紅粘土滲透特性溫度效應(yīng)試驗(yàn)研究

朱厚影，薛凱喜，康國芳，陳國房，戴道文，田興華

(1.東華理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330013；2.中鐵十六局集團(tuán)路橋工程有限公司，北京 101500)

0 引 言

隨著國內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施的日益完善，諸多地下建筑投入使用，更多的熱源也隨之轉(zhuǎn)移至地下，造成淺層土體的溫度明顯上升，土體性質(zhì)和流體性質(zhì)均發(fā)生相應(yīng)的變化，土體滲透性也隨之產(chǎn)生了變化[1]。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)粘性土滲透特性的溫度效應(yīng)進(jìn)行了深化研究，并對(duì)粘性土滲透性的溫度效應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了深入分析。Ye等[2]研究了膨潤土的滲透特性在不同溫度下的變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，膨潤土的滲透系數(shù)隨溫度升高而增大，并指出粘性土滲透特性對(duì)溫度變化的響應(yīng)機(jī)制僅考慮水的粘滯性變化是不合理的；Habibagahi[3]研究表明，粘性土滲透性對(duì)溫度的響應(yīng)可歸結(jié)為溫度改變了水的粘滯性；Cho等[4]對(duì)膨潤土的溫度效應(yīng)進(jìn)行了研究，指出溫度對(duì)滲透系數(shù)的影響是由水的粘滯系數(shù)隨溫度變化引起的；Delage[5]研究表明，用粘性土固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果間接求取滲透系數(shù)值誤差較大；Wu等[6]研究了云南地區(qū)壓實(shí)固結(jié)紅粘土在垂直壓力下的滲透性。國內(nèi)學(xué)者以粒徑級(jí)配、干密度、礦物成分等為切入點(diǎn)，研究了粘性土的滲透性及其與外界環(huán)境變化之間的聯(lián)系。邵玉嫻[7]指出粘土礦物含量對(duì)滲透性的溫度效應(yīng)具有顯著的影響；何俊[8]采用2種儀器進(jìn)行了粘土滲透性溫度試驗(yàn)得出，滲透系數(shù)的對(duì)數(shù)值和溫度值之間呈正相關(guān)；肖桂元[9]研究了酸雨作用下的紅粘土滲透特性得出，酸雨的酸性越強(qiáng)，對(duì)紅粘土中含F(xiàn)e、Si、Al、K金屬元素的化合物溶解度就越大，進(jìn)而對(duì)紅粘土滲透特性產(chǎn)生更強(qiáng)的影響；有學(xué)者[8，10]以粘性土為研究對(duì)象，對(duì)滲透性的溫度效應(yīng)機(jī)制進(jìn)行分析得出，滲透性的溫度效應(yīng)是由土體孔隙結(jié)構(gòu)、水的活動(dòng)性及吸附結(jié)合水量在溫度作用下發(fā)生改變而引起的。以上研究對(duì)紅粘土的滲透特性進(jìn)行了較為深入的研究，但關(guān)于紅粘土滲透性溫度效應(yīng)的研究成果較少。

紅粘土作為廣泛分布我國兩湖兩廣及江西等地區(qū)的特殊土，涉及到諸多工程。為研究土體滲透性在溫度升高時(shí)的變化規(guī)律和響應(yīng)機(jī)制，本文以南昌地區(qū)第四系紅粘土為研究對(duì)象，采用TST-55滲透儀和自行研制的加熱裝置進(jìn)行了變水頭滲透試驗(yàn)，研究南昌地區(qū)的紅粘土在27、50、65、80 ℃和95 ℃等5種溫度下的滲透特性，在不同溫度下進(jìn)行了變水頭滲透試驗(yàn)，揭示不同溫度下紅粘土滲透性的變化規(guī)律，為地下建筑防滲和垃圾填埋場防污處理等工程設(shè)施建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 試樣制備及試驗(yàn)設(shè)備

1.1 試樣制備

試驗(yàn)土樣為南昌地區(qū)的典型紅粘土，試樣為高4 cm、斷面面積30 cm2的圓柱形。試驗(yàn)中，選擇溫度、初始含水率和初始干密度作為紅粘土滲透特性的影響因素。試樣的主要控制性物理特性指標(biāo)見表1。紅粘土的基本物理特性指標(biāo)見表2。

表1 試樣的主要控制性物理特性指標(biāo)

表2 紅粘土的基本物理特性指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

測定土體滲透系數(shù)的方法和試驗(yàn)儀器需要根據(jù)土體滲透性的強(qiáng)弱來選擇。對(duì)粘性土而言，其滲透系數(shù)一般選用變水頭試驗(yàn)測定。本文試驗(yàn)利用TST-55滲透儀和自行研發(fā)的加熱裝置，通過變水頭試驗(yàn)測定紅粘土的滲透系數(shù)。變水頭滲透試驗(yàn)裝置見圖1。試驗(yàn)中，測定紅粘土滲透系數(shù)時(shí)的溫度可通過自行研發(fā)的加熱裝置進(jìn)行調(diào)控。

