關(guān)于土滲透的研究綜述

鞠 揚 張 卓

(上海理工大學,上海 200082)

1 概述

土的滲透性是土力學中的一個重要課題，土木工程領(lǐng)域里很多工程問題都和土的滲透性息息相關(guān)。水在土中的滲透會引起很多工程問題，影響工程安全，耽誤工程進度，造成效益損失。因此，研究土的滲透規(guī)律及其與工程的關(guān)系有著重要意義。

2 研究綜述

2.1 無黏性土滲透性的研究現(xiàn)狀

法國工程師H·達西(Darcy，1855)對均質(zhì)砂展開了很多滲透試驗，結(jié)果顯示層流條件下，土里水的滲流速度和能量損失之間關(guān)系的滲流規(guī)律，即為達西定律。廣大的研究學者們紛紛對無黏性土的滲透性展開了大量研究，王小江，榮冠，周創(chuàng)兵[1]通過試驗，研究了不同圍壓下粗砂巖變形破壞過程滲透性，并且進行了相關(guān)理論分析，結(jié)論如下：在粗砂巖的變形滲透破壞過程中，軸向應變和環(huán)向應變對滲透性的影響基本上呈階段性一致。環(huán)向應變比軸向應變更快偏離線彈性狀態(tài)，在塑性階段環(huán)向應變增加的速度比較快，由強度峰值到滲透性峰值，環(huán)向應變的增加幅度約為軸向應變增加幅度的1.5倍～2.0倍。由此可見，滲透性對環(huán)向應變的變化更為敏感。萬力，蔣小偉，王旭升[2]通過理論分析和現(xiàn)場數(shù)據(jù)，證實了滲透系數(shù)隨深度衰減是不同類型含水層的普遍規(guī)律。這種現(xiàn)象的根本原因在于巖體和地層的自重應力隨著埋深的增加而增加。應力的增加導致介質(zhì)被擠壓并且滲透性降低。王俊杰，盧孝志，邱珍峰，梁越[3]通過試驗研究滲透系數(shù)與分級，顆粒形狀，干密度之間的關(guān)系，得出如下結(jié)論：粗顆粒土的滲透系數(shù)與顆粒大小分布，顆粒形狀和土壤干密度密切相關(guān)，相關(guān)性從強到弱。其次是顆粒分級，顆粒形狀，干密度。粗粒土滲透系數(shù)與d20和曲率系數(shù)Cc呈正相關(guān)，與干密度和顆粒球度呈負相關(guān)。崔自治，張群，彭博，崔永成，李媛媛[4]試驗發(fā)現(xiàn)膨潤土與黏性土復合能有效地改善砂土的抗?jié)B性，其效果明顯優(yōu)于膨潤土單摻。就滲透系數(shù)來說，最優(yōu)組合方式是膨潤土摻量6%，黏砂比30%，含水量6%。上述因素對滲透系數(shù)影響的強弱順序為膨潤土摻量、含水量、黏砂比。蘇立君，張宜建，王鐵行[5]試驗得出對于單一顆粒尺寸范圍的砂巖，滲透系數(shù)隨著孔隙度的增加而線性增加，并隨著二次平均顆粒尺寸的增加而線性增加，特別是平均顆粒尺寸對滲透系數(shù)的影響大，平均粒徑的變化會導致滲透系數(shù)的大小不同。對于天然砂，有效粒徑，孔隙率，曲率系數(shù)和非均勻系數(shù)都對滲透系數(shù)有一定的影響。這四個參數(shù)與滲透系數(shù)呈良好的線性正相關(guān)。袁濤，蔣中明，劉德謙，熊小虎[6]研究粗土粒滲透損傷條件下壓縮變形特性后，發(fā)現(xiàn)滲透損傷的過程是從顆粒出現(xiàn)遷移開始，到試樣破壞結(jié)束為止。試樣土體結(jié)構(gòu)損傷會導致孔隙比和滲透系數(shù)增大。試樣滲流作用的前后，壓縮模量的變化能夠定量描述由砂礫石土體滲透變形而導致的骨架滲透損傷。楊仲德，陳冠，孟興民，陳璽，張毅，王思源[7]研究發(fā)現(xiàn)造成滑坡體不同部位滲透性能差異的原因主要是土體顆粒級配和密實度狀態(tài)的不同。與滑坡體中、前緣相比，滑坡體后緣粗顆粒含量較高，且粗、細顆粒含量極不均衡，導致粗顆粒間的孔隙不能被有效填充，故滲透系數(shù)較高。何書，鮮木斯艷·阿布迪克依木，戎慧敏，韓旭，王偉中，汪鑫[8]實驗分析得出，含粉粒的粗粒土在很長時間的滲透過程里，因為氨氮離子吸附或者顆粒遷移，都會引起滲透系數(shù)不同程度的變化；下游孔隙的堵塞主要是由顆粒遷移引起的，引起滲透系數(shù)隨時間逐漸降低；土顆粒對氨氮離子的吸附，使得土顆粒表面水化膜厚度產(chǎn)生了壓縮，滲透系數(shù)隨滲透時間增加?？琢顐?，李新明，田湖南[9]利用常規(guī)滲透儀進行了不同細粒含量砂土的滲透實驗，砂土滲透系數(shù)的細粒效應很明顯，滲透系數(shù)隨著細粒的增加而降低。細粒含量低于5%時，效果不明顯；細粒含量在5%～10%時，滲透系數(shù)隨著細粒含量的增加急劇下降。當細粒含量超過25%時，砂土的滲透系數(shù)趨于相對穩(wěn)定。

