楊 俊，嚴耿升，胡向陽，趙 成，韋 佳

(中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710000)

0 引言

黃土沉積過程中特殊的形成環(huán)境(干旱和半干旱的氣候條件)和物質(zhì)成分(以粉粒為主,含量一般在60%以上)形成了其欠壓密、多孔隙、弱膠結(jié)的結(jié)構(gòu)特征和特殊的工程性質(zhì)(水敏性、大孔性、結(jié)構(gòu)性等)[1-3]，這種結(jié)構(gòu)使得黃土在一定壓力作用下下沉穩(wěn)定后，受水浸濕結(jié)構(gòu)迅速破壞并產(chǎn)生顯著附加下沉的性質(zhì)稱為濕陷性，是其最典型的特殊工程性質(zhì)之一[4]。濕陷變形是一種下沉量大、下沉速率快的失穩(wěn)變形，對于建筑物危害很大。而土具有的被水透過的性能稱為土的滲透性，其通常用滲透系數(shù)表征，土的滲透性是土的主要工程性質(zhì)之一。水在土體中滲透會引起土體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的變化，從而改變建筑物或地基的穩(wěn)定條件。人們對土滲流問題的研究歷史久遠，以達西定律為基礎(chǔ)的滲流理論，經(jīng)過不斷的完善和發(fā)展，形成了現(xiàn)在的滲流力學(xué)。

黃土的濕陷性和滲透性相互影響，黃土濕陷就是由于水的滲透浸潤引起的，而滲透特性又直接決定著濕陷的發(fā)生和發(fā)展，因此，滲透性與濕陷性是一個統(tǒng)一過程的兩個部分[5-7]。為此，我們有必要對濕陷性黃土的滲透特性進行研究，從而給土工建筑物或地基的勘察、設(shè)計及施工提供必要的資料。

大量學(xué)者在進行濕陷性黃土的滲透特性研究時，采用了不同的試驗方法[8-13]，但大部分都是基于一種試驗方法進行研究，未能進行不同試驗方法的對比研究[14]，基于此，本次采用不同的試驗方法對黃土滲透特性進行了研究，得出適用于濕陷性黃土滲透特性的試驗方法，具有一定的現(xiàn)實意義。

1 試驗區(qū)概況和試驗方法

1.1 試驗區(qū)概況

本次研究以關(guān)中平原渭河南岸濕陷性黃土研究為主，試驗區(qū)的工程地質(zhì)概況如下。

1.1.1 地形地貌

關(guān)中平原位于黃河流域中部，渭河橫貫關(guān)中平原，由西向東匯入黃河，渭河河槽地勢低緩，海拔322～600 m，渭河南北兩側(cè)地勢由一二級河流階地到高出渭河200～500 m的一級或二級黃土臺塬，呈不對稱階梯狀增高。由南向北地貌單元均為流水地貌形成的低海拔平原，主要有山前洪積扇、傾斜的洪積平原(F11Eb)和沖洪積平原(F11Db)，由南向北地勢總體由高降低。

1.1.2 地層巖性

關(guān)中平原的濕陷性黃土，主要分為黃土狀土和黃土。其中黃土狀土(Q4al)以粉粒為主，呈灰黃色，大孔隙發(fā)育，具濕陷性，主要分布于一級階地上。黃土又包括自早更新世(Q1eol)到晚更新世(Q3eol)各個時期的黃土，但由于早更新世(Q1eol)黃土和中更新世早期(Q21eol)黃土埋藏較深，一般地基涉及的黃土主要為中更新世晚期(Q22eol)黃土和晚更新世(Q3eol)黃土。晚更新世(Q3eol)黃土呈黃褐色，大孔發(fā)育，土質(zhì)疏松，具有濕陷性。底部古土壤呈棕褐色，塊狀結(jié)構(gòu)，富含白色，鈣質(zhì)粉末、鈣質(zhì)結(jié)核，見鐵錳黑色斑點。中更新世晚期(Q22eol)黃土呈褐黃色，孔隙不發(fā)育，局部頂層有輕微濕陷性，上部夾有四層棕色古土壤。

