唐 凱,郭 丹，沈才華，喬曉龍，王業(yè)釗

(1.保利長(zhǎng)大海外工程有限公司，廣東 廣州 510623；2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；3.山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590)

粒徑較小的砂土如粉細(xì)砂、極細(xì)砂具有滲透穩(wěn)定性差、滲透系數(shù)受粒徑影響大、滲流作用下細(xì)顆粒易流失的特點(diǎn)，它在天然土層中的含量對(duì)工程安全具有重要影響，對(duì)于土層中存在這類細(xì)砂層的工程，在地下水的作用下，易產(chǎn)生流砂、涌砂，進(jìn)而發(fā)生滑坡、坍塌、支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞等現(xiàn)象[1-2]。因此，有關(guān)粒徑較小的砂土滲透性的研究一直是熱點(diǎn)研究課題。

對(duì)于不同級(jí)配、不同顆粒形狀以及不同地區(qū)砂土的飽和滲透性的研究已有很多成果，這對(duì)探討極細(xì)砂的飽和滲透性具有重要指導(dǎo)意義?？琢顐サ萚3]通過室內(nèi)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)砂土的飽和滲透系數(shù)隨細(xì)粒含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的增加而減小，并且在細(xì)粒含量為5%、5%～10%、25%時(shí)有顯著區(qū)別。齊俊修等[4]統(tǒng)計(jì)分析了50余個(gè)細(xì)砂試樣的物理性質(zhì)及相應(yīng)的滲透系數(shù)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)細(xì)砂干密度在1.36～1.93 g/cm3時(shí)，其滲透系數(shù)主要分布在(8～3.0)×10-3cm/s區(qū)間內(nèi)。石宇涵[5]對(duì)粉細(xì)砂進(jìn)行的滲透試驗(yàn)和顆分試驗(yàn)結(jié)果表明，粉細(xì)砂粒徑較小，骨架顆粒之間的孔隙被細(xì)顆粒填充，使得試樣密度增大，孔隙率降低，滲透性減弱。史志敏[6]通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，砂土的平均粒徑有一個(gè)臨界值0.37 mm，超過該值后，平均粒徑對(duì)砂土飽和滲透性的影響尤其顯著。張翔[7]對(duì)砂土滲流過程中的顆粒流失情況進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)土體中的細(xì)顆粒含量小于35%時(shí)，細(xì)顆粒易在滲流作用下從粗顆粒骨架間的孔隙中流失，細(xì)顆粒含量為35%時(shí)土體最為穩(wěn)定。Ueng等[8]對(duì)細(xì)砂液化過程中的滲透系數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)液化區(qū)的滲透系數(shù)隨著向上流速的增大而增大。Xu等[9]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)研究了Ca2+濃度對(duì)砂-膨潤(rùn)土滲透性的影響，結(jié)果表明Ca2+濃度對(duì)混合土的滲透特性有較大的影響，土體會(huì)在化學(xué)反應(yīng)的作用下發(fā)生轉(zhuǎn)化，從而降低土體的防滲性能。

在海岸港口工程中，富含極細(xì)砂的土層在遇外力作用后易產(chǎn)生隆起、沉降、驟淤等現(xiàn)象，導(dǎo)致這類地質(zhì)條件下的海岸港口工程施工難度較高[10]。由于試驗(yàn)條件等限制，目前細(xì)顆粒含量對(duì)極細(xì)砂土層滲透特性、工程安全特性等方面的研究還不成熟，理論體系尚不完善。為此，本文基于毛里塔尼亞港池建設(shè)M201項(xiàng)目，從工程現(xiàn)場(chǎng)取回極細(xì)砂樣本(以下簡(jiǎn)稱“砂樣”)進(jìn)行顆粒級(jí)配試驗(yàn)，考慮到沿海岸沙灘的空間不均勻分布特性，采用相應(yīng)級(jí)配的室內(nèi)配置砂進(jìn)行滲透試驗(yàn)，研究不同細(xì)顆粒組成對(duì)極細(xì)砂飽和滲透性的影響規(guī)律，并采用掃描電鏡技術(shù)初步探討了細(xì)顆粒含量對(duì)極細(xì)砂滲透性的影響機(jī)理。

