔道中減小孔道的流通尺寸，或聚集堵塞在孔道的狹小處嚴重降低孔道的流通性，而使?jié)B透性降低，滲透系數(shù)下降；伊利石和蒙脫石/伊利石的混合體大多形成為顆粒連接體，他們緊緊粘附于顆粒壁上，形成一連續(xù)和緊密聯(lián)系的黏?！巴庖隆保斔M入試樣系統(tǒng)時，每一個黏土顆粒周圍會吸附并形成一層水膜，從而使?jié)B透系數(shù)下降[28]。滲透系數(shù)隨著黏粒含量的增加而減小，黏粒含量的增加還會引起引起土體孔隙彎曲因子的增加，也會導致滲透系數(shù)的減小[29]。這主要是因為黏粒含量越多，則在相同的孔隙比條件下相對形成的微孔隙通道越多，大孔隙通道相對較少。

2.2 含水率對黃土滲透性的影響

圖4—5為黃土滲透系數(shù)和含水率關系曲線及其擬合關系。從圖中可以看出，在黏粒含量一定時，滲透系數(shù)隨初始含水率的增大而減小，呈指數(shù)函數(shù)負相關關系，且有數(shù)量級變化，說明初始含水率是影響黃土滲透系數(shù)變化的重要因素。分析其原因，主要是由于試樣中膠結物因初始含水率的不同，其賦存位置、賦存狀態(tài)可能不同。黃土中的主要膠結物是黏土礦物，而黏土礦物主要有高嶺石、伊利石、蒙脫石三種，部分高嶺石是形成孔隙結構的骨架顆粒，而蒙脫石、伊利石主要以附著在顆粒表面和以膠結物的形式分布在骨架顆粒之間[27]。黃土骨架顆粒的排列方式及膠結物賦存狀態(tài)決定了黃土中孔隙的分布及孔隙的連通性，這種微觀膠結結構導致其特有的水理性質。同時，初始含水率也會影響試樣的擊實效果，從而影響其微觀結構[30]。此外，隨著試樣的初始含水率的增大，水分潤滑作用增加，土顆粒散體間結合水膜變厚，顆粒及團粒間引力變弱，顆粒便于移動，加之水膜的潤滑作用，使得顆粒能夠更好地嵌合，從而形成更加細密、分布均勻的細小孔隙。同時，黏粒中黏土礦物的黏性隨含水率的增加也得以充分發(fā)揮，吸水膨脹后越來越多的填充到土樣內部的空隙中，或使得孔隙喉道堵塞而導致孔隙連通性降低，滲透系數(shù)下降。當黏粒含量為12%時(圖4)，滲透系數(shù)隨含水量的增長變化異常。主要是由于在黏粒含量較低時，黃土試樣結構疏松，粒間孔隙發(fā)育(受顆粒成分決定，黏粒含量越低，粒間孔隙越發(fā)育)，形成連通性較好的有效滲流喉道，黃土骨架顆粒各種排列方式和連接形式交替存在，在黏粒含量較多的位置，其表面積大，含水量增大時，土粒表面薄膜水的加厚而使土粒逐漸膨脹，縮小了顆粒間孔隙而使?jié)B透系數(shù)變小，而在黏粒賦存較少的位置，顆粒間孔隙不隨含水率增長而變化，滲透系數(shù)幾乎不變。由圖4還可以看出，當初始含水率由12%增至18%時，滲透系數(shù)變化顯著，滲透系數(shù)隨初始含水率的增加顯著變化，分析其原因，首先，由于含水量較低，團聚體自身結構強度較高而粒間水膜楔入力小，試樣微觀結構表現(xiàn)為松散的集粒結構，具有成片分布的粒間孔隙，顆?；驁F粒的分布秩序性較差，土體不易被充分壓實。其次，由于初始含水量較小膠結物的黏性尚不能發(fā)揮，不能建立起有效的黏連效果。

