應力作用下細粒土滲透性研究綜述

焦浩然，魏松，童煜霄，陳清 （合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009）

1 引言

近年來，我國經(jīng)濟快速發(fā)展，基礎設施逐步完善。水利工程、隧道工程以及高層建筑的基礎工程不斷增多。細粒土在自然界中分布面大、量廣，是堤防、大壩、地基、邊坡等建筑物的基本材料。諸多實際工程問題也隨之而來，給國民的生命安全以及經(jīng)濟安全帶來了挑戰(zhàn)。所以，對細粒土滲透性的深入研究是十分有必要的。

《土工試驗方法標準》（GB/T50123-2019）[1]中給出了兩種室內(nèi)測試土體滲透系數(shù)的方法，即常水頭和變水頭滲透試驗，根據(jù)規(guī)范測得的滲透系數(shù)是符合安全標準的。但是，自然界中的細粒土常常是在復雜應力環(huán)境下發(fā)生滲流運動的，規(guī)范給出的測試方法沒有考慮土體所處的應力環(huán)境。所以探究應力狀態(tài)下細粒土的滲透性是符合實際情況的，可以更深入地探究細粒土滲透性規(guī)律。

目前國內(nèi)外學者在該領域研究已經(jīng)取得了一定的成果?；谝陨蠋c介紹，本文將從室內(nèi)試驗以及數(shù)值模擬計算兩個方面，對國內(nèi)外近年來研究現(xiàn)狀和進展進行綜述，給日后學者的研究工作提供一定參考。

2 應力作用下細粒土滲透性試驗研究

為了能夠定量描述滲透系數(shù)與應力狀態(tài)的關系，期望建立二者之間的關系式，Pandian N.S.等[2]對多種土樣進行了固結滲透試驗與討論分析。研究團隊認為，對于給定孔隙率的土樣與其滲透系數(shù)之間相關性較強，討論了應力狀態(tài)與滲透系數(shù)的互換性，為滲透系數(shù)與應力狀態(tài)之間關系式的確定提供了參考數(shù)據(jù)。Tomlinson S.S.等[3]在對管道的侵蝕機理進行研究時發(fā)現(xiàn)很多滲透試驗忽略了圍壓，以及水力梯度的影響，設計研發(fā)了一種新型監(jiān)測工具，可以用來監(jiān)測水頭、圍壓等因素對管道侵蝕的影響。研究表明應力狀態(tài)對含無粘性砂土的滲透變形影響較大，可以推測土體受到應力作用發(fā)生滲透變形是影響其滲透性的重要因素。Guo Lin等[4]研究了循環(huán)荷載作用下的K0固結排水試驗，研究表明外界環(huán)境或加載頻率對于土樣的孔隙水壓力和內(nèi)部結構都會有顯著影響，由此可以推測外界環(huán)境或者加載頻率的改變，使土樣的內(nèi)部結構發(fā)生改變，從而影響其滲透性。

國內(nèi)對于該領域的研究工作并不少。朱建華等[5]利用土石壩黏土心墻的原狀土進行了考慮應力狀態(tài)下的滲透試驗，文章論述了三軸壓縮滲透試驗能夠比一般的滲透試驗更貼合實際情況，而且這類試驗可以根據(jù)實際情況對外界應力條件進行調(diào)整，實現(xiàn)不同情況下工況預測。這種試驗思路對于該領域的研究起到了一定的導向作用。雷紅軍等[6]利用改進的三軸剪切裝置進行了滲透試驗，研究表明圍壓、滲透壓以及滲流方向?qū)ν馏w滲透系數(shù)的影響占主導地位。在此基礎上，藺曉燕等[7]進行了常規(guī)變水頭滲透試驗和土樣在不同壓力作用下的固結-滲透對比試驗，結果表明前者測得的滲透系數(shù)會比后者得到的數(shù)據(jù)大25～40倍。在實驗技術手段不斷的提升條件下，王剛等[8]在傳統(tǒng)滲透實驗的基礎上進行了三軸滲透試驗，觀測了不同應力環(huán)境下、不同壓實黏土的滲透系數(shù)變化情況和試樣變形形態(tài)，詳細論述了這一變化過程和原因，一定程度上揭示了引起黏土滲透性變化的機理。

3 數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀

隨著計算機領域的快速發(fā)展，很多一線工作人員會利用一些軟件對某些工程進行實例分析和判斷。相較于室內(nèi)試驗，數(shù)值模擬在時間等方面有更大的優(yōu)勢，并且數(shù)值模擬計算可以隨時改變條件對實際工程進行預測，做到工程災害的合理預測與規(guī)避?？紤]應力環(huán)境下土體滲透性研究，實際上是基于土體流固耦合理論，數(shù)值模擬可以在這一理論基礎和設定的試驗條件下進行分析。所以利用模擬軟件來計算幫助分析是合理可行的。近年來許多學者通過這一手段得到了許多可供參考的結論。

