土體滲透特性研究現(xiàn)狀

【摘要】土體的滲透性代表了孔隙水在土孔隙之間發(fā)生滲流運(yùn)動的性能，其對土體內(nèi)部的排水固結(jié)速率、土體中的各項排水措施以及工程的安全評估有著顯著的影響。實際工程中，不同類型的土樣在不同的外荷載環(huán)境下其滲透特性具有明顯的差異，因此，對目前取得的各種土樣在不同外荷載環(huán)境下的滲透特性問題進(jìn)行綜述，可為安全建設(shè)提供相應(yīng)的工程指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】土樣;滲透特性;荷載作用? ? ?【中圖分類號】TJ205? ?【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A? ? ? ?【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.36.117

1、引言

土體的滲透性代表了孔隙水在土孔隙之間發(fā)生滲流運(yùn)動的性能，其對土體內(nèi)部的排水固結(jié)速率、土體中的各項排水措施以及工程的安全評估有著顯著的影響。土體中的滲透性主要受外力條件、水力條件和砂樣如粒徑級配、初始含水率、初始密度等自身性質(zhì)的影響。

工程中，不同類型的土樣的滲透特性具有明顯的差異，砂石顆粒間由于通常不存在黏聚力，因此荷載對其滲透過程影響相較于粉土、粘土更加顯著;位于我國南海海域附近的鈣質(zhì)砂保留有海洋生物骨架中的大量微小孔隙，內(nèi)孔隙含量較多，易在外荷載下產(chǎn)生破碎，這也使得其與一般陸相沉積物的滲透特性有著明顯不同。

因此，為了維護(hù)國家利益，促進(jìn)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展，以往學(xué)者深入探究各種土樣在不同外荷載環(huán)境下的滲透特性問題，為工程安全建設(shè)提供了大量工程指導(dǎo)和科學(xué)保障。

2、靜態(tài)滲流問題

目前靜態(tài)滲流問題研究主要集中在砂樣不同的物理參數(shù)和水力條件對其滲透系數(shù)大小的影響上的。

2.1級配對砂樣的滲透性的影響

朱崇輝等通過石英砂滲透系數(shù)隨不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)、孔隙比的變化規(guī)律，建立了石英砂滲透系數(shù)模型。針對鈣質(zhì)砂，任玉賓研究發(fā)現(xiàn)其他物理量保持不變，在鈣質(zhì)砂為單一粒徑時，鈣質(zhì)砂的滲透性隨著粒徑的增大而增大;錢琨通過探究有效粒徑d10、孔隙比e、顆粒級配對鈣質(zhì)砂滲透性的影響，擬合出鈣質(zhì)砂滲透系數(shù)計算的經(jīng)驗公式。值得一提的是，大多數(shù)學(xué)者通過試驗探究發(fā)現(xiàn)，鈣質(zhì)砂的滲透系數(shù)會隨不均勻系數(shù)Cu的增大而增大，而胡明鑒進(jìn)行現(xiàn)場雙環(huán)滲透試驗中卻發(fā)現(xiàn)與此相反的結(jié)論。

2.2 粒徑大小與密實度對砂樣滲透性的影響

郭慶國研究了不同粗顆粒含量下石英砂的滲透性變化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)粗顆粒含量對砂樣的滲透性能存在顯著影響，當(dāng)含量大于40%后，石英砂的滲透性與粗顆粒含量呈正相關(guān)，并且在粗顆粒含量為65%～75%內(nèi)的某點，滲透系數(shù)會隨粗顆粒含量的增加而出現(xiàn)激增;崔翔等針對細(xì)小顆粒隨滲流作用移動問題研發(fā)了相關(guān)試驗裝置，并且通過試驗表明隨著粒徑小于等于0.075 mm的顆粒含量增加，鈣質(zhì)砂滲透系數(shù)總體呈減小趨勢;孔令偉則研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)砂土中粒徑小于0.075 mm的顆粒質(zhì)量占比低于10%時，滲透系數(shù)會隨細(xì)顆粒的增加而急劇減小。

胡明鑒研究發(fā)現(xiàn)鈣質(zhì)砂的滲透系數(shù)會隨著干密度的增大呈指數(shù)規(guī)律增大;錢琨通過試驗證實相同級配的鈣質(zhì)砂隨著孔隙比的增大，滲透系數(shù)也隨之呈指數(shù)增大規(guī)律。

