莊心善， 鄭 飛， 陶高梁， 朱志政

(湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

降雨不僅是引起邊坡失穩(wěn)的重要因素，也是分析城市垃圾填埋場(chǎng)建設(shè)與維護(hù)、地下污水的遷移即污染物的滲流與擴(kuò)散、防洪堤壩的滲漏等工程的重要參數(shù)，一直以來(lái)受到廣泛的重視[1-3]．曾玲玲[4]等人對(duì)天然沉積溫州軟粘土的原狀樣及重塑樣進(jìn)行結(jié)構(gòu)性對(duì)黏性土滲透性狀的影響研究，丁國(guó)平[5]等人對(duì)華北平原衡水沉降區(qū)基巖標(biāo)鉆孔中的第四系黏性土進(jìn)行了土體滲透特征研究，明福林[6]等人對(duì)五道水庫(kù)礫質(zhì)黏性土心墻與基槽的接觸進(jìn)行了滲透變形試驗(yàn)．滲透系數(shù)是描述孔隙水在土中流動(dòng)性質(zhì)的一種度量[7]．由于粘性土的滲透系數(shù)較小，目前這方面的研究較少．本文基于變水頭試驗(yàn)技術(shù)研究黏性土的滲透系數(shù)特性，得出了有益結(jié)論，供進(jìn)一步深入研究粘性土的滲透性參考．

1 滲透試驗(yàn)的基本原理

滲透試驗(yàn)根據(jù)使用儀器類(lèi)型分為常水頭和變水頭兩種．常水頭適用于透水性大(k>10-3cm/s)的土，例如砂土；變水頭適用于透水性小(k<10-3cm/s)的土，例如粉土和黏土．黏性土由于滲透系數(shù)很小，流經(jīng)試樣的水量很少，難以準(zhǔn)確量測(cè),因此采用變水頭法．變水頭實(shí)驗(yàn)就是在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，滲透水頭差隨時(shí)間而變化的一種實(shí)驗(yàn)方法，試驗(yàn)過(guò)程中，某任一時(shí)間t作用于土樣的水頭為h,經(jīng)過(guò)dt時(shí)間間隔后，刻度管(截面積為a)的水位降落了dh,則從時(shí)間間隔t至t+dt時(shí)間間隔內(nèi)流經(jīng)土樣的水量dQ為-adh,其中負(fù)號(hào)表示水量Q隨水頭h的降低而增加．同一時(shí)間內(nèi)作用于試樣的水力坡降i=h/L,根據(jù)Darcy H定律，滲透系數(shù)[8]

式中：a為變水頭管的截面積，cm2； 2.3為ln和log的變換因數(shù)；L為滲徑，即試樣高度cm；t1,t2為分別為測(cè)讀水頭的起始和終止時(shí)間s；h1,h2為起始和終止水頭．

2 試驗(yàn)方法

試樣土取自武漢漢街的一處工地基坑底部，埋深9 m，為非飽和黏土，土體的物理特性見(jiàn)表1．

表1 土體的物理特性

2.1 試驗(yàn)方法及步驟

2.1.1制樣方法將所取土樣風(fēng)干后，過(guò)2 mm篩，測(cè)出土樣的各種物理特性，含水率控制在15%左右時(shí)制樣效果最好，測(cè)出土的風(fēng)干含水率ω0之后，經(jīng)計(jì)算，稱取一定質(zhì)量的風(fēng)干土樣和蒸餾水，按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》[8]將其制成含水率為15%的試樣土，密封靜置24 h，復(fù)測(cè)含水率，得出實(shí)際含水率為15.13%；本次試驗(yàn)制樣時(shí)三次分層填土，以利密實(shí)結(jié)合并采用液壓千斤頂靜壓試驗(yàn)方法制備重塑試樣，采用滲透環(huán)刀(高度4 cm,體積為120 cm3)，干密度及孔隙比見(jiàn)表2．稱取一定質(zhì)量的試樣土(含水率為15.13%)，制備7相同平行試樣，再將所制備試樣進(jìn)行抽氣真空飽和，抽氣時(shí)間為4 h，放入水中靜置24 h，使飽和度達(dá)到95%以上，達(dá)不到時(shí)，繼續(xù)進(jìn)行飽和．

表2 土體試樣編號(hào)及干密度

2.1.2試驗(yàn)步驟本試驗(yàn)采用的七組試樣所采用的變水頭管截面積分別是：0.484 cm2、0.526 cm2、0.491 cm2、0.491 cm2、0.491 cm2、 cm2、0.517 cm2、0.484 cm2.

