膨脹土滲透特性與膨脹特性實驗研究

【摘要】膨脹土作為高塑性粘土，承載力因水體滲透而逐漸衰減，這極大地限制實際工程的應(yīng)用范圍。本文通過對膨脹土進行重塑土與原狀土滲透性能與膨脹性試驗，對比分析重塑土與原狀土在不同上覆荷載值下滲透系數(shù)的變化規(guī)律，研究了上覆荷載、水頭高度、含水率對重塑土滲透系數(shù)的影響規(guī)律并進一步分析不同初始含水率下的膨脹量與膨脹力。結(jié)果表明：隨上覆荷載的增大重塑土與原狀土滲透系數(shù)逐漸減小。隨含水率增加，滲透系數(shù)在一定范圍內(nèi)先減小，達(dá)到一定程度后，滲透系數(shù)逐漸增大。滲透系數(shù)隨水頭高度增加而增大。隨著初始含水量的增加，膨脹量逐漸減小;膨脹力逐漸減小。

【關(guān)鍵詞】膨脹土;滲透系數(shù);膨脹量

【中圖分類號】 TU411.4

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

1、引言

膨脹土是一種非飽和的、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的區(qū)域性的高塑性粘土，其礦物成分主要為蒙脫石和伊利石。膨脹土特性性能極不穩(wěn)定，具有吸水膨脹、失水收縮、反復(fù)脹縮變形、浸水承載力衰減和干縮裂縫發(fā)育等不良特性。對膨脹土的工程特性進行研究，分析膨脹土特性規(guī)律，對于實際的工程建設(shè)具有重大意義。

本論文主要通過三組實驗，分別對重塑土與原狀土滲透性性能進行分析研究。

2、試驗條件

2.1實驗用料

實驗所用土樣為膨脹粘土，滲透系數(shù)為6.19×10-7 cm/s;原狀土滲透系數(shù)為8.98×10-8cm/s。

2.2實驗方法

將實驗所用土體進行處理后，分別進行滲透實驗和膨脹模型實驗。

3、實驗結(jié)果與分析

3.1膨脹土的滲透系數(shù)變化

3.1.1 原狀土滲透系數(shù)變化

從圖1可以看出，對于同一組試驗，上覆荷載分別為0、100、200、300、400kPa時，滲透系數(shù)依次為6.19x10-7cm/s、3.23×10-7cm/s、2.31×10-7cm/s、9.69×10-8cm/s、7.15×10-8cm/s，隨著上覆荷載的增大，滲透系數(shù)逐漸減小;在較小荷載作用時，滲透系數(shù)隨上覆荷載增大而較快減小，在較大荷載作用時，滲透系數(shù)隨上覆荷載增大減小變得平緩。滲透系數(shù)隨上覆荷載變化呈現(xiàn)非線性規(guī)律，變化率隨著荷載增大而逐漸減小。

3.1.2 重塑土滲透系數(shù)變化

重塑的結(jié)果破壞了絮凝集聚體，從圖2可以看出，上覆荷載分別為0、100、200、300、400kPa時，滲透系數(shù)依次為8.98×10-8cm/s、5.26×10-8cm/s、3.11×10-8cm/s、2.71×10-8cm/s、1.64×10-8cm/s，隨著上覆荷載增大，滲透系數(shù)逐漸減小。滲透對重塑土的影響主要是通過壓實作用改變其孔隙比，土體中孔隙比的改變引起滲透性變化。

3.1.3 原狀土與重塑土滲透系數(shù)比較

將上述的兩組實驗結(jié)果進行對比，研究重塑作用對膨脹土滲透系數(shù)的影響作用。從圖3以看出，在上覆荷載為0時，原狀土滲透系數(shù)為6.19×10-7cm/s，重塑土滲透系數(shù)為8.98×10-8cm/s，原狀土滲透系數(shù)大于重塑土滲透系數(shù)，兩者大約相差1個數(shù)量級。這主要是由于原狀土中有天然的孔隙以及微小裂隙等，為水的滲流提供了很好的通道;而重塑土破壞了土體的結(jié)構(gòu)性，通過擊實作用使得土體顆粒重新分布。從整個趨勢圖來看，原狀土滲透系數(shù)隨上覆荷載曲線變化幅度大，重塑土較為平緩。對從重塑土施加較大的上覆荷載，也無法達(dá)到原狀土滲透系數(shù)，說明原狀土在較長時間沉積中具有較大密實度。

3.1.4 含水率對滲透系數(shù)的影響

含水率一直是影響土滲透系數(shù)的一項重要參數(shù)，本實驗通過試驗分析，得出以下規(guī)律：隨著含水率的增加，滲透系數(shù)在一定范圍內(nèi)先減小，達(dá)到一定程度后，滲透系數(shù)逐漸增大，隨著含水率的逐步增大，滲透系數(shù)也逐漸增大，含水率增大的越快，滲透系數(shù)增大的越快。當(dāng)含水率相同時，隨著密度的增加，土顆粒的質(zhì)量也增加，滲透儀體積不變，土試樣更加密實，滲流的通道變小，滲透系數(shù)隨著變小。變化規(guī)律見圖4。

（1）在重塑土與原狀土的滲透性試驗中，隨著上覆荷載的增加，滲透系數(shù)逐漸減小;原狀土由于其結(jié)構(gòu)致密，不容易發(fā)生滲透;對干密度不同的重塑土樣，隨著干密度的增加，滲透系數(shù)逐漸減小;不同高度的重塑土樣，隨著高度增加，滲透系數(shù)逐漸增大，并且高度增加越快，滲透系數(shù)的變化越快;不同含水率的重塑土樣，隨著含水率的增加，滲透系數(shù)在一定范圍內(nèi)先減小，達(dá)到一定程度后，滲透系數(shù)逐漸增大，隨著含水率的逐步增大，滲透系數(shù)也逐漸增大，含水率增大的越快，滲透系數(shù)增大的越快。

（2） 在膨脹性實驗中，隨著初始含水量的增加，膨脹量逐漸減小;隨著初始含水量的增加，膨脹力逐漸減小;土中含水率越大，膨脹量越大;由于試驗時通過增加水量增大初始含水量，且保濕較長時間，導(dǎo)致一部分膨脹力以膨脹量的形式釋放，初始含水量增大的越多，以膨脹量形式釋放的膨脹力也就越多，因而剩余的膨脹力越小。

（3）在膨脹模型實驗中，隨著開孔數(shù)的增加，膨脹量的減小呈3個階段 ，加水驟增階段、正常膨脹階段、膨脹穩(wěn)定階段。當(dāng)加水到一定程度時，膨脹量穩(wěn)定，說明土樣不再進行膨脹，此時，土樣達(dá)到最大膨脹值。隨著含水量的增加，不同孔數(shù)的土樣膨脹量初始膨脹量不相同，最終膨脹量呈減小趨勢。

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作者簡介：

李小剛，出生于1993年12月，男，本科，中鐵七局集團第三工程有限公司，助理工程師。