基于滲壓實(shí)驗(yàn)的濟(jì)南典型粉質(zhì)黏土滲透特性

摘要： 為了探討濟(jì)南14-1層典型粉質(zhì)黏土滲透系數(shù)各向異性的內(nèi)在機(jī)制，基于滲壓實(shí)驗(yàn)并結(jié)合掃描電子顯微鏡技術(shù)，研究不同固結(jié)壓力條件下該土層的滲透特性及微觀結(jié)構(gòu)特征，得出土層的滲透系數(shù)各向異性與固結(jié)壓力、 孔隙結(jié)構(gòu)的關(guān)系。結(jié)果表明： 在室內(nèi)常規(guī)滲透實(shí)驗(yàn)中，該土層在豎直方向的滲透系數(shù)大于水平方向的，并且豎直方向的滲透系數(shù)平均值是水平方向的1.64倍；隨著固結(jié)壓力的增大，粉質(zhì)黏土的滲透系數(shù)逐漸減小，并且豎直方向的滲透系數(shù)始終大于水平方向的，在固結(jié)壓力為500 kPa時(shí)，豎直方向的滲透系數(shù)增至水平方向的近5倍，體現(xiàn)出土層在不同方向的結(jié)構(gòu)性差異； 原狀土的滲透系數(shù)顯著大于重塑土的，在固結(jié)壓力為100 kPa時(shí)，原狀土的滲透系數(shù)約為重塑土的5.5倍，突顯了土層結(jié)構(gòu)性對(duì)滲透特性的顯著影響； 掃描電子顯微鏡圖像進(jìn)一步揭示了土層中的空間網(wǎng)狀孔隙和孔洞結(jié)構(gòu)，豎直方向的不均勻孔隙和裂隙結(jié)構(gòu)有利于豎向滲流；固結(jié)壓力的增加導(dǎo)致土層孔隙減小，顆粒間接觸更緊密，從而使?jié)B透阻力增大。

關(guān)鍵詞： 地下工程； 滲透系數(shù)； 滲壓實(shí)驗(yàn)； 粉質(zhì)黏土； 各向異性

文章編號(hào)：1671-3559（2025）02-0221-07

中圖分類(lèi)號(hào)： TU41

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Permeability Characteristics of Typical Silty Clay in Jinan Based on Osmotic Pressure Experiment

FU Qinghua1， LIU Yan1， ZHOU Xiang2， LIU Yong3， LI Haibo4

（1. a. School of Civil Engineering and Architecture， b. The Engineering Technology Research Center for Urban Underground Engineering Support and Risk Monitoring of Shandong Province， University of Jinan， Jinan 250022， Shandong， China;

2. China Railway 14th Bureau Group Big Shield Engineering Co.， Ltd.， Nanjing 211803， Jiangsu， China;

3. Shandong Chambon Construction Group Co.， Ltd.， Jinan 250014， Shandong， China

4. The Workers’Cultural Palace of Changyi City， Weifang 261300， Shandong， China）

Abstract： To explore internal mechanism of permeability coefficient anisotropy of 14-1 layer typical silty clay in Jinan， permeability characteristics and microstructure characteristicsofthesoillayerunderdifferentconsolidationpressures were researched on the basis of osmotic pressure experiment and scanning electron microscopy technology， and the relationship between" permeability coefficient anisotropy of the soil layer and consolidation pressure as well as pore structure was obtained. The results show that in indoor conventional permeability experiment， the permeability coefficient of the soil layer in vertical direction is greater than that in horizontal direction， and the average permeability coefficient in vertical direction is 1.64 times of that in" horizontal direction. With the increase of consolidation pressure， the permeability coefficient of silty clay gradually decreases， and the permeability coefficient in vertical direction is always greater than that in horizontal direction. When the consolidation pressure is 500 kPa，thepermeabilitycoefficientinverticaldirectionincreases to nearly 5 times of that in horizontal direction， reflecting structural difference of the soil layer in different directions. The permeabilitycoefficientofundisturbedsoilissignificantlygreaterthanthatofremolded soil. When the consolidation pressure was 100 kPa， the permeability coefficient of undisturbed soil is about 5.5 times of that of remodeled soil，whichhighlightssignificantinfluencesofsoilstructure on permeability characteristics. Scanning electron microscope images furtherrevealspatialreticularporeandporespace structures in the soil layer. Uneven pore and fissure structures in vertical direction are conducive to vertical seepage. The increase of consolidation pressure leads to the decrease of soil layer pores and tighter contact between particles， so that the permeability resistance increases.