依次將裝有試樣的環(huán)刀裝入滲透容器放平，用螺母旋緊，要求密封至不透水不透氣．將變水頭管注滿水，并滲入滲透容器，開(kāi)排氣閥，排除滲透容器底部的空氣，直至溢出水中無(wú)氣泡，關(guān)閉排水閥，向變水頭管注水，使水升至預(yù)定高度，起始水頭一般為130 cm左右(黏性土滲透系數(shù)小，起始水頭太低易造成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差偏差大)．水位恒定后停止供水，把進(jìn)水管夾打開(kāi)使水流過(guò)試樣，等待出水口有水溢出的現(xiàn)象時(shí)開(kāi)始記錄變水頭管中的起始水頭高度(H1)和起始時(shí)間(t1)，按指定時(shí)間間隔記錄水頭差(H1-H2)和時(shí)間差(t2-t1)，記錄出水口水溫．將變水頭管中的水位變換高度，等待水位穩(wěn)定后再次測(cè)量水頭和時(shí)間的變化．

2.2 試驗(yàn)儀器

測(cè)試儀器為上虞市勘測(cè)土工儀器廠生產(chǎn)的南55-2改進(jìn)型滲透儀．儀器如圖1、圖2所示．

圖 1 滲透裝置 圖 2 滲透儀

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

用測(cè)試數(shù)據(jù)代入變水頭計(jì)算公式算出7個(gè)試樣平均滲透系數(shù)，不同溫度所選用的修正系數(shù)不同，從而對(duì)最終滲透系數(shù)造成影響，見(jiàn)表3．

表3 試驗(yàn)結(jié)果

圖 3 溫度與溫度修正系數(shù)關(guān)系圖

根據(jù)對(duì)七組不同干密度試樣進(jìn)行滲透試驗(yàn)時(shí)測(cè)得的溫度和不同溫度下對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)繪制曲線如圖3所示，表明溫度修正系數(shù)隨著溫度的升高而降低．

圖 4 孔隙比與最終滲透系數(shù)的關(guān)系圖

根據(jù)不同孔隙比的七組試樣測(cè)得的最終滲透系數(shù)繪制成曲線(圖4)，從圖中可以看出，滲透系數(shù)隨著孔隙比的增大而增大，且明顯分為三段，有0.718 8和1.037兩個(gè)特征點(diǎn)．在0.612 9～0.718 8區(qū)間內(nèi)，因土體較密實(shí)、黏性土顆粒較小導(dǎo)致滲流孔徑較小，曲率半徑較小，由于水存在表面張力，致使?jié)B透時(shí)的表面張力較大，滲透時(shí)水受土顆粒的阻力較大，水只在土體密實(shí)度薄弱的地方進(jìn)行滲透，表現(xiàn)出滲透系數(shù)很?。?.718 8～1.037區(qū)間內(nèi)，隨著土體孔隙比的增大，孔隙半徑逐漸增大，曲率半徑也隨之增大，致使?jié)B透時(shí)的表面張力減小，水滲透時(shí)受土顆粒的阻力減小，滲透系數(shù)增大，形成穩(wěn)定的滲流．在1.037～1.1154區(qū)間內(nèi)，孔隙率很大，水滲流時(shí)受表面張力的影響很小，能夠在土體中形成連續(xù)滲流通道，使?jié)B透系數(shù)急劇增大．在工程應(yīng)用中，為了減小滲透性，對(duì)此種土體要控制干密度和孔隙比在一定范圍內(nèi)．

圖 5 干密度與最終滲透系數(shù)的關(guān)系圖

根據(jù)不同干密度的七組試樣測(cè)得的最終滲透系數(shù)繪制曲線(圖5)，在1.3～1.35區(qū)間內(nèi)時(shí)，干密度比較小，土體內(nèi)部孔隙較大，此時(shí)水的滲透性較強(qiáng)，表現(xiàn)為滲透系數(shù)較大．在1.35～1.6區(qū)間內(nèi)，土體內(nèi)部孔隙較小，屬于緩慢滲流狀態(tài)．在1.6～1.705區(qū)間內(nèi)時(shí)，因?yàn)橥馏w較密實(shí)，滲透很難進(jìn)行，表現(xiàn)為滲透系數(shù)很小．

4 結(jié)論

采用變水頭滲透試驗(yàn)裝置對(duì)武漢漢街地區(qū)土質(zhì)的滲透性質(zhì)進(jìn)行研究，得出如下結(jié)論：

1)此次滲透試驗(yàn)用土為飽和黏性土，透水性小(k<10-3cm/s)，因此用變水頭法測(cè)設(shè)滲透系數(shù)．

2)該變水頭滲透實(shí)驗(yàn)受溫度影響，測(cè)試溫度越高，修正系數(shù)越?。?/p>

3)滲透系數(shù)隨著孔隙比的增大而增大，且明顯分為三段，有0.718 8和1.037兩個(gè)特征點(diǎn)．

4)干密度越小，土體顆?？紫对酱?，在滲透過(guò)程中可以形成連續(xù)通道，滲透系數(shù)表現(xiàn)為較大．因此滲透系數(shù)隨著干密度的減小而減?。?/p>

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