黃河沖積粉土的滲透特性研究

南 鈺，蔡瀚琛*，鄭 罡，海 岳，時 剛

（1.國網(wǎng)河南省電力公司開封供電公司，河南開封；2.鄭州大學土木工程學院，河南鄭州）

引言

黃河流域中下游平原廣泛分布著粉土，大部分屬于水成粉土[1-2]。粉土是介于砂土和黏性土之間的一種土，滲透系數(shù)高于黏性土[3-4]。相關學者采用太沙基滲透系數(shù)公式[5]、kozeny-carman 公式等[6-8]研究了粉土的滲透性[9-11]。但是其分析不夠深入，因此，本文以鄭州地區(qū)黃河沖積粉土為研究對象，分析粉土的滲透性。

1 試驗研究

1.1 試驗材料

1.1.1 基本物理性質(zhì)

本試驗用土取自鄭州市西四環(huán)西側某工程場地。對試驗用土分別進行了相對密度、顆分、液塑限聯(lián)合測定試驗，得到土體的基本物理性質(zhì)指標如表1 所示，顆粒級配試驗結果如圖1 所示。

圖1 鄭州粉土的顆粒級配曲線

表1 試驗用土的基本物理性質(zhì)指標

由表1 可知，根據(jù)《建筑地基基礎設計規(guī)范》（GB 50007-2011）[12]第4.1.11 條,判定試驗用土為粉土。

1.1.2 SEM 掃描

采用電子掃描方法分析研究區(qū)域粉土試樣的顆粒微觀結構，如圖2 所示。由圖可知，低放大倍數(shù)下（1 000 倍），粉土的顆粒輪廓清晰，顆粒大小分布不均勻，細顆粒占比較高，偶爾見粗大顆粒，與顆分試驗結果相吻合。在高放大倍數(shù)下（5 000 倍），粉土顆粒形狀以棱角顆粒和磨圓顆粒為主，棱角顆粒棱角分明，形狀不規(guī)則，分布不均勻，其中，土顆粒粒徑以20～50 um 為主。因此，鄭州地區(qū)黃河沖積粉土的顆粒組成以粉粒為主，膠粒含量相對較少。

圖2 鄭州地區(qū)的黃河沖積粉土掃描電鏡圖片

1.2 試樣的壓實標準

研究黃河沖積粉土的滲透特性時，需要考慮試樣壓實度影響，因此開展粉土擊實試驗，得到研究區(qū)域粉土的最大干密度和最佳含水量，進而制備不同壓實度粉土試樣。制備過程將風干、碾碎試驗用粉土并過2 mm 篩，參考塑限含水量，分別配置含水量為8.6%、10.6%、13.6%、16.6%、18%和20.6%的試樣。擊實試驗采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的JDS-2 型數(shù)控電動擊實儀，選用輕型擊實試驗，具體方法按《土工試驗規(guī)程》（SL 237-1999 規(guī)定進行。結果如圖3 所示，由圖可得出試驗用粉土的最佳含水量為13.5%，最大干密度為1.86 g/cm3。

圖3 黃河沖積粉土的擊實試驗結果

1.3 滲透試驗方法

為研究鄭州地區(qū)黃河沖積粉土的滲透特性，對不同壓實度粉土試樣進行滲透試驗，其中，每個壓實度制作兩個試樣進行平行試驗。根據(jù)顆粒級配分析結果，本試驗用粉土的細顆粒含量大于50%，屬于細粒土，因此，土體滲透試驗采用變水頭滲透試驗方法，采用南-55 型變水頭滲透試驗設備。進行變水頭滲透試驗時，主要分為土料準備、制樣、土樣飽和和測試四個步驟。準備土料時，按要求的含水量配置土料后，應在密封袋中保存48 h 以上；按要求的壓實度制樣后，將試樣上下表面墊上濾紙，用透水石和橡皮筋固定后，放置于真空飽和器中抽氣飽和；最后將試樣裝入滲透容器，并在低壓水頭下靜置12 h 進行二次飽和。滲透試驗時，每3 min 作為一個測量時間段，記錄該時間間隔內(nèi)起始水頭高度及終止水頭高度，一次數(shù)據(jù)讀完需將水頭調(diào)至原來起始水頭高度。每個試樣測量6～8次，直至數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定。

