吹填珊瑚島礁鈣質(zhì)軟泥的滲透特性試驗(yàn)研究

陳信升，丁選明，蔣春勇，方華強(qiáng)，王成龍

(重慶大學(xué) 山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室；土木工程學(xué)院，重慶 400045)

南海作為中國(guó)第一大海域，憑借其豐富的礦產(chǎn)資源和特殊的地理位置，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防軍事上具有著獨(dú)一無(wú)二的戰(zhàn)略地位。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，中國(guó)對(duì)南海地區(qū)珊瑚礁及海洋資源的開(kāi)發(fā)已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)新階段，鈣質(zhì)軟泥也稱珊瑚泥，是由細(xì)粒珊瑚碎屑組成的一種特殊淤泥狀海相軟土，d<0.075 mm的顆粒含量不小于總質(zhì)量的50%，主要成分與鈣質(zhì)砂相似，碳酸鈣含量高達(dá)90%以上，其作為吹填土的一部分存在于吹填島礁工程建設(shè)中[1-2]。鈣質(zhì)軟泥作為一種海洋土，長(zhǎng)期處于飽和狀態(tài)，鈣質(zhì)軟泥的滲透性對(duì)島礁工程的建設(shè)有著極其重要的影響。

滲透性是鈣質(zhì)軟泥的重要工程特性之一，在地基排水固結(jié)、堤壩滲漏、滲透破壞以及地下水的形成等問(wèn)題上發(fā)揮著主要作用。對(duì)于土體的滲透性，學(xué)者們已經(jīng)做了大量的研究工作。Darcy在對(duì)飽和砂土進(jìn)行過(guò)多次試驗(yàn)后揭示了飽和土中水的滲流速度與水力坡降之間的線性關(guān)系，也為水在土體中的滲流規(guī)律研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[3-4]。Miller等[5]通過(guò)對(duì)水在粘土中滲流的研究，提出了粘土中水流的閾值梯度的概念。徐家海[6]通過(guò)理論推導(dǎo)歸納了4種黏土中液體滲流的滲透速度-水力梯度關(guān)系。王江峰等[7]研究了飽和軟土固結(jié)系數(shù)隨其應(yīng)力歷史的變化，提出土體滲透性能會(huì)受到其固結(jié)歷史的影響。王剛等[8]對(duì)壓實(shí)黏土進(jìn)行了三軸壓縮過(guò)程中的滲透試驗(yàn)，并發(fā)現(xiàn)壓縮過(guò)程中黏土的滲透系數(shù)變化趨勢(shì)與其壓實(shí)度和施加的圍壓有關(guān)。Samarasinghe等[9]將針對(duì)砂土的滲透系數(shù)表達(dá)式做了進(jìn)一步推廣，提出了適用于一般正常固結(jié)黏土的非線性滲透模型。Tavenas等[10]使用三軸試驗(yàn)方法測(cè)定軟黏土的滲透性，并分析得到了一種簡(jiǎn)易滲透模型，在工程中被廣泛使用[11]。房營(yíng)光等[12]將適用于多孔介質(zhì)滲流的K-C方程中的比表面積做了進(jìn)一步修正，使之適用于預(yù)測(cè)黏土的滲透規(guī)律。黎志輝等[13]研究了飽和軟黏土在不同固結(jié)壓力和不同滲透壓力下的滲透特性，并歸納了考慮初始孔隙比的滲透模型。謝康和等[14-15]、齊添[16]采用GDS高級(jí)固結(jié)儀對(duì)蕭山黏土進(jìn)行了一維固結(jié)滲透聯(lián)合試驗(yàn)，在總結(jié)了幾種常用的黏土非線性滲透模型后，提出了一種新的非線性滲透模型。盡管學(xué)者們?cè)谙嚓P(guān)方面做了較詳盡的研究，但過(guò)去的研究主要針對(duì)陸源黏土。鑒于鈣質(zhì)軟泥成分的特殊性、所處地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性，以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件的限制，鈣質(zhì)軟泥的滲透特性研究尚未見(jiàn)報(bào)道。

