粘性土滲透破壞及滲透劣化試驗(yàn)研究

羅慧華

（惠州市大禹工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司，廣東 惠州 516001）

土體結(jié)構(gòu)是影響土體強(qiáng)度和穩(wěn)定性的主要因素，滲透侵蝕是破壞土體結(jié)構(gòu)的主要因素。其通過(guò)外力作用可有效地改變粘土礦物的分布情況，從而降低土壤侵蝕，保障工程效益。

1 滲透理論

壩體滲透是壩體中的水分子在水頭壓力作用下，形成的一種由高壓向低壓的遷移現(xiàn)象[1]。在自然界中，不同材料具有不同的性質(zhì)和功能，其滲透作用也存在著較大差異。在固—液相滲流的過(guò)程當(dāng)中，由于各種因素的影響，使得固—液相的濃度分布不均，導(dǎo)致各組分之間存在相對(duì)密度差，也會(huì)造成不同成分的滲透差別。

通常土壤的滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值（cm/s）如下：黏土＜1.2×10-6；粉質(zhì)黏土1.2×10-6～6.0×10-5；粉土6.0×10-5～6.0×10-4；黃土3.0×10-4～6.0×10-4；粉砂6.0×10-4～1.2×10-3；細(xì)砂1.2×10-3～6.0×10-3；中砂6.0×10-2～2.4×10-2；粗砂2.4×10-2～6.0×10-2；礫石6.0×10-2～1.8×10-1。

2 粘性土滲透破壞試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)器材：（1）試驗(yàn)材料包括黃土、紅壤、砂土等。（2）土體的測(cè)量?jī)x器，包括土體的沉降儀、土的拉桿測(cè)力計(jì)、粘性土的靜力計(jì)以及壓力表等；（3）抗壓強(qiáng)度的測(cè)定方法，是通過(guò)對(duì)不同粘土進(jìn)行靜力學(xué)試驗(yàn)，確定抗剪強(qiáng)度的大小；粘性黏土的靜態(tài)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)，是在實(shí)驗(yàn)樣本中逐漸增加靜態(tài)荷載，測(cè)量發(fā)生剪切破壞的荷載值。

試驗(yàn)方法：粘性土的滲透系數(shù)和土壤的容重，是通過(guò)對(duì)不同含水量粘性土的測(cè)試確定的。在試驗(yàn)過(guò)程中，將不同配比的粘土和粉煤灰混合土進(jìn)行測(cè)試，以得到滲透系數(shù)的變化規(guī)律。常用方法有面沉降法、水膜法、重力沉降法、滲流強(qiáng)度法，滲透系數(shù)測(cè)定法等。在這些不同的方法中，最常用的就是透水性滲透指數(shù)的計(jì)算法，因?yàn)樗梢苑从吵霰粶y(cè)場(chǎng)的滲流特征，所以也是最基本的測(cè)水滲透參數(shù)的方法[2]。

2.2 堤壩基底原位檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

堤壩屬人工構(gòu)筑物，其整體穩(wěn)固狀態(tài)和各施工段的受力強(qiáng)度，需在原位狀態(tài)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以確保各施工部位具備足夠的穩(wěn)定性，來(lái)保障堤頂?shù)缆返氖┕?，根?jù)要求可選擇以下三種方式的任意一種進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2.2.1 靜態(tài)觸探實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)利用圓錐形的探測(cè)設(shè)備，在固定檢測(cè)位置施加穩(wěn)定的作用力，使探頭在勻速狀態(tài)下鉆入待檢測(cè)壩體，測(cè)定壩體粘土反作用力。并通過(guò)不同檢測(cè)段的反作用力，判斷堤壩粘土承受力是否符合施工要求。受力計(jì)算公式如下：

式中：ps——鉆頭鉆進(jìn)阻力，MPa；

qc——鉆頭受到的正向阻力，MPa；

fs——鉆頭受到的側(cè)向阻力，MPa；

F——堤壩巖土的摩擦系數(shù)；

kp——鉆進(jìn)阻力系數(shù)；

kq——正向阻力系數(shù)；

kf——側(cè)向阻力系數(shù)；

εp——測(cè)得的鉆進(jìn)力；

εq——測(cè)得的正向阻力；

εf——測(cè)得的側(cè)向鉆進(jìn)阻力。

通過(guò)所受阻力大小的變化，判斷探測(cè)位置粘土的情況。

2.2.2 堤壩粘土十字測(cè)試

通過(guò)施加剪切力，破壞檢測(cè)樣本結(jié)構(gòu)，并通過(guò)扭矩與作用力計(jì)算，推斷樣本抗剪切力。假定樣本粘土的性質(zhì)形態(tài)穩(wěn)定且具有代表性，計(jì)算公式如下：

式中：M——剪切力值；

D——圓形施力工具的直徑；

D1——操作桿的直徑；

H——設(shè)備操作桿扭矩；

Cv——粘土十字值；

Ch——十字板試驗(yàn)成果。

一般情況下，操作桿的直徑D1，在計(jì)算過(guò)程中可以忽略，因此上述算式簡(jiǎn)化為：

由于大部分時(shí)間Cv數(shù)值與Ch相等，被使用的最終公式：

式中：Cu——排水強(qiáng)度值。

2.2.3 動(dòng)態(tài)擊打?qū)嶒?yàn)

采用SPT 檢測(cè)儀器，通過(guò)懸掛在探測(cè)頭上的傳感儀器，將測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸和記錄下來(lái)。再通過(guò)分析計(jì)算，確定檢測(cè)樣本所能承受的最大劈裂作用力。

