李方振，柳 侃，陳志波

(1.福建省地質工程勘察院 福建省地質災害重點實驗室，福州 350002；2.福州大學 a. 環(huán)境與資源學院； b. 巖土工程與工程地質研究所，福州 350108)

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寬級配礫質土三軸滲透試驗研究

李方振1,2a，柳 侃1，陳志波2a,2b

(1.福建省地質工程勘察院 福建省地質災害重點實驗室，福州 350002；2.福州大學 a. 環(huán)境與資源學院； b. 巖土工程與工程地質研究所，福州 350108)

為研究寬級配礫質土的滲透特性，對不同礫石含量的寬級配礫質土進行了一系列的三軸滲透試驗。試驗結果表明：隨礫石含量的增加，寬級配礫質土的結構分別為懸浮-密實、密實-骨架、骨架-空隙3種形式；隨礫石含量的增大，滲透系數呈現出先略微減小然后逐漸增大、最后迅速增大的變化規(guī)律；含水率、干密度均對寬級配礫質土的滲透系數有較大的影響；在最優(yōu)含水率左右，滲透系數有明顯的差異，施工中應注意對含水率控制。

寬級配礫質土；三軸滲透試驗；干密度；含水率；滲透系數；礫石含量

1 研究背景

隨著我國西部大開發(fā)的逐步推進，水利水電工程得到了極大的發(fā)展，特別是近20 a，在土石壩設計理論和設計方法以及筑壩技術方面取得了長足進步，極大地促進了高土石壩工程的迅速發(fā)展[1]。隨著土石壩壩高的增加，傳統(tǒng)的純黏土心墻防滲料，由于其抗剪強度低、壓縮模量小，在應力拱效應作用下，較容易產生裂縫和水力劈裂，已經不能滿足高土石壩對心墻防滲料的要求[2-3]。

大量的室內試驗以及工程實踐表明，采用黏土和礫石料摻合而成的礫質黏土(本文稱為寬級配礫質土)，不僅滿足防滲要求，而且其變形模量大，變形量小，改善了應力狀態(tài)，并減小水力劈裂的可能性，有較高的承載力，便于機械的運行，在高土石壩工程中得到廣泛的應用[4-5]。

寬級配礫質土一般具有顆粒級配寬廣，顆粒范圍從黏粒(0.005 mm)至粗粒甚至巨粒(60 mm)，且多具不連續(xù)、穩(wěn)定性差等特點[5]，因此對寬級配礫質土防滲性能的研究，一直是土石壩工程重點研究的內容。由于此類土含有較多的粗顆粒(粒徑>5 mm),對其滲透特性的研究提出了較高的要求，室內常用滲透試驗設備由于試樣尺寸限制，較難完成對其防滲特性的研究。

目前，對于寬級配礫質土的滲透特性所作的研究大都比較單一，多在工程應用范圍內對單一礫石含量、最大干密度、最優(yōu)含水率情況下的寬級配礫質土滲透特性作研究，較少有針對單一變量的系統(tǒng)研究。故本文通過三軸滲透試驗，研究了不同礫石含量、干密度及含水率對寬級配礫質土的滲透特性的影響。

2 試驗條件

2.1 試驗用料

試驗采用的寬級配礫質土由黏土料和礫石料摻合而成。黏土料為經篩分剔除粒徑>5 mm顆粒的花崗巖殘積土，基本物理參數為：土粒相對密度Gs=2.75，液限wL=54%，塑限wP=35%，塑性指數IP=19，顆粒級配詳見表1;礫石料為對粒徑>20 mm的顆粒進行等量替代法處理后的人工花崗巖碎石，顆粒級配見表2。不同礫石含量的寬級配礫質土顆粒級配曲線見圖1。

表1 黏土料級配

2.2 試驗方案

本文研究摻礫石料含量(簡稱礫石含量)分別為30%，40%，50%，60%，70%，80%的寬級配礫質土的防滲特性，并以礫石含量50%和60%的寬級配礫質土為例，研究制樣干密度和制樣時試樣含水率對滲透系數的影響。試驗方案為：

表2 礫石料級配

圖1 不同礫石含量寬級配礫質土顆粒級配曲線Fig.1 Grading curve of broadly graded gravel soil with different gravel contents

