陳宗先，何　翔，熊云山，王　銳

(武漢輕工大學 土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430023)

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不同密實度下黏性土的滲透性分析

陳宗先，何翔，熊云山，王銳

(武漢輕工大學 土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430023)

摘要：土體是具有復雜物理性能的材料，土體的微觀孔隙特征決定了土體宏觀的滲透性，從而決定了土體的物理性質(zhì)。對土體滲透性能與孔隙特征進行分析，采用變水頭滲透試驗。取武漢某工地的黏土來制備土體試樣，測量其物理指標，進行風干過篩，采用靜壓試驗制備重塑試樣，用于滲透試驗。分析結(jié)果表明：隨著黏性土孔隙比e逐漸增大即土的干密度ρd逐漸減小，則滲透系數(shù)k也逐漸增大，并研究對比了滲透系數(shù)與孔隙比之間的多種經(jīng)驗關系。

關鍵詞：滲透系數(shù)；孔隙比；滲透試驗；重塑試樣

1引言

土是一種松軟堆積物，內(nèi)部空間孔隙相互連通，土中水能透過土體發(fā)生滲流，土的滲透性是一個較復雜的研究課題，不少學者對其進行了研究，目前主要采用滲透試驗和固結(jié)反演等方法確定土的滲透系數(shù)。對同一土樣，滲透系數(shù)與固結(jié)壓力或者孔隙比相關關系已有很多討論[1]?？紫侗仁潜碚魍馏w孔徑分布的宏觀指標，是土體的應力狀態(tài)、屈服狀態(tài)、擾動狀態(tài)等的最終反映，因此對滲透系數(shù)與孔隙比關系進行探討并取得了相對統(tǒng)一的結(jié)論，分析有條件下飽和黏性土滲透特性的變化規(guī)律[2]。

為了研究黏性土的滲透性，進一步明確滲透系數(shù)與孔隙比相關關系，筆者對黏性土進行滲透試驗。所進行的變水頭滲透試驗步驟為：(1)取自基坑底部的土體，測量土體物理性質(zhì)指標并風干過篩，試驗前制備了黏性土的重塑試樣1組共5個。(2)將制備的重塑試樣進行變水頭滲透試驗，對其結(jié)果進行滲透性數(shù)據(jù)分析，分析并探索滲透系數(shù)與其孔隙比的變化規(guī)律，研究試樣的滲透性。

2試驗材料與方法

2.1試驗材料

試樣取自武漢某工地深度為9 m基坑坑底處，將采集的土樣進行風干，過2 mm的篩子篩選，測量其物理性質(zhì)指標和物理特性。測得的土體含水率為ω0，經(jīng)過計算稱量一定量的土體與蒸餾水，按《土工試驗技術手冊》要求，制備含水率為15%的重塑土，將其密封靜置24 h，復測含水率，最后含水率確定為15.13%[3]。

將試樣制備成密度ρd分別為1.35 g/cm3,1.4 g/cm3,1.45 g/cm3,1.5 g/cm3,1.6 g/cm3五個等級，經(jīng)計算之后再稱取一定量的試樣，制成1組5個平行試樣,含水率確定為15.13%，用于滲透性試驗。黏性土試樣物理性質(zhì)指標如表1所示。

表1試樣土體的物理性質(zhì)指標

埋深/m天然密度/(g/cm3)相對密度天然含水率/%液限/%塑限/%塑性指數(shù)92.032.7521.938.9520.4318.52

2.2試驗方法

2.2.1試驗原理

溫度效應對黏性土的力學性能有一定影響，對于不同溫度下的滲透試驗，在一定溫度范圍內(nèi)隨著溫度升高，土樣滲透性呈線性增長；溫度變化對黏性土液塑限和黏性土吸附結(jié)合水量都有影響[4]。因此，為了更好地進行變水頭滲透試驗，本試驗的水溫應控制在一定范圍之內(nèi)。本次滲透試驗，試驗水溫經(jīng)測定維持在7—9 ℃之間。

滲透系數(shù)k是反映土的滲透性強弱的指標，是滲流計算的重要參數(shù)，試驗采用變水頭法量測黏性土的滲透系數(shù)，水頭在試驗過程中是動態(tài)變化的[5]。運用滲透儀進行不同干密度下飽和黏性土的滲透分析，推出不同干密度下試樣土體的滲透系數(shù)。試驗裝置如圖1所示。

圖1　試驗裝置

由圖1可知，取細玻璃管的內(nèi)截面截面積為a，試驗試樣的截面面積為A，試驗過程中某一時刻t所對應的水頭為h，時間間隔dt的水位差為dh，則在t至t+dt的時間，流經(jīng)細管土樣的水量dQ：

dQ=-adh.

