壓實粉土滲流各向異性的試驗研究

摘 要：為了分析粉質(zhì)填土路堤內(nèi)的滲流規(guī)律，對壓實粉土的滲透性進(jìn)行了室內(nèi)試驗研究。分別以壓樣法和擊實法制備試樣，通過室內(nèi)變水頭滲透試驗研究了壓實粉土在不同滲流方向上滲透系數(shù)的差異以及干密度對其滲透性的影響規(guī)律。結(jié)果表明：2種制樣方法獲得的壓實粉土都是在與壓實面平行方向上的滲透性最強(qiáng)，垂直方向上的滲透性最弱，表現(xiàn)出明顯的滲流各向異性特征，且用擊實法獲得的試樣滲流各向異性更為顯著；另外，隨著干密度的增大，2種試樣在各個方向上的滲透性都減弱，且與壓實面平行和垂直2個方向上的滲透系數(shù)差值也減小。研究結(jié)果可為分析滲流各向異性對粉質(zhì)填土邊坡內(nèi)滲流場的影響及進(jìn)一步合理評價其穩(wěn)定性提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：路基工程；壓實粉土；滲流；變水頭滲透試驗；各向異性

中圖分類號：

TU432

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI： 10.7535/hbgykj.2024yx04001

MA Yue，LIU Zhongyu，ZHU Shaopei.

Experimental study on permeability anisotropy of compacted silt

［J］. Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2024，41（4）：241-246.

Experimental study on permeability anisotropy of compacted silt

MA Yue1， LIU Zhongyu2， ZHU Shaopei2

（1.Xinzheng Hengtai Urban Construction Company Limited， Zhengzhou， He’nan 451150， China；2.School of Civil Engineering， Zhengzhou University， Zhengzhou， He’nan 450001， China）

Abstract：In order to analyze the seepage behaviour of pore water in embankment filled with silt， the permeability of compacted silty soil was studied in laboratory. The samples were prepared by static compaction and hammer compaction， and the difference in permeability coefficient of compacted silt in different seepage directions and the effect of dry density on its permeability were studied by falling head permeability test. The results show that the permeability of the compacted silt obtained by the two methods is the strongest in the direction parallel to the compacted surface， and the weakest in the vertical direction， showing obvious permeability anisotropy. Moreover， the permeability anisotropy of the samples obtained by hammer compaction method is more significant. In addition， with the increase of dry density， the permeability of the two samples decreases in all directions， and the difference of permeability coefficients in parallel and vertical directions with the compaction surface also decreases. The research results can provide a theoretical basis for analyzing the influence of permeability anisotropy on seepage field in silty soil slope and further evaluating its stability reasonably.

Keywords：subgrade engineering；compacted silt; seepage; falling head permeability test; anisotropy

在黃河中下游地區(qū)的河漫灘和階地中，廣泛存在著由于河水反復(fù)沖刷、沉積形成的粉土或粉土狀沉積物。與其他地區(qū)粉土相比，此類粉土往往具有強(qiáng)度低、滲透性強(qiáng)以及粒徑相對集中等特點(diǎn)，因此其所表現(xiàn)出的滲流特性與其他地區(qū)粉土可能會有所不同，土體所表現(xiàn)出的各向異性也會

有差別。另外，在這些地區(qū)也常用粉土作為路堤或河堤的填筑材料，在降雨或河水升降過程中，路堤或河堤邊坡的穩(wěn)定性會受到其內(nèi)部滲流的影響[1-2]。因此，有必要對壓實粉土的滲透特性，特別是滲流的各向異性特征進(jìn)行研究。

土體在沉積、壓密以及荷載等因素作用下會使得孔隙中水的流動具有一定的各向異性特征。試驗表明，平行沉積面或壓實面方向的滲透系數(shù)一般都大于豎直方向[3-14]。文獻(xiàn)[3]—文獻(xiàn)[5]認(rèn)為，這是由于土顆粒的形狀很少為圓球狀，在沉積過程中或固結(jié)應(yīng)力作用下土顆粒長軸方向更易趨于水平。所以，細(xì)觀結(jié)構(gòu)是影響滲透各向異性的重要原因[6]。宋云奇等[7]研究發(fā)現(xiàn)，上海淺層黏土層的滲透各向異性主要由孔隙分布差異導(dǎo)致，與土顆粒沉積過程中形成的絮狀結(jié)構(gòu)關(guān)系不大。ADAMS等[8]則認(rèn)為，滲透各向異性不僅受土顆粒定向排列的影響，同時還受孔隙率的影響。朱建華[9]強(qiáng)調(diào)，分析土的滲透各向異性時必須考慮其應(yīng)力狀態(tài)，因此建議應(yīng)用三軸應(yīng)力控制式滲透試驗測定土的滲透系數(shù)。有研究表明，隨著壓實度（或干密度）、固結(jié)壓力的增大，各個方向上的滲透系數(shù)都減小，且滲透各向異性也相應(yīng)減弱[10-13]。但曹帥等[14]對膨潤土的滲透試驗結(jié)果則與之不同，其滲透各向異性比隨著固結(jié)應(yīng)力的增大而增大。而且，LEROUEIL等[15]的研究表明，黏土種類不同，壓縮應(yīng)變對其滲透性的影響也不相同，即帶狀黏土的滲透率各向異性隨壓縮應(yīng)變的增大而增大，但海相黏土則幾乎與后者無關(guān)。另外，工程界很早就認(rèn)識到施工方法對壩基土層滲透各向異性的影響，統(tǒng)計表明羊角碾碾壓時堤壩橫向滲透系數(shù)平均為縱向滲透系數(shù)的4倍，而用氣胎碾碾壓時，橫向滲透系數(shù)平均為縱向滲透系數(shù)的20～30倍[16]。