1 砂樣顆粒級(jí)配及砂粒成分分析

針對(duì)毛里塔尼亞工程現(xiàn)場(chǎng)取回的砂樣，根據(jù)GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行顆粒篩分試驗(yàn)，試樣細(xì)度模數(shù)均值為0.838 348，質(zhì)量損失率為0.1229%。篩底粒徑小于0.16 mm的顆粒占總質(zhì)量的20.2%，已大于1%，需要對(duì)粒徑小于0.16 mm的細(xì)顆粒繼續(xù)進(jìn)行粒徑分析。依據(jù)GB/T 19077—2016《粒度分布激光衍射法》，采用BT-9300S型激光粒度分布儀對(duì)細(xì)顆粒進(jìn)行粒徑分析，采用濕法制樣，液體分散介質(zhì)為蒸餾水，光學(xué)模式為Mie模式。為了提高測(cè)試精度，第一次測(cè)試添加少量砂樣(2 g)進(jìn)行分析，測(cè)試完再添加2 g砂樣進(jìn)行測(cè)試，總共進(jìn)行5次測(cè)試，共添加砂樣10 g，取5次測(cè)試結(jié)果的平均值，得到砂樣的顆粒級(jí)配曲線如圖1所示。

圖1 砂樣顆粒級(jí)配曲線

為更好地描述砂樣的粒徑范圍及粒度組成，本文在GB/T 50145—2007《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》的基礎(chǔ)上，結(jié)合王瑞東等[11-13]的研究成果，將粒徑在0.05～0.25 mm范圍的砂統(tǒng)稱為極細(xì)砂，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)土壤細(xì)篩的篩孔直徑(從大到小分別為2 mm、1 mm、0.5 mm、0.25 mm、0.1 mm和0.075 mm)，利用不同篩孔直徑標(biāo)準(zhǔn)篩的對(duì)應(yīng)目數(shù)，對(duì)砂樣的粒徑區(qū)間和顆粒做進(jìn)一步劃分。根據(jù)圖1，砂樣的組分中，粗砂(d=1～2 mm)約占總質(zhì)量的0.0355%，中砂(d=0.5～1 mm)約占0.1416%，中細(xì)砂(d=0.25～0.5 mm)約占3.7%，細(xì)砂(d=0.1～0.25 mm)約占93.372%，粉細(xì)砂(d=0.075～0.1 mm)約占2.117%，細(xì)粒(d≤0.075 mm)約占0.633 6%。

從圖1可以看出，本工程砂樣的粒徑級(jí)配過于集中，呈明顯的臺(tái)階狀，其粒徑主要分布于0.1～0.16 mm范圍內(nèi)。由圖1可得限制粒徑d60=0.153 53 mm，中值粒徑d30=0.1484 4 mm，有效粒徑d10=0.134 41 mm；根據(jù)砂樣的不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)綜合判定后認(rèn)為該砂樣級(jí)配不良。

針對(duì)砂樣主要細(xì)砂顆粒采用掃描電鏡(Nova Nano SEM45型掃描電鏡儀)進(jìn)行砂粒成分分析，結(jié)果表明砂粒成分主要是SiO2，其中硅和氧的質(zhì)量占比達(dá)96.2%，主要是因?yàn)榇笪餮髺|岸為洋流沖刷型，后方為風(fēng)化的沙漠，因此砂粒的成分相對(duì)比較單一。圖2為主要細(xì)砂顆粒的掃描電鏡圖。

圖2 主要細(xì)砂顆粒的掃描電鏡結(jié)果

2 不同細(xì)顆粒含量極細(xì)砂飽和滲透性試驗(yàn)

由于砂層成因和環(huán)境不同，通常沿海岸線極細(xì)砂的細(xì)顆粒含量會(huì)不同，如我國(guó)山東威海銀灘的砂粒相對(duì)較細(xì)，因此有必要針對(duì)不同細(xì)顆粒含量的極細(xì)砂滲透性進(jìn)行研究。極細(xì)砂屬細(xì)粒土，因此按GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行室內(nèi)變水頭滲透試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)方案

毛里塔尼亞港池建設(shè)M201項(xiàng)目富含極細(xì)砂的砂層級(jí)配非常復(fù)雜，為了進(jìn)行細(xì)顆粒含量對(duì)滲透性影響機(jī)理分析，根據(jù)砂樣的顆粒級(jí)配曲線對(duì)試驗(yàn)用砂進(jìn)行室內(nèi)配置。為同時(shí)控制試驗(yàn)的系統(tǒng)誤差，在極細(xì)砂的配置過程中，不考慮中砂、中細(xì)砂含量的影響，將這兩種粒徑的砂含量固定(分別為0.18%和0.37%)，以探討粉細(xì)砂(方案1)和細(xì)粒(方案2)含量對(duì)極細(xì)砂滲透特性的影響規(guī)律。試驗(yàn)方案如表1所示，每組試驗(yàn)均制作3組平行試樣，最終試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