圖4 黃土滲透系數(shù)與含水率關系

圖5 黃土滲透系數(shù)與含水率擬合關系

2.3 微觀結構

土體微觀結構可通過顆粒形態(tài)(顆粒大小，顆粒形狀，表面起伏)，顆粒排列和連接形式，孔隙特征(孔隙大小，孔隙分布情況)，顆粒接觸關系等特性來描述。圖6為不同黏粒含量黃土試樣放大倍數(shù)為800倍的微觀SEM圖片。

由圖6可以看出，隨著黏粒含量的增加，黏粒以不同形式充填于孔隙中使土樣由顆粒體結構變?yōu)轭w粒—團粒體結構，骨架顆粒之間的連接由接觸連接逐漸變?yōu)槟z結連接，顆粒的排列方式由架空變?yōu)榧芸铡偳对贊u變?yōu)殍偳?。黏粒含量較低時，土顆粒相互支撐、排列疏松，形成較大的孔隙。隨著黏粒含量的增多，骨架顆粒排列明顯變得緊密，黃土微觀結構逐漸趨于密實，同時大量黏粒物質吸附于顆粒表面，形成縫隙狀狹長孔隙。大、中孔隙數(shù)量明顯減少，孔隙的分布不再均勻，孔隙內填充著大量黏粒和微細物質，或使得孔隙喉道堵塞，形成更多微細孔隙，孔隙連通性降低，從而影響滲透系數(shù)。

圖6 不同黏粒含量黃土試樣微觀結構

孔隙是土體內不同粒徑的顆粒及膠結物等基本單元體以不同形式組合排列而成的，是微觀結構分析的重要研究對象之一。本文采用參考文獻[30]的分類方法進行分類，對放大800倍的SEM圖像借助Image-Pro Plus 6.0(IPP)軟件處理后，按照以上分類標準，統(tǒng)計得到了不同黏粒含量下黃土孔隙數(shù)量百分比以及孔隙面積變化的分布直方圖。圖7為不同黏粒含量黃土樣各類孔隙數(shù)量百分比直方圖，從圖中可以看出，隨著黏粒含量的增加，微孔隙所占比例增加，中、小孔隙所占比例減少。圖8為各類孔隙截面積及總孔隙截面積直方圖，從圖中可以看出，隨著黏粒含量的增加，中、小孔隙面積減小，微孔隙面積增加，黃土試樣的總面積呈減小趨勢。說明黏粒含量的變化可以改變試樣的粒徑級配和土樣孔隙孔徑，進而改變試樣的孔隙大小，所以黏粒含量的多少必然影響試樣的滲透性。同時，隨著黏粒含量的增加，土樣孔隙率會逐漸減小，從而改變了土體的微觀結構，導致土體孔隙結構發(fā)生變化，進而影響到土體的滲透性。

圖7 不同黏粒含量黃土樣各類孔隙數(shù)量比例

圖8 各類孔隙截面積及總孔隙截面積

3 結 論

(1) 黏粒含量對黃土滲透性影響顯著，在同一含水率條件下，隨著黏粒含量的增多，其滲透系數(shù)減小，滲透系數(shù)與黏粒含量呈顯著指數(shù)函數(shù)負相關關系。

(2) 在黏粒含量一定時，滲透系數(shù)隨初始含水率的增大而減小，呈指數(shù)函數(shù)負相關關系，且有數(shù)量級變化，說明初始含水率也是影響黃土滲透系數(shù)變化的重要因素。

(3) 黏粒含量對滲透系數(shù)的影響，主要是由于黏粒含量的增多，導致其微觀結構由分散結構變?yōu)橹旅芙Y構，顆粒接觸由支架接觸變?yōu)殍偳督佑|，顆粒連接由小橋連接(蔥皮連接)變?yōu)榍堵駹钸B接，孔隙由支架大孔變?yōu)轲ちｉg微小孔隙，一定程度上都降低了黃土的滲透性。

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