孔徑分布對軟黏土滲透特性的影響分析

金 盼，陳 波，胡云世(衢州學(xué)院建筑工程學(xué)院，浙江 衢州 324000)

土體滲透性是指水通過土體孔隙的能力，可通過滲透系數(shù)來表征土體的滲透性能。滲透系數(shù)作為軟黏土地區(qū)工程設(shè)計的一個重要控制參數(shù)，直接影響建筑物和填方路堤沉降時間、基坑開挖過程中降水井布置、污染物防滲層厚度設(shè)計和計算[1～2]。因此，軟黏土滲透系數(shù)的試驗測定、影響因素分析和經(jīng)驗?zāi)Ｐ徒⒌确矫嬉惨恢笔茄芯咳藛T關(guān)注的重點。

目前，國內(nèi)外學(xué)者基于軟黏土在不同固結(jié)壓力下的滲透試驗結(jié)果，得出滲透系數(shù)與軟黏土的含水量[3～5]、孔隙比[6～8]、塑性指數(shù)[9～10]、結(jié)構(gòu)性[11～13]等因素密切相關(guān)，并在深入分析滲透系數(shù)kv隨孔隙比e變化規(guī)律的基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的預(yù)測模型，如：軟黏土中較常見的e-lgkv模型[3,12]和改進的lg(1+e)-lgkv模型[11]等。尤其是軟黏土的結(jié)構(gòu)性，作為與初始孔隙比和應(yīng)力歷史同等重要的參數(shù)，其對軟黏土的力學(xué)特性具有重要影響，并取得了豐富的研究成果[14～15]。相比于結(jié)構(gòu)性對軟黏土變形和強度特性影響的研究成果，結(jié)構(gòu)性對軟黏土滲透特性影響的研究成果則相對較少，且主要集中于通過比較同一固結(jié)壓力或同一孔隙比下, 軟黏土原狀樣和重塑樣的滲透系數(shù)差異來說明結(jié)構(gòu)性對土的滲透特性的影響。然而，對于結(jié)構(gòu)性導(dǎo)致原狀樣和重塑樣滲透系數(shù)存在差異的內(nèi)在機理，尤其是基于土體孔徑大小及分布等微觀結(jié)構(gòu)的分析與研究，研究成果更為有限。因此，有必要在開展宏觀試驗的基礎(chǔ)上分析軟黏土原狀樣和重塑樣微細(xì)觀結(jié)構(gòu)的差異，探究結(jié)構(gòu)性影響軟黏土滲透特性的微細(xì)觀機理。

1 試驗土樣及方法

1.1 試驗土樣

原狀樣：試驗的三種土樣分別為取自上海的川沙、浦東和江蘇的寶應(yīng)地區(qū)，其中，上海川沙軟黏土采用的是擾動程度較大的厚壁取樣方式獲得，取自地表以下約7.0 m處，上海浦東和江蘇寶應(yīng)軟黏土則采用擾動程度最小的塊狀取樣方式獲得，分別取自地表以下約1.5 m和9.8 m處。試驗土樣的基本物理特性、顆粒大小組成詳見表1。

表1 試驗土樣的基本物理特性Table 1 Basic physical properties of soil samples

重塑樣：用純凈水將現(xiàn)場取來的軟黏土充分浸泡后攪拌均勻，配制成初始含水量約為2倍土體液限的飽和泥漿，倒入直徑為15 cm、高度為16 cm的大型固結(jié)容器后分級加載，使其固結(jié)成樣，試樣的最后一級荷載約為70 kPa。固結(jié)完成的重塑樣用多層保鮮膜包好并蠟封后儲存在密閉容器中，并根據(jù)需要切取其中一部分制成試驗用的試樣。該制樣方式雖然使重塑樣的含水率和結(jié)構(gòu)性與原狀樣存在較大差異，但由于試樣具有均勻性好、可重復(fù)強的優(yōu)點，且可通過比較相同孔隙比情況下的滲透系數(shù)消除含水量差異產(chǎn)生的影響。同時，該制樣方式雖然改變土體結(jié)構(gòu)中的組構(gòu)部分，但并不會使重塑樣產(chǎn)生膠結(jié)作用，且本文重點分析的是相同孔隙比下，土體孔徑大小及分布(組構(gòu))對土體滲透性產(chǎn)生的影響。因此，可采用上述方法進行重塑樣的制備。

