魯 洋，劉斯宏，張勇敢，楊 蒙，王柳江，李 卓

（1.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.大壩長(zhǎng)效特性及環(huán)保修復(fù)技術(shù)中西聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；3.南京水利科學(xué)研究院 大壩安全與管理研究所，江蘇 南京 210029）

1 研究背景

我國(guó)已建、擬建土石壩的高度日益增大，且大多處于高海拔、高寒的多年凍土和季節(jié)性凍土區(qū)，建壩條件和運(yùn)行環(huán)境極為嚴(yán)酷復(fù)雜。心墻壩作為采用當(dāng)?shù)夭牧现蔚拇硇詨涡椭唬漯ね列膲υ诙臼┕て谶^(guò)程中面臨著土料凍融帶來(lái)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在：（1）負(fù)溫施工條件下的心墻料會(huì)因短時(shí)凍結(jié)造成壓實(shí)性能降低；（2）壓實(shí)后的心墻料經(jīng)凍融作用會(huì)誘發(fā)結(jié)構(gòu)開裂，使得防滲體強(qiáng)度和防滲性能劣化。施工期的兩河口大壩（壩高295 m）是我國(guó)在藏區(qū)修筑的最大基礎(chǔ)設(shè)施，為中國(guó)第二、世界第三高土石壩，其施工難度在世界范圍內(nèi)首屈一指。由于地處川西高原地區(qū)，平均海拔接近3000 m，冬季日照時(shí)間短，氣候寒冷、干燥，極端最低氣溫可達(dá)-15.9 ℃，其摻礫黏土心墻料在冬季填筑過(guò)程中面臨著嚴(yán)峻的土料凍融問題［1-2］。高寒區(qū)土石壩心墻在運(yùn)行期也存在凍融帶來(lái)的安全隱患。例如，加拿大Waterloo Lake 大壩心墻料是一種凍脹敏感性材料，冬季凍脹線從壩頂遷移到壩坡下游側(cè)，在凍吸力作用下庫(kù)水自上游側(cè)遷移到凍結(jié)前緣，在心墻內(nèi)形成冰透鏡體，往復(fù)凍脹凍融作用下壓實(shí)心墻產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致沿壩頂產(chǎn)生大量縱向裂縫，先期凍融作用嚴(yán)重影響心墻的滲透穩(wěn)定，威脅大壩安全［3］。對(duì)此，我國(guó)的《碾壓土石壩施工規(guī)范》（DL/T5129-2013）規(guī)定［4］：“土石壩在負(fù)溫下填筑，應(yīng)編制專項(xiàng)施工措施，壓實(shí)土料的溫度應(yīng)在-1 ℃以上；當(dāng)日最低氣溫在-10 ℃以下，或在0 ℃以下且風(fēng)速大于10 m/s 時(shí)，應(yīng)停止施工”。因此，開展凍融作用對(duì)寒區(qū)筑壩心墻料滲透性演化規(guī)律的研究，對(duì)指導(dǎo)高寒季凍區(qū)心墻壩的安全建設(shè)和長(zhǎng)期運(yùn)維具有重要意義。

傳統(tǒng)的中、低土石壩建設(shè)中常采用純黏土作為心墻填料，但隨著高壩的建設(shè)，發(fā)現(xiàn)其存在一系列問題。例如，黏土強(qiáng)度和模量較低，相對(duì)壩殼沉降大，拱效應(yīng)劇烈，易產(chǎn)生裂縫和水力劈裂，難以適應(yīng)大型機(jī)械施工和高強(qiáng)度填筑等。而摻礫黏土心墻料，即在黏土中摻入一定量的礫石，碾壓后可獲得較高的密度和強(qiáng)度、較低的壓縮性，且仍可保持良好的防滲性能，這既提高了力學(xué)性能，又減少了黏土的使用量，因此在高土石壩工程中被廣泛用作防滲心墻料［5-9］。國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者已圍繞其在常溫環(huán)境下的滲透特性開展了大量研究的工作，為高土石壩建設(shè)和發(fā)展提供了理論支撐［10-15］。然而，凍融作用下?lián)降[黏土心墻料的滲透特性還鮮有研究。