筆者采用GDSPERM全自動(dòng)環(huán)境巖土滲透試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)南海鈣質(zhì)軟泥進(jìn)行了系列固結(jié)滲透聯(lián)合試驗(yàn)，重點(diǎn)探究了土樣的初始孔隙比、孔隙比、固結(jié)歷史、固結(jié)壓力與水頭差對(duì)鈣質(zhì)軟泥滲透特性的影響規(guī)律，并分析各類非線性滲透模型對(duì)鈣質(zhì)軟泥的適用性。

1 鈣質(zhì)軟泥的基本性質(zhì)

采用的試驗(yàn)材料取自南海某島礁(見(jiàn)圖1)，依照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50123—1999)》對(duì)土樣先后進(jìn)行了含水率、密度、土粒比重、界限含水率及擊實(shí)試驗(yàn)，其中，含水率和密度試驗(yàn)采用天然土樣，其余試驗(yàn)采用重塑土樣，測(cè)得的基本物性指標(biāo)如表1所示。采用激光粒度技術(shù)對(duì)鈣質(zhì)軟泥進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，得到顆分曲線如圖2所示。對(duì)鈣質(zhì)軟泥土樣進(jìn)行場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)試驗(yàn)得到了其天然狀態(tài)下的電子顯微鏡照片如圖3所示。

圖1 南海某島礁吹填現(xiàn)場(chǎng)的鈣質(zhì)軟泥Fig.1 Calcareous clay from a flood filling site on an reef in the South China

表1 鈣質(zhì)軟泥的基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Basic physical properties of calcareous clay

圖2 鈣質(zhì)軟泥的粒徑分布累積曲線Fig.2 Cumulative-size distribution curves of calcareous

圖3 鈣質(zhì)軟泥微觀形態(tài)掃描電鏡圖Fig.3 SEM images of micro-morphology of calcareous

由圖2可見(jiàn)，鈣質(zhì)軟泥粒徑小于0.075 mm的顆粒占比大于70%，其中粉粒含量約占65%，黏粒含量約占5%，其塑性指數(shù)在10～17之間，可定義為粉質(zhì)黏土。鈣質(zhì)軟泥的天然含水率大于液限，是由于其所處的海洋環(huán)境，天然存在狀態(tài)為淤泥狀。珊瑚泥的主要成分為碳酸鈣，比重比碳酸鈣密度(2.93)略小。其不均勻系數(shù)不小于5，曲率系數(shù)在1～3之間，說(shuō)明此珊瑚泥土樣級(jí)配良好。鈣質(zhì)軟泥顆粒形態(tài)主要為片狀及堆疊形成的板塊狀，顆粒表面附著有大量不規(guī)則的團(tuán)聚體，這種顆粒形態(tài)與其作為生物分泌碎屑的產(chǎn)生方式有關(guān)，且導(dǎo)致了鈣質(zhì)軟泥顆粒排列無(wú)法形成穩(wěn)定的土骨架，內(nèi)部孔隙較多，但孔隙分布不均勻，使其滲透性能相較于其他陸源土體具有一定的特殊性。

2 鈣質(zhì)軟泥滲透試驗(yàn)方法

為了研究鈣質(zhì)軟泥的滲透系數(shù)隨孔隙比、固結(jié)壓力以及水頭的變化規(guī)律，使用GDSPERM全自動(dòng)環(huán)境巖土滲透試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)重塑鈣質(zhì)軟泥土樣進(jìn)行系列固結(jié)滲透聯(lián)合試驗(yàn)，分別控制不同變量，測(cè)定土樣在特定試驗(yàn)條件下的滲透系數(shù)。