1.2 試驗方法

本次試驗采用間接法測定土的滲透系數(shù)。即，通過記錄固結(jié)試樣在各級荷載作用下6 s、15 s、60 s、135 s、240 s、375 s、540 s、735 s、960 s、…的變形量，得到試樣在各級荷載下的固結(jié)曲線，確定t90后得到該級壓力下的固結(jié)系數(shù)Cv，并利用式(1)間接求得土體在相應(yīng)固結(jié)壓力下的滲透系數(shù)：

k=Cvavγw/(1+e1)

(1)

式中：k——滲透系數(shù)；

Cv——固結(jié)系數(shù)；

av——前一級壓力與本級壓力區(qū)段下的壓縮系數(shù)；

e1——前一級壓力下的孔隙比；

γw——水的重度。

1.3 土樣結(jié)構(gòu)性分析

圖1為根據(jù)不同試樣在各級壓力下24 h的穩(wěn)定變形量后得到的壓縮曲線，其中，U表示原狀樣的試驗結(jié)果，R表示重塑樣的試驗結(jié)果，以下類同。從圖1中可以看出，用塊狀取樣方式得到的寶應(yīng)和浦東軟黏土原狀樣的壓縮曲線的結(jié)構(gòu)屈服較為明顯，而采用厚壁取樣方式得到的川沙軟黏土原狀樣的壓縮曲線則結(jié)構(gòu)屈服不明顯，說明采用塊狀取樣方式得到的原狀樣質(zhì)量明顯優(yōu)于厚壁取樣方式得到的原狀樣的質(zhì)量。

圖1 不同軟黏土的e-lgσv曲線Fig.1 e-lgσv curves of different soft clays

(2)

圖2 不同軟黏土的歸一化壓縮曲線Fig.2 Normalized compression curves of different soft clays

2 試驗結(jié)果

2.1 滲透系數(shù)隨固結(jié)壓力變化規(guī)律

圖3為試驗得到的不同軟黏土原狀樣和重塑樣的滲透系數(shù)kv隨固結(jié)壓力變化的lgkv-lgσv曲線。圖3表明：無論是原狀樣還是重塑樣，土樣的滲透系數(shù)均隨著固結(jié)壓力的增大而逐漸減小，且原狀樣的滲透系數(shù)在結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力前后具有明顯的突變現(xiàn)象，即，結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力前，土體的滲透系數(shù)隨固結(jié)壓力的變化較小，結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力后，土體的滲透系數(shù)隨固結(jié)壓力變化明顯增大，與孫德安等[12]的試驗結(jié)果一致；與川沙軟黏土相比，采用塊狀取樣得到的浦東和寶應(yīng)軟黏土原狀樣的滲透系數(shù)在結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力附近發(fā)生陡降的現(xiàn)象更加明顯，說明原狀樣的取樣質(zhì)量對土體滲透系數(shù)的變化規(guī)律也具有重要影響。需要注意的是，本試驗得到的重塑樣滲透系數(shù)也存在不同程度的突變，與一般的試驗結(jié)果不同[11～12]，這主要是試驗用的重塑樣受過70 kPa的前期固結(jié)應(yīng)力導(dǎo)致的，且該前期固結(jié)應(yīng)力與滲透系數(shù)突變點處的應(yīng)力基本一致。

圖3 不同軟黏土的lgkv-lgσv曲線Fig.3 lgkv-lgσvcurve of different soft clays

圖3還顯示，3種不同軟黏土原狀樣lgkv-lgσv曲線均位于相應(yīng)重塑樣的上方，且兩者的差距隨固結(jié)壓力的增大而減小，說明在同一固結(jié)壓力下，原狀樣的滲透系數(shù)明顯地大于相應(yīng)重塑樣的滲透系數(shù)，且隨著固結(jié)壓力的增大，原狀樣與重塑樣在相同壓力下的滲透系數(shù)差距逐漸減小。此外，不同土樣在同一應(yīng)力水平下的滲透系數(shù)的差距也極大，且最大可達(dá)數(shù)十倍，一方面是由于同一應(yīng)力水平下不同軟黏土的孔隙比存在較大的差距，如圖1中所示的川沙和寶應(yīng)軟黏土重塑樣，它們在初始固結(jié)應(yīng)力條件下的孔隙比差值達(dá)到0.25左右；另一方面則是由于不同軟黏土的顆粒級配存在較大的差異引起的，如圖3中所示的浦東和寶應(yīng)軟黏土重塑樣，雖然它們具有相同初始孔隙比，但它們的滲透系數(shù)也具有明顯的差異。