(1)

式1中的負號代表滲流過程中水量隨水位h的變小而增大。

(2)

同一時間內(nèi)，經(jīng)過同一截面積的總水量相等：

(3)

式3兩邊積分，積分后可得到：

(4)

即可得到土的滲透系數(shù)

(5)

改為常對數(shù)表示，則可寫成：

(6)

已知a、L、A，量測特定時刻t1,t2對應水位h1,h2即可求得滲透系數(shù)[6]。

制樣時進行三次分層填土，使用液壓千斤頂，用靜壓試驗法。取一定質(zhì)量試樣(含水率測得為15.13%)制備五組平行試樣，將制備的試樣抽真空飽和，抽氣持續(xù)4 h，放水中24 h，飽和度到95%后取出。

土的物理性質(zhì)指標已知，則黏性土試樣孔隙比e：

(7)

換算式：

(8)

式中，土粒相對密度ds；ρ為土的天然密度，g/cm3；ρw為水的密度，g/cm3；ρd為土的干密度，g/cm3；e0為初始孔隙比。

(9)

而重塑試樣土體的干密度ρd分別為1.35 g/cm3，1.40 g/cm3，1.45 g/cm3，1.50 g/cm3，1.60 g/cm3，試樣土體的孔隙率n：

(10)

求得的5組試樣的孔隙比和孔隙率如表2所示。

表2土體試樣編號及其物理指標

試樣編號干密度ρd/(g/cm3)孔隙比e孔隙率n/%11.351.037050.9121.400.964349.0931.450.896647.2741.500.833345.4551.600.718841.82

本試驗使用的五組試樣，其變水管的截面積經(jīng)測量分別是： 0.526 cm2,0.491 cm2,0.497 cm2,0.503 cm2,0.517 cm2。

2.2.2實驗操作步驟

(1)切取試樣。切取試樣應盡量獲取原狀土。使黏土試樣的上下面整平擊實，在環(huán)刀內(nèi)壁涂一層凡士林，慢慢地垂直下壓 ，保持環(huán)刀和試樣緊密貼合。

應用唑來膦酸后出現(xiàn)急性葡萄膜炎一般需要糖皮質(zhì)激素治療。本研究中1例患者首選給予眼部抗病毒及抗炎治療，眼部癥狀惡化[16]，提示抗病毒及抗炎治療通常無效。一般局部應用類固醇激素能使大部分病例的眼部癥狀完全緩解。如局部應用類固醇激素，患者眼部癥狀未明顯改善，或患者急性葡萄膜炎始發(fā)癥狀較嚴重，可口服或靜脈全身給予糖皮質(zhì)激素治療。另外，為解除睫狀肌痙攣，改善局部血循環(huán)，減少滲出物，防止虹膜后黏連，可聯(lián)合使用睫狀肌麻痹滴眼劑[31]。

(2)使試樣與刀刃相接的黏性土試樣直徑大于環(huán)刀的內(nèi)徑，將環(huán)刀放進滲透容器前涂層凡士林在容器內(nèi)壁，裝止水墊圈以及將螺母旋緊，將裝有試樣容器的供、進水的裝置連通。關閉止水夾，直到水從排氣孔流出，倒放容器，打開排氣管管夾，再打開止水夾與進水夾，空氣會排出，直到?jīng)]有氣泡排除為止。

(3)往變水頭管中注水，等到了預期的高度后，把進水管夾打開，起始時間t1和終止時間t2，所對應的起始水頭h1和終止水頭h2,記錄出口的開始和終止水溫。

3試驗結(jié)果與討論

根據(jù)上述試驗基本原理、操作步驟，并結(jié)合本節(jié)將要介紹的計算公式和溫度校正系數(shù)，得到飽和黏性土的滲透系數(shù)k。

(1)T℃的滲透系數(shù)公式：

(11)

其中，a為測壓管截面積；L為試樣高度，即為滲徑；h1為開始水頭；h2為終止水頭。

(2)水溫20 ℃時的滲透系數(shù)：

(12)

其中，kT、k20分別為T℃、20 ℃水溫時的滲透系數(shù)(cm/s)；ηT、η20分別為T℃、20 ℃的動力黏滯系數(shù)(10-6kPa·s)。

滲透系數(shù)k與水的重度γω及黏滯度η有關，不同水溫時，γω相差不多，η變化比較大。水溫越高，η越低，k與η呈線性關系。溫度T下測得的kT值應加溫度修正，成為標準溫度下滲透系數(shù)值。

