細(xì)粒土含量對砂土滲透性的影響

史志敏

（身份證號：350322198509055153， 福建 福州 350001）

0 前言

土可以被水透過的性質(zhì)，稱為土的滲透性或透水性，它是土的力學(xué)性質(zhì)之一。砂土具有良好的力學(xué)性能，廣泛的應(yīng)用于建筑、水利等諸多工程領(lǐng)域，但其良好的滲透性也為工程帶來了安全隱患。因此，近些年來，細(xì)粒土含量對砂土工程性狀的影響開始在國內(nèi)外收到重視。目前，普遍認(rèn)為有效粒徑對砂土滲透性有影響，但對于不均勻系數(shù)、平均粒徑等參數(shù)對砂土滲透性的影響研究較少。本文是通過試驗(yàn)，得到不同組砂土試樣中細(xì)粒土含量及砂土其他狀態(tài)參數(shù)對砂土滲透性的影響，分析細(xì)顆粒土含量與砂性土滲透性之間的關(guān)聯(lián)性與具體規(guī)律。

1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)取土樣級配情況如圖 1所示，土樣按《土工試驗(yàn)規(guī)程》劃分，類別為中砂。骨架砂為取樣砂土通過篩分儀獲得，粒徑在 0.075～1mm，進(jìn)行風(fēng)干處理。經(jīng)過篩分獲得的粒徑小于0.075mm的細(xì)顆粒經(jīng)風(fēng)干后即為試驗(yàn)所使用的細(xì)粒土。試驗(yàn)所用土樣分七組，細(xì)粒土摻入量分別為0%、5%、10%、15%、20%、25%、40%，使用攪拌儀進(jìn)行均勻混合。

圖1 試樣用砂顆粒級配曲線

2 結(jié)果分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總及計(jì)算結(jié)果如下：

對上表進(jìn)行分析，分別畫出砂土各狀態(tài)參數(shù)與滲透系數(shù)的對應(yīng)曲線，研究滲透系數(shù)與砂土的細(xì)顆粒含量、不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)、平均粒徑的關(guān)系。

隨著細(xì)粒土的增加，骨架砂內(nèi)的孔隙會被填充，從而對其滲透性產(chǎn)生影響。從圖 2可以看出：隨著砂土細(xì)顆粒含量的增多，滲透系數(shù)逐漸減小。但二者不是線性相關(guān)關(guān)系，細(xì)粒含量<5%時(shí)，滲透系數(shù)隨細(xì)粒土含量增大略有下降；細(xì)粒含量在5%～10%時(shí)，隨細(xì)粒含量增加滲透系數(shù)急劇減??；細(xì)粒含量>25%時(shí)，細(xì)粒對滲透系數(shù)影響不明顯，曲線趨于水平；細(xì)粒含量在 10%～25%段時(shí)，細(xì)粒對滲透系數(shù)的影響處于以上兩者之間，這與參考文獻(xiàn)[1]的結(jié)論基本相同。

2.1 細(xì)粒含量與滲透系數(shù)關(guān)系

表1 細(xì)粒含量與滲透系數(shù)關(guān)系表

圖2 細(xì)粒含量—滲透系數(shù)曲線

圖3 不均勻系數(shù)—滲透系數(shù)曲線

2.2 不均勻系數(shù)與滲透系數(shù)關(guān)系

不均勻系數(shù)在一定程度上是反應(yīng)砂土的級配情況，不均勻系數(shù)越大，控制粒徑與有效粒徑差值越大，顆粒級配曲線平緩。由表1及圖4可以看出，隨著砂土細(xì)顆粒含量的增大，土的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，不均勻系數(shù)也逐漸增大。不均勻系數(shù)越大，砂土的滲透性越小，但是當(dāng)不均勻系數(shù)超過某一界限值后，不均勻系數(shù)對砂土滲透性的影響趨于不變，對本土樣在不均勻系數(shù)大于 9之后，滲透系數(shù)基本沒有下降。出現(xiàn)這個(gè)情況的原因可能是不均勻系數(shù)達(dá)到一定值后，砂土密實(shí)度已經(jīng)接近最大值，孔隙已經(jīng)基本被填充，故繼續(xù)提高不均勻系數(shù)不會使砂土滲透性進(jìn)一步下降。

