非飽和黏土受凍融影響的滲透性演化試驗(yàn)研究

鐘佳思 童富果 劉暢 劉剛 劉創(chuàng)

摘要：土體的滲透性是評(píng)價(jià)其抗凍性能的重要指標(biāo)，在凍融循環(huán)條件下，土體結(jié)構(gòu)及孔隙特征改變，導(dǎo)致滲透性能產(chǎn)生差異。為研究非飽和黏土受凍融影響的滲透性演化規(guī)律，針對(duì)不同飽和度和密實(shí)度的試樣，開(kāi)展了凍融循環(huán)條件下黏土的滲透性測(cè)試。結(jié)果表明：隨著凍融次數(shù)的增加，黏土的滲透系數(shù)先快速增大而后逐步趨于穩(wěn)定，并且這種變化趨勢(shì)受到飽和度和密實(shí)度的影響；飽和度越高，滲透系數(shù)增量和增長(zhǎng)率越大；密實(shí)度越高，凍融對(duì)滲透性的影響越小，凍融過(guò)程中滲透系數(shù)能更快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。最后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出了包含凍融次數(shù)、飽和度和密實(shí)度的滲透系數(shù)演化模型。

關(guān)鍵詞：滲透性；凍融循環(huán)；飽和度；密實(shí)度；非飽和土

中圖分類(lèi)號(hào)：P642. 11+1； TV443

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.07.029

滲透性作為土體抗凍性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，與土體的結(jié)構(gòu)、孔隙、顆粒大小等有著密切的關(guān)系。因?yàn)閮鋈谘h(huán)條件下土體的粒徑和孔隙大小會(huì)發(fā)生變化，所以土體的滲透性必然受到影響。而土體滲透性能的劣化可能會(huì)降低結(jié)構(gòu)的耐久性、影響邊坡的穩(wěn)定性以及地基的承載能力等。因此，有必要研究?jī)鋈诤笸馏w滲透性能的變化規(guī)律。

肖東輝等研究了原狀黃土與重塑黃土凍融后的孔隙率與滲透性，結(jié)果表明凍融循環(huán)作用通過(guò)破壞黃土顆粒的大小等影響孔隙率，滲透系數(shù)的變化曲線與孔隙率的變化曲線相似；倪萬(wàn)魁等認(rèn)為凍融循環(huán)作用使黃土顆粒之間原始固有膠結(jié)減弱，多次凍融循環(huán)作用使黃土的結(jié)構(gòu)更加疏松；胡田飛等在最優(yōu)含水率狀態(tài)下研究壓實(shí)度對(duì)凍融后黏土性質(zhì)的影響，結(jié)果表明試樣內(nèi)部水分的重分布會(huì)引起不同密實(shí)度土體的抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)完全相反的變化趨勢(shì)。這些研究雖然取得了豐富的成果，但他們選擇的凍融土樣都基于某一固定飽和度，然而自然界中的土體多數(shù)處于非飽和狀態(tài)，水分的含量非恒定，而且天然土體的密實(shí)度差異也較大。汪恩良等認(rèn)為土體的初始飽和度和密實(shí)度等對(duì)凍融試驗(yàn)結(jié)果有較大的影響。鑒于此，筆者以黏土為研究對(duì)象，針對(duì)不同飽和度和密實(shí)度的試樣，進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)和滲透性測(cè)試，分析凍融條件下飽和度和密實(shí)度對(duì)滲透系數(shù)的影響規(guī)律，并基于試驗(yàn)結(jié)果得出一個(gè)包含飽和度及密實(shí)度影響的滲透系數(shù)演化模型。

1試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)用土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2002）中對(duì)土的分類(lèi)，將其定義為黏土。根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123-1999）中有關(guān)土樣和試樣制備標(biāo)準(zhǔn)的要求，先將土體在自然環(huán)境中風(fēng)干，碾碎去除雜質(zhì)，過(guò)2mm篩，然后將其放人烘干箱中烘干，最后得到的土體即為制樣所需土料，用多層塑料袋密封保存。試樣的制備：首先根據(jù)飽和度和需要的土量將烘干后的土料用蒸餾水配置成濕土，用多層塑料袋將濕土密封放置一段時(shí)間待水分均勻分布；然后根據(jù)裝樣器容積和密實(shí)度計(jì)算所需濕土的質(zhì)量；最后將濕土分五層填人直徑6.18cm、高度11.90cm的裝樣器中。為了研究?jī)鋈谇梆ね溜柡投群兔軐?shí)度對(duì)凍融后滲透系數(shù)的影響，試驗(yàn)設(shè)定了5組凍融前飽和度（簡(jiǎn)稱(chēng)飽和度）和3組密實(shí)度的試樣，飽和度Sr為0.4、0.5、0.6、0.7、0.8，每一飽和度下的密實(shí)度pd 為1.3、1.5、1.7g/cm^3。