2.2 滲透系數(shù)隨孔隙比變化規(guī)律

為分析土體結(jié)構(gòu)性這一因素對軟黏土滲透系數(shù)的影響，需要比較不同軟黏土原狀樣和重塑樣在相同孔隙比下滲透系數(shù)的差異，從而消除孔隙比不同對土體滲透系數(shù)產(chǎn)生的影響。作者將試驗結(jié)果進一步整理后，得到圖4所示的不同軟黏土的原狀樣和重塑樣的滲透系數(shù)kv隨孔隙比變化的e-lgkv曲線。

圖4 不同軟黏土的e-lgkv曲線Fig.4 e-lgkv curves of different soft clays

圖4表明，無論是原狀樣還是重塑樣，軟黏土的滲透系數(shù)均隨著孔隙比的減小而逐漸減小，且兩者的變化模式也基本相同，在e-lgkv坐標(biāo)系中為一條直線，與眾多的試驗結(jié)果一致[11～13]。不同軟黏土原狀樣的滲透系數(shù)與孔隙比的變化模式在屈服前后基本一致，且也與重塑樣大致相同，說明軟黏土原狀樣的滲透系數(shù)主要受土體的孔隙比影響，與土體結(jié)構(gòu)的膠結(jié)結(jié)構(gòu)關(guān)系不大。同時，從圖4中可以看出，不同軟黏土原狀樣的e-lgkv曲線均位于相應(yīng)重塑樣的右側(cè)，說明在相同孔隙比時，軟黏土原狀樣中存在的結(jié)構(gòu)性將使其滲透系數(shù)明顯大于相應(yīng)重塑樣的滲透系數(shù)。眾多試驗結(jié)果表明，軟黏土結(jié)構(gòu)性的膠結(jié)結(jié)構(gòu)對軟黏土滲透系數(shù)影響不大，但孔隙結(jié)構(gòu)和大小對土體的滲透系數(shù)具有重要影響[6,9,13]，因此，可認(rèn)為軟黏土原狀樣和重塑樣滲透系數(shù)的差異主要是由土樣的孔徑大小及分布引起的，即，土體結(jié)構(gòu)中的組構(gòu)導(dǎo)致的。

3 滲透系數(shù)影響因素

3.1 顆粒級配對滲透系數(shù)的影響

圖4還表明，不同軟黏土在相同孔隙比下的滲透系數(shù)也存在不小的差距，即便是采用同一制樣方式得到的重塑樣，這主要是由于不同土體的顆粒級配不同引起的。從圖4中可知，在同一孔隙比下，浦東軟黏土重塑樣的滲透系數(shù)小于寶應(yīng)軟黏土重塑樣的滲透系數(shù)，且都明顯地小于川沙軟黏土重塑樣的滲透系數(shù)?？紤]到上海浦東和川沙軟黏土的相關(guān)物理指標(biāo)較為接近，因此，可認(rèn)為這主要是顆粒級配差異導(dǎo)致兩者滲透系數(shù)的差異。

為詳細(xì)分析顆粒級配對土體滲透性的影響，作者參照張先偉等[16]分類方法將軟黏土顆粒級配曲線進一步細(xì)分為砂粒(>0.05 mm)、粉粒(0.005～0.05 mm)、黏粒(0.002～0.005 mm)和膠粒(0.002～0.005 mm)，相應(yīng)的比例見表1。從表1中可以看出，川沙軟黏土中的砂粒顆粒含量高達(dá)7.2%，明顯多于另外兩種軟黏土的砂粒顆粒含量；同理，寶應(yīng)軟黏土的砂粒顆粒含量也多于浦東軟黏土的砂粒含量，考慮到粗顆粒含量對土體滲透特性具有重要的影響，因此，可從軟黏土的砂粒含量方面合理地解釋同一孔隙比下川沙軟黏土的滲透系數(shù)最大、浦東軟黏土的滲透系數(shù)最小的原因。