2.3 顆粒形狀對砂樣滲透性的影響

鈣質(zhì)砂顆粒自身形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，為了對顆粒幾何形狀進(jìn)行具體分析，陳海洋等通試驗測試，發(fā)現(xiàn)鈣質(zhì)砂顆粒形狀的分形特征明顯，并且其分型特性會隨著砂樣粒徑的減小而逐漸增強(qiáng);任玉賓探究顆粒形狀與滲透性之間的關(guān)系，分析在相同相對密度Dr下，不同砂樣的滲透系數(shù)大小，最終獲得的滲透系數(shù)結(jié)果為：鈣質(zhì)砂<標(biāo)準(zhǔn)砂<人造玻璃珠;邱珍鋒引入球形度參數(shù)對粗粒土顆粒形狀進(jìn)行判定，球形度越高的土粒，棱角度越弱，滲透性越強(qiáng)。

3、外荷載作用下的滲流問題研究

砂樣在受到外力荷載作用下時，由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，其滲透性能將會發(fā)生明顯改變，對于不同的外荷載，土體的滲透性能變化也不同。

3.1 軸向應(yīng)力對砂樣滲透變形特性的影響

師旭超通過進(jìn)行滲透固結(jié)試驗，探究飽和軟粘土在外荷載作用下的滲透特性問題;蔣中明發(fā)現(xiàn)應(yīng)力狀態(tài)是影響砂礫石土的滲透變形特性的關(guān)鍵因素，即土體承受的約束應(yīng)力越大，滲透破壞所需的臨界水力梯度值越大;付宏淵等發(fā)現(xiàn)當(dāng)砂樣的初始孔隙比較大時，荷載的作用會使其滲透系數(shù)相較于其他密實度較大的試樣迅速下降，但隨著荷載作用下砂樣壓實度的不斷提高，滲透系數(shù)的減小速率將會逐漸放緩。

3.2 振動作用與剪切應(yīng)力對砂樣滲透變形特性的影響

萬良勇等通過改進(jìn)常用的動三軸儀，研究飽和砂土在保持穩(wěn)定滲流的條件下振動作用對穩(wěn)定性的影響。研究發(fā)現(xiàn)同樣的外力作用下，飽和砂土水力梯度值越大，飽和砂土抵抗動力荷載變形作用的能力越低;繆姜燕等通過對軟黏土進(jìn)行振動試驗，發(fā)現(xiàn)軟黏土的滲透系數(shù)會隨著荷載振次的增多而非線性減小，會隨著荷載的振動頻率提高以冪函數(shù)的形式來衰減，另外，在試驗過程中如果砂樣的滲透壓升高，砂樣滲透系數(shù)也會隨之產(chǎn)生指數(shù)衰減。雷紅軍等發(fā)現(xiàn)黏性土在發(fā)生較大軸向應(yīng)變時滲透特性產(chǎn)生規(guī)律性變化，在剪切試驗的起始階段，試樣的滲透系數(shù)迅速減小，而后隨著軸向位移的不斷增加，其變化程度逐漸減小，滲透系數(shù)值最終趨于穩(wěn)定。

3.3 沖擊作用對砂樣滲透變形特性的影響

Ueng等將滲透試驗與沖擊液化試驗相結(jié)合，用于直接評估飽和砂土液化前、液化中和液化后滲透性變化。滲透破壞試驗表明：太沙基理論方程可以很好地預(yù)測砂土試樣砂沸的臨界狀態(tài)，液化試驗表明：液化時砂的滲透性約為初始值的4倍，而超孔壓完全消散和完全沉降后約為初始值的0.9。此外，試驗結(jié)果表明，只有液化現(xiàn)象發(fā)生時才會引起砂樣明顯沉降，而非液化狀態(tài)下砂樣幾乎沒有沉降產(chǎn)生。

結(jié)論：

目前針對土體的滲透特性研究結(jié)果豐富，總結(jié)以往學(xué)者成果，得到的主要結(jié)論如下：

（1）砂樣的滲透性會隨自身物理參數(shù)影響而發(fā)生改變，根據(jù)有效粒徑d10、孔隙比e、顆粒級配等對砂樣的滲透特性影響，擬合出砂樣滲透系數(shù)計算的相應(yīng)經(jīng)驗公式，并且發(fā)現(xiàn)相同相對密度Dr下，不同砂樣的滲透系數(shù)大小顯著不同，不同砂樣的顆粒形狀不同，通過研究發(fā)現(xiàn)，球形度越高的土粒，棱角度越弱，滲透性越強(qiáng);

（2）土體所受的外荷載不同，其滲透性能將會發(fā)生不同的改變，當(dāng)荷載作用使得砂樣的孔隙比減小時，其滲透系數(shù)也會逐漸減小;而當(dāng)砂樣在外荷載作用下發(fā)生液化時，液化狀態(tài)下砂樣的滲透性將會顯著增大。

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作者簡介：

黎曉冬（1996—），女，漢族，山東菏澤人，碩士研究生，研究方向：巖土工程。