綜上所述，關(guān)于土滲流各向異性的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。但考慮到土的成因不同，不同地區(qū)土的性質(zhì)也會有不同，其滲流各向異性規(guī)律也不盡相同，因此根據(jù)各地具體情況開展試驗研究以總結(jié)適用本地的滲流參數(shù)是必要的。本文以鄭州某工地壓實粉土為研究對象，考慮不同施工方法可能對土體結(jié)構(gòu)的不同影響，分別用壓樣法和擊實法制取試樣，并通過室內(nèi)滲透試驗，探討不同制樣方法對壓實粉土滲流特性的影響規(guī)律，以便深入研究滲流各向異性對粉土路堤內(nèi)滲流場的影響規(guī)律，以期為進(jìn)一步合理評價滲流對邊坡穩(wěn)定性的影響提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗概況

1.1 土的基本特性

試驗用土取自鄭州某工地，經(jīng)風(fēng)干篩出雜質(zhì)后，按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019）[17]測定土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)，如表1所示。由于塑性指數(shù)Ip=5.4，所以該土為粉土。

1.2 試樣制備及試驗方法

為考慮密實度的影響，取壓實度分別為95%，90%和85%在最優(yōu)含水率條件下進(jìn)行制樣，即控制試樣干密度分別為1.72，1.63和1.54 g/cm3。根據(jù)對應(yīng)的干密度計算所需的濕土質(zhì)量，分別按照下述擊實法和壓樣法制取較大體積壓實試塊。

1）擊實法 采用JDS-2型數(shù)控電動擊實儀（南京土壤儀器廠有限公司提供）進(jìn)行制樣。為了使試樣上、中、下密度均勻，每層擊實次數(shù)不能相同，試驗采用逐級增加的方法，通過多次嘗試，確定控制干密度最終方案：第1層擊實次數(shù)分別為15，10，6；第2層和第3層擊實次數(shù)分別為30，20，12和45，30，18。制樣完成后，測其上、中、下3個部位的密度，控制極差在0.03 g/cm3以內(nèi)。

2）壓樣法 制樣在萬能壓力機(jī)上進(jìn)行。按照對應(yīng)的干密度將計算好的濕土倒入內(nèi)壁涂有凡士林的模具中，模具兩端各放一塊墊塊，以1 mm/min的速度緩慢加壓。待墊塊完全壓入后穩(wěn)定5 min卸去壓力，用推土器將試樣推出。同樣測其上、中、下的密度，控制極差不超過0.03 g/cm3。

用橫截面積為30 cm2、高度為4 cm的環(huán)刀在制作好的壓實試樣上，按環(huán)刀軸向與壓實面分別呈0°，30°，45°，60°和90°進(jìn)行取樣，然后在TST-55型滲透儀（南京土壤儀器廠有限公司提供）上進(jìn)行變水頭滲透試驗。每個方向分別取3個試樣進(jìn)行平行試驗。根據(jù)達(dá)西定律，按式（1）和式（2）計算滲透系數(shù)。

kT=2.3aLAtlgh0h，（1）

k20=kTηTη20，（2）

式中：kT和k20分別為溫度T和標(biāo)準(zhǔn)溫度（20 ℃）時的滲透系數(shù)，cm/s；ηT和η20分別為溫度T和20 ℃時水的動力黏滯系數(shù)；a為變水頭管的截面積，cm2； L為試樣的高度，cm;A為橫截面面積，cm2；t為試驗時間，s；h0和h分別為開始與終止時試樣兩端的水頭差，cm。受試驗條件限制，本次試驗的水頭差為80～200 cm，即水力坡降范圍為20～50。

