李珊珊，李大勇，史　萍

(山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590)

黏性土滲透系數(shù)測(cè)定的影響因素分析

李珊珊，李大勇，史萍

(山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590)

摘要：土的滲透性是土力學(xué)研究的基本問題，滲透系數(shù)是反映土體滲透性的重要參數(shù)，準(zhǔn)確測(cè)定土體的滲透系數(shù)有重要的理論與工程應(yīng)用價(jià)值。通過變水頭試驗(yàn)，分析了變水頭管橫截面面積、起始水頭高度、記錄水頭高度變化的時(shí)間間隔、溫度等因素對(duì)測(cè)定滲透系數(shù)的影響，并得到滲透系數(shù)隨孔隙比和干密度的變化規(guī)律。結(jié)果表明：試驗(yàn)前應(yīng)對(duì)變水頭管的橫截面面積進(jìn)行校訂以減小誤差；當(dāng)起始水頭高度為110、120、140 cm時(shí)，滲透系數(shù)隨著記錄水頭高度變化的時(shí)間間隔增大而減小，且曲線形式相似，當(dāng)起始水頭高度為100 cm時(shí)，滲透系數(shù)隨時(shí)間間隔的增加變化不大，因此，建議起始水頭高度設(shè)置在100 cm；為降低變水頭管內(nèi)水分蒸發(fā)對(duì)滲透系數(shù)的影響，建議記錄水頭高度變化的時(shí)間間隔宜小于150 min；滲透系數(shù)與初始孔隙比和干密度的擬合關(guān)系均符合二次型函數(shù)。

關(guān)鍵詞：變水頭試驗(yàn)；滲透系數(shù)；影響因素；壓實(shí)吹填黏土

土的滲透性是土力學(xué)研究的基本問題，而滲透系數(shù)是反映土體滲透性的重要參數(shù)，在土體固結(jié)理論、滲流作用下的有效應(yīng)力等土力學(xué)計(jì)算理論中有重要作用[1-2]，并應(yīng)用于工程降水[3]、壩堤防滲穩(wěn)定[4]、桶形基礎(chǔ)吸力沉貫[5]等實(shí)際工程分析中。因此準(zhǔn)確確定滲透系數(shù)有重要的理論及工程意義，也是理論研究和解決工程問題的關(guān)鍵。

測(cè)定滲透系數(shù)的方法分為直接法和間接法。直接法是通過室內(nèi)試驗(yàn)直接測(cè)定，包括常水頭試驗(yàn)和變水頭試驗(yàn)，其中，砂性土的滲透性高，通常采用常水頭法測(cè)定滲透系數(shù)，試驗(yàn)操作相對(duì)簡(jiǎn)單，而黏性土的滲透系數(shù)通過變水頭試驗(yàn)測(cè)定，其滲透性低，試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)，受周圍環(huán)境因素影響大。間接法則是根據(jù)一維固結(jié)理論，通過壓縮系數(shù)和固結(jié)系數(shù)間接算出，而由于固結(jié)系數(shù)的影響，使計(jì)算出的滲透系數(shù)存在較大偏差。

(1)

式中e為砂土孔隙比，其余符號(hào)的含義同前。然而，這些經(jīng)驗(yàn)公式僅供估算時(shí)參考，不能絕對(duì)化的采用，也不能用于替代滲透試驗(yàn)。

國(guó)內(nèi)，王媛等[11]對(duì)南京黏性土進(jìn)行了5～45 ℃下的滲透試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)：溫度越高，滲透性越大；試樣密度越小，滲透系數(shù)隨溫度變化率越低。曹勝飛等[12]根據(jù)膨潤(rùn)土的物理化學(xué)特性、變水頭滲透原理和試驗(yàn)環(huán)境條件分析了滲透系數(shù)測(cè)量的準(zhǔn)確性及誤差產(chǎn)生的原因，提出常規(guī)2 m變水頭試驗(yàn)裝置對(duì)滲透系數(shù)極低的膨潤(rùn)土不適合，可采用改進(jìn)的或密閉系統(tǒng)的試驗(yàn)裝置。顧正維等[13]進(jìn)行了原狀、重塑和固化黏土進(jìn)行飽和滲透試驗(yàn)，認(rèn)為：原狀黏土的滲透系數(shù)隨時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸減??；重塑黏土的孔隙比對(duì)滲透系數(shù)的影響關(guān)系曲線可用冪函數(shù)擬合。朱熹文等[14]討論了淤泥質(zhì)飽和土滲透系數(shù)的試驗(yàn)方法，并依據(jù)浙江樂清北巷區(qū)吹填土樣、上海閔行河道土樣的滲透試驗(yàn)結(jié)果提出涵蓋高含水率情況的淤泥質(zhì)飽和土的滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式，該公式適用于粒徑范圍為d5≤2 μm≤d90，孔隙比范圍為0.8≤e≤4.0。張明等[15]對(duì)深圳前灣吹填淤泥進(jìn)行了固結(jié)滲透聯(lián)合試驗(yàn)，認(rèn)為吹填淤泥的滲透系數(shù)隨固結(jié)壓力的增加呈非線性變化，滲透系數(shù)與孔隙比之間為冪函數(shù)關(guān)系。