Keywords： underground works; permeability coefficient; osmotic pressure experiment; silty clay; anisotropy

濟(jì)南地區(qū)地質(zhì)環(huán)境具有特殊性，地下水量豐沛，潛水與承壓水共存，粉質(zhì)黏土、 細(xì)砂層和碎石層廣泛分布，導(dǎo)致在基坑工程建設(shè)中極易發(fā)生突涌、 流砂等工程事故。

目前學(xué)者們對(duì)粉質(zhì)黏土的滲透特性開(kāi)展了較多研究。 達(dá)西定律^［1］作為研究滲透系數(shù)的經(jīng)典理論， 是在對(duì)均勻砂土開(kāi)展?jié)B透實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出的， 盡管該定律在土力學(xué)領(lǐng)域中具有里程碑意義， 但是主要適用范圍限于均勻沙土，對(duì)于非均質(zhì)土層，如粉質(zhì)黏土， 該定律的應(yīng)用存在一定的局限性。孫德安等^［2］研究了上海地區(qū)結(jié)構(gòu)性軟土的滲透特性，通過(guò)對(duì)比原狀土和重塑土的滲透系數(shù)， 發(fā)現(xiàn)黏土的孔隙比和土層的組構(gòu)是影響滲透特性的主要因素， 在孔隙比相同時(shí)， 原狀土的滲透系數(shù)大于重塑土的， 并且土層的黏粒含量和初始孔隙比對(duì)滲透系數(shù)有顯著影響。 王華敬等^［3］探討了華北地區(qū)平原水庫(kù)重塑粉質(zhì)黏土的滲透特性， 發(fā)現(xiàn)土樣的固結(jié)時(shí)間和滲流起始水頭對(duì)滲透系數(shù)有顯著影響， 當(dāng)固結(jié)時(shí)間至少為10 h且起始水頭為100 cm時(shí)滲透系數(shù)較穩(wěn)定，并且直徑為10～40 μm的粉質(zhì)黏土孔隙的數(shù)量是影響滲透特性的關(guān)鍵因素。黃天榮等^［4］對(duì)上海地區(qū)粉質(zhì)黏土開(kāi)展?jié)B透特性試驗(yàn)研究， 結(jié)果表明， 粉質(zhì)黏土的滲透系數(shù)隨著固結(jié)壓力的增大而減小， 水平方向的滲透系數(shù)大于豎直方向的， 并且重塑土的滲透系數(shù)因擾動(dòng)的存在而減小。 蔣玉坤等^［5］通過(guò)室內(nèi)常規(guī)滲透實(shí)驗(yàn)研究了深部黏土的滲透特性， 發(fā)現(xiàn)深部黏土與淺層黏土在結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)性質(zhì)方面存在差異， 同時(shí)揭示了深部黏土的滲透系數(shù)與軸向應(yīng)力的關(guān)系， 以及深部黏土的滲透系數(shù)各向異性， 并指出深部黏土在應(yīng)力較大時(shí)的屈服并不明顯，而是通過(guò)微裂隙發(fā)育影響滲透特性的，研究成果對(duì)深基坑和礦井水防治決策有重要意義。 黃薛等^［6］采用４種滲透實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法測(cè)定粉質(zhì)黏土的滲透系數(shù)， 結(jié)果表明， 室內(nèi)常規(guī)滲透實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)結(jié)果的差異性很顯著。

粉質(zhì)黏土的滲透系數(shù)受到自身孔隙比、顆粒結(jié)構(gòu)性、埋深等諸多因素的影響，在施工過(guò)程中基坑開(kāi)挖或地下水動(dòng)態(tài)變化的影響使得滲透系數(shù)呈現(xiàn)非定值的現(xiàn)象，如果不重視該問(wèn)題則可能導(dǎo)致工程安全風(fēng)險(xiǎn)。本文中通過(guò)滲壓實(shí)驗(yàn)分析濟(jì)南14-1層典型粉質(zhì)黏土在豎直、 水平方向的滲透特性，并利用掃描電子顯微鏡（SEM）技術(shù)揭示該土層的微觀結(jié)構(gòu)特征。通過(guò)對(duì)比滲透系數(shù)與微觀結(jié)構(gòu)特征之間的關(guān)系，探討滲透系數(shù)各向異性的內(nèi)在機(jī)制，從而為該地區(qū)的基坑工程設(shè)計(jì)和施工提供更準(zhǔn)確的土層參數(shù)和理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