2 結(jié)果與分析

2.1滲流形式

當(dāng)飽和土中的滲流為層流時，達(dá)西定律是適用的；當(dāng)水力坡降過大時，試樣中的滲流有可能處于混合流或紊流狀態(tài)，其規(guī)律將偏離達(dá)西定律，此時常用Forchheimer公式描述[18]。實際上，對于細(xì)粒土，當(dāng)水力坡降較小時，其中孔隙水的流動也可能成為非達(dá)西滲流[19]。因此，有必要首先確定在水力坡降的試驗范圍內(nèi)，壓實粉土中的滲流是否符合達(dá)西滲流定律。由式（1）可知，當(dāng)土中滲流符合達(dá)西定律時，lg h與時間t應(yīng)為線性關(guān)系。因此，在用變水頭滲透試驗得到的t-lg h圖中，數(shù)據(jù)點(diǎn)如果可用直線擬合，則為達(dá)西滲流，否則為非達(dá)西滲流。圖1給出了按1.2節(jié)所述2種制樣方式獲得的干密度為1.72 g/cm3的試樣，在不同方向上試樣兩端的水頭差與時間的關(guān)系曲線。由圖1可以看出，本次試驗的水頭差所有試驗點(diǎn)都可用直線擬合。因此，無論采用壓樣法還是擊實法制樣，在本次試驗的水力坡降范圍內(nèi)，所有方向的滲流均符合達(dá)西定律。對其他干密度的試樣也可得到同樣的結(jié)論。

2.2 壓實粉土滲透系數(shù)與滲流方向的關(guān)系

為了探究制樣方法對壓實粉土滲流特性的影響，圖2為不同干密度下2種壓實粉土滲透系數(shù)k20與滲流方向和壓實面之間夾角 θ 的關(guān)系曲線。圖2表明，無論是壓樣法還是擊實法制樣，2種壓實粉土不同方向上的滲透系數(shù)均不相等，都隨著滲流方向與壓實面之間夾角θ的增大而減小，而且在平行壓實面方向的滲透性最強(qiáng)，豎直壓實面方向的滲透性最弱。因此壓實粉土中的滲流是各向異性的。所以，如果實際工程中不考慮路堤或河堤填土的各向異性特征，僅對豎向取樣為主的滲透試驗結(jié)果按各向同性體進(jìn)行分析，將會因低估水平向的滲透性而得出偏小的滲流量，并影響邊坡內(nèi)的孔壓分布，從而對邊坡的穩(wěn)定性評價結(jié)果造成影響。

另外，因平行和垂直壓實面方向的滲透系數(shù)均為最大值和最小值，所以這2個方向應(yīng)為滲透主軸方向，相應(yīng)的滲透系數(shù)應(yīng)為滲透系數(shù)主值k1和k2。沿平行于壓實面方向和垂直于壓實面方向（即2個滲透系數(shù)主值方向）分別取為x軸和y軸，建立坐標(biāo)系xoy；另外，沿壓實面呈θ角方向取為x′軸，與x′軸垂直方向取為y′軸，建立坐標(biāo)系x′oy′。設(shè)2個坐標(biāo)系中的滲透系數(shù)張量分別為K和K′。根據(jù)平面各向異性滲流基本理論及坐標(biāo)變換原理[20-21]，K和K′的分量之間滿足坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系：

K′i′j′=Kijβi′iβj′j，（3）

式中，β=cos θsin θ－sin θcos θ為2個坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換系數(shù)張量。

由式（3）可得，沿x′軸（即與壓實面成θ角方向）的滲透系數(shù)為

k=k1cos2θ+k2sin2θ。（4）

按式（4）對前述試驗數(shù)據(jù)分別進(jìn)行擬合，相應(yīng)理論曲線也分別示于圖2，其確定性系數(shù)R2均大于0.93。這說明，前述試驗數(shù)據(jù)與式（4）吻合。

2.3 制樣方法對壓實粉土滲透性的影響

由圖2可看出，壓實粉土的滲流各向異性特征也受到制樣方法的影響。以干密度為1.72 g/cm3的試樣為例，擊實法制得的試樣在與壓實面平行和豎直方向的滲透系數(shù)分別為5.25×10-6 "cm/s和1.14×10-6 cm/s，2個方向滲透系數(shù)的比值（滲流各向異性比）約為4.61；而壓樣法制得的試樣在這2個方向的滲透系數(shù)分別為7.91×10-6 "cm/s和3.00×10-6 cm/s，其滲流各向異性比值為2.64。所以，擊實法所制試樣的滲流各向異性比壓樣法制得的土樣要更為明顯。因此，在實際工程中，施工方法不同，填土的滲流各向異性就存在差異。這與何秉順等[16]的統(tǒng)計結(jié)果一致。對此可從制樣方法對細(xì)觀結(jié)構(gòu)的影響方面加以解釋。由于鄭州地區(qū)的粉土為粒狀結(jié)構(gòu)體系，顆粒形態(tài)以圓形、橢圓形及扁平狀顆粒為主，而相比靜力壓實（即壓樣法），動力擊實會使得更多顆粒長軸方向趨于與壓實面平行[22]。這種顆粒排列會導(dǎo)致沿壓實面平行方向上的滲透性更強(qiáng)。所以，擊實法試樣的滲流各向異性特征將更為顯著。