3.2 孔徑分布對滲透系數(shù)的影響

由于影響土體滲透系數(shù)大小的主要因素為孔徑大小和分布，即土體結(jié)構(gòu)中的組構(gòu)，已有試驗結(jié)果表明，原狀樣和重塑樣的孔徑大小及分布等微觀結(jié)構(gòu)存在明顯的差異[17]。因此，對相近孔隙比下的浦東軟黏土原狀樣和重塑樣開展壓汞試驗測得的孔徑分布曲線進行比較，分析孔徑大小及分布對軟黏土滲透特性的影響，試驗詳細(xì)情況見表2。

表2 累積汞壓入量相近的不同土樣孔隙比及對應(yīng)固結(jié)應(yīng)力Table 2 Consolidation pressure and void ratio of different samples with a close cumulative intrusion volume of mercury

圖5 孔隙比相近的原狀樣和重塑樣的孔徑分布密度Fig.5 Pore-size distribution density of the undisturbed and reconstituted samples at the same void ratio

圖6 孔隙比相近的原狀樣和重塑樣的累積壓入汞曲線Fig.6 Curres of a close cumulative intrusion volume of mercury of the undisturbed and reconstituted samples at the same void ratio

圖5和圖6為不同固結(jié)壓力下，孔隙比ec相近的原狀樣和重塑樣的孔徑密度分布曲線和累積壓入汞體積曲線。從圖5可知，軟黏土原狀樣和重塑樣完全飽和時，孔徑分布均為典型的單峰孔徑結(jié)構(gòu)，但兩者的孔徑分布曲線存在明顯差異。與原狀樣的孔徑分布密度曲線相比，重塑樣的孔徑分布范圍明顯更窄，峰值明顯更高，說明泥漿樣的孔徑集中度更加明顯，孔徑分布也更加均勻。圖6中的累積壓入汞體積曲線也顯示，當(dāng)累積汞壓入體積量急劇增加時，泥漿樣的斜率明顯大于重塑樣的斜率，再次印證了泥漿樣的孔徑均勻性明顯大于原狀樣。

從圖5中還可以看出，重塑樣的孔徑分布密度曲線的峰值位置均位于原狀樣的右側(cè)，說明重塑樣的集中分布孔徑大于相應(yīng)原狀樣的集中分布孔徑。隨著孔隙比的減小，重塑樣和原狀樣孔徑之間的差距雖然逐漸縮小，但重塑樣的孔徑分布峰值始終在原狀樣的右側(cè)。考慮到軟黏土的孔徑大小及其分布對其滲透性影響較大，且土體的孔徑越大，其滲透系數(shù)也將越大，因此，相同孔隙比下重塑樣的滲透系數(shù)應(yīng)大于相應(yīng)原狀樣的滲透系數(shù)。

然而，包括本文在內(nèi)的眾多試驗結(jié)果卻表明，相同孔隙比條件下，原狀樣的滲透系數(shù)都大于相應(yīng)重塑樣的滲透系數(shù)[9,11～12]，這主要是由于土體的滲透系數(shù)不是由集中分布孔徑尺寸控制，而是由大孔徑體積含量來控制的。按照張先偉等[18]確定的大孔徑尺寸的劃分及采用的分形曲線拐點劃分孔徑界限的方法確定的大孔徑尺寸，分別以d>10 μm、d>3 μm和d>1 μm為界限對原狀樣和重塑樣的相應(yīng)孔徑含量進行計算，得到表2所示的試驗結(jié)果。從表2中可知，雖然在相同孔隙比條件下，原狀樣中d>1 μm孔徑的累計含量明顯小于相應(yīng)的重塑樣的累計含量。然而，對于d>10 μm和d>3 μm兩種孔徑尺寸的累計含量，原狀樣則明顯大于相應(yīng)的重塑樣，且隨著孔隙比的減小，兩者的差距也逐漸減小?？紤]到土的滲透系數(shù)主要是由大孔徑的體積含量來控制的，且原狀樣的大孔徑體積含量明顯大于相應(yīng)重塑樣的大孔徑含量，因此，可很好地解釋為什么在同一孔隙比條件下，原狀樣的滲透系數(shù)將大于相應(yīng)重塑樣的滲透系數(shù)。