凍融作為一種強(qiáng)風(fēng)化作用，對(duì)土的滲透性影響顯著［16-19］。許健等［20］開展了凍融過(guò)程對(duì)原狀黃土滲透特性影響的試驗(yàn)，認(rèn)為由于土體內(nèi)部冰晶生長(zhǎng)及冷生結(jié)構(gòu)形成，導(dǎo)致黃土微觀結(jié)構(gòu)的大顆粒集粒數(shù)量明顯減少，土粒膠結(jié)性變差，滲透性增大。Lu 等［21］進(jìn)一步研究了干密度和凍融循環(huán)對(duì)黃土滲透各向異性的影響。Han 等［22］對(duì)凍融條件下不同含鹽量非飽和分散性土的滲透特性開展了試驗(yàn)研究。Starkloff 等［23］研究了凍融循環(huán)作用下粉砂土的宏觀孔隙結(jié)構(gòu)和滲透特性演化規(guī)律。但以往的研究主要集中在均一土料，其滲透特性主要取決于其干密度或壓實(shí)孔隙比。而對(duì)于筑壩心墻摻礫土料，它是一種由黏土基質(zhì)和礫石混合而成二元介質(zhì)，其滲透規(guī)律與其內(nèi)部的土-石細(xì)觀結(jié)構(gòu)分布密切相關(guān)。Shelley 等［24］、吳珺華等［25］和李方振等［26］相繼研究了常溫條件下?lián)降[土料的滲透特性，并探討了摻礫量對(duì)滲透特性的影響，但并未從土石細(xì)觀結(jié)構(gòu)的角度進(jìn)行分析，其在凍融作用下滲透特性的演化規(guī)律也尚不清晰，相關(guān)研究還十分缺乏。

鑒于此，本文以兩河口大壩心墻摻礫混合土料為研究對(duì)象，開展凍融條件下筑壩摻礫黏土料的三軸滲透特性試驗(yàn)，研究圍壓、凍融次數(shù)、摻礫量和初始含水率等因素對(duì)壓實(shí)摻礫黏土滲透特性演化規(guī)律的影響，并結(jié)合摻礫黏土內(nèi)部的土-石細(xì)觀結(jié)構(gòu)分布特征對(duì)其演化機(jī)理進(jìn)行分析，以期為高寒和季凍區(qū)土石壩的防滲設(shè)計(jì)和冬季施工建設(shè)提供參考。

2 試驗(yàn)材料與試樣制備

2.1 試驗(yàn)材料試驗(yàn)所用土樣取自兩河口大壩的施工現(xiàn)場(chǎng)。其中，黏土屬于低塑性黏土，土性參數(shù)列于表1，礫石料為板巖，由于試樣尺寸的限制，試驗(yàn)用礫石為現(xiàn)場(chǎng)礫石料縮尺所得，考慮到相似級(jí)配法和等量代替法用于滲透試驗(yàn)存在明顯的局限性，本文選用混合法進(jìn)行縮尺（比例系數(shù)n=2.5）［27-28］，最大粒徑20 mm，最小粒徑2 mm，不均勻系數(shù)Cu=3.16，曲率系數(shù)Cc=1.14，礫石料顆粒級(jí)配曲線如圖1所示。

表1 試驗(yàn)黏土樣物性參數(shù)