由圖2還可以看出，在干密度相同的情況下，壓樣法制取土樣的滲透性整體上比擊實法要強(qiáng)。這是因為不同的制樣方法，使得土體形成的結(jié)構(gòu)不同，土體內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙分布就會存在較大差異。而孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙分布是影響土體滲透性能的主要因素。正如李廣信[23]所指出的，在最優(yōu)含水率條件下進(jìn)行擊實，土樣容易形成分散結(jié)構(gòu)，小孔隙較多，而壓樣法可以更容易形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，團(tuán)粒間的大孔隙決定了滲透性，使其滲透性明顯增強(qiáng)。

2.4 干密度對壓實粉土滲透性的影響

為分析干密度對壓實粉土滲透性的影響，圖3給出了不同取樣方向上的滲透系數(shù)隨干密度的變化曲線。由圖3可知，隨著干密度的增大，各個方向上的滲透系數(shù)都逐漸減小。

由圖3 a）可以看出，隨著干密度的增大，在平行和垂直于壓實面方向上2種試樣滲透系數(shù)的差值都在減小。對應(yīng)干密度分別為1.54，1.63和1.72 g/cm3，擊實法試樣在這2個方向上的滲透系數(shù)差值分別為1.60×10-5，0.81×10-5和0.41×10-5 "cm/s，壓樣法試樣在這2個方向上的滲透系數(shù)差值分別為1.28×10-5，0.41×10-5和0.49×10-5 "cm/s。這與魯潔等[10]的結(jié)論一致，但本文滲流各向異性比并沒有隨干密度的增大而減小。對應(yīng)于3種干密度，擊實法和壓樣法試樣的滲流各向異性比分別為2.70，2.02，4.62和1.57，1.41，2.63。也就是說，壓實粉土的滲流各向異性特征基本上是隨著干密度的增大而波動的。這可能是土的區(qū)域性所致，也可能和試驗條件與試驗設(shè)備有關(guān)。因為魯潔等[10]試驗采用的是GDS三軸滲透儀（GDS公司提供），并施加了50～200 kPa的圍壓。圍壓的施加可以導(dǎo)致試樣在滲透試驗過程中產(chǎn)生一定程度的各向等壓固結(jié)，從而對試樣的孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，而在TST-55型滲透儀中，由于環(huán)刀的限制，試樣的體積是不會變化的。

3 結(jié) 語

采用壓樣法和擊實法分別制備了大體積粉土試樣，沿與壓實面成不同角度用環(huán)刀切取試樣，并進(jìn)行變水頭滲透試驗，探究了制樣方法及干密度等對壓實粉土滲透性的影響，得出如下結(jié)論。

1）壓實粉土的滲透性是各向異性的。平行壓實面方向的滲透系數(shù)最大，而垂直壓實面方向的滲透系數(shù)最小，這2個方向分別為滲透主軸方向。

2）壓實粉土滲透性的強(qiáng)弱和滲流各向異性特征與制樣方法有關(guān)。與壓樣法相比，擊實法制備的壓實粉土，其滲流各向異性程度更大。但壓樣法試樣在各個方向上都比擊實法具有更大的滲透系數(shù)。

3）壓實粉土在與壓實面夾角分別為0°，30°，45°，60°和90°方向上的滲透系數(shù)都隨干密度的增大而減小，且在平行和垂直2個方向上的滲透系數(shù)差值隨著干密度的增大而減小。

4）忽略壓實粉土的滲流各向異性將會低估滲流量，影響路堤邊坡內(nèi)的孔壓分布，從而會對邊坡穩(wěn)定性的評價結(jié)果造成影響。

壓實粉土的滲透規(guī)律不僅受制于制樣方法（施工方法）和密實程度，而且還會受到水力坡降大小等因素的影響。受試驗條件的限制，本文試驗的水力坡降僅為20～50，在此范圍內(nèi)，壓實粉土中的滲流服從達(dá)西定律；如果水力坡降過大或過小，壓實粉土中也可能出現(xiàn)非達(dá)西滲流，此時常規(guī)的滲透試驗可能難以滿足精度要求。在后續(xù)研究中，將設(shè)計新型的滲透試驗方案，以便在更大的水力坡降范圍內(nèi)研究壓實粉土等細(xì)粒土的滲透性。

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