2 試驗結果分析

2.1 滲透試驗結果

對不同壓實度的鄭州地區(qū)黃河沖積粉土土樣的滲透試驗結果進行整理，以壓實度λ 為橫坐標，以滲透系數(shù)k 為縱坐標，做出粉土滲透系數(shù)隨壓實度的變化曲線，如圖4 所示。

圖4 黃河沖積粉土滲透系數(shù)隨壓實度的變化曲線

由圖4 可知，鄭州地區(qū)黃河沖積粉土的滲透系數(shù)隨壓實度的增大而減小，壓實度越小，壓實度的變化對滲透系數(shù)的影響幅度越大。對滲透試驗結果進行擬合顯示，黃河沖積粉土的滲透系數(shù)k 與壓實度λ 近似成指數(shù)函數(shù)關系，這表明，若粉土填料壓實度不足則會使粉土地基的滲透系數(shù)顯著增大，進而引發(fā)沖刷、潛蝕等滲透破壞。

2.2 黃河沖積粉土滲透系數(shù)經(jīng)驗公式的驗證

巖土工程、水利工程學等科研領域已有許多用于計算土體滲透系數(shù)的經(jīng)驗公式，如表2所示。這些經(jīng)驗公式大大簡化了滲透系數(shù)測試過程，且揭示了影響土體滲透特性的因素。

表2 土體滲透系數(shù)的常用經(jīng)驗公式

式中，e0為無效孔隙比；a0細粒土中結合水質(zhì)量占液限含水量的比例系數(shù)，0＜a0＜1，對某特定的細粒土，a0為近似常數(shù)，本文取0.8；ρaw結合水密度，取1.2g/cm3；ρs土顆粒的密度，取2.65g/cm3。

然而，表2 中列出的經(jīng)驗公式是否適用于鄭州地區(qū)黃河沖積粉土尚未可知，需要通過室內(nèi)試驗檢驗上述經(jīng)驗公式的適用性。比較粉土滲透系數(shù)試驗結果與上述滲透系數(shù)的經(jīng)驗公式計算值，結果如表3 所示。

表3 黃河沖積粉土滲透系數(shù)試驗結果與經(jīng)驗公式計算結果的對比

由表3 可知，與黃河沖積粉土滲透系數(shù)的試驗結果相比，中科院經(jīng)驗公式與kozeny-carman 公式的計算結果比試驗結果偏大2～3 個數(shù)量級，太沙基公式的計算結果比試驗結果偏小1 個數(shù)量級，預測誤差較大；而采用修正后的kozeny-carman 公式的計算結果與試驗結果誤差相對較小，大體在同一數(shù)量級上。此外，修正后的kozeny-carman 公式比修正前的公式計算結果更接近實際結果，且基本能夠反映壓實度對滲透系數(shù)的影響規(guī)律，除壓實度95%試樣外，其他計算結果誤差相對較小。因此，修正后的kozeny-carman 公式可運用于預測鄭州地區(qū)黃河沖積粉土的滲透系數(shù)。

3 結論

（1） 顆粒級配分析和SEM 結果表明鄭州地區(qū)黃河沖積粉土顆粒以粉粒組為主，黏粒含量相對較少。

（2） 鄭州地區(qū)黃河沖擊粉土的滲透系數(shù)隨壓實度的增大而減小，滲透系數(shù)減小可達一個數(shù)量級以上，滲透系數(shù)與壓實度呈負指數(shù)關系。

（3） 修正kozeny-carman 公式更適于預測鄭州地區(qū)黃河沖積粉土的滲透系數(shù)，且該公式也能反映壓實度不同對粉土滲透系數(shù)的影響。