1.1.3 水文地質(zhì)特征

關(guān)中平原渭河以南地下水潛水埋深具有由南向北變小的規(guī)律，西安市南部郊區(qū)、長安縣一帶水位埋深一般大于20 m，西安市北郊，尤其是接近渭河的一級階地及河漫灘地帶，地下水位小于5 m，西安市城區(qū)及周邊，地下水埋深為5～20 m。潛水的補給有大氣降水、地表水滲入、承壓水的頂托補給及區(qū)外逕流補給等。潛水流向與地形總體坡度一致，主要流向北北西，近渭河處向北東方向偏轉(zhuǎn)。金華路以東地下水向北東流向浐河。潛水排泄方式主要為逕流排泄、人工開采、潛水越流排泄及蒸發(fā)消耗等。

1.2 試驗方法

1.2.1 室內(nèi)變水頭滲透試驗

目前室內(nèi)進行的滲透試驗有常規(guī)滲透試驗和三軸滲透試驗，本次研究采用了常規(guī)滲透試驗進行黃土的滲透特性研究。室內(nèi)滲透系數(shù)測試過程中，首先需要對試樣進行飽和，即測得的滲透系數(shù)為飽和滲透系數(shù)。關(guān)中平原黃土以粉質(zhì)黏土為主，故采用變水頭滲透試驗。

變水頭滲透試驗的試驗原理符合達西定律，其推導(dǎo)出變水頭滲透試驗的滲透系數(shù)計算公式如下:

(1)

式中：a為變水頭管界面劑(cm2)；A為試樣斷面積(cm2)；t為時間(s)；L為滲徑(cm)，等于試樣高度；H1為開始時水頭(cm)；H2為終止時水頭(cm)。

1.2.2 雙環(huán)滲透試驗

試坑滲透試驗，為一種原位測試滲透系數(shù)的試驗，通過該方法獲得的是土體的非飽和滲透參數(shù)。試坑滲透試驗方法有雙環(huán)法和單環(huán)法，砂土及粉土宜用單環(huán)法，黏性土宜用雙環(huán)法。關(guān)中平原黃土以粉質(zhì)黏土為主，故采用雙環(huán)注水試驗。雙環(huán)注水試驗的基本原理是利用內(nèi)環(huán)滲水模擬垂向一維滲流來測試地層垂向滲透系數(shù)[15]。雙環(huán)法滲透試驗的滲透系數(shù)計算公式如下：

(2)

式中：Q為滲透水量(cm3)，雙環(huán)法為內(nèi)環(huán)滲透水量；t為時間(s)；Ah為鐵環(huán)面積(cm2)，雙環(huán)法為內(nèi)環(huán)面積；Hy1為試驗時水的人滲深度(cm)；Hy2為貯水坑中水的深度(cm)；Hy3為相當(dāng)于作用毛細管力的水柱高度(cm)，查表獲取。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 室內(nèi)變水頭試驗結(jié)果分析

在試驗區(qū)內(nèi)隨機采取了45組試樣，進行了室內(nèi)變水頭滲透性試驗，獲取了基本物理參數(shù)及滲透系數(shù)，如表1所示。

依據(jù)試驗資料，對各類基本物理參數(shù)對黃土滲透性的影響進行數(shù)據(jù)擬合及評述：

2.1.1 干密度

圖1 干密度對滲透系數(shù)的影響

擬合公式：

k=-0.103×ρd2+0.129×ρd+0.081

方差(SSE): 0.016 64

確定系數(shù)(R-square): 0.491 3

校正后確定系數(shù)(Adjusted R-square): 0.465 2

標(biāo)準(zhǔn)差(RMSE): 0.020 66

由圖1可知，在干密度較大時，數(shù)據(jù)較為集中，曲線擬合較好，在干密度較小時，滲透系數(shù)較為分散，主要原因為土體受到一定擾動。依據(jù)擬合曲線，整體影響趨勢為隨著干密度的增大，密實度增加，空隙減少，滲透系數(shù)隨之減小。