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

圖4為GDSPERM全自動(dòng)環(huán)境巖土滲透試驗(yàn)系統(tǒng)。與常規(guī)的滲透試驗(yàn)儀器相比，GDSPERM可以對(duì)試樣不同圍壓及不同的應(yīng)力路徑測(cè)定土樣在特定受力條件下的滲透系數(shù)，更加直觀地模擬工程實(shí)際，且對(duì)于鈣質(zhì)軟泥這種滲透性能較差、試驗(yàn)周期較長(zhǎng)的土體，整體系統(tǒng)在試驗(yàn)過(guò)程中均處于一個(gè)相對(duì)密封的環(huán)境下，避免因水分蒸發(fā)、流失而造成的試驗(yàn)誤差；與常規(guī)的固結(jié)儀器相比，對(duì)于鈣質(zhì)軟泥類具有非線性滲透特定的軟黏土，GDSPERM根據(jù)定義自動(dòng)計(jì)算滲透系數(shù)，有效避免了固結(jié)試驗(yàn)根據(jù)太沙基一維固結(jié)理論反推滲透系數(shù)須假定土體滲透系數(shù)不變的邏輯錯(cuò)誤，且三軸滲透試驗(yàn)允許土樣進(jìn)行三維等壓固結(jié)，對(duì)于長(zhǎng)期處于海洋環(huán)境的飽和鈣質(zhì)軟泥來(lái)說(shuō)，相較于一維固結(jié)試驗(yàn)更接近工程實(shí)際。

圖4 GDSPERM全自動(dòng)環(huán)境巖土滲透試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.4 GDSPERM automatic environmental rock and

2.2 試驗(yàn)方法與內(nèi)容

采用GDSPERM全自動(dòng)環(huán)境巖土滲透試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)直徑為39.1 mm、高度為80 mm的標(biāo)準(zhǔn)滲透鈣質(zhì)軟泥土樣進(jìn)行系列固結(jié)滲透聯(lián)合試驗(yàn)。試驗(yàn)分為5個(gè)控制不同變量的試驗(yàn)組，控制的變量分別為是否固結(jié)、滲透液中NaCl含量、初始孔隙比、固結(jié)壓力和滲透壓差也即水頭差。由于土樣從固結(jié)階段進(jìn)入滲透階段時(shí)圍壓保持不變，因此，在進(jìn)行不固結(jié)滲透試驗(yàn)時(shí)，也應(yīng)設(shè)置與對(duì)照組相同的滲透圍壓。試驗(yàn)變量參數(shù)設(shè)置如表2所示，其中“/”表示該變量下的階梯設(shè)置，試樣編號(hào)與參數(shù)設(shè)置一一對(duì)應(yīng)。鈣質(zhì)軟泥的天然孔隙比經(jīng)計(jì)算為1.03，為了保證與實(shí)際工程狀態(tài)相接近，在改變其他變量時(shí)，均將土樣的初始孔隙比控制為1.0；而在設(shè)置不同濃度的NaCl溶液時(shí)，采用的是與海水鹽度單位相同的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)(即溶質(zhì)質(zhì)量/溶液質(zhì)量×100%)進(jìn)行配比。

表2 試驗(yàn)變量參數(shù)設(shè)置Table 2 Parament setting of experimental variables

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)可分為3個(gè)階段：飽和階段、固結(jié)階段和滲透階段。在飽和階段時(shí)，當(dāng)檢測(cè)到試樣B值(孔隙水壓力增量與周圍壓力增量之比)大于0.98時(shí)，可認(rèn)為試樣完全飽和并進(jìn)入固結(jié)階段。在固結(jié)階段中，當(dāng)試樣內(nèi)部孔壓消散至與施加的反壓相等且試樣體積穩(wěn)定，不再變化時(shí)，可認(rèn)為試樣固結(jié)完畢并進(jìn)入滲透階段。滲透階段的滲透系數(shù)是由GDSPERM系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算得出并實(shí)時(shí)反映，其原理是根據(jù)定壓和底壓控制器在一個(gè)單位記錄時(shí)間內(nèi)(10 s)的體積變化(也即土樣的滲流量ΔQ)計(jì)算得到，該計(jì)算方法利用了達(dá)西定律以及微分思想(認(rèn)為土樣的滲透系數(shù)在微小的單位時(shí)間內(nèi)是不變的)。當(dāng)試驗(yàn)滿足上述所有條件時(shí)才可認(rèn)為試驗(yàn)成功。所有試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，其中，土樣孔隙比的變化是考慮了土樣在固結(jié)階段的體積變化計(jì)算得到，也即土樣在進(jìn)入滲透階段的實(shí)際孔隙比，用e′表示。從表中可以看出，鈣質(zhì)軟泥的滲透系數(shù)均保持在10-6～10-7cm/s之間，與常見(jiàn)軟黏土相似。