(1) 研究礫石含量對寬級配礫質土的防滲特性時，以礫石含量為變量，控制干密度取值為相對密實度85%時對應的干密度，含水率取最優(yōu)含水率。

(2) 研究制樣干密度對滲透系數的影響時，以干密度為變量，控制礫石含量取值，含水率取最優(yōu)含水率。

(3) 研究制樣含水率對滲透系數的影響時，以含水率為變量，控制礫石含量取值，干密度取值為相對密實度85%時對應的干密度。

考慮土石壩防滲料的實際應力環(huán)境，本文進行三軸滲透試驗時圍壓均取為400 kPa。

2.3 試驗設備

室內滲透試驗根據不同的土質選擇不同類型的儀器進行。對于粗粒土室內試驗，一般采用70型滲透儀和土樣管等方法，這些方法的共同點是土樣盒為玻璃或有機玻璃制品。因本次試驗試樣為重塑且含有較多粗顆粒的礫質土，并且試驗要求要在較高的密實度狀態(tài)下進行，玻璃制品土樣盒不滿足制樣要求。滲透系數測試設備如南55型滲透儀和負壓式滲透儀，具有可在試驗過程中逐級加壓，用同一個試樣測定不同孔隙比滲透系數的優(yōu)勢，但由于其試樣盒較小(《土工試驗規(guī)程》(SL237—1999)規(guī)范要求土樣筒的直徑要大于最大土顆粒直徑的10倍)，不能滿足粗粒土滲透試驗，只適用于細粒土。

圖2 試驗儀器及試樣Fig.2 Test apparatus and specimen

圖3 礫石含量與滲透系數關系曲線Fig.3 Relationship between gravel content and permeability coefficient

考慮到以上滲透設備均不能滿足寬級配礫質土滲透試驗的要求，參閱文獻[6-7]，選擇采用三軸儀來完成寬級配礫質土的滲透試驗，試樣直徑101 mm，試樣高200 mm(圖2)。利用三軸儀不但克服了實驗室常用滲透儀器的不足，而且還具有其獨特的優(yōu)勢。滲透試驗通常是將土樣放置在剛性環(huán)形成的容器內，這樣很容易導致土樣和容器內壁之間接觸不密實形成滲流，三軸儀采用橡皮膜柔性接觸，有效避免了容器壁與試樣之間的空隙；另一方面，可以在試驗前通過圍壓系統(tǒng)使試樣達到固結要求或者所要求的應力狀態(tài)，可以準確測定寬級配礫質土在實際工作狀態(tài)時的滲透系數[8]。

2.4 試驗方法

首先，將三軸儀圍壓系統(tǒng)、反壓系統(tǒng)內的氣體排出，然后按照三軸試驗固結不排水試驗方法安裝試樣。之后，利用反壓系統(tǒng)飽和試樣，待試樣飽和度達到要求后，施加400 kPa圍壓使試樣充分固結。最后，對試樣底部施加穩(wěn)定的水頭P1(通過施加反壓實現)，待體變管內水流穩(wěn)定后，記錄時間t與體變管液面高度h，按式(1)計算滲透系數k[6]。

(1)

式中：a為體變管截面面積(mm2)；H為試樣高度(mm)；A為試樣截面面積(mm2)；t為時間間隔(min)，t=tf-t0，t0，tf分別為試驗開始時間和試驗結束時間；P1為反壓力(kPa)，相當于水頭；h0，hf分別為t0和tf時液面高出排水口的高度(mm)。

3 試驗結果及分析

3.1 礫石含量對滲透系數的影響

不同礫石含量下寬級

圖4 礫質土的骨架-空隙結構Fig.4 Framework-pore structure of gravelly soil

表3 礫石含量與粗粒含量P5的關系

3.2 干密度對滲透系數的影響

圖5 干密度與滲透系數關系曲線Fig.5 Relationship between dry density and permeability coefficient

本文以制樣時干密度為變量，對礫石含量50%和60%的寬級配礫質土進行滲透試驗，試驗結果見圖5。從圖5中可以看出，隨干密度的增加，滲透系數逐漸減小，當干密度達到一定值時滲透系數最??；之后隨干密度的增大。滲透系數逐漸增大。礫石含量50%的寬級配礫質土在相同相對密實度的情況下，其滲透系數均小于礫石含量60%的寬級配礫質土的滲透系數，符合第3.1節(jié)中礫石含量對寬級配礫質土滲透系數影響的試驗結果。

表4顯示，試樣中粒徑大于0.5 mm的顆粒含量均有不同程度的改變，并且有幾組粒徑的顆粒含量增幅在30%左右。在擊實功小于顆粒極限強度范圍內，隨擊實功的增加，試樣的密實度逐漸增加，滲透系數減??；當擊實功增加到超過極限擊實功時，粗顆粒被壓碎土體發(fā)生剪切破壞，顆粒間形成滲透通道，致使其防滲性能降低[8]。

表4 試驗前后顆粒含量的變化

寬級配礫質土作為土石壩心墻料應用于工程中，防滲是其主要任務，減小變形和增大抗剪強度次之。因此建議采用適當的壓實功能，防止超壓使土體內部發(fā)生剪切破壞，形成滲透通道，影響防滲效果。