圖1 礫石料的顆粒級(jí)配曲線

2.2 試樣制備試驗(yàn)采用直徑101 mm、高度200 mm 的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體摻礫黏土試樣，試樣制備的難點(diǎn)主要涉及二元介質(zhì)混合料如何混摻均勻的問題。經(jīng)過(guò)反復(fù)的嘗試，本文采用濕法混摻、分層摻混、分層擊樣的方法制備摻礫黏土試樣，該方法可制得土石分布較為均勻的壓實(shí)摻礫黏土試樣（圖2），主要制備過(guò)程如下：（1）使用木槌將風(fēng)干黏土敲碎，并過(guò)2 mm 篩，然后根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)配比向風(fēng)干土樣均勻噴灑一定質(zhì)量的水，隨后裝入密封塑料袋中悶料24 h 使其水分均勻。（2）采用振動(dòng)篩將礫石按照不同粒徑進(jìn)行篩分分組，礫石表面均勻噴灑一定量的水使其達(dá)到飽和面干狀態(tài)，隨后根據(jù)各試樣摻礫量設(shè)計(jì)配比分別稱取5 份同級(jí)配、同質(zhì)量的礫石裝入密封袋。（3）制樣時(shí)將一份濕黏土與一份飽和面干礫石混摻均勻，采用筆者改進(jìn)的分層定位擊實(shí)裝置［19，29］將混合料壓實(shí)至設(shè)計(jì)干密度（每層的壓實(shí)厚度為40 mm），第一層混合料擊實(shí)完成后將其表面充分刨毛，然后加入第二層摻混料，如此反復(fù)直至5 層，完成試樣制備。

圖2 摻礫黏土試樣制備

3 試驗(yàn)方案

3.1 凍融試驗(yàn)將包裹有保鮮膜的摻礫黏土試樣置于河海大學(xué)水工結(jié)構(gòu)研究所自研的凍融試驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)（圖3）。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，12 h 的凍結(jié)或融化時(shí)間可足夠保證樣品內(nèi)部溫度到達(dá)平衡狀態(tài)，且凍融過(guò)程對(duì)土強(qiáng)度變形的劣化影響一般在第1、2 次循環(huán)時(shí)最為顯著，在10 次左右時(shí)達(dá)到一個(gè)較為穩(wěn)定的狀態(tài)。故本文試驗(yàn)擬定凍融方案為：-10 ℃下凍結(jié)12 h，室溫（約20 ℃）下融化12 h 為一個(gè)循環(huán)，凍融循環(huán)次數(shù)取為：0、1、2、3、5、7 和10。凍結(jié)過(guò)程為封閉系統(tǒng)下的多向快速凍結(jié)，以保證凍結(jié)過(guò)程中試樣內(nèi)部水分遷移較少［30-31］。

圖3 凍融循環(huán)試驗(yàn)箱

3.2 滲透試驗(yàn)采用柔性壁三軸滲透儀，對(duì)經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)的摻礫黏土試樣進(jìn)行三軸滲透試驗(yàn)，分析其宏觀滲透特性的變化規(guī)律。將經(jīng)歷一定凍融次數(shù)的試樣置于真空缸內(nèi)進(jìn)行抽氣約180 min，然后進(jìn)水浸泡24 h 以上。將飽和后的試樣安裝在三軸滲透儀器上，對(duì)其逐級(jí)施加圍壓100、200、300、400、500 和600 kPa，進(jìn)行固結(jié)滲透。具體試驗(yàn)方案如表2所示。其中，第1—4 組為研究摻礫量的影響，不同摻礫量的試樣均在其全料最優(yōu)含水率下以相同的壓實(shí)度制樣，為防止試樣擊實(shí)制備過(guò)程中礫石顆粒破碎而影響其初始級(jí)配，同時(shí)考慮試樣分層擊實(shí)的難易程度，參照相關(guān)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，制樣時(shí)控制壓實(shí)度為0.8［30］；第3、5—9 組為研究?jī)鋈诖螖?shù)的影響，試樣摻礫量均控制為30%，且在其最優(yōu)含水率下制樣；第3、10—13 組為研究初始含水率（全料含水率）的影響。