表3 室內(nèi)滲透試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Permeability of the calcareous clay determined with GDSPERM system

續(xù)表3

3.1 水力梯度及固結(jié)歷史對(duì)鈣質(zhì)軟泥滲透性的影響

表3中，CC-03、CC-04兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)可反映鈣質(zhì)軟泥在固結(jié)與不固結(jié)兩種條件下水力梯度的變化對(duì)其滲透過(guò)程的影響，為減少因不同試樣結(jié)構(gòu)性不一致對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成的影響，這兩組試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果均為對(duì)一個(gè)試樣由小到大依次施加系列滲透壓差進(jìn)行滲透所得到，同時(shí)，對(duì)其每一個(gè)滲透階段的孔隙比變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5，其中，用Δp=0來(lái)代表固結(jié)階段。

圖5 各滲透壓差下試樣的孔隙比變化Fig.5 Variation of the void ratio of the sample under

從圖5可以看出，固結(jié)試驗(yàn)與不固結(jié)試驗(yàn)最大的區(qū)別在于固結(jié)試驗(yàn)試樣的主要孔隙比變化發(fā)生在固結(jié)階段，從1.00下降至0.93，而不固結(jié)試驗(yàn)試樣的主要孔隙比變化發(fā)生在最開(kāi)始的滲透階段，即Δp=20 kPa的階段，可認(rèn)為此時(shí)土樣的固結(jié)與滲透在同時(shí)進(jìn)行，只是該階段的不固結(jié)試驗(yàn)比固結(jié)試驗(yàn)耗時(shí)要長(zhǎng)。但每一個(gè)階段滲透達(dá)到穩(wěn)定后，兩組試樣的孔隙比均維持在0.94～0.95，可認(rèn)為兩組試驗(yàn)在同一孔隙比條件下完成滲流，試驗(yàn)結(jié)果具有可比性。經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)推算得到兩組試驗(yàn)的滲流速度v-水力梯度i關(guān)系如圖6所示。

圖6 滲流速度-水力梯度曲線Fig.6 Relationship curves between seepage velocity

從圖6中可以看出，無(wú)論是固結(jié)還是不固結(jié)試驗(yàn)，兩組數(shù)據(jù)均可用一條不經(jīng)過(guò)原點(diǎn)的直線很好地?cái)M合，兩組試驗(yàn)共同證明了鈣質(zhì)軟泥滲流存在明顯的初始水力梯度i0，其值約在5～10之間。當(dāng)i>i0時(shí)，鈣質(zhì)軟泥仍將按照線性滲透規(guī)律進(jìn)行，水力梯度的改變基本不會(huì)對(duì)其滲透系數(shù)造成影響。這與Miller等[5]提出的v=k(i-i0)黏土滲流模型相似。