綜上所述，滲透性研究的土類涉及砂土、膨潤(rùn)土、黏性土、淤泥及淤泥質(zhì)黏土。其中，淤泥質(zhì)黏土在我國(guó)東部沿海有較多分布，將吹填淤泥用于圍海造地已成為緩解土地資源緊張的一種方法。同時(shí)，青島正大力推進(jìn)西海岸建設(shè)，而西海岸吹填土多為海底淤泥質(zhì)軟黏土，可將吹填海底軟土用于圍海造地的方法推廣應(yīng)用，以此為工程背景，對(duì)壓實(shí)后的吹填淤泥質(zhì)軟黏土的滲透性進(jìn)行了測(cè)試。然而，在黏土滲透系數(shù)的測(cè)定過程中，發(fā)現(xiàn)我國(guó)土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[16]中的某些規(guī)定比較模糊，實(shí)際操作時(shí)存在困難，如：“變水頭管內(nèi)徑應(yīng)均勻”、“水頭高度根據(jù)試樣結(jié)構(gòu)的疏松程度確定，一般不大于2 m”、“按預(yù)定時(shí)間間隔測(cè)記水頭和時(shí)間的變化”等。本文旨在研究影響淤泥質(zhì)軟黏土滲透系數(shù)精確測(cè)定的因素，期望對(duì)規(guī)范中變水頭試驗(yàn)部分進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)充或明確，便于指導(dǎo)實(shí)際操作。

1試驗(yàn)

1)試驗(yàn)裝置：試驗(yàn)采用STS-55型滲透儀，由上蓋、底座、套座、螺桿、環(huán)刀(內(nèi)徑61.8 mm、高40 mm)、透水石(滲透系數(shù)大于10-3cm/s)、變水頭裝置組成。其中，變水頭裝置由滲透容器、變水頭管、供水瓶、進(jìn)水管等組成，變水頭管內(nèi)徑標(biāo)注為6 mm、長(zhǎng)度為1.7 m，管外壁刻度尺精度為1 mm。

2)試驗(yàn)用土：試驗(yàn)用土取自青島黃島壓實(shí)吹填淤泥質(zhì)軟黏土，土質(zhì)較均勻，呈灰黑色，其基本物理參量匯于表1中，而輕型擊實(shí)試驗(yàn)得出的壓實(shí)曲線如圖1所示，得到土樣的最大干密度為1.82 g/cm3，最優(yōu)含水率為17.2%。

表1　土的物理參數(shù)

圖1　擊實(shí)試驗(yàn)

3)土樣制備：①將土樣烘干、碾碎，過0.1 mm孔徑篩，稱取過篩土，按最優(yōu)含水率(以最優(yōu)含水率配制試樣，其最易壓實(shí))計(jì)算用水量，分層灑水并充分?jǐn)嚢?，用保鮮膜密封保存一段時(shí)間，使土樣內(nèi)水分均勻分布，復(fù)測(cè)土樣含水率，若土樣含水率偏離最優(yōu)含水率較大，重新調(diào)配土樣；②采用輕型擊實(shí)儀制備試樣，分3層壓實(shí)，每層擊25次，用推土器將試筒內(nèi)土推出，再用涂有凡士林的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀切取試樣，放入飽和器內(nèi)，在真空缸中抽氣飽和6 h，水中靜置10 h，使試樣充分飽和，當(dāng)飽和度低于95%時(shí)，繼續(xù)抽氣1 h左右。