張欣等[9]利用ABAQUS軟件對某地水庫穩(wěn)定性進行了分析，計算結果表明了應力場通過改變土體的孔隙比從而改變滲透性，所以滲流場也會發(fā)生改變。應力場和滲流場相互影響，造成了應力環(huán)境下測得的土體滲透系數(shù)，與常規(guī)滲透試驗得出的結果顯著不同。他們根據(jù)這一結論模擬了水庫水位周期變化的情況，并討論了水位急劇上升對邊坡穩(wěn)定性的不利情況。在此基礎上，Yang Bei Bei等[10]利用類似軟件考慮到降雨條件下，邊坡內(nèi)部應力場與滲流場的變化關系。依據(jù)計算結果，文中闡述了邊坡內(nèi)部耦合的微觀機理，土體的孔隙率和基質(zhì)吸力之間的相互作用關系。無獨有偶，張曉詠等[11]也利用相同的有限元計算軟件計算了穩(wěn)定滲流作用下邊坡失穩(wěn)情況，比較了流固耦合理論、傳統(tǒng)的極限平衡法和Bishop法，通過與實際工程監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行比對，認為流固耦合理論能夠更合理描述工程情況，得出的結果更具有參考價值。此外，劉婭均等[12]在探究基坑邊坡穩(wěn)定過程中，推導出了滲流微分方程，利用該方程做到了流固耦合和強度折減法相結合使用的計算。依據(jù)這種方法模擬了多種工況情況下的基坑邊坡的穩(wěn)定性，得出雨水強度對基坑穩(wěn)定性影響最大。

本文提及ABAQUS軟件在計算土體流固耦合方面，具有一定的可行性和適用性，許多學者在計算該類問題時，依托于其他模擬軟件進行了嘗試。施炳軍等[13]利用Geo-Studio軟件，結合極限平衡法，采用灰色關聯(lián)度理論對降水過程中邊坡的穩(wěn)定性進行了數(shù)值計算分析，研究得出了邊坡失穩(wěn)的影響范圍變化過程。依次從坡腳開始破壞，然后坡頂處出現(xiàn)破壞面，最后延伸到邊坡內(nèi)部直至完全破壞。郭建偉等[14]利用FLAC3D軟件，對某項目的基坑開挖過程的安全性進行了研究，文獻考慮了降水情況下，基坑在開挖過程中的應力場和滲流場的變化情況，發(fā)現(xiàn)了基坑周邊地面的變形規(guī)律，討論了各種影響因素變化對地面變形的影響程度，在一定程度上為實際工程提供了參考依據(jù)。郭磊等[15]利用FLAC3D軟件在前人數(shù)值方法研究基礎上進行了改進，建立了土體力學特性和流體運動規(guī)律的耦合模型。憑借建立該模型得出的計算結果，揭示了基坑開挖至既定深度后，土體內(nèi)部滲流場尚未變化穩(wěn)定的這一現(xiàn)象，合理推測了應力場也會隨滲流場繼續(xù)變化，從而影響支護結構的受力。研究成果為基坑支護提供了一定的技術支持。

4 結語

①本文從應力作用下細粒土的滲透性試驗和數(shù)值模擬的研究兩個方面，對研究方向進行了綜述。目前該領域的研究工作已經(jīng)取得了一定的成果。

②通過諸多試驗發(fā)現(xiàn)了細粒土的滲透性，因為顆粒組成不同、土體受到外界應力環(huán)境不同等的規(guī)律，利用數(shù)值模擬對許多實際工程出現(xiàn)的邊坡穩(wěn)定、基坑滲漏等問題進行了分析，為實際工程提供了一定參考。

③目前為止，仍未建立一個統(tǒng)一公式來定量描述細粒土滲透系數(shù)和應力狀態(tài)之間的關系式，該方面需要繼續(xù)深入研究。

④在數(shù)值模擬方面，雖然能夠得出一定符合實際情況的規(guī)律，但是計算結果與實際工程的監(jiān)測值之間，往往還存在不小的偏差，也存在計算參數(shù)難于確定等問題。

⑤實際上，應力作用下細粒土滲透性研究，核心是流固耦合問題，特別是應力場存在對土體細觀結構的影響，從而造成了滲透性能的變化，故本課題還待進一步研究。