采用TT-APP2C型雙聯(lián)變水頭自動(dòng)滲壓實(shí)驗(yàn)儀測(cè)量粉質(zhì)黏土的滲透系數(shù)。該儀器集成了氣壓加載、 穩(wěn)定系統(tǒng)、 滲透測(cè)試室、 固結(jié)測(cè)試室，能有效地模擬土層在自然重力或外加負(fù)載條件下的固結(jié)過(guò)程，隨后進(jìn)行滲透測(cè)試，得到在不同固結(jié)壓力時(shí)土層的滲透特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

采用Gemini 300型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）分析不同粉質(zhì)黏土固結(jié)前、 后試樣的微觀結(jié)構(gòu)特征。 該儀器通過(guò)發(fā)射電子束至土層表面，并捕捉由此產(chǎn)生的反射電子而形成SEM圖像。

1.2 土樣的基本物理力學(xué)性質(zhì)

濟(jì)南西站片區(qū)某基坑工程的地質(zhì)剖面圖如圖1所示。 濟(jì)南14-1層棕黃色粉質(zhì)黏土^［7］作為濟(jì)南地區(qū)典型的弱透水層， 主要位于承壓含水層上部， 該土層因結(jié)構(gòu)緊密及滲透特性較差而在過(guò)去的工程實(shí)踐中常作為理想的隔水層， 但是隨著基坑開(kāi)挖的加深， 室內(nèi)常規(guī)滲透實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)、 回灌試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在顯著差異， 這些差異使得黏土層滲透特性的重新評(píng)估成為必要。 對(duì)所采集的14-1層粉質(zhì)黏土土樣開(kāi)展常規(guī)土工試驗(yàn)， 基本物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。由表可知，14-1層粉質(zhì)黏土的孔隙比為0.847，而一般粉質(zhì)黏土的孔隙比為0.4～0.6，14-1層粉質(zhì)黏土的孔隙比比一般粉質(zhì)黏土的大1.42～2.12倍， 即14-1層粉質(zhì)黏土的孔隙比顯著大于一般粉質(zhì)黏土的孔隙比，因此具有鮮明的地質(zhì)特性。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

1.3.1 室內(nèi)常規(guī)滲透實(shí)驗(yàn)

為了研究土層的滲透系數(shù)各向異性，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》^［8］制樣，分別在豎直方向的橫斷面和水平方向的縱斷面上測(cè)量所采集土樣的滲透系數(shù)。為了確保結(jié)果的準(zhǔn)確性，每個(gè)方向的實(shí)驗(yàn)均進(jìn)行3次平行測(cè)試。利用雙聯(lián)變水頭自動(dòng)滲壓實(shí)驗(yàn)儀開(kāi)展室內(nèi)常規(guī)滲透實(shí)驗(yàn)，測(cè)得原狀土樣在水平和豎直方向的滲透系數(shù)并取平均值作為每個(gè)方向的滲透系數(shù)。同時(shí)，對(duì)比室內(nèi)常規(guī)滲透實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

在重塑土樣制備過(guò)程中，土樣在溫度為105 ℃的條件下烘干24 h， 并利用篩網(wǎng)孔徑為2 mm的標(biāo)準(zhǔn)篩篩選。 采用擊實(shí)法制備土樣。 在制備重塑土樣的過(guò)程中控制其干密度為1.52 g/cm3， 在含水率為20%的條件下靜置24 h， 以確保水分均勻分布， 然后放入專用模具中， 采用擊實(shí)儀器分層擊實(shí)至所需厚度。

1.3.2 滲壓實(shí)驗(yàn)