本試驗(yàn)分為兩個(gè)階段，首先對(duì)試樣進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，然后將凍融后的試樣進(jìn)行滲透性測(cè)試。凍融循環(huán)試驗(yàn)采用HDK-9型快速凍融試驗(yàn)機(jī)，其溫度的控制精度為0.1℃。試驗(yàn)過(guò)程設(shè)置為無(wú)外界補(bǔ)水條件，利用保鮮膜將試樣包裹，構(gòu)造不補(bǔ)水的密閉環(huán)境。目前室內(nèi)凍融循環(huán)試驗(yàn)在參數(shù)的選擇上具有較大的差異性，尚未形成相對(duì)統(tǒng)一的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，本試驗(yàn)以試樣能完全凍結(jié)和融化為依據(jù)設(shè)置凍融方案。選取凍融方案為凍結(jié)時(shí)間6h、凍結(jié)溫度-20℃，融化時(shí)間6h、融化溫度20℃，一個(gè)完整的凍融循環(huán)需要12h；凍融次數(shù)設(shè)定為0、1、3、7、9、12、15、20。凍融結(jié)束后對(duì)試樣進(jìn)行滲透性測(cè)試，為了反映凍融過(guò)程中土體結(jié)構(gòu)和孔隙的改變對(duì)滲透性的影響，排除孔隙中空氣的干擾，本文測(cè)量的滲透系數(shù)為飽和滲透系數(shù)。試驗(yàn)采用圖1所示的滲透性測(cè)試裝置。首先將水泵上方的電磁閥打開(kāi)，利用水泵將水抽人滲流管，關(guān)閉該電磁閥。再打開(kāi)與空壓機(jī)相連的電磁閥，利用空氣壓縮機(jī)提供高壓力水頭，水流方向如圖1中箭頭所示。進(jìn)行測(cè)量時(shí)除裝樣器上部的電磁閥外，其他的電磁閥均處于關(guān)閉狀態(tài)。試樣上下部位水頭均由傳感器測(cè)量，傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，可定時(shí)將獲取的數(shù)據(jù)傳人計(jì)算機(jī)，進(jìn)而求得滲透系數(shù)。測(cè)量結(jié)束后，將左上角與大氣相通的電磁閥打開(kāi)，卸掉多余氣壓力。水泵與集水器之間的管路用于尾水回收再利用。

2飽和度對(duì)滲透性的影響

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，得到凍融循環(huán)條件下不同飽和度試樣滲透系數(shù)的演化過(guò)程，見(jiàn)圖2?？梢钥闯?，不同飽和度的試樣經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后滲透系數(shù)的演化趨勢(shì)相同，都隨著凍融次數(shù)的增加不斷增大，但增大的程度逐漸減小，后期逐步趨于穩(wěn)定。其原因在于凍融后土體的變形可看作是一個(gè)由彈性變形和塑性變形組成的過(guò)程，彈性變形是土體變形中可以恢復(fù)的部分，在凍融循環(huán)往復(fù)后，對(duì)土體的孔隙和結(jié)構(gòu)的影響可忽略。塑性變形為不可逆變形，導(dǎo)致凍結(jié)融化后的土體部分變形無(wú)法恢復(fù)。經(jīng)過(guò)多次凍融后，達(dá)到了土體在該飽和度和密實(shí)度狀態(tài)下的塑性變形極限值，則孔隙不再繼續(xù)變形擴(kuò)展，相應(yīng)的滲透系數(shù)也不再變化。

為了更直觀地展示凍融過(guò)程中滲透系數(shù)變化的快慢，采用滲透系數(shù)增長(zhǎng)率（凍融后的滲透系數(shù)減去未凍融時(shí)的滲透系數(shù)除以該凍融次數(shù)）來(lái)表示。

滲透系數(shù)增長(zhǎng)率隨凍融次數(shù)變化曲線見(jiàn)圖3，可以發(fā)現(xiàn)，高飽和度（80%）的試樣在凍融過(guò)程中，滲透系數(shù)的增長(zhǎng)率較大。因?yàn)楦唢柡投鹊脑嚇铀趾肯鄬?duì)較多，凍結(jié)后對(duì)土顆粒的擠壓作用以及融化后孔隙增大程度都更為明顯，所以滲透系數(shù)相應(yīng)增大較快。不僅如此，無(wú)論密實(shí)度高低，凍融前幾次滲透系數(shù)增長(zhǎng)率大幅降低，因?yàn)橥馏w結(jié)構(gòu)受到擾動(dòng)后孔隙和顆粒均會(huì)重新分布，在此期間滲透系數(shù)變化較大，即滲透系數(shù)增長(zhǎng)率較大。經(jīng)過(guò)幾次凍融達(dá)到了新的平衡，則滲透系數(shù)增長(zhǎng)率趨于穩(wěn)定。

