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(合肥工業(yè)大學 資源與環(huán)境工程學院，安徽 合肥 230009)

地面沉降是地質(zhì)工程與地質(zhì)災害領域全球性難題，地面沉降現(xiàn)象主要由人為開采地下水和石油、采礦、自然塌陷、地應力變化及土體自然固結(jié)等因素引發(fā)[1-2]。滲透性問題則是巖土地質(zhì)研究的關鍵之一，滲透系數(shù)作為表征滲透性的重要參數(shù)，其演化特性對砂土的強度與變形有重要影響。近年來，不同砂土類型所含不同粒徑顆粒對工程性狀的影響已引起國內(nèi)外的重視[3-4]?，F(xiàn)今公認地面沉降同介質(zhì)的孔隙度存在主要關系[5-6],多數(shù)研究從各類介質(zhì)與滲透系數(shù)及孔隙度變化關系出發(fā)[7-10]，并得出了相應的結(jié)論。其中，河海大學的束教授等人進行了含水層壓密引起其特征參數(shù)變化的實驗[11]：滲透系數(shù)隨模擬含水層介質(zhì)壓密過程的變化幾乎呈線性的減小趨勢，壓密前后含水層的滲透系數(shù)和給水度發(fā)生了較大的變化，為此領域做出了引導和積極意義。但目前大多數(shù)的研究建立在單一或特定介質(zhì)的比較上[12]，而現(xiàn)實非均質(zhì)介質(zhì)(不同比例混合介質(zhì))中壓密作用下水力參數(shù)的變化規(guī)律仍有待進一步研究。含水介質(zhì)層受到壓密作用后對水文地質(zhì)參數(shù)影響較大，尤其是對其中的滲透系數(shù)有較深影響[13-15]。由此，本文探討不同比例混合介質(zhì)分別在不同的壓密作用下對滲透系數(shù)所產(chǎn)生的不同影響,借此得出普遍規(guī)律。

1 實驗模擬研究

1.1 實驗樣品

為進行實驗對比，我們選擇制作了不同比例的充填介質(zhì)樣品，充填介質(zhì)分為2種：細砂和中砂。在實驗中我們先對細砂和中砂單獨進行了填充實驗，并將中砂和細砂按照1:1和2:1比例混合進行填充實驗，在混合砂試樣的配比中我們采取了均勻混合的方式。隨后對這四種砂樣進行了研究，探究其在壓密條件下所產(chǎn)生滲透系數(shù)的不同。

1.2 實驗裝置

實驗容器采用1 cm厚鋼化透明有機玻璃柱，內(nèi)徑為200 mm,高1 m(其中模擬含水層0.5 m，反濾層0.2 m，其余為上部高度)，柱體外壁安裝測量裝置，配有上、下游定水頭控制裝置，并用測壓管來測量實驗裝置上、下游的水頭；密紗布設置在模擬含水層底部，目的是防止試樣在實驗過程中漏失；有機玻璃柱嵌入在鋼化支架內(nèi)，鋼化支架配有施壓裝置，并起到固定實驗柱的作用(見圖1)。