為了深入研究粉質(zhì)黏土滲透系數(shù)各向異性的內(nèi)在機(jī)制，在原狀土樣中分別沿豎直、 水平方向采集3個(gè)土樣，并制備3個(gè)孔隙比相同的重塑土樣，以測(cè)量粉質(zhì)黏土在不同條件下的滲透系數(shù)。固結(jié)壓力從50 kPa逐步增至800 kPa，以考察較大固結(jié)壓力時(shí)滲透特性的變化趨勢(shì)，實(shí)驗(yàn)方案如表2所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 室內(nèi)常規(guī)滲透實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

表可知： 土樣的滲透系數(shù)在水平方向的橫斷面和豎直方向的縱斷面上表現(xiàn)出較大的差異。豎直、 水平方向滲透系數(shù)的最大值分別為1.971×10^-5、 1.304×10^-5 cm/s，豎直方向的滲透系數(shù)是水平方向的1.51倍，豎直方向的滲透系數(shù)平均值是水平方向的1.64倍。粉質(zhì)黏土在豎直方向的滲透系數(shù)通常小于水平方向的^［9］， 但是在本次實(shí)驗(yàn)中， 粉質(zhì)黏土在豎直方向的滲透系數(shù)大于水平方向的。在現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)中，土樣的綜合滲透系數(shù)為1.25～2.66 m/d， 與室內(nèi)常規(guī)滲透實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差較大， 表明該土層的滲透特性可能受到特定微觀結(jié)構(gòu)和土層排列的影響。 滲透系數(shù)各向異性的存在對(duì)土層的固結(jié)、 沉降以及地下水滲流等過(guò)程有重要影響， 然而目前該滲透系數(shù)各向異性產(chǎn)生的內(nèi)在機(jī)制尚缺乏深入的認(rèn)識(shí)， 尤其是微觀結(jié)構(gòu)層面的解釋。

2.2 基于滲壓實(shí)驗(yàn)的滲透系數(shù)變化規(guī)律

2.2.1 固結(jié)壓力的影響

為了深入探討固結(jié)壓力對(duì)粉質(zhì)黏土滲透特性的影響，分析不同固結(jié)壓力時(shí)原狀土和重塑土的滲透特性。不同固結(jié)壓力時(shí)土樣的滲透系數(shù)與擬合曲線如圖2所示。由圖可知：當(dāng)固結(jié)壓力由50 kPa逐漸增至800 kPa時(shí)，土樣的滲透系數(shù)呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，特別是在低壓力區(qū)間，該變化尤為明顯； 當(dāng)壓力持續(xù)增大時(shí)，土樣的滲透系數(shù)變化逐漸趨于平緩。值得注意的是，不同類(lèi)型的土樣對(duì)固結(jié)壓力的響應(yīng)程度存在顯著差異。具體而言，重塑土樣在受到固結(jié)壓力作用時(shí)，滲透系數(shù)的變化相對(duì)較小，顯示出較強(qiáng)的穩(wěn)定性。相比之下，水平方向的原狀土樣對(duì)固結(jié)壓力的反應(yīng)稍明顯，豎直方向的原狀土樣則表現(xiàn)出最顯著的變化，滲透系數(shù)受固結(jié)壓力的影響最大。

為了更深入地分析固結(jié)壓力作用下滲透系數(shù)的變化規(guī)律，擬合分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合方程為

k=exp（a+bp） ，（1）

式中： k為滲透系數(shù)； a、 b為擬合參數(shù)； p為固結(jié)壓力。

不同固結(jié)壓力時(shí)土樣的滲透特性擬合參數(shù)如表4所示。由表可知， 原狀土樣和重塑土樣的滲透系數(shù)擬合相關(guān)系數(shù)的平方R2均大于98%，高度相關(guān)性進(jìn)一步證實(shí)了擬合方程（1）在模擬粉質(zhì)黏土滲透特性方面的適用性和有效性。對(duì)于原狀土樣和重塑土樣，a、 b反映了不同狀態(tài)土樣的滲透系數(shù)對(duì)固結(jié)壓力變化的敏感程度。較大的R2意味著擬合方程（1）能以較小的誤差預(yù)測(cè)滲透系數(shù)，為基坑工程設(shè)計(jì)提供了可靠的理論支持。此外，以上定量分析方法為預(yù)測(cè)土層在不同固結(jié)壓力條件下的滲透特性提供了強(qiáng)有力的工具，有助于優(yōu)化地質(zhì)工程設(shè)計(jì)和施工策略，確保工程安全和效率。