確定能使度量正確、測量儀器和校正儀器都具有正確指示的溫度。所以，水溫因素的影響不容忽視。在本試驗中，特別需要注意的是水頭差應大于10 cm。針對本次滲透試驗，試驗水溫經(jīng)測定維持在7—9 ℃之間。規(guī)范中規(guī)定采用10 ℃或20 ℃水溫的滲透系數(shù)為試驗中標準滲透系數(shù)[7]。滲透試驗中水的滲透力作用會使試樣的干密度產(chǎn)生變化，會致使最后的結(jié)果誤差變大。水的動力黏滯系數(shù)η、黏滯系數(shù)比ηT/η20、溫度校正值Tp如表3所示。

表3水的動力黏滯系數(shù)η、黏滯系數(shù)比ηT/η20、溫度校正值Tp

求得的5個黏性土試樣的滲透系數(shù)如表4所示。

由現(xiàn)有數(shù)據(jù)繪制孔隙比e以及黏土試樣干密度ρd分別與滲透系數(shù)k的關系圖，如圖2和圖3所示。

表4黏性土試樣的滲透系數(shù)

試樣編號溫度/℃kt的平均值/(cm/s)修正系數(shù)最終值/(cm/s)19.05.510×10-51.3447.350×10-529.02.740×10-51.3443.655×10-537.02.366×10-51.4143.346×10-547.51.730×10-51.3932.409×10-557.01.324×10-61.4141.872×10-6

圖2　試樣孔隙比e與滲透系數(shù)k的關系曲線

圖3　試樣干密度ρd與滲透系數(shù)k的關系曲線

從圖2可知滲透系數(shù)k隨著孔隙比e的增大而增大，主要分為3個區(qū)域:當孔隙比e為0.718 8—0.833 3區(qū)域的試樣，起初孔隙孔徑較小，但其孔隙率慢慢變大，孔隙孔徑也逐漸增大；當孔隙比e為0.833 3—0.964 3時，土體孔隙比進一步增大，但是滲透系數(shù)增加不多；當孔隙比為0.964 3—1.037 0區(qū)域的試樣，土體密實度最小，孔隙孔徑最大，水在滲透過程中受到的顆粒間阻力是最小的，所以滲透系數(shù)是最大的。

從圖3可知，滲透系數(shù)k隨著黏土試樣干密度ρd的增大而減小，主要分為3個區(qū)域:當干密度在1.35—1.40時，干密度逐漸增加，土體孔隙孔徑由最大逐漸減小，同樣滲透系數(shù)也是逐漸減??；當干密度在1.40—1.50時，干密度逐漸增加，但滲透系數(shù)變化不大；當干密度在1.50—1.60時，干密度增加到最大，土體孔隙孔徑是最小的，滲透系數(shù)是最小的。

對重塑黏性土試樣進行變水頭滲透試驗，進行黏土試樣的滲透系數(shù)k與孔隙比e和土體干密度ρd的關系分析[8]。曾玲玲，洪振舜在對重塑黏性土的壓縮過程中，對滲透系數(shù)的變化規(guī)律進行研究，發(fā)現(xiàn)隨著重塑黏性土干密度ρd的增大和孔隙比e的減小，滲透系數(shù)k呈現(xiàn)指數(shù)級減小，可以通過e—lgk、lge—lgk以及l(fā)g(1+e)—lgk的單對數(shù)或雙對數(shù)形式，特別研究滲透系數(shù)與孔隙比的關系，提出考慮不同重塑土基本物理指標的影響表達式，從而建立簡單實用的關于滲透系數(shù)與孔隙比關系的預測公式[9]。研究本次變水頭滲透試驗的關系，通過已知e和k,得出對應的lge、lg(1+e)、lgk值，對數(shù)形式如表5所示。

表5e—lgk、lge—lgk、lg(1+e)—lgk對數(shù)形式

編號孔隙率elgelg(1+e)lgk滲透系數(shù)/(10-5cm/s)11.03700.01580.3090-4.13377.35020.9643-0.01580.2932-4.43713.65530.8966-0.04740.2780-4.47553.34640.8333-0.07920.2632-4.61822.40950.7188-0.14340.2352-5.72771.872

根據(jù)表中數(shù)據(jù)得出試樣的e—lgk、lge—lgk以及l(fā)g(1+e)-lgk的單對數(shù)或雙對數(shù)關系曲線圖，如圖4—圖6所示。

圖4　不同干密度的試樣lgk—e的半對數(shù)關系圖

圖5　不同干密度的試樣lgk—lge的雙對數(shù)關系

由圖4可知，孔隙比e與lgk呈直線關系，其斜率為孔隙比e的函數(shù)，這一經(jīng)驗關系式位于數(shù)據(jù)點的中間，總體上具有很好的相關性，利用origin繪圖軟件對孔隙比e與lgk的坐標關系曲線進行擬合，擬合的曲線關系式：

y=-8.78671+4.61604x.