圖1 變水頭滲透試驗(yàn)裝置

加熱裝置由升溫系統(tǒng)、控溫系統(tǒng)和感溫探頭3個(gè)部分組成。升溫系統(tǒng)主要由環(huán)狀硅膠加熱圈構(gòu)成，被加熱物體在硅膠加熱圈內(nèi)進(jìn)行加熱，由電磁感應(yīng)促使被加熱物體內(nèi)部產(chǎn)生渦旋電流，再通過硅膠加熱圈的內(nèi)阻產(chǎn)生大量熱能?？販仄髟诮油娫春蠹?/p>

可進(jìn)入工作狀態(tài)，設(shè)置好溫度，電流通過控溫器上的輸出線路對(duì)加熱片進(jìn)行加熱。感應(yīng)探頭把加熱圈的溫度通過橋路傳給單片機(jī)，并在控溫儀上的顯示器顯示所測溫度。單片機(jī)會(huì)自動(dòng)比對(duì)測量溫度和設(shè)定溫度，并在溫度升至設(shè)定溫度時(shí)發(fā)出指令，繼電器斷開電路，硅膠加熱圈停止工作，從而使工作溫度控制在設(shè)定溫度附近。加熱裝置見圖2。

圖2 加熱裝置

2 方案設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

2.1 初始干密度對(duì)滲透性的影響

2.1.1方案設(shè)計(jì)

干密度是土體滲透性的一個(gè)重要影響因素，其值會(huì)影響到土體孔隙含量，進(jìn)而影響滲流面積和孔隙連通性，干密度因此會(huì)對(duì)滲透性產(chǎn)生影響[11-13]。為研究初始干密度對(duì)滲透性溫度效應(yīng)的影響，本方案設(shè)計(jì)了3種干密度水平的試樣(1.55、1.64、1.7 g/cm3)，每種干密度水平的試樣配置3種含水率(18.35%、20%、24%)。溫度由27 ℃逐漸升至95 ℃，測定27、50、65、80 ℃和95 ℃下的滲透系數(shù)，將試驗(yàn)結(jié)果整理成滲透系數(shù)與初始干密度的關(guān)系曲線圖。

依據(jù)GB/T 50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，溫度為T℃時(shí)的粘土滲透系數(shù)KT計(jì)算公式如下

(1)

式中，a為變水頭管橫截面；L為紅粘土試樣高度，即滲流路徑；A為紅粘土試樣橫斷面積；t為水頭變化歷時(shí)；H1、H2分別為試驗(yàn)起始和終止時(shí)的總水頭。按照試樣方案測定的3種干密度水平下不同含水率、不同溫度下的試樣的滲透系數(shù)實(shí)測值見表3。

表3 試樣的滲透系數(shù)實(shí)測值 10-6cm/s

2.1.2結(jié)果分析

相同含水率試樣不同溫度下的滲透系數(shù)與干密度的關(guān)系見圖3。從圖3可知：

(1)同一溫度下，滲透系數(shù)與干密度成反比，即低密度試樣滲透系數(shù)大于高密度試樣。

(2)溫度升高后，各干密度水平下的試樣滲透系數(shù)發(fā)生了不同程度的變化，干密度越小，溫度升高期間的滲透系數(shù)增量越大，隨著土體干密度的增大，滲透系數(shù)增量逐漸變小，圖3中的曲線斜率很好地表征了這一變化規(guī)律。

圖3 相同含水率試樣不同溫度下的滲透系數(shù)與干密度的關(guān)系

(3)干密度達(dá)到最大值時(shí)，各組折線相交于一點(diǎn)，各組試樣的滲透系數(shù)值相同，說明隨著干密度的增大，含水率和溫度對(duì)滲透系數(shù)的影響越來越小，初始干密度對(duì)滲透性的影響強(qiáng)于溫度和初始含水率。

(4)隨著干密度的增大，低含水率試樣滲透系數(shù)變化幅度相對(duì)較?。桓吆史粗?。

2.2 初始含水率對(duì)滲透性的影響

2.2.1方案設(shè)計(jì)

含水率對(duì)土體滲透性的影響是較為復(fù)雜的，含

水率的不同將導(dǎo)致土體飽和度存在差異，土體內(nèi)部在飽和度較低的情況下會(huì)存在大量氣體，氣體堵塞細(xì)小通道，進(jìn)而會(huì)降低孔隙的連通性并影響滲流活動(dòng)[12]。為探明初始含水率對(duì)紅粘土滲透性的影響，測定3種含水率水平(18.35%、20%、24%)的紅粘土滲透系數(shù)，將試驗(yàn)結(jié)果整理為滲透系數(shù)與含水率的關(guān)系曲線圖，并分析初始含水率對(duì)滲透性的影響。

2.2.2結(jié)果分析

同一干密度水平試樣不同溫度下的滲透系數(shù)與含水率的關(guān)系見圖4。從圖4可知：

圖4 同一干密度試樣不同溫度下的滲透系數(shù)與含水率的關(guān)系

(1)同一溫度下，滲透系數(shù)隨著含水率的升高均產(chǎn)生了不同程度的波動(dòng)，隨著干密度的增大，這種波動(dòng)越來越小，印證了初始干密度對(duì)滲透性的影響強(qiáng)于初始含水率這一規(guī)律。