2.2.2 滲透系數(shù)的各向異性

為了進(jìn)一步探討粉質(zhì)黏土的滲透系數(shù)各向異性，對(duì)比土樣在水平、 豎直方向的滲透系數(shù)，結(jié)果如圖3所示。由圖可知，在固結(jié)壓力逐漸增大的過(guò)程中，豎直方向的滲透系數(shù)始終大于水平方向的，當(dāng)固結(jié)壓力為100 kPa時(shí)，豎直、水平方向的滲透系數(shù)相差近3倍，并且該差異隨著固結(jié)壓力的逐漸增大而增大，當(dāng)固結(jié)壓力為500 kPa時(shí)，豎直、 水平方向的滲透系數(shù)相差接近5倍，表明即使在較大的固結(jié)壓力時(shí)，土層的滲透特性仍保持一定的方向依賴性，對(duì)工程實(shí)踐中預(yù)測(cè)和控制土層的水分遷移行為有重要意義。同時(shí)，該顯著的滲透系數(shù)各向異性揭示了粉質(zhì)黏土在不同方向的滲透特性存在顯著差異，對(duì)工程設(shè)計(jì)和施工有重要的指導(dǎo)意義。

滲透系數(shù)各向異性的形成主要與土層的沉積和固結(jié)歷程相關(guān)。在土層的沉積過(guò)程中，土顆粒的排列和土層的組構(gòu)在不同方向受到不同程度的影響，導(dǎo)致土層不同方向的滲透特性表現(xiàn)出明顯的差異。同時(shí)，固結(jié)壓力的作用也進(jìn)一步加劇了滲透系數(shù)的各向異性。由此可知，在研究和應(yīng)用粉質(zhì)黏土?xí)r，必須充分考慮滲透系數(shù)的各向異性，以確保基坑工程的安全性和穩(wěn)定性。

2.2.3 粉質(zhì)黏土的結(jié)構(gòu)性

在實(shí)際工程施工中， 土層的擾動(dòng)是難以避免的問(wèn)題， 土層的擾動(dòng)對(duì)土層滲透特性的影響不容忽視。 為了揭示土層結(jié)構(gòu)變化對(duì)滲透特性的影響， 對(duì)比原狀土樣與具有相同孔隙比的重塑土樣的滲透系數(shù)， 結(jié)果如圖4所示。 由圖可知： 在固結(jié)壓力逐漸增大的過(guò)程中， 原狀土樣的滲透系數(shù)始終大于重塑土樣的，說(shuō)明相對(duì)于重塑土樣， 原狀土樣天然的土層結(jié)構(gòu)使其有更好的滲透特性。當(dāng)固結(jié)壓力為100 kPa時(shí)， 原狀土樣的滲透系數(shù)是重塑土樣的5.5倍，與顧正維等^［10］的研究結(jié)果（5倍）較接近。當(dāng)固結(jié)壓力增至500 kPa時(shí)，差異更顯著，原狀土樣的滲透系數(shù)高達(dá)重塑土樣的12倍，說(shuō)明在固結(jié)壓力較大時(shí)，原狀土樣與重塑土樣之間的滲透特性差距進(jìn)一步擴(kuò)大。原因可能是原狀土樣保持了天然的土層結(jié)構(gòu)和孔隙網(wǎng)絡(luò)，為水分的滲透提供了更有效的通道。相比之下，重塑土樣的在重塑過(guò)程中破壞了天然的土層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致滲透特性劣化。

為了更全面地分析土層滲透特性與孔隙比之間的關(guān)系，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)記錄雙聯(lián)變水頭自動(dòng)滲壓實(shí)驗(yàn)儀百分表的位移值計(jì)算土樣的孔隙比，不同固結(jié)壓力時(shí)土樣的滲透系數(shù)與孔隙比的關(guān)系及擬合曲線如圖5所示。由圖可知： 在固結(jié)過(guò)程中，滲透系數(shù)隨著孔隙比的減小而減小，原因是較小的孔隙比意味著土層更密實(shí)， 滲流通道相應(yīng)減少。隨著孔隙比的變化，不同土樣的滲透系數(shù)變化趨勢(shì)不同， 其中原狀土樣在豎直方向的滲透特性變化趨勢(shì)最明顯， 接近線性；" 隨著孔隙比的變化， 原狀土樣在水平、 豎直方向的滲透系數(shù)的差異進(jìn)一步揭示了土層滲透系數(shù)的各向異性。 當(dāng)土樣的孔隙比較小時(shí)， 滲透系數(shù)均較接近，表明在較小的孔隙比范圍內(nèi)，土層的緊密度較高， 孔隙空間有限， 因此滲透特性受到較大限制。