2.1.2 孔隙比

圖2 孔隙比對滲透系數(shù)的影響

圖3 初始飽和度對滲透系數(shù)的影響

擬合公式：k=-0.076×e2+0.272×e-0.127

方差(SSE): 0.016 82

確定系數(shù)(R-square): 0.485 9

校正后確定系數(shù)(Adjusted R-square): 0.459 5

標(biāo)準(zhǔn)差(RMSE): 0.020 77

由圖2可知，在孔隙比較小時，數(shù)據(jù)較為集中，曲線擬合較好，孔隙比較大時，數(shù)據(jù)較為離散，因為擾動的影響，孔隙增大，土體的滲透狀態(tài)發(fā)生了變化。依據(jù)擬合曲線，整體影響趨勢為隨著孔隙比的增大，密實度減小，滲透系數(shù)隨之增大。由于水只能通過為水所充填的孔隙空間流動，所以充水孔隙的比例是影響滲透性的重要因素。

表1 室內(nèi)試驗成果表

2.1.3 初始飽和度

擬合公式：k=-0.001×sr+0.103

方差(SSE): 0.023 35

確定系數(shù)(R-square): 0.286 2

校正后確定系數(shù)(Adjusted R-square):0.268 4

標(biāo)準(zhǔn)差(RMSE): 0.024 16

由圖3可知，整體數(shù)據(jù)較為離散，曲線擬合較差，初始飽和度與滲透系數(shù)的相關(guān)性較差。依據(jù)擬合曲線，隨著初始飽和度的增大，滲透系數(shù)減小，主要原因為在試驗過程中，飽和度較低的土體未能完全飽和，整個過程中伴隨著土體的吸水，飽和度較高時，且存在游離氣泡，引起飽和度較低的土反而滲透系數(shù)減大。

2.1.4 初始含水率

圖4 初始含水率對滲透系數(shù)的影響

擬合公式：k=0.001×w2-0.029×w+0.342

方差(SSE):0.028 44

確定系數(shù)(R-square): 0.130 6

校正后確定系數(shù)(Adjusted R-square): 0.085 98

標(biāo)準(zhǔn)差(RMSE): 0.027 01

由圖4可知，整體數(shù)據(jù)較為離散，曲線擬合較差，初始含水率與滲透系數(shù)的相關(guān)性較差。依據(jù)擬合曲線，隨著初始含水率的增大，滲透系數(shù)先減小后增大，滲透系數(shù)最小點對應(yīng)含水率接近土體塑限，亦即初始含水率接近土體塑限時，滲透系數(shù)最小。

2.2 雙環(huán)滲透試驗結(jié)果分析

在試驗區(qū)范圍內(nèi)，開展了三組雙環(huán)滲透試驗，試驗成果見表2，Q-t曲線如圖5～圖7所示。

表2 雙環(huán)滲透試驗成果表

圖5 雙環(huán)滲透試驗1 Q-t曲線

根據(jù)試驗的Q-t曲線可知，雙環(huán)滲透曲線整體趨勢表現(xiàn)為在起初的幾十分鐘內(nèi)平均滲透流量都呈現(xiàn)驟減趨勢，在降到一定程度后，出現(xiàn)一個短暫的穩(wěn)定平臺，而后逐漸趨于穩(wěn)定，在曲線的末端滲透穩(wěn)定后，即可得到非飽和滲透系數(shù)[15]。因此，雙環(huán)滲透試驗的滲流過程可以分為三個階段：

2.2.1 驟降階段

該階段滲流曲線呈現(xiàn)驟降趨勢，其主要原因是非飽和黃土的吸水、大孔隙的及節(jié)理的填充，這個過程中水消耗量較大且時間較快，孔隙中的氣體逐漸形成氣泡。

2.2.2 暫時穩(wěn)定階段

該階段滲流曲線逐漸平緩，呈現(xiàn)一個短暫的平臺，其主要原因是隨著水的不斷下滲，孔隙中的水壓力不斷增加，迫使孔隙中的氣泡被排出，孔隙逐漸被水充滿，這個過程較為短暫。

2.2.3 穩(wěn)定滲流階段

該階段滲流曲線平緩，滲透流量趨于穩(wěn)定，持續(xù)時間較長且滲流量基本不變，此階段的滲透流量即可反應(yīng)黃土的非飽和滲透性能。

圖6 雙環(huán)滲透試驗2 Q-t曲線

圖7 雙環(huán)滲透試驗3 Q-t曲線

2.3 試驗結(jié)果對比分析

(1)室內(nèi)變水頭滲透試驗測得的滲透系數(shù)為飽和滲透系數(shù)，其沒有考慮圍壓的影響，土從原位取出后有一個應(yīng)力釋放過程，未能真實的反應(yīng)土的滲透能力。雙環(huán)法現(xiàn)場試驗測得的滲透系數(shù)為非飽和滲透系數(shù)，其滲流過程可以分為三個階段。在實際工程中，土體很難達到實驗室的完全飽和狀態(tài)，所以非飽和滲透系數(shù)更能反映土體的性質(zhì)。