2滲透系數(shù)的影響因素分析

通過討論影響?zhàn)ば酝翝B透系數(shù)精確測(cè)定可能存在的因素，研究了變水頭管的截面面積、水頭高度、記錄水頭高度變化的時(shí)間間隔以及水分蒸發(fā)對(duì)其測(cè)定的影響。此外，在上述研究的基礎(chǔ)上，探討了黏性土的滲透系數(shù)隨土樣初始孔隙比及干密度的變化規(guī)律。

2.1變水頭管截面面積的影響

變水頭試驗(yàn)中滲透系數(shù)的計(jì)算公式為

(2)

其中：a為變水頭管的截面面積；A為試樣的截面面積；L為試樣高度；H1為起始水頭高度；H2為終止水頭高度；t2、t1分別對(duì)應(yīng)H2和H1的記錄時(shí)刻；(t2-t1)為記錄變水頭管內(nèi)水頭高度變化的時(shí)間間隔。從公式(2)可看出，變水頭管的截面面積是影響滲透系數(shù)測(cè)定的一個(gè)因素，而變水頭管的截面面積由其內(nèi)徑值決定。測(cè)定變水頭管內(nèi)徑值的具體方法為：將變水頭管內(nèi)注滿純水，管內(nèi)水位每下降20 cm稱量一次出水的質(zhì)量，再由式(3)計(jì)算變水頭管的截面面積，并通過式(4)反算出變水頭管的內(nèi)徑值，重復(fù)三次取平均值。

m=ρ·a·h；

(3)

a=π/4·d2。

(4)

式中：m為出水質(zhì)量，g；ρ為純水密度，g/cm3；a為變水頭管的截面面積，cm2；h為水位下降高度，cm；d為變水頭管內(nèi)徑值，cm。

測(cè)定結(jié)果表明：變水頭管內(nèi)徑的平均值為5.86 mm，小于廠家標(biāo)注的6 mm。若直接采用廠家提供的內(nèi)徑數(shù)據(jù)，按式(1)計(jì)算滲透系數(shù)將產(chǎn)生5%的計(jì)算誤差。然而，變水頭管內(nèi)徑的均勻性及其實(shí)際值均與產(chǎn)品質(zhì)量有關(guān)，因此，試驗(yàn)前應(yīng)對(duì)變水頭管內(nèi)徑進(jìn)行復(fù)核測(cè)定。

2.2記錄水頭高度變化時(shí)間間隔的影響

國(guó)內(nèi)外規(guī)范[16-17]未對(duì)試驗(yàn)過程中的起始水頭高度及記錄水頭高度變化的時(shí)間間隔進(jìn)行規(guī)定或提出建議，這給實(shí)際操作帶來了困難，本節(jié)分析了在不同起始水頭高度下，滲透系數(shù)與時(shí)間間隔的變化關(guān)系，試驗(yàn)工況及結(jié)果如表2所示。

由表2得到滲透系數(shù)-時(shí)間間隔關(guān)系曲線(圖2)。由圖2分析知：當(dāng)起始水頭高度為110、120、140 cm時(shí)，滲透系數(shù)-時(shí)間間隔關(guān)系曲線形式基本一致，即滲透系數(shù)隨時(shí)間間隔的增大而減小，這是因?yàn)槠鹗茧A段土體的孔隙比相對(duì)較大，隨時(shí)間的增長(zhǎng)試樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生輕微的變化，滲流力使得試樣有效應(yīng)力增大，土體發(fā)生固結(jié)；當(dāng)起始水頭高度為100 cm時(shí)，滲透系數(shù)隨時(shí)間間隔增加，其數(shù)值變化不大。從圖中還可看出，大約在150 min后滲透系數(shù)數(shù)值出現(xiàn)增大的趨勢(shì)，這是因?yàn)樽兯^管內(nèi)水分蒸發(fā)引起的水頭損失使得滲透系數(shù)的計(jì)算結(jié)果偏大。

滲透系數(shù)測(cè)量計(jì)算時(shí)的水頭損失包括兩部分：一部分是滲透引起的，一部分是管內(nèi)水分蒸發(fā)引起的。而理論滲透系數(shù)計(jì)算時(shí)只考慮了前者，試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)間越長(zhǎng)，測(cè)量滲透系數(shù)與理論滲透系數(shù)的偏差越大，如淤泥質(zhì)軟黏土的滲透性較低，試驗(yàn)耗時(shí)較長(zhǎng)，變水頭管內(nèi)水分蒸發(fā)對(duì)滲透系數(shù)的精確測(cè)定產(chǎn)生影響。另外，蒸發(fā)與溫度、濕度等因素有關(guān)且隨時(shí)發(fā)生變化，蒸發(fā)引起的滲透系數(shù)測(cè)量誤差大小不能定量的得出，只能定性的去分析，但可間接的從記錄水頭高度變化的時(shí)間間隔上進(jìn)行控制。