4 組構(gòu)對滲透指數(shù)的影響

滲透系數(shù)的測定不僅需要耗費大量時間且測定結(jié)果往往離散性較大，難以準(zhǔn)確確定。因此，不少國內(nèi)外學(xué)者在根據(jù)試驗方法測得滲透系數(shù)的基礎(chǔ)上分析土體的孔隙比、含水率、塑性指數(shù)及密度等物理特性指標(biāo)對滲透系數(shù)的影響，并建立了各種經(jīng)驗關(guān)系[4～6]。目前，描述軟黏土滲透系數(shù)隨孔隙比變化的最常用模型仍然是Taylor[19]建立的反映黏土滲透性的e-lgkv經(jīng)驗公式：

e-e0=Ck(lgkv-lgkv0)

(3)

式中：e0——土樣初始狀態(tài)的孔隙比；

kv0——初始狀態(tài)e0下的滲透系數(shù)；

Ck——滲透指數(shù)。

Tevanas等[4]基于14種不同軟黏土的試驗結(jié)果，認(rèn)為滲透指數(shù)可采用Ck=0.5e0的經(jīng)驗公式簡單表示。然而，圖7所示的國內(nèi)外大量的滲透試驗結(jié)果顯示，滲透指數(shù)Ck與初始孔隙比e0比值的范圍為0.314～0.489，平均值為0.408，其比值不僅明顯小于Tevanas[4]等建議的經(jīng)驗關(guān)系值，而且不同土樣的試驗結(jié)果離散性很大，差值可達(dá)55%，與劉維正等[13]的統(tǒng)計結(jié)構(gòu)基本一致。

圖7 不同軟黏土的ck-e0關(guān)系曲線Fig.7 ck-e0 curves of different soft clays

圖7還顯示，除了由于本試驗用的重塑樣前期受到較大的固結(jié)壓力(70 kPa)，土體的初始孔隙比e0偏小導(dǎo)致原狀樣和重塑樣的ck-e0關(guān)系基本一致外，其他四種軟黏土在相同孔隙比時，原狀樣的滲透指數(shù)均大于相應(yīng)重塑樣的滲透指數(shù)，說明滲透指數(shù)ck與初始孔隙比e0的比值與軟黏土的結(jié)構(gòu)性密切相關(guān)，需要考慮結(jié)構(gòu)性，尤其是土體組構(gòu)對滲透指數(shù)的影響。

劉維正等[13]基于大量試驗結(jié)果得到了滲透指數(shù)與初始孔隙比的關(guān)系， 但離散性大，將土體的液限孔隙比eL作為參數(shù)之一引入到滲透指數(shù)的經(jīng)驗公式構(gòu)建中，使修正后經(jīng)驗公式的計算結(jié)果與實測結(jié)果更加吻合。然而，無論是初始孔隙比e0還是液限孔隙比eL，它們均無法反應(yīng)軟黏土沉積過程中形成的結(jié)構(gòu)性對土體滲透特性的影響。由于軟黏土結(jié)構(gòu)中的膠結(jié)結(jié)構(gòu)對土體的滲透系數(shù)基本沒有影響[6,9,13]，只需考慮土體孔徑大小及分布，即，組構(gòu)對軟黏土滲透特性的影響。因此，為更好反映軟黏土結(jié)構(gòu)性對滲透系數(shù)的影響，需在滲透指數(shù)計算中引入能反映土體孔徑大小及分布的參數(shù)，即，土體組構(gòu)參數(shù)。

圖8 不同類型壓縮曲線的確定方法Fig.8 Determination of from compression curves of different types

圖9 不同軟黏土的關(guān)系曲線 curves of different soft clays

5 結(jié)論

(1)無論是原狀樣還是重塑樣，土樣的滲透系數(shù)均隨著固結(jié)壓力的增大而逐漸減小。但結(jié)構(gòu)性的存在使原狀樣的滲透系數(shù)在結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力前后會發(fā)生明顯的突變，且同一固結(jié)壓力下原狀樣的滲透系數(shù)明顯地大于相應(yīng)重塑樣的滲透系數(shù)。

(2)原狀樣和重塑樣的滲透系數(shù)與孔隙比的變化模式大致相同，均為滲透系數(shù)隨著孔隙比的減小而減??；但在相同孔隙比時，原狀樣中的結(jié)構(gòu)性將使其滲透系數(shù)大于相應(yīng)重塑樣的滲透系數(shù)，這主要是由于不同土樣的孔徑大小及其分布差異對滲透系數(shù)的影響造成的，而且比較原狀樣和重塑樣的大孔徑含量可得到合理的解釋。