(2)對比室內(nèi)變水頭滲透試驗跟雙環(huán)法現(xiàn)場測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)試驗測得的滲透系數(shù)偏小，原因主要是在取樣過程中或多或少對土體結(jié)構(gòu)造成了擾動，導(dǎo)致孔隙比、密實度變化，原有孔隙及裂隙發(fā)生了變化甚，滲流通道被堵塞。而且現(xiàn)場試驗空間尺度更大，更能體現(xiàn)原狀土的結(jié)構(gòu)特征，代表性更強。

2.4 黃土特性對滲透性的影響

根據(jù)試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)黃土特性對滲透性有很大的影響，其影響主要有：

2.4.1 黃土結(jié)構(gòu)的影響

滲透主要發(fā)生在土的孔隙中，濕陷性黃土浸水后，在固結(jié)壓力及土水共同作用下，其原狀大孔隙結(jié)構(gòu)迅速破壞而發(fā)生濕陷，土中孔隙的大小與數(shù)量等均發(fā)生變化，土顆粒重新排列而形成新的密實結(jié)構(gòu)，孔隙的連通性變差，土體變得致密，從而使得土體的滲透性降低。

2.4.2 黃土構(gòu)造的影響

黃土節(jié)理在黃土層中發(fā)育極為普遍，特別是垂直節(jié)理更為普遍，構(gòu)成黃土的主要特征之一。這些節(jié)理是黃土區(qū)地下水運移的主要通道，也是滲流的優(yōu)勢通道，由于這些節(jié)理的存在，將導(dǎo)致滲透性能激增。

2.4.3 黃土成分的影響

濕陷性黃土中土顆粒由膠結(jié)物粘著在一起，膠結(jié)物附著于土顆粒表面或存在于土顆粒之間，而膠結(jié)物的主要成分為粘土礦物和鹽分，隨著水的入滲造成膠結(jié)物中的中溶鹽(如二水硫酸鈣)、易溶鹽(如碳酸鹽、重碳酸鹽、硫酸鹽、氯化物等)以及可溶性膠結(jié)物的溶解，在固結(jié)壓力和土水共同作用下，導(dǎo)致土骨架潰散，土體結(jié)構(gòu)破壞，顆粒排列變密實，孔隙連通性降低，滲透性能變差。

綜上可見，土的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造以及土體成分是影響黃土滲透性的重要因素，三者之間的共同作用使得濕陷后土體結(jié)構(gòu)遭到破壞，顆粒排列變得密實，孔隙連通性降低，從而滲透性能變差。此外，由于黃土形成原因?qū)е铝似涿黠@的各向異性，豎直向滲透系數(shù)往往大于水平向滲透系數(shù)，隨著濕陷的發(fā)生，其差異逐漸減小。

3 結(jié)語

(1)黃土的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造以及土體成分是影響黃土滲透性的重要因素，黃土濕陷后，滲透系數(shù)明顯變小。

(2)土體的干密度和孔隙比對土體的滲透系數(shù)影響較大，相關(guān)性較高，隨著干密度的增大及孔隙比的減小，滲透系數(shù)減小。

(3)土體的初始飽和度和初始含水率對土體的滲透系數(shù)也有一定影響，但相關(guān)性較低，隨著初始飽和度的增大，滲透系數(shù)減小，初始含水率達到土體塑限時，滲透系數(shù)最小。

(4)室內(nèi)試驗測得的滲透系數(shù)為飽和滲透系數(shù)，雙環(huán)法現(xiàn)場試驗測得的滲透系數(shù)為非飽和滲透系數(shù)，室內(nèi)試驗測得的滲透系數(shù)偏小，雙環(huán)法現(xiàn)場試驗更貼近工程實際。在實際工程中，滲透系數(shù)建議通過現(xiàn)場滲透試驗獲取。