圖1 實驗裝置

1.3 實驗步驟

(1)將要實驗的砂樣預先進行浸泡處理，目的是維持實驗容器內(nèi)適當壓力，模擬正常情況下水對砂石的壓力；

(2)向?qū)嶒炄萜鲀?nèi)部填充水，水從實驗容器頂部進入，使其到達管高一半處后，關閉水閥；

(3)將飽和的濕砂從管頂慢慢填入，保持模擬介質(zhì)松散的狀態(tài)，直至厚度為500 mm；

(4)向?qū)嶒炄萜鲀?nèi)部充填水，水從實驗容器頂部進入，使水位到達上游水頭的高度；

(5)調(diào)節(jié)上下游水頭高度，使上游水頭不超過實驗柱內(nèi)上部出水口，下游水頭不高于砂柱高度；

(6)打開水閥，維持飽和水位24 h，模擬現(xiàn)實狀態(tài)中砂樣穩(wěn)定的狀態(tài)；

(7)24h后，用量筒和秒表測量下游水頭的流量和時間，用Darcy公式[15]計算滲透系數(shù)K，連續(xù)測三組數(shù)據(jù)，取其平均值；

(8)每完成一組實驗后，通過外界施壓裝置將模擬含水介質(zhì)均勻壓密1 mm，重復步驟(5)-(7)，獲取新的一組滲透系數(shù)K；

(9)當含水介質(zhì)達到壓密裝置的最大壓密能力時，本組實驗結(jié)束。

2 結(jié)果與分析

通過實驗主要獲取在不同壓密條件下模擬含水介質(zhì)的滲透系數(shù)變化，但在實驗過程中，重力對砂的影響超過預期，由此對單一砂樣做了長時間的模擬實驗。隨后對不同壓密條件下的不同砂樣進行了實驗。

2.1 壓密與滲透系數(shù)的關系

實驗壓密階段以毫米為單位，通過外界施壓裝置將模擬含水介質(zhì)均勻壓密，然后在壓密介質(zhì)上進行達西滲透實驗，每壓密一次獲取一組滲透系數(shù)K，重復步驟直至含水介質(zhì)達到壓密裝置的最大壓密能力為止。測得數(shù)據(jù)后整理成曲線圖表如圖2，由圖表可知：通過對實驗數(shù)據(jù)的分析，四種介質(zhì)表現(xiàn)出的滲透系數(shù)差異，主要受到粒徑的級配及其排列方式的影響，結(jié)果顯示平均直徑越小滲透系數(shù)越小，平均直徑越大滲透系數(shù)越大，越容易透水。

在對模擬含水介質(zhì)施壓逐級增大的情況下，滲透系數(shù)呈現(xiàn)減小趨勢。相同的實驗條件下，不同粒徑的砂樣壓密高度越小時其滲透系數(shù)的變化程度越大，壓密到一定程度時，不同粒徑的含水介質(zhì)滲透系數(shù)變化緩慢；中砂、細砂、混合砂的滲透系數(shù)在壓密條件下滲透系數(shù)逐漸減小，且減小速率逐漸降低。

圖2 壓密過程中滲透系數(shù)K與壓密高度h關系曲線

在壓密過程后期，滲透系數(shù)的變化曲線斜率減小，曲線越來越平緩，中砂滲透系數(shù)的變化最明顯。在施加壓力時砂粒之間的孔隙逐漸變小，排列方式也有一定的變化，施加壓力引起儲水空間損失，外界施加的壓力引起介質(zhì)顆粒之間摩擦力增大，進而導致顆粒之間的空隙愈難被壓縮，進而降低了對滲透系數(shù)的影響。

2.2 砂樣種類與滲透系數(shù)的關系

含水介質(zhì)的滲透系數(shù)，主要是受砂粒本身顆粒級配及其排列方式的影響。即平均粒徑越大、排列越松散，介質(zhì)孔隙越大、滲透性越好。因此中砂滲透系數(shù)大于細砂。在模擬含水介質(zhì)壓密之后，滲透系數(shù)呈線性下降，反映出含水層透水性的規(guī)律變化。主要原因是由于壓密過程中砂樣的空隙變化。在逐步壓密過程中，模擬含水介質(zhì)的空隙逐漸減小，以致模擬含水介質(zhì)的透水性下降。四種模擬含水介質(zhì)都符合該變化規(guī)律，四種砂樣的空隙在壓縮中都是明顯且易被改變的。由實驗結(jié)果可知，在壓縮后中砂的滲透系數(shù)仍大于壓縮后細砂的滲透系數(shù)。

在細砂和中砂混合含水介質(zhì)的壓密實驗中，細砂與中砂的混合使砂樣密實，從而改變了原有的大空隙。由圖2知，混合砂的滲透系數(shù)介于中砂和細砂之間，且滲透系數(shù)傾向于粒徑較小的介質(zhì)。細砂和中砂的混合比例決定了其空隙變化的程度，實驗中中砂和細砂按照1：1比例混合的混合砂滲透系數(shù)明顯小于2：1比例混合的混合砂滲透系數(shù)，說明細砂和中砂按照1:1比例混合的混合砂，砂粒之間空隙更小。即細砂在此比例中更易填補中砂空隙，從而改變原本中砂的滲透性質(zhì)。