表2　試驗(yàn)工況及結(jié)果

表中：H為變水頭管內(nèi)的初始水頭高度；修正系數(shù)參考GB/T 50123—1999土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[16]；ω0為試樣的初始含水率；ρ為試樣的密度；kT為滲透系數(shù)；時(shí)間為記錄水頭高度變化的時(shí)間間隔。

圖2　滲透系數(shù)-時(shí)間間隔關(guān)系曲線

綜上所述，對(duì)軟黏土進(jìn)行變水頭滲透試驗(yàn)時(shí)，建議變水頭管內(nèi)起始水頭的高度可設(shè)置在100 cm左右，且記錄起始水頭和終止水頭高度變化的時(shí)間間隔不宜過長(zhǎng)，宜控制在150 min以內(nèi)。

2.3滲透系數(shù)與孔隙比、干密度的關(guān)系

制備了8組初始孔隙比、干密度不同的試樣，并采用上述建議進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)中需隨時(shí)測(cè)定滲透儀出水管口處的水溫，對(duì)試驗(yàn)的滲透系數(shù)進(jìn)行溫度修正，以20 ℃為標(biāo)準(zhǔn)溫度，標(biāo)準(zhǔn)溫度下的滲透系數(shù)公式為

k20=(ηT/η20)·kT。

(5)

式中:k20為標(biāo)準(zhǔn)溫度下的滲透系數(shù)，cm·s-1；ηT為溫度T時(shí)水的動(dòng)力粘滯系數(shù)，kPa·s；η20為20 ℃時(shí)水的動(dòng)力粘滯系數(shù)，可查文獻(xiàn)[16]中表13.1.3，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3　試樣的滲透系數(shù)

圖3為壓實(shí)吹填黏土滲透系數(shù)-初始孔隙比關(guān)系曲線，由圖可知：滲透系數(shù)隨初始孔隙比增加逐漸增大。其中：當(dāng)初始孔隙比為0.55～0.61時(shí)，增長(zhǎng)趨勢(shì)較為平緩；而當(dāng)初始孔隙比大于0.61，曲線呈現(xiàn)明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)；試樣滲透系數(shù)與初始孔隙比的關(guān)系符合二次型函數(shù)(如式(6)所示)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.97，擬合結(jié)果理想。

圖4為滲透系數(shù)-干密度關(guān)系曲線，可以發(fā)現(xiàn)：滲透系數(shù)隨干密度增大呈逐漸減小趨勢(shì)。其中，當(dāng)干密度為1.38～1.60 g/cm3時(shí)，曲線較陡，滲透系數(shù)減小幅度大，而當(dāng)干密度大于1.60 g/cm3，曲線變緩，滲透系數(shù)減小趨勢(shì)減弱；曲線擬合結(jié)果表明：二次型函數(shù)擬合的效果最好，其相關(guān)系數(shù)達(dá)0.98，表達(dá)式如式(7)所示。

(6)

(7)

式中：k為修正后的滲透系數(shù)，其數(shù)量級(jí)為10-7cm·s-1；e0為試樣的初始孔隙比；ρd為試樣的干密度，g·cm-3。

圖3　滲透系數(shù)-初始孔隙比關(guān)系曲線

圖4　滲透系數(shù)-干密度關(guān)系曲線

此外，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)試樣的初始孔隙比不同，滲透儀出水管口處初次溢出水的時(shí)間差別較大(表4)，試樣初次溢水時(shí)間-初始孔隙比關(guān)系曲線如圖5所示。結(jié)果表明：當(dāng)初始孔隙比在0.547～0.610時(shí)，溢水時(shí)間約為48 h；當(dāng)初始孔隙比在0.677～0.777時(shí)，溢水時(shí)間約14 h；當(dāng)初始孔隙比大于0.851時(shí)，時(shí)間為2 h左右，