表1 試驗(yàn)方案

2.2 試驗(yàn)材料及制樣

2.2.1試驗(yàn)材料

配置砂原材料取自青島市黃島區(qū)金沙灘海濱附近地表處的海砂，在室內(nèi)進(jìn)行篩分后保留粒徑0.25～0.5 mm的中細(xì)砂和0.1～0.25 mm的細(xì)砂；由于金沙灘海濱地表的海砂中粒徑大于0.1 mm的顆粒占總質(zhì)量的90%以上，粉細(xì)砂和細(xì)粒極少，所以粉細(xì)砂和細(xì)粒采用機(jī)制石英粉進(jìn)行補(bǔ)充，所用材料如圖3所示。

圖3 室內(nèi)配置砂的原材料

2.2.2試樣制備

試樣均采用濕法制作，該方法可較好地控制試樣的孔隙比，并可減少制樣方法對(duì)土體形狀的影響，由于砂土顆粒在水的作用下可形成似黏聚力，因此制樣和裝樣可以順利進(jìn)行。制樣前將一定質(zhì)量的水和砂樣充分?jǐn)嚢杈鶆?，在密封袋?nèi)靜置一晝夜(24 h)。對(duì)密封袋內(nèi)不同位置的試樣測(cè)定含水率，確保差值不超過1%后方可制樣。試樣的制備采用擊實(shí)法，制樣完成后采用變水頭滲透儀測(cè)量飽和滲透系數(shù)k20。制備好的試樣如圖4所示。

圖4 制備好的試樣

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1飽和滲透系數(shù)與細(xì)顆粒含量的關(guān)系

變水頭滲透試驗(yàn)用水為清水，水溫為13℃，需要根據(jù)水的動(dòng)力黏滯系數(shù)和溫度校正值[11]對(duì)所測(cè)得的飽和滲透系數(shù)進(jìn)行換算，結(jié)果見圖5。

圖5 不同細(xì)顆粒含量試樣的飽和滲透系數(shù)時(shí)程曲線

從圖5可以發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于細(xì)粒，粉細(xì)砂含量對(duì)試樣的滲透性影響較小，直到粉細(xì)砂的含量達(dá)到30%時(shí)才改變了一個(gè)數(shù)量級(jí)，而細(xì)粒含量達(dá)到15%時(shí)其飽和滲透系數(shù)即改變了一個(gè)數(shù)量級(jí)。隨著粉細(xì)砂含量的提高，試樣飽和滲透系數(shù)呈持續(xù)減小的趨勢(shì)，當(dāng)粉細(xì)砂含量為15%～20%時(shí)，同一試驗(yàn)組次的不同試樣的飽和滲透系數(shù)有所不同，數(shù)據(jù)振幅較大，部分?jǐn)?shù)據(jù)交叉，但不影響總體變化規(guī)律。隨著細(xì)粒含量的提高，試樣的滲透性先顯著下降，在細(xì)粒含量達(dá)到15%以后，試樣的滲透性降低一個(gè)數(shù)量級(jí)并趨于穩(wěn)定，數(shù)據(jù)的振幅較小，總體變化規(guī)律明顯。

取每組試驗(yàn)試樣飽和滲透系數(shù)的所有數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行擬合，可得到試樣飽和滲透系數(shù)隨粉細(xì)砂和細(xì)粒含量改變的變化規(guī)律，如圖6所示。