3滲透性隨密實(shí)度的變化規(guī)律

不同密實(shí)度的試樣在凍融后滲透性的演化規(guī)律同樣存在差異性。圖4給出了試樣在不同密實(shí)度下滲透系數(shù)的演化過(guò)程，為了直觀地展示演化的規(guī)律性，曲線的縱坐標(biāo)采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)。在凍融過(guò)程中，無(wú)論密實(shí)度高低，試樣滲透系數(shù)都有不同程度的增長(zhǎng)。隨著凍融次數(shù)不斷增加，滲透系數(shù)最終趨于穩(wěn)定。低密實(shí)度的試樣其滲透系數(shù)在凍融過(guò)程中的增量相對(duì)較大，滲透系數(shù)在凍融后期仍然有較為明顯的增大趨勢(shì)。而高密實(shí)度的試樣，凍融對(duì)滲透性的影響較小，表現(xiàn)為凍融后期的滲透系數(shù)達(dá)到了一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，即基本不隨凍融次數(shù)變化。這種現(xiàn)象表明高密實(shí)度的土體未凍融前孔隙的結(jié)構(gòu)已經(jīng)較為緊密，經(jīng)過(guò)幾次凍融循環(huán)即可達(dá)到其塑性變形的極限值，因此滲透系數(shù)能夠快速穩(wěn)定。

4滲透系數(shù)演化模型

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，黏土的滲透系數(shù)與凍融次數(shù)、飽和度以及密實(shí)度的關(guān)系密切，受它們的影響顯著。因此，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果的規(guī)律性可以求得黏土滲透系數(shù)的多因素演化模型。

首先根據(jù)滲透系數(shù)隨凍融次數(shù)先增加后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，得出滲透系數(shù)和凍融次數(shù)滿(mǎn)足關(guān)系式：實(shí)度都有關(guān)系的參數(shù)。由前述可知，滲透系數(shù)隨飽和度的增大而增大、隨密實(shí)度的增大而減?。▽?duì)于同一凍融次數(shù)而言）。因此，參數(shù)P1與飽和度和密實(shí)度的關(guān)系可用如下函數(shù)表示：式中：Sr為飽和度；ρd 為密實(shí)度，g/cm^3；a、b、c、d為參數(shù)。表3給出了參數(shù)a、6、c、d的擬合值。

根據(jù)表3，最終得出滲透系數(shù)隨著凍融次數(shù)、飽和度以及密實(shí)度變化的多因素模型為

該模型不僅綜合考慮了飽和度、密實(shí)度在凍融過(guò)程中對(duì)黏土滲透性的影響，而且也可單獨(dú)考慮某一變量（其余兩個(gè)變量控制不變）變化時(shí)滲透系數(shù)的變化情況。表2、表3中的擬合相關(guān)系數(shù)的平方R^2均在0.960以上，說(shuō)明該模型可以較好地反映黏土滲透性隨凍融次數(shù)的改變以及飽和度和密實(shí)度的變化而變化的規(guī)律，具有一定的參考價(jià)值。

5結(jié)論

本文研究了凍融循環(huán)條件下飽和度、密實(shí)度的變化對(duì)黏土滲透性演化規(guī)律的影響，先后進(jìn)行了凍融循環(huán)試驗(yàn)和滲透性測(cè)試，得出如下結(jié)論：

（1）黏土滲透系數(shù)受凍融作用的影響明顯，隨著凍融次數(shù)的增加滲透系數(shù)不斷增大，凍融前期增長(zhǎng)較快，凍融后期趨于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）滲透系數(shù)隨凍融次數(shù)的演化過(guò)程與飽和度有關(guān)。飽和度越高，受到凍融作用的影響越大，表現(xiàn)為土體的滲透系數(shù)在凍融過(guò)程中的增長(zhǎng)率越大，凍融擾動(dòng)作用持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)，需要更長(zhǎng)的周期達(dá)到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）凍融過(guò)程中，滲透系數(shù)同樣受密實(shí)度的影響。凍融初期，高密實(shí)度土體對(duì)應(yīng)低滲透系數(shù)：凍融后期，密實(shí)度較低的土體滲透系數(shù)仍有明顯的增長(zhǎng)，而高密實(shí)度的土體滲透系數(shù)基本趨于穩(wěn)定。

（4）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果的規(guī)律性得出了包含凍融次數(shù)、飽和度以及密實(shí)度的滲透系數(shù)演化模型，其相關(guān)系數(shù)均在0.960以上，可以較準(zhǔn)確地反映凍融過(guò)程中滲透系數(shù)的變化趨勢(shì)，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。