表4　試樣初次溢水時(shí)間

因此，試樣初始孔隙比不同，出水管口處溢出水的時(shí)間差別很大。當(dāng)初始孔隙比較小時(shí)，需要等待很長(zhǎng)時(shí)間，試樣才會(huì)滲透溢水，并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄，因此試驗(yàn)進(jìn)行得很慢，需要試驗(yàn)人員隨時(shí)觀察并且要有耐心。

圖5　初次溢水時(shí)間-初始孔隙比關(guān)系曲線

3結(jié)論

為保證試驗(yàn)結(jié)果具有可重復(fù)性、可靠性，每個(gè)試驗(yàn)工況至少重復(fù)3次，最大值與最小值誤差不超過3%，否則重新進(jìn)行試驗(yàn)，最后結(jié)果取其平均值。由于試驗(yàn)工況較多，本次試驗(yàn)歷時(shí)近4個(gè)月，得到如下研究成果，為《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中變水頭試驗(yàn)有關(guān)條文的執(zhí)行提供參考。

1)試驗(yàn)前應(yīng)重新標(biāo)定變水頭管的內(nèi)徑值，以降低變水頭管截面面積對(duì)精確測(cè)定黏性土滲透系數(shù)的影響。

2)當(dāng)初始水頭高度為110、120、140 cm時(shí)，滲透系數(shù)隨時(shí)間間隔的增大而減小，且曲線的變化規(guī)律相似；而當(dāng)起始水頭高度為100 cm時(shí)，滲透系數(shù)隨時(shí)間間隔增加其變化不大。因此，對(duì)淤泥質(zhì)軟土進(jìn)行變水頭滲透試驗(yàn)時(shí)，建議將起始水頭高度設(shè)置在100 cm。

3)為降低變水頭管內(nèi)水分蒸發(fā)對(duì)滲透系數(shù)的影響，建議記錄水頭高度變化的時(shí)間間隔宜小于150 min。

4)重塑壓實(shí)淤泥質(zhì)軟土的滲透系數(shù)隨初始孔隙比增大呈正相關(guān)性，而隨干密度增大呈負(fù)相關(guān)性，且均以二次型函數(shù)關(guān)系的擬合效果最好。

5)試樣初次滲透溢水的時(shí)間受試樣初始孔隙比的影響較大，尤其當(dāng)壓實(shí)程度較好、孔隙比較低時(shí)，試樣的初次滲透出水時(shí)間非常長(zhǎng)，一般為40 h以上，試驗(yàn)人員需要耐心等候。

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(責(zé)任編輯：呂海亮)

Influencing Factors on Hydraulic Conductivity of Clay

LI Shanshan,LI Dayong,SHI Ping

(College of Civil Engineering and Architecture,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266590,China)

Abstract:Soil permeability is a fundamental problem in soil mechanics, and hydraulic conductivity is one of the essential parameters reflecting soil permeability. Thus, to accurately determine the hydraulic conductivity of soils is of great theoretical and practical significance in engineering. A series of falling-head tests were conducted to investigate the behaviors of hydraulic conductivity. Some factors affecting hydraulic conductivity were explored, such as the cross-sectional area of the standpipe, change in the initial head and the time interval of reading the head and the temperature and the law of hydraulic conductivity changing with void ratio and dry density was obtained. The results show that the cross-sectional area of standpipe affected hydraulic conductivity significantly, which should be calibrated before testing. When the initial head is 110, 120 and 140 cm, the hydraulic conductivity decreases with the increase of the time interval of the head change, and the hydraulic conductivity versus the time interval curves is similar, while when the head is 100 cm, the hydraulic conductivity changes little with the increase of the time interval. Therefore, it is recommended that the initial head should be set to 100 cm and the time interval of the head change should be less than 150 min to reduce the impact of evaporation on hydraulic conductivity. Hydraulic conductivity agrees well with void ratio and dry density and both their relationships can be stated with a quadratic function.

Key words:falling-head test;hydraulic conductivity;influence factors;compacted dredged clay

收稿日期：2015-11-16

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51379118); 山東科技大學(xué)科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目(2015KYTD104)

作者簡(jiǎn)介：李珊珊(1989—)，女，山東泰安人，博士研究生，主要從事巖土工程理論與應(yīng)用研究. E-mail:shanshan3709@163.com 李大勇(1971—)，男，山東泰安人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事海洋巖土工程等方面的研究工作，本文通信作者. E-mail: ldy@sdust.edu.cn

中圖分類號(hào)：TU476

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-3767(2016)03-0046-07