2.3 曲率系數(shù)與滲透系數(shù)關(guān)系

圖4 曲率系數(shù)—滲透系數(shù)曲線

由曲率系數(shù)—滲透系數(shù)曲線可以看出，在曲率系數(shù) 1-3的范圍內(nèi)，曲率系數(shù)與細(xì)粒含量負(fù)相關(guān)。這與參考文獻(xiàn)[2]結(jié)論不符，這是因?yàn)楸驹囼?yàn)主要討論細(xì)顆粒土含量對砂土滲透性的影響，并未就曲率系數(shù)作為單一變量進(jìn)行試驗(yàn)分析，不同組土樣不均勻系數(shù)隨細(xì)粒含量增大而增大，從而導(dǎo)致了滲透系數(shù)的下降。這說明了砂土滲透性是受不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)共同影響的，在細(xì)粒土含量為單一變量的情況中，不均勻系數(shù)對滲透性的影響更為主要。

2.4 平均粒徑與滲透系數(shù)關(guān)系

圖5 平均粒徑—滲透系數(shù)曲線

根據(jù)曲線能明顯看出細(xì)粒含量越大，土的平均粒徑越小，滲透性越差，且曲線存在一個(gè)突變點(diǎn)，當(dāng)平均粒徑小于某一數(shù)值時(shí)，滲透系數(shù)較小，當(dāng)達(dá)到臨界值時(shí)，滲透系數(shù)會快速增大。本試驗(yàn)土樣中當(dāng)平均粒徑小于0.37mm時(shí)，滲透系數(shù)較小，在0.0003左右，當(dāng)超過0.37mm時(shí)，發(fā)生突變，有較大的增加。該試驗(yàn)結(jié)果與參考文獻(xiàn)[1，2]中平均粒徑對滲透系數(shù)的影響有相似的規(guī)律，且根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]，當(dāng)平均粒徑為土樣的單一變量時(shí)，滲透系數(shù)與平均粒徑接近線性正相關(guān)。

3 結(jié)論

（1）細(xì)粒增加改變了砂土的孔隙性狀，隨著細(xì)粒的增加砂土骨架孔隙逐漸被細(xì)顆粒填充，砂土滲透性減小。滲透系數(shù)總體上隨細(xì)粒增加而減小，細(xì)粒含量-滲透系數(shù)曲線可分為細(xì)粒含量<5%、細(xì)粒含量= 5%～15%、細(xì)粒含量= 15%～25%與細(xì)粒含量>25%四段。細(xì)粒含量<5%時(shí)，滲透系數(shù)隨細(xì)粒土含量增大略有下降；細(xì)粒含量在5%～10%時(shí)，隨細(xì)粒含量增加滲透系數(shù)急劇減??；細(xì)粒含量>25%時(shí)，細(xì)粒對滲透系數(shù)影響不明顯，曲線趨于水平；細(xì)粒含量在 10%～25%段時(shí)，細(xì)粒對滲透系數(shù)的影響處于以上兩者之間。

（2）由細(xì)粒土含量不同造成砂土的不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)變化，二者共同影響砂土的滲透性。砂土的滲透系數(shù)與不均勻系數(shù)為負(fù)相關(guān)，與曲率系數(shù)為正相關(guān)。

（3）在只改變細(xì)粒土含量的情況下，平均粒徑-砂土滲透系數(shù)曲線有一個(gè)臨界值，平均粒徑超過該值后對滲透性的影響極為明顯。平均粒徑是影響砂土滲透性的重要因素之一。

[1]孔令偉，李新明，田湖南. 砂土滲透系數(shù)的細(xì)粒效應(yīng)與其狀態(tài)參數(shù)關(guān)聯(lián)性[J].巖土力學(xué)，2011，32（增刊2）

[2]楊兵，劉一飛，萬奮濤，等. 級配特性對砂土滲透系數(shù)影響試驗(yàn)研究[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2016.51（5）

[3]蘇立君，張宜健，王鐵行. 不同粒徑級砂土滲透特性試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué)，2014，35（5）

[4]毛昶熙. 滲流計(jì)算分析與控制[M]. 北京：中國水利水電出版社，2003.

[5]中華人民共和國水利部. SL237-1999 土工試驗(yàn)規(guī)程[S]. 北京：中國水利水電出版社，1999