為了更深入地分析固結(jié)過(guò)程中孔隙比與滲透系數(shù)的變化規(guī)律， 擬合分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)， 擬合方程為

k=ae2+be+c ，（2）

式中： e為孔隙比； c為擬合參數(shù)。

不同固結(jié)壓力時(shí)土樣的滲透系數(shù)與孔隙比擬合結(jié)果如表5所示。由表可知，滲透系數(shù)與孔隙比擬合的R2均大于96%，高度相關(guān)性進(jìn)一步證實(shí)了擬合方程（2）在模擬粉質(zhì)黏土滲透特性方面的適用性和有效性。

2.3 微觀結(jié)構(gòu)特征分析

不同土樣固結(jié)前、 后的SEM圖像如圖6所示。由圖可知： 水平、 豎直方向的原狀土樣與重塑土樣的結(jié)構(gòu)存在顯著的差異。在原狀土樣表面可以清晰地觀察到近圓形且在土層內(nèi)部分布不均的孔隙和豎向裂隙，但是數(shù)量較多，形成了復(fù)雜的孔隙網(wǎng)絡(luò)。大量孔洞為黏土層的富水性提供了有利的結(jié)構(gòu)條件，豎向裂縫則為土層發(fā)生豎向滲流提供了便捷的路徑。

由圖6（a）、 （c）可知： 固結(jié)前水平方向的原狀土樣顆粒主要以層疊和搭接的方式排列； 與豎直方向的原狀土樣相比，水平方向的原狀土樣顆粒排列更緊密，孔隙數(shù)量和尺寸都顯著小于豎直方向的原狀土樣的。由此可知，土樣在豎直方向的孔隙結(jié)構(gòu)較發(fā)達(dá)，有利于水分在土層內(nèi)部豎向滲流。

由圖6（b）、 （d）可知： 固結(jié)后豎直方向原狀土樣顆粒間的接觸點(diǎn)增加，顆粒排列更緊密，孔隙比減小； 水平方向原狀土樣的孔隙變小，固結(jié)壓力導(dǎo)致土顆粒重新排列和壓實(shí)。

由圖6（e）、 （f）可知： 重塑土樣在受擾動(dòng)后，內(nèi)部的絮凝集聚體結(jié)構(gòu)遭受破壞，分解為小顆粒，填充了原本存在的大孔隙，從而引發(fā)孔隙與孔隙之間接觸模式的變化，由邊-面接觸模式逐漸演變?yōu)檫?邊接觸模式。新的接觸模式使重塑土樣的顆粒排列更緊密，導(dǎo)致滲透特性顯著劣化。由此可知，孔隙大小及孔隙與孔隙之間接觸模式的變化是結(jié)構(gòu)性存在的主導(dǎo)因素。

綜上，在固結(jié)壓力為500 kPa的作用下，土層經(jīng)歷擠壓過(guò)程，部分土顆粒因受力而破裂，生成新的小顆粒并填充到原有的孔隙，較大的孔隙逐漸被壓縮為小孔，小孔則因小顆粒的填充而逐漸被堵塞。隨著固結(jié)壓力的持續(xù)增加，顆粒間的接觸模式逐漸相同，邊與面的界限難以分辨，顆粒間的鑲嵌作用更顯著。微觀結(jié)構(gòu)的變化增加了水分在土層中滲透的阻力，導(dǎo)致土層的滲透特性隨著固結(jié)壓力的增加而不斷劣化。固結(jié)過(guò)程中孔隙大小及孔隙與孔隙之間接觸模式的變化規(guī)律不僅揭示了土層滲透特性變化的內(nèi)在原因，而且為預(yù)測(cè)土層的水力學(xué)行為提供了重要的理論支撐。