3.3 含水率對滲透系數的影響

圖6為含水率與滲透系數的關系曲線。從圖6中可知，筑壩時礫質土的含水率對其滲透系數有較大的影響，在最優(yōu)含水率wop左右(wop-2%，wop+2%)，其滲透系數有較大的變化，有時會達到1個數量級，因此筑壩時必須嚴格控制心墻料的含水率。

圖6 含水率與滲透系數的關系曲線Fig.6 Relationship between water content and permeability coefficient

圖6(a)和圖6(b)表現出相似的變化規(guī)律：在含水率高于最優(yōu)含水率wop(礫石含量50%和60%的寬級配礫質土，最優(yōu)含水率分別為11.22%和9.87%)時，隨含水率的增大，滲透系數逐漸減?。缓实陀谧顑?yōu)含水率，其滲透系數迅速增大，然后隨著含水率的進一步降低，其滲透系數又呈現小幅度的減小趨勢。

圖6中曲線均以拐點為界可分為前后2段，前段為滲透系數隨含水率的增加而增大，后段為滲透系數隨含水率的增加而減小。在后段曲線，隨著試樣中含水率的增大，顆粒間的滑動摩阻力逐漸減小，利于顆粒之間的重新排列。在擊實功的作用下，土體產生的剪應變促使顆粒按接近于平行的方式定向排列，形成比較分散和均勻的結構，雖然含水率越大，孔隙比越高，但孔隙排列均勻且孔隙尺寸小，所以其滲透系數逐漸減小。因此施工時配料時要堅持“寧濕勿干”的原則[8]。

對于圖6中的前段曲線，這里有必要給出說明。在含水率較低時土層表面吸著的水膜較薄，顆粒間的作用力以引力為主，在擊實過程中，土顆粒錯動比較困難，粗細顆粒分布不均勻，并趨向于形成任意排列，造成土體擊實不均勻[5]。在實際的制樣過程中，每層土體擊實后上半部分會比較密實，這樣就在一個試樣內形成人為的透水性較差的斷面，所以其滲透系數會有一定程度的減小，圖7比較明顯地看出試樣的分層現象。

注：左邊試樣含水率13.22%，右邊試樣含水率7.22%。圖7 不同含水率擊實后土樣分層現象(礫石含量50%)Fig.7 Stratification phenomenon of test specimen with different water contents after compaction (with gravel content of 50%)

4 結 論

(1) 隨著礫石含量的增加，寬級配礫質土表現為懸浮-密實、密實-骨架、骨架-空隙3種不同的結構形式。

(3) 含水率、干密度均對寬級配礫質土的滲透系數有較大的影響。在最優(yōu)含水率左右，土樣滲透系數會有量級上的差別，填筑時應注意礫質土含水率的控制。隨制樣干密度的增加，滲透系數逐漸減?。坏敻擅芏仍龃蟮揭欢ㄖ抵?，由于粗顆粒的破碎，導致滲透系數不再減小反而增大。

[1] 林 昭. 碾壓式土石壩設計[M]. 鄭州: 黃河水利出版社, 2003.

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(編輯：黃 玲)Experimental Study on the Triaxial Permeability ofBroadly Graded Gravelly Soil

LI Fang-zhen1,2, LIU Kan1, CHEN Zhi-bo2,3

(1.Fujian Key Laboratory of Geohazard Prevention, Geo-engineering Investigation Institute of Fujian Province,Fuzhou 350008, China; 2.College of Environment and Resources,Fuzhou University, Fuzhou 350108, China; 3.Institute of Geotechnical Engineering and Geological Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China)

In order to study the permeability characteristics of the broadly graded gravelly soil， triaxial seepage tests in the presence of different gravel contents. The test results show that, with the increasing gravel content，the structure types of the broadly graded gravelly soil can be divided into three different kinds，including suspend-dense structure, dense-framework structure and framework-pore structure. When the gravel content increases, the permeability coefficient decreases slowly first, then increases slowly, and increases quickly finally. Dry density has main influence on permeability coefficient, so does the moisture content. The permeability coefficient is obviously different near the optimum moisture content, so we should pay attention to controlling the moisture content in construction.

broadly graded gravelly soil; triaxial permeability test; dry density; moisture content; permeability coefficient；gravel content

2014-08-08；

2014-09-13

國家自然科學基金項目(41102167)；福州大學科技發(fā)展基金資助項目(2011-XQ-12)

李方振(1985-)，男，山東菏澤人，助理工程師，碩士，研究方向為地質災害監(jiān)測預警，(電話)0591-83780229(電子信箱)qingdaofangzhen@163.com。

陳志波(1977-)，男，福建仙游人，副教授，博士，主要從事土體基本特性、土工數值分析等方面的研究，(電話)0591-22866083(電子信箱)czb@fzu.edu.cn。

10.11988/ckyyb.20140677

2016,33(01):126-129，133

TU47

A

1001-5485(2016)01-0126-04