(13)

其線性相關系數(shù)R為0.920 65，y是對滲透系數(shù)k取的對數(shù)，即lgk，x是試樣土體的孔隙比e。

由圖5可知，lge與lgk呈直線關系，其斜率為孔隙比lge的函數(shù)，這一經(jīng)驗關系式位于數(shù)據(jù)點的中間，總體上具有很好的相關性，對lge與lgk的坐標關系曲線進行擬合，擬合的曲線關系式：

y=-4.17139+9.38975x.

(14)

其線性相關系數(shù)R為0.938 81，y是對滲透系數(shù)k取的對數(shù)，即lgk，x是對試樣土體的孔隙比e取的對數(shù)，即lge。不同干密度試樣lgk—lg(1+e)的雙對數(shù)關系如圖6所示。

圖6　不同干密度試樣lgk—lg(1+e)的雙對數(shù)關系圖

由圖6可知，lg(1+e)與lgk的呈直線關系，其斜率為孔隙比lg(1+e)的函數(shù)，這一經(jīng)驗關系式位于數(shù)據(jù)點的中間，總體上具有很好的相關性，對lg(1+e)與lgk的坐標關系曲線進行擬合，擬合的曲線關系式：

y=-10.21286+20.07259x.

(15)

其線性相關系數(shù)R為0.929 33，y是對滲透系數(shù)k取的對數(shù)，即lgk，x是對(1+e)取的對數(shù)，即lg(1+e)。

結(jié)果表明，幾種關系式反映了滲透系數(shù)與孔隙比呈直線關系，以對數(shù)形式表示的lgk—lg(1+e)和lgk—lge的雙對數(shù)形式得到的相關性系數(shù)，要高于半對數(shù)形式lgk—e所得到的相關性系數(shù)。并且線性相關性的大小順序為lgk—lge>lgk—lg(1+e)>lgk—e。關系曲線位于數(shù)據(jù)點的中間，總體上具有很好的相關性，說明lgk—lge所得到的擬合曲線關系(14)對試樣的滲透系數(shù)與孔隙比關系的描述最好。

4結(jié)束語

筆者采用變水頭法試驗對黏性土試樣進行滲透系數(shù)的測量。由曲線知：隨著黏性土孔隙比e逐漸增大即土的干密度ρd逐漸減小，則滲透系數(shù)k也逐漸增大。得出滲透系數(shù)k與孔隙比e的3種關于lgk—lge、lgk—lg(1+e)、lgk—e半對數(shù)或雙對數(shù)關系曲線圖以及對應的關系式，滲透系數(shù)與孔隙比呈直線關系，通過對比分析知道lgk—lge的線性相關性最顯著。本試驗只研究了土體孔隙比與其滲透系數(shù)之間的關系，但孔隙比并不能完全反映土體孔隙結(jié)構的情況，所以試驗研究中還要考慮土體其它參數(shù)，如液限、土體的含水比等對其滲透系數(shù)的影響。本文中許多關系曲線在擬合時為了研究與運算的方便，筆者只是做了簡單的線性擬合，并沒有考慮比較復雜的折線與非線性擬合[10]。

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Cohesive soils’s permeability analysis under different compactness

CHENZong-xian,HEXiang,XIONGYun-shan,WANGRui

(School of Civil Engineering and Architecture , Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023, China)

Abstract：Soil mass is a material with complex physical properties,and the microscopic pore characteristics of the soil determine the permeability of the soil. So the physical properties of soil are determined. The permeability and porosity of soil are analyzed in this paper, using variable head permeability test. Main research task: the soil sample was prepared from a Wuhan site, to measure its physical index, for dry sieving,and to prepar remodeling sample by static pressure test, for penetration testing. Analysis results show that: With the increasing of the clay pore ratio e and dry density of soil gradually decreasing, the permeability coefficientkincreases gradually.And the various experience relationship between permeability coefficient and void ratio are compared.

Key words：permeability coefficient; void ratio; penetration test; remodeling sample

收稿日期：2015-12-02.修回日期：2015-12-24.

作者簡介：陳宗先(1990-)，男，碩士研究生，E-mail: 1007447368@qq.com. 通信作者：何翔(1974-)，男，副教授，E-mail: hexiangchn@163.com.

文章編號：2095-7386(2016)02-0067-05

DOI:10.3969/j.issn.2095-7386.2016.02.012

中圖分類號：TU 411

文獻標識碼：A