3 結(jié)論

為了探究濟(jì)南14-1層典型粉質(zhì)黏土在豎直方向的滲透系數(shù)大于水平方向的滲透系數(shù)的原因，并揭示該土層固結(jié)過(guò)程中孔隙大小及孔隙與孔隙之間接觸模式的變化規(guī)律，通過(guò)滲壓實(shí)驗(yàn)和SEM技術(shù)，研究了粉質(zhì)黏土在不同固結(jié)壓力時(shí)的滲透特性和微觀結(jié)構(gòu)特征，得到以下主要結(jié)論：

1）通過(guò)室內(nèi)常規(guī)滲透實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，粉質(zhì)黏土在豎直、 水平方向的滲透系數(shù)存在明顯差異，并且表現(xiàn)出不同于一般粉質(zhì)黏土的滲透特性，粉質(zhì)黏土在豎直方向的滲透系數(shù)大于水平方向的且豎直方向的滲透系數(shù)是水平方向的1.51倍，豎直方向的滲透系數(shù)平均值是水平方向的1.64倍。通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)對(duì)比，該土層的綜合滲透系數(shù)與室內(nèi)常規(guī)滲透實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差較大。

2）在固結(jié)壓力的作用下，隨著固結(jié)壓力的逐漸增大，粉質(zhì)黏土的滲透系數(shù)呈現(xiàn)出減小的變化趨勢(shì)。在較小的壓力范圍內(nèi)，該變化尤為顯著，隨著壓力的持續(xù)增大，滲透系數(shù)的變化逐漸趨于平緩。不同類(lèi)型的土樣對(duì)固結(jié)壓力的響應(yīng)程度存在顯著差異，在固結(jié)壓力逐漸增大的過(guò)程中，豎直方向的滲透系數(shù)始終大于水平方向的，當(dāng)固結(jié)壓力為100 kPa時(shí)，豎直、 水平方向的滲透系數(shù)相差接近3倍，并且差異隨著固結(jié)壓力的逐漸增大而增大，當(dāng)固結(jié)壓力為500 kPa時(shí)，豎直、 水平方向的滲透系數(shù)相差接近5倍。

3）該土層的原狀土樣與重塑土樣的對(duì)比結(jié)果表明，該土層有明顯的結(jié)構(gòu)性特征。當(dāng)固結(jié)壓力較小時(shí)，如固結(jié)壓力為100 kPa，原狀土的滲透系數(shù)顯著大于重塑土的。原狀土的滲透系數(shù)是重塑土滲透系數(shù)的近5.5倍，充分說(shuō)明了土層的結(jié)構(gòu)性對(duì)滲透特性的影響； 當(dāng)固結(jié)壓力較大時(shí)，原狀土與重塑土之間的滲透特性差距進(jìn)一步擴(kuò)大。不同孔隙比與滲透系數(shù)之間存在一定的正相關(guān)關(guān)系，在固結(jié)過(guò)程中，滲透系數(shù)隨著孔隙比的減小而減小。

4）SEM圖像揭示了粉質(zhì)黏土獨(dú)特的孔隙結(jié)構(gòu)特征和原狀土在豎直方向的滲透系數(shù)大于水平方向的滲透系數(shù)的滲流機(jī)制。該土層有典型的空間網(wǎng)狀孔隙和孔洞結(jié)構(gòu)。同時(shí)，豎直方向的原狀土有不均勻分布的孔隙和裂隙，促進(jìn)了富水性的提升和豎向滲流，而水平方向的原狀土顆粒主要以層疊和搭接的方式排列，排列更緊密。與原狀土相比，重塑土的顆粒結(jié)構(gòu)更致密，滲透特性劣化。固結(jié)壓力的增加導(dǎo)致土層孔隙減小，顆粒接觸更緊密，從而使?jié)B透阻力增大。

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（責(zé)任編輯：王 耘）

基金項(xiàng)目： 山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（ZR2022ME042）

第一作者簡(jiǎn)介： 付青華（1995—），男，山東棗莊人。碩士研究生，研究方向?yàn)橥聊竟こ獭-mail： 1114509719@qq.com。

通信作者簡(jiǎn)介： 劉燕（1978—），女，山東濟(jì)南人。教授，博士，研究方向?yàn)閹r土與地下空間工程。E-mail： liuyan322@163.com。