2.2 黏性土滲透性的研究現(xiàn)狀

王鐵行，盧靖，張建峰[10]通過對不同干密度的壓實黃土土樣進行水平土柱入滲法測試，發(fā)現(xiàn)滲透系數(shù)隨著體積含水量的增大而單調(diào)加速增大，密實黃土的滲透系數(shù)對于密度的變化比較敏感。陳宗先，何翔，熊云山，王銳[11]通過對比分析黏性土滲透系數(shù)k與孔隙比e的3種關(guān)于lgk-lge，lgk-lg(1+e),lgk-e半對數(shù)或雙對數(shù)關(guān)系曲線圖以及對應關(guān)系書，得出滲透系數(shù)與孔隙比呈直線關(guān)系，lgk-lge的線性相關(guān)性最顯著。李萍，李同錄，王紅，梁燕[12]用Childs & Collis-Geroge來預測非飽和黃土的滲透系數(shù)模型，推出了非飽和黃土的滲透系數(shù)與體積含水量以及基質(zhì)吸力之間的關(guān)系。結(jié)果顯示黃土從飽和到非飽和的滲透系數(shù)迅速下降，非飽和黃土滲透系數(shù)與體積含水量以及基質(zhì)吸力之間的關(guān)系都可以用指數(shù)函數(shù)來表示。凌華，張勝，敖大華，王芳，韓華強[13]將復雜應力條件下土體的滲透性試驗在中型三軸儀器上進行。在相同的應力條件下，顆粒和黏土的含量越高，土壤的滲透系數(shù)越小，表明分級是影響土壤滲透系數(shù)的重要因素。隨著圍壓和應力水平的提高，土壤材料的滲透系數(shù)逐漸降低。粉末和黏土含量越低，大顆粒含量越高，圍壓對土體滲透系數(shù)的影響越顯著。對于密度相同的不同層次樣品，應力水平對滲透系數(shù)的影響基本相同。鄒圣鋒，李金柱，王忠瑾，蘭璐，王文軍，謝新宇[14]用GDS滲透儀對寧波粉質(zhì)黏土進行了恒定壓頭試驗，得出結(jié)論：寧波軟土的滲透系數(shù)隨孔隙比的減小而減小，重塑樣品下降更明顯;重塑樣品和原始樣品測試結(jié)果顯示，目前廣泛使用的幾種滲透模型基本符合。提出了以lg[kv(1+e)]～e為參數(shù)的滲透模型，能夠較好的用來描述寧波軟土的滲透系數(shù)和孔隙比之間的非線性變化關(guān)系。周葆春，孔令偉，郭愛國[15]試驗發(fā)現(xiàn)膨脹土的滲透系數(shù)非常小，量級為10-8cm/s～10-9cm/s，隨著干密度的增長而下降，能夠用冪函數(shù)的形式來描述k和ρd的關(guān)系。石灰土的滲透系數(shù)比較小,也伴隨著干密度的增長而下降，但卻大于同一壓實度時膨脹土的滲透系數(shù)；當干密度相近時，兩種土的滲透系數(shù)也接近。

3 總結(jié)與展望

大量實驗結(jié)果表明，土的滲透性主要與土的孔隙率，顆粒級配，物理狀態(tài)，滲透液的密度，粘度有關(guān)。不同種類土的滲透性差異明顯，無黏性土和黏性土在滲透性上的差異也大相徑庭，與上述參量之間的相關(guān)性，敏感度也有很大不同。因此，在研究不同種類土的滲透性時應注意實驗方法，數(shù)據(jù)參量采用的特殊性。此外，對于兩種甚至多種組分的混合土的研究案例目前而言仍相對較少，以待往后眾位學者進行更深入，更全面，更具體的研究和探討。