對(duì)比兩組數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在孔隙比基本一致的情況下，試樣在固結(jié)后進(jìn)行的滲透試驗(yàn)所測(cè)得的滲透系數(shù)大于不固結(jié)試驗(yàn)組。這主要是因?yàn)殁}質(zhì)軟泥土顆粒較細(xì)，粒徑小于0.075 mm的顆粒占70%以上，未經(jīng)過(guò)固結(jié)的土樣不能形成穩(wěn)定的土骨架和孔隙結(jié)構(gòu)，施加滲透壓差后，水流更易帶走土中細(xì)顆粒，造成滲流通道的堵塞，因此，盡管滲透穩(wěn)定后能達(dá)到跟固結(jié)后土樣相同的孔隙比，但孔隙結(jié)構(gòu)遭到破壞，導(dǎo)致不固結(jié)試驗(yàn)的滲流速度相對(duì)較慢，滲透系數(shù)較小。

3.2 固結(jié)壓力對(duì)鈣質(zhì)軟泥滲透性的影響

表3中CC-02試驗(yàn)組數(shù)據(jù)可反映鈣質(zhì)軟泥在不同固結(jié)壓力下的滲透規(guī)律，為控制變量，該組試驗(yàn)采用相同初始孔隙比e0=1.0的鈣質(zhì)軟泥土樣，在不同固結(jié)壓力下進(jìn)行固結(jié)，最后在相同的滲透壓差下滲透，得到試驗(yàn)結(jié)果。土樣在不同固結(jié)壓力下固結(jié)后的孔隙比變化如圖7所示。

圖7 孔隙比隨固結(jié)壓力的變化Fig.7 Variation of void ratio with consolidation

由圖7可見(jiàn)，鈣質(zhì)軟泥的孔隙比隨固結(jié)壓力的增大而減小，減小的趨勢(shì)隨固結(jié)壓力的增大而逐漸趨于平緩，擬合曲線與一般陸源黏土的e-p曲線形狀相類似。在不同固結(jié)壓力下固結(jié)后進(jìn)行滲透，鈣質(zhì)軟泥的滲透系數(shù)隨固結(jié)壓力的變化如圖8所示。

圖8 滲透系數(shù)隨固結(jié)壓力的變化Fig.8 Variation of permeability coefficient with

由圖8可以看出，鈣質(zhì)軟泥的滲透系數(shù)隨固結(jié)壓力的增大而減小，但減小的幅度并不大，基本保持在同一數(shù)量級(jí)以內(nèi)。滲透系數(shù)減小的主要原因?yàn)轱柡屯馏w受力固結(jié)，排水的同時(shí)也損失了孔隙體積，致使土體內(nèi)部有效滲流通道進(jìn)一步減少或被擠壓，滲透性能減弱。但滲透性能的變化不明顯也能從側(cè)面說(shuō)明天然孔隙比e≈1.0是鈣質(zhì)軟泥經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間自重固結(jié)后達(dá)到的狀態(tài)，土體的孔隙結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定，因此，滲透性能不會(huì)發(fā)生較大變化。

圖9反映的是鈣質(zhì)軟泥土樣在不同固結(jié)壓力下滲透系數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律，總體規(guī)律基本是在施加滲透壓差后，土樣突然受擾動(dòng)，起始滲透系數(shù)較大，隨后結(jié)構(gòu)逐漸穩(wěn)定，滲透系數(shù)逐漸下降并趨于平穩(wěn)。從圖9中可以看出，固結(jié)壓力越大時(shí)，起始滲透系數(shù)越大，這是因?yàn)?，在不同的固結(jié)圍壓下，施加相同的水頭差所需要的力不同，在圍壓越大的情況下，所施加的力越大，對(duì)土體的擾動(dòng)就越大，因此，起始滲透系數(shù)就越大；當(dāng)固結(jié)壓力越大時(shí)，滲透系數(shù)達(dá)到穩(wěn)定所需要的時(shí)間就越長(zhǎng)，盡管經(jīng)過(guò)固結(jié)后的土樣能在開(kāi)始滲透的1 h內(nèi)基本達(dá)到穩(wěn)定，但在固結(jié)圍壓與水頭差的作用下，固結(jié)圍壓越大，土體就越容易在滲透時(shí)發(fā)生微小變形(類似于土體蠕變)，因此，滲透系數(shù)就越難達(dá)到穩(wěn)定。