圖6 試樣飽和滲透系數(shù)隨不同細(xì)顆粒含量的變化曲線

從圖6可以發(fā)現(xiàn)，試樣的飽和滲透系數(shù)隨粉細(xì)砂含量的增加而持續(xù)下降，但差距不大，粉細(xì)砂的含量每增加5%，其飽和滲透系數(shù)約減小0.2×10-3cm/s，說明粉細(xì)砂含量的變化對(duì)試樣整體飽和滲透系數(shù)的影響較小。試樣的飽和滲透系數(shù)隨細(xì)粒含量的增加呈先下降后穩(wěn)定的趨勢(shì)，其數(shù)據(jù)變化明顯，并在細(xì)粒含量達(dá)到10%時(shí)改變數(shù)量級(jí)；飽和滲透系數(shù)的變化趨勢(shì)大致可分為快速下降和平穩(wěn)兩個(gè)階段，細(xì)粒含量15%為飽和滲透系數(shù)變化的分界點(diǎn)，飽和滲透系數(shù)穩(wěn)定后約比原砂減小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，孔令偉等[3，12-14]在對(duì)粉細(xì)砂和鈣質(zhì)砂試驗(yàn)中觀察到相同的規(guī)律，與本文所得結(jié)果基本一致。

整體而言，極細(xì)砂的飽和滲透系數(shù)隨粉細(xì)砂和細(xì)粒含量的變化規(guī)律分別為線性變化和冪函數(shù)變化，擬合公式分別為

k20=0.002 03-4.236-5wf(R2=0.978 18)

(1)

k20=0.021 74wx-1.572 8(R2=0.990 60)

(2)

式中wf、wx分別為粉細(xì)砂和細(xì)粒的含量。兩種擬合曲線的R2均達(dá)到0.97以上，擬合效果較好。

2.3.2飽和滲透系數(shù)與顆粒級(jí)配狀態(tài)參數(shù)的關(guān)系

極細(xì)砂的飽和滲透系數(shù)與細(xì)顆粒的含量有顯著關(guān)系，而粉細(xì)砂和細(xì)粒含量的變化會(huì)直接導(dǎo)致極細(xì)砂的顆粒級(jí)配發(fā)生改變。一般而言，顆粒級(jí)配均采用不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc來(lái)聯(lián)合表示。不同試驗(yàn)方案的滲透系數(shù)與顆粒級(jí)配狀態(tài)參數(shù)見表2。

表2 不同試驗(yàn)方案的顆粒級(jí)配狀態(tài)參數(shù)與飽和滲透系數(shù)

將表2中所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理并摒棄異常數(shù)據(jù)點(diǎn)后，可以得到不同級(jí)配極細(xì)砂的飽和滲透系數(shù)與顆粒級(jí)配狀態(tài)參數(shù)的關(guān)系如圖7所示。表2和圖7分析顯示，當(dāng)Cu較大時(shí)，飽和滲透系數(shù)k20與Cu、Cc呈近似線性關(guān)系；當(dāng)Cu<5時(shí)，k20與Cu和Cc之間存在冪函數(shù)關(guān)系，擬合公式為

圖7 極細(xì)砂飽和滲透系數(shù)與顆粒級(jí)配狀態(tài)參數(shù)的關(guān)系

(3)

在張宜健等[15-16]對(duì)鈣質(zhì)砂、粗砂、粉砂的研究中，不同粒徑砂的滲透系數(shù)與不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)之間均擬合為線性關(guān)系，但從本文極細(xì)砂試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，不同粒徑砂的飽和滲透系數(shù)與不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)之間的關(guān)系用非線性冪函數(shù)表示更為準(zhǔn)確。因此，建議不均勻系數(shù)不大時(shí)采用冪函數(shù)來(lái)表達(dá)極細(xì)砂飽和滲透系數(shù)和其顆粒級(jí)配狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系。

3 細(xì)顆粒含量對(duì)極細(xì)砂滲透性影響的細(xì)觀機(jī)理

與粉細(xì)砂含量對(duì)極細(xì)砂的滲透系數(shù)影響相比，細(xì)粒含量對(duì)極細(xì)砂的滲透系數(shù)影響較為明顯，觀察不同細(xì)粒含量的細(xì)觀變化更易得出細(xì)顆粒含量對(duì)極細(xì)砂滲透性影響的細(xì)觀機(jī)理。為了探究不同細(xì)粒含量時(shí)極細(xì)砂宏觀滲透系數(shù)的變化機(jī)理，對(duì)0.25 mm以下的試驗(yàn)材料觀察其細(xì)觀形貌，并選取滲透試驗(yàn)中細(xì)粒含量分別為5%、10%、15%、20%、30%的砂樣進(jìn)行掃描電鏡分析，觀測(cè)用砂采用導(dǎo)電膠粘在觀測(cè)板上并輕輕壓實(shí)，掃描前對(duì)試樣進(jìn)行噴金。0.25 mm以下的試驗(yàn)材料細(xì)觀形貌如圖8所示，不同細(xì)粒含量試樣的細(xì)觀結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖8 細(xì)顆粒的細(xì)觀形貌