(2)隨著含水率的增大，滲透系數(shù)急劇增大時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度區(qū)間不同，低含水率試樣對(duì)應(yīng)的溫度區(qū)間最高(80～95 ℃)，高含水率對(duì)應(yīng)溫度區(qū)間相對(duì)較低。隨著干密度的增大，各含水率下滲透系數(shù)變化顯著的溫度區(qū)間均為80～95 ℃。

(3)干密度水平較低時(shí)(ρd=1.55 g/cm3)，含水率低于20%，滲透系數(shù)隨著含水率的增大而增大；含水率高于20%，滲透系數(shù)隨著含水率的增大而降低。隨著溫度的升高，這種變化趨勢逐漸減弱，當(dāng)溫度高于65 ℃時(shí)，滲透系數(shù)隨含水率增大(從18.35%增至24%)而增大，說明在低密度水平下，溫度高于65 ℃時(shí)，溫度對(duì)滲透性的影響強(qiáng)于含水率。

2.3 溫度對(duì)滲透性的影響

2.3.1方案設(shè)計(jì)

溫度對(duì)土體滲透性的影響是復(fù)雜的，其復(fù)雜性體現(xiàn)在溫度升高會(huì)導(dǎo)致水的粘滯性降低，水的活動(dòng)性增強(qiáng)[10]；其次，土體中的吸附結(jié)合水量隨著溫度升高會(huì)明顯降低[7，10]，吸附結(jié)合水量的降低會(huì)釋放一定的空間，有效滲流通道會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大；再者，粘性土的孔隙結(jié)構(gòu)也會(huì)隨溫度升高而發(fā)生變化[14-15]?；诖?，為探明環(huán)境溫度對(duì)紅粘土滲透特性的影響，本方案設(shè)計(jì)了27、50、65、80 ℃和95 ℃等5種溫度，測定5種溫度下各組試樣的滲透系數(shù)，將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步整理為滲透系數(shù)與溫度的關(guān)系曲線圖。

2.3.2結(jié)果分析

同一含水率試樣不同干密度下的滲透系數(shù)與溫度的關(guān)系見圖5。從圖5可知：

圖5 同一含水率試樣不同干密度下的滲透系數(shù)與溫度的關(guān)系

(1)各組試樣的滲透系數(shù)均隨溫度的升高而增大，低密度水平的滲透系數(shù)受溫度影響較為明顯，ρd=1.55 g/cm3時(shí)，3種含水率下的滲透系數(shù)增幅分別為112.7×10-6、116.48×10-6、186.6×10-6cm/s。

(2)高密度試樣受溫度影響較弱，ρd=1.64 g/cm3的試樣滲透系數(shù)增幅分別為17.2×10-6、62.3×10-6、8.2×10-6cm/s；最大干密度水平的試樣滲透系數(shù)增幅分別為1.3×10-6、2.5×10-6、1.1×10-6cm/s。根據(jù)上述滲透系數(shù)變化幅度可知，溫度對(duì)低密度高含水率試樣的滲透性影響最為顯著。

(3)ρd=1.7 g/cm3的試樣，其滲透系數(shù)值基本保持不變，再次驗(yàn)證了溫度對(duì)滲透性的影響弱于干密度的規(guī)律。

3 結(jié) 語

本文以南昌市紅粘土為研究對(duì)象，利用TST-55滲透儀和自行研發(fā)的加熱裝置測定了南昌市紅粘土在27、50、65、80 ℃和95 ℃等5種溫度下的滲透系數(shù)，分析了在溫度升高的條件下滲透性的變化規(guī)律，得出的主要結(jié)論如下：

(1)初始干密度對(duì)紅粘土滲透性的影響較為明顯，初始干密度越小，紅粘土的滲透性越強(qiáng)；初始干密度越小，滲透性受溫度影響越顯著，滲透系數(shù)增量越大。最大干密度水平的試樣，其滲透性基本保持不變，受溫度和初始含水率影響最小，說明加大干密度是有效的防滲措施；加大干密度對(duì)高含水率試樣滲透性影響強(qiáng)于低含水率試樣。

(2)含水率大于20%時(shí)，低密度試樣的滲透系數(shù)在常溫下與含水率成反比，溫度高于65 ℃時(shí)，低密度試樣的滲透系數(shù)與含水率成正比，此時(shí)，溫度對(duì)紅粘土滲透性的影響強(qiáng)于含水率。低含水率(18.35%)試樣，在80～95 ℃的溫度區(qū)間內(nèi)，滲透系數(shù)增加幅度與低溫相比較大，對(duì)于高含水率試樣，在相對(duì)低的溫度區(qū)間內(nèi)紅粘土滲透系數(shù)即會(huì)大幅增加。

(3)紅粘土滲透性隨溫度升高而增大，因干密度和含水率不同而出現(xiàn)差異。低密度高含水率試樣受溫度影響最為顯著，滲透系數(shù)增幅最大。

(4)初始干密度對(duì)紅粘土滲透性的影響強(qiáng)于溫度和初始含水率。