2.2.4 旁壓實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)需要檢測(cè)儀器保持穩(wěn)定，試驗(yàn)器材的作用力恒定不發(fā)生方向偏移，保證儀器以及測(cè)量設(shè)備準(zhǔn)確檢測(cè)；通過(guò)向待檢測(cè)粘土注入水分，形成壓力造成破壞，并通過(guò)產(chǎn)生的壓力大小計(jì)算土體穩(wěn)定情況。在壓力施加過(guò)程中，隨著測(cè)管水位下降，稱壓力變化主要分為三個(gè)基本的階段，如圖1 所示。

圖1 水位下降與極限稱壓力關(guān)系線性圖

其中：Pf代表能夠保持穩(wěn)定的承壓能力；P1代表了極限承壓力。

2.3 土壤結(jié)構(gòu)以及土壤屬性實(shí)驗(yàn)室飽和檢驗(yàn)法

實(shí)驗(yàn)室飽和檢驗(yàn)法，為針對(duì)土壤法性質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方法。實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)不同方法，使土壤中空氣完全排出，由水填補(bǔ)所有空隙，對(duì)土壤進(jìn)行屬性檢測(cè)形式。實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常使用真空壓力作用、土壤毛細(xì)作用、水頭飽和、二氧化碳輔助、反壓力作用或脫氣等方法獲取飽和狀態(tài)的土壤，采用以下函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

2.3.1 飽和度檢測(cè)

其中Sr為待檢測(cè)飽和度；VW為實(shí)驗(yàn)物質(zhì)含水總體積；VV為實(shí)驗(yàn)物質(zhì)存水空間總體積；γS為實(shí)驗(yàn)對(duì)象重度；γW為水重度；msat為飽和狀態(tài)下實(shí)驗(yàn)對(duì)象總重；md為無(wú)水狀態(tài)下實(shí)驗(yàn)對(duì)象重量；e 為孔隙比。

2.3.2 空隙環(huán)境中水的壓力情況

式中：B 為待檢測(cè)水壓力；Δui為水壓力增加情況；Δδз為周圍壓力增加情況；ui為周圍壓力作用下的水壓變化情況；δзi為周圍壓力情況。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)成果

經(jīng)過(guò)對(duì)堤壩地形、地貌以及周邊環(huán)境的分析，選擇試驗(yàn)取樣地點(diǎn)，對(duì)試驗(yàn)區(qū)域的粘土進(jìn)行了隨機(jī)與定點(diǎn)兩種取樣方法取樣。按照相關(guān)規(guī)定選取了合適的多種試驗(yàn)方法，對(duì)粘性土的含水量、含水率、土壤容重、孔隙度、抗剪切力等進(jìn)行了測(cè)量與計(jì)算，并采用常規(guī)的固體滲析法，對(duì)水進(jìn)行高效分離。試驗(yàn)成果見表1。

表1 堤壩粘土滲透試驗(yàn)成果表

同時(shí)采用人工模擬法，在實(shí)驗(yàn)室中利用計(jì)算機(jī)的快速計(jì)算功能，對(duì)粘性土的滲透性質(zhì)及影響因素等進(jìn)行了模擬計(jì)算，完成了粘土性質(zhì)的分析與評(píng)價(jià)。

3.2 滲透性影響因素分析

3.2.1 土壤滲透性影響因素

（1）土粒間的粘結(jié)力。土體顆粒間的作用力，是由其自身的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)決定的。土體的強(qiáng)度和微觀顆粒結(jié)構(gòu)對(duì)粘土的滲透性影響較大，增強(qiáng)粘土的微觀結(jié)構(gòu)，不僅可以提高粘土的抗剪切能力，而且可以使粘土的滲透率增加。

（2）土壤的含水量。在不同的土體中，其滲透狀態(tài)和滲透系數(shù)都會(huì)有所差異。如細(xì)砂的滲透率高于粘土的滲透率，黏土中的含水量相對(duì)較大，但在干旱地區(qū)，由于水分含量較低，細(xì)顆粒含量較大，土體孔隙度減小，滲流阻力增加，導(dǎo)致滲透率降低。

（3）孔隙度?？紫抖鹊拇笮?huì)對(duì)滲透效率造成影響。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)孔隙度大于等于0.25 時(shí)，滲流的速度會(huì)加快；當(dāng)孔隙度小于0.1 時(shí)，滲流損失就會(huì)減少，所以應(yīng)該盡可能地減小孔隙度。粘土孔隙類型如圖2 所示。

圖2 粘性土孔隙類型示意圖

3.2.2 粘土的顆粒級(jí)配

（1）粘土的滲流過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的物理過(guò)程，它不僅包括滲透層的水化作用，還包含了滲透層非均質(zhì)的相互作用。

（2）影響粘性土滲透性能的主要因素是粘土的顆粒級(jí)配，不同土層的物理性質(zhì)，也不盡相同；而當(dāng)土壤中水分含量較高，會(huì)使土壤孔隙率增加，滲透的阻力減小，粘性強(qiáng)度降低，材料耐久性變差。同一粘土樣本，隨著含水量的增大，其抗壓、抗剪切能力都有不同程度降低；含水量減少塑性指數(shù)升高，含水率上升塑形指數(shù)減小。

4 建議

粘性土發(fā)生滲透破壞，主要是由于含水量高，導(dǎo)致土體的抗剪、抗彎性能降低[3]。為了保證工程質(zhì)量，必須進(jìn)行合理滲透加固，降低土體的長(zhǎng)期滲透性。應(yīng)考慮到以下因素：（1）含水量影響粘性土滲透率、粘度、密度。（2）土壤的孔度、孔隙通透性、含水率對(duì)粘性土滲透率會(huì)產(chǎn)生一定的作用。（3）粘性土松散度、級(jí)配、顆粒結(jié)構(gòu)，可能改變粘性土的滲流能力。（4）粘土的易風(fēng)化性，也會(huì)使?jié)B流阻力增大。