圖9 不同細(xì)粒含量極細(xì)砂的細(xì)觀形貌

觀察圖8可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)顆粒粒徑較大時(shí)，顆粒的分布較為均勻，顆粒較為圓滑，形狀更規(guī)則，顆粒間隙較大；隨著顆粒粒徑的減小，顆粒逐漸變得不規(guī)則，尖銳的棱角較多，顆粒間隙更小。在這種情況下，當(dāng)不同粒徑級(jí)的顆?；旌系揭黄饡r(shí)，細(xì)顆粒更容易分布在粗顆粒形成的骨架孔隙中，并且粗顆粒與細(xì)顆粒之間易相互勾嵌連接形成不同的整體結(jié)構(gòu)，從而影響其結(jié)構(gòu)性和滲透系數(shù)。

由圖9可見，當(dāng)細(xì)粒含量較小(5%～10%)時(shí)，粗顆粒間具有明顯的孔隙，孔隙中少有細(xì)顆粒存在，粗顆粒骨架之間的孔隙幾乎沒有被細(xì)顆粒充填，此時(shí)少量的細(xì)顆粒并未受到四周環(huán)境的約束或限制，其自身具有良好的自由度，可能在滲流作用下發(fā)生運(yùn)移甚至流失，從而導(dǎo)致土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)重組，孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生改變，因此其滲透系數(shù)變化較為明顯；當(dāng)細(xì)粒含量達(dá)到15%時(shí)，粗顆粒間的孔隙明顯減小，可以明顯觀察到有細(xì)顆粒填充于粗顆粒的孔隙中，孔隙被細(xì)顆粒填充后，水流途徑被阻塞或堵塞，導(dǎo)致滲透系數(shù)明顯減小，產(chǎn)生宏觀滲透系數(shù)降低一個(gè)數(shù)量級(jí)的現(xiàn)象；當(dāng)細(xì)粒含量大于15%以后，粗顆粒骨架之間的孔隙得到充分充填，只留下了少許的毛細(xì)孔隙，同時(shí)不規(guī)則的細(xì)顆粒和粗顆粒之間相互勾嵌，形成致密且穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，細(xì)顆粒受到約束，自由度大大降低，難以自由運(yùn)移，此時(shí)在滲流作用下砂土的整體結(jié)構(gòu)保持較完整，這就使得滲透系數(shù)進(jìn)一步減小，細(xì)顆粒流失的程度大大降低。所以當(dāng)細(xì)粒含量大于15%后，出現(xiàn)圖6中滲透系數(shù)趨于穩(wěn)定的現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

a.極細(xì)砂的飽和滲透系數(shù)k20隨粉細(xì)砂含量增大呈線性減小變化規(guī)律，粉細(xì)砂的含量每增加5%，k20約減小0.2×10-3cm/s，k20隨細(xì)粒含量增大呈先降低后穩(wěn)定的冪函數(shù)變化規(guī)律，兩種擬合關(guān)系式的R2均達(dá)到0.97以上，擬合效果較好。

b.k20與極細(xì)砂的顆粒級(jí)配狀態(tài)參數(shù)之間存在顯著聯(lián)系，當(dāng)Cu<5時(shí)，k20和Cu、Cc之間關(guān)系用冪函數(shù)表達(dá)更為準(zhǔn)確，并通過計(jì)算得到極細(xì)砂飽和滲透系數(shù)計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式。

c.細(xì)顆粒含量對(duì)極細(xì)砂滲透系數(shù)的影響體現(xiàn)在孔隙和整體性的改變上，當(dāng)細(xì)顆粒含量較小時(shí)，粗顆粒骨架間孔隙明顯，細(xì)顆粒具有一定的自由度，會(huì)在滲透作用下發(fā)生運(yùn)移或流失，隨著細(xì)顆粒含量的逐漸增大，粗顆粒骨架之間的孔隙逐漸得到填充，細(xì)顆粒的自由度逐漸被限制，在滲流作用下整體結(jié)構(gòu)保持較完整。通過掃描電鏡分析可以揭示細(xì)顆粒含量對(duì)極細(xì)砂內(nèi)部結(jié)構(gòu)和滲透系數(shù)的細(xì)觀影響機(jī)制。