壓密過程中四種含水介質(zhì)K-h曲線的中間部分出現(xiàn)比較平緩的一段，分析可知，這應當為砂樣空隙基本壓密的情況，滲透系數(shù)改變甚少，但在砂樣骨架開始遭受破壞后，其滲透系數(shù)又開始逐漸下降[11]。故砂樣骨架的破壞程度對模擬含水層的滲透性質(zhì)也有非常大的影響。

圖2中四條曲線后段的曲率略有減小的趨勢，說明在壓密過程中，四種含水介質(zhì)受壓縮作用所產(chǎn)生的變化逐漸減小。由此知含水介質(zhì)的壓縮及滲透參數(shù)是在有限的范圍內(nèi)改變的。

2.3 重力影響與滲透系數(shù)的關系

理論分析表明，含水介質(zhì)的孔隙大小對滲透系數(shù)起主要作用。在各砂樣未被壓密之前，由于水流方向從上至下，在重力作用下，介質(zhì)中的細顆粒隨水流向下進行運移，充填入大的顆?？障吨校瑥亩沟撞可皹诱w的孔隙減小。隨著時間的延長模擬含水介質(zhì)中的這種重力作用被放大，進而使底部含水介質(zhì)不斷密實，滲透系數(shù)有明顯的下降趨勢，如圖3所示。

圖3 未施壓各砂樣滲透系數(shù)K-天數(shù)d關系曲線

用線性趨勢線擬合，決定系數(shù)R2(R2為相關系數(shù))為0.845 2～0.885 5。細顆粒的運移直接導致顆粒排列更緊密、顆粒間孔隙空間減小，滲透系數(shù)隨之減小。在相同實驗條件下四種砂樣滲透系數(shù)均呈下降趨勢，但下降速率各不相同，重力對不同砂樣的影響也不同，下降速率具體表現(xiàn)為：

中砂>混合砂(中砂：細砂=2：1)> 混合砂(中砂：細砂=1：1)>細砂。

這是由于砂樣中粒徑較小顆粒越多，其越容易向下發(fā)生運移，填充入顆?？障吨g。未施壓情況下，每種砂樣所測得的滲透系數(shù)都是前期下降速度快，后期下降速度趨緩。其原因為前期介質(zhì)上部細小顆粒較多，小顆粒向下運移，但隨著時間的增長，由于砂樣內(nèi)部的不規(guī)則排列，細小顆粒向下運移需要克服的阻力越來越大，同時細小顆粒填充入孔隙后，會使透水路徑減少，對水質(zhì)點的流動產(chǎn)生阻力，從而導致了透水能力的減弱，滲透系數(shù)下降速率越來越慢。

3 結(jié)語

(1)隨著模擬含水介質(zhì)的壓密，滲透系數(shù)幾乎成線性減小。而且，隨著壓密程度的增加，不同介質(zhì)的滲透系數(shù)變化程度不同。其中，變幅最大的為中砂，其次為混合砂(中砂：細砂=2：1)，之后為混合砂(中砂：細砂=1：1)，變幅最小的為細砂。

(2)對于混合砂，隨著粒徑較小介質(zhì)的比例增加，滲透系數(shù)在不同程度上傾向于粒徑較小的介質(zhì)。

(3)含水層透水能力主要取決于介質(zhì)粒間空隙大小和多少等因素。

(4)從實驗現(xiàn)象和實驗結(jié)果分析來看，含水介質(zhì)從無壓到有壓的過程致使介質(zhì)壓密，滲透系數(shù)減小，含水介質(zhì)的透水能力減弱。由于水力梯度以及重力因素的影響，導致介質(zhì)中的細小顆粒沿空隙向下運移，使得所測滲透系數(shù)值逐漸變小，并導致實驗時間加長。因此含水層介質(zhì)其他水理性質(zhì)的變化，后續(xù)仍需繼續(xù)進行深入研究。