圖9 各固結(jié)壓力下滲透系數(shù)隨時(shí)間的變化Fig.9 Variation of permeability coefficient with time under each consolidation

3.3 孔隙比對(duì)鈣質(zhì)軟泥滲透性的影響

表3中CC-01試驗(yàn)組數(shù)據(jù)可反映不同初始孔隙比的鈣質(zhì)軟泥在相同條件下的滲透規(guī)律，為了防止固結(jié)過(guò)程中土樣的孔隙比變化對(duì)試驗(yàn)規(guī)律造成的干擾，在進(jìn)入滲透階段時(shí)，再次測(cè)定了土樣的實(shí)際孔隙比。鈣質(zhì)軟泥的滲透系數(shù)隨孔隙比的變化規(guī)律見(jiàn)圖10。

圖10 滲透系數(shù)隨孔隙比的變化Fig.10 Variation of permeability coefficient with void

從圖10中可以看到，隨著孔隙比的增大，鈣質(zhì)軟泥的滲透系數(shù)也逐漸增大，但增大趨勢(shì)在逐漸減小，由于土樣的孔隙比越大，土體內(nèi)部能夠形成的有效滲流通道就越多，橫斷面上的有效面積就越大，在相同的滲透壓差下，水流的滲透速度越快，滲透系數(shù)就越大。為了更好地預(yù)測(cè)鈣質(zhì)軟泥的滲透規(guī)律，選用工程中常見(jiàn)的適用于黏土的非線性滲透模型：lg[kv(1+e)]-lge模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合。

lg[kv(1+e)]-lge滲透模型是由Samarasinghe等在研究正常固結(jié)土的滲透和固結(jié)特性時(shí)，將Taylor總結(jié)的針對(duì)砂土的滲透系數(shù)表達(dá)式做了進(jìn)一步推廣，提出的適用于一般正常固結(jié)黏土的非線性滲透模型[17-18]。

(1)

也即lg[kv(1+e)]=lgC+nlge。式中：C為反映土體性質(zhì)的參照滲透系數(shù)；n為土體材料參數(shù)。

滲透模型的擬合結(jié)果見(jiàn)圖11。

圖11 試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果Fig.11 Results of experimental data fitting for

由圖11可知，該滲透模型能很好地?cái)M合鈣質(zhì)軟泥的滲透性能，相關(guān)系數(shù)R為0.96。由于鈣質(zhì)軟泥中黏粒含量較低，僅為5%左右，且主要成分為碳酸鈣，沒(méi)有足夠的黏土礦物成分，黏聚性不強(qiáng)，所以，作為細(xì)粒土的一種，在滲透性能上會(huì)更偏向于砂土，因此，lg[kv(1+e)]-lge滲透模型具有較好的擬合效果，為適用于鈣質(zhì)軟泥的最優(yōu)非線性滲透模型。

3.4 孔隙液離子濃度對(duì)鈣質(zhì)軟泥滲透性的影響

相同初始狀態(tài)的鈣質(zhì)軟泥在不同NaCl濃度的孔隙液下的滲透規(guī)律如圖12所示?？傮w上，鈣質(zhì)軟泥的滲透系數(shù)隨孔隙液中NaCl濃度的增大呈非線性減小趨勢(shì)，并且趨勢(shì)明顯，減小幅度在一個(gè)數(shù)量級(jí)之內(nèi)，與一般陸源黏土呈現(xiàn)出相反的趨勢(shì)[19-20]。為進(jìn)一步探究出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因，對(duì)滲透過(guò)程中進(jìn)、出水口的孔隙液取樣，測(cè)檢其中主要陽(yáng)離子濃度，以反映滲透前后孔隙液中離子濃度的變化情況。測(cè)檢結(jié)果見(jiàn)圖13。

圖12 滲透系數(shù)隨孔隙液NaCl濃度的變化Fig.12 Variation of permeability coefficient with NaCl

圖13 滲透前后孔隙液中各離子濃度Fig.13 Concentration of each ion in pore solution before

由圖13可知，滲透前后孔隙液中的陽(yáng)離子濃度均有一定程度減少，而Ca離子在去離子水滲透中的增大是低濃度溶液攜帶部分細(xì)小鈣質(zhì)軟泥滲出所致。滲透前后孔隙液中陽(yáng)離子濃度減小的現(xiàn)象可以用Gouy-Chapman的擴(kuò)散雙電層理論進(jìn)行合理解釋[21]。土顆粒表面帶有負(fù)電荷，在滲透過(guò)程中吸附孔隙液中的陽(yáng)離子形成離子擴(kuò)散雙電層，極性水分子受到微電場(chǎng)影響，定向排列形成結(jié)合水膜，從而進(jìn)一步減小了土顆粒間有效孔隙的面積，使自由水流動(dòng)的粘滯阻力增大，滲透性減小。從圖14可以看出，滲透前后孔隙液中主要離子Na+的損失量基本上隨著NaCl濃度的增大而增大，說(shuō)明隨著孔隙液離子濃度的增大，鈣質(zhì)軟泥土體在滲透過(guò)程中吸附了越多的陽(yáng)離子，形成的結(jié)合水膜厚度增加，展現(xiàn)出更強(qiáng)的粘滯流動(dòng)阻力，因此，鈣質(zhì)軟泥的滲透系數(shù)隨孔隙液離子濃度的增大而減小。

圖14 滲透前后Na+濃度的損失量隨孔隙液NaCl濃度的變化Fig.14 Variation of loss of Na+ concentration before and after permeation with NaCl solution

4 結(jié)論

采用GDSPERM全自動(dòng)環(huán)境巖土滲透試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)取自南海某島礁的鈣質(zhì)軟泥進(jìn)行系列固結(jié)滲透聯(lián)合試驗(yàn)，整理分析了孔隙比、固結(jié)歷史、固結(jié)壓力以及水力梯度對(duì)鈣質(zhì)軟泥滲透特性的影響規(guī)律，得到如下結(jié)論：

1)鈣質(zhì)軟泥的滲透系數(shù)基本不隨水力梯度的變化而變化，其滲流速度與水頭差之間的v-i關(guān)系呈一條不經(jīng)過(guò)原點(diǎn)的直線，滲透系數(shù)保持在10-6數(shù)量級(jí)上，存在明顯的初始水力梯度。

2)與固結(jié)試驗(yàn)得到的滲透系數(shù)相比，在保證孔隙比相同的條件下，不固結(jié)試驗(yàn)得到的滲透系數(shù)更低，其原因?yàn)椴还探Y(jié)試驗(yàn)未形成穩(wěn)定土體結(jié)構(gòu)，滲流孔隙通道易發(fā)生堵塞。

3)隨著固結(jié)壓力的增大，鈣質(zhì)軟泥的孔隙比呈非線性減小，其滲透系數(shù)也相應(yīng)減小，但總體減小幅度不大，變化范圍在一個(gè)數(shù)量級(jí)以內(nèi)；且固結(jié)壓力越大，起始滲透系數(shù)就越大，最終達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間就越長(zhǎng)。

4)隨著孔隙比的增大，鈣質(zhì)軟泥的滲透系數(shù)也逐漸增大，兩者呈非線性關(guān)系；分析發(fā)現(xiàn)lg[kv(1+e)]-lge模型適用范圍接近土體特性，線性化明顯，擬合效果好，為適用于鈣質(zhì)軟泥的較優(yōu)非線性滲透模型。

5)鈣質(zhì)軟泥的滲透系數(shù)隨滲透液NaCl濃度的增大而減小，且滲透前后滲透液中的陽(yáng)離子明顯減小，主要是土體在滲透時(shí)吸附陽(yáng)離子形成擴(kuò)散雙電層阻礙自由水流動(dòng)所致。