表2 試驗(yàn)方案

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 圍壓的影響圖4 是不同圍壓下滲透系數(shù)和孔隙比的變化規(guī)律（以8.3 %含水率、30 %摻礫量的試樣為例）。圍壓的改變將直接導(dǎo)致試樣孔隙比產(chǎn)生變化，進(jìn)而影響試樣的滲透系數(shù)，孔隙比的變化從材料的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)角度直接反映了滲透系數(shù)變化的本質(zhì)原因。本文試驗(yàn)中，試樣孔隙比的變化由試驗(yàn)過(guò)程中體變管的排水量以及初始孔隙比換算得到。由圖4 可見，隨著圍壓的增加，滲透系數(shù)逐漸降低并趨于一個(gè)較穩(wěn)定的范圍；當(dāng)圍壓從0 增大至200 kPa 時(shí)，孔隙比從0.55 大幅度降低到0.40 左右，對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)也急劇減小，主要是由于試樣在圍壓作用下被快速壓縮，孔隙比越來(lái)越小；當(dāng)圍壓超過(guò)400 kPa 時(shí)，孔隙比減小至0.33～0.36 并基本趨于穩(wěn)定，滲透系數(shù)基本維持在10-6～10-7cm/s數(shù)量級(jí)。宏觀滲透系數(shù)減小幅度越來(lái)越小的試驗(yàn)現(xiàn)象，主要是由于微觀孔隙越來(lái)越難被進(jìn)一步壓密，這也是土體“壓硬性”的體現(xiàn)。

圖4 不同凍融次數(shù)下?lián)降[黏土滲透系數(shù)和孔隙比隨圍壓的變化關(guān)系

4.2 凍融次數(shù)的影響圖5（a）為滲透系數(shù)隨凍融次數(shù)的變化曲線（以8.3 %含水率、30 %摻礫量的試樣為例）。可以看出，不同圍壓下滲透系數(shù)隨凍融次數(shù)的增加基本表現(xiàn)出相似的規(guī)律，即：滲透系數(shù)逐漸增加，且在第1～2 次凍融作用后增幅最大，說(shuō)明凍融對(duì)滲透性的影響主要發(fā)生在前幾次凍融循環(huán)，尤以首次最為顯著。當(dāng)凍融循環(huán)增至7～10 次時(shí)，滲透系數(shù)基本增大到一個(gè)較為穩(wěn)定的數(shù)值。此外，通過(guò)比較同一圍壓下的試驗(yàn)曲線可知，凍融循環(huán)對(duì)滲透系數(shù)的影響在低圍壓下較為顯著，隨著圍壓的增加，影響逐漸減弱，具體表現(xiàn)在：高圍壓下，首次凍融作用導(dǎo)致的滲透系數(shù)增大的幅度要比低圍壓情況下更小一些。在冬季大壩心墻土料的填筑過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)處于短時(shí)（多次凍融）、淺凍（低圍壓）、封閉（無(wú)補(bǔ)水）工況，本文表明：即使僅遭遇1～2 次的凍融過(guò)程，心墻料的滲透性能也將發(fā)生大幅度劣化，對(duì)壩體后期滲透穩(wěn)定造成潛在隱患。因此，實(shí)際施工時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格避免淺層填筑心墻料遭遇低溫凍融作用。此外，兩河口心墻黏土的單向凍脹試驗(yàn)也建議［32］：當(dāng)大壩現(xiàn)場(chǎng)日最低氣溫低于-5 ℃時(shí)，應(yīng)在夜間停工期間及時(shí)覆蓋保溫材料，以盡量避免已填土料發(fā)生凍結(jié)。

以上宏觀滲透系數(shù)的演變規(guī)律本質(zhì)上反映試樣孔隙比隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化過(guò)程，如圖5（b）所示，孔隙比隨凍融次數(shù)的變化規(guī)律與滲透系數(shù)的變化趨勢(shì)基本一致。低溫作用下，試樣中的孔隙水凍結(jié)成孔隙冰，體積膨脹，凍脹力作用下土體內(nèi)的部分孔隙被撐開，孔隙比增大。由于未經(jīng)歷凍融的壓實(shí)試樣較為密實(shí)，因此首次凍融后孔隙比增大最為明顯；多次反復(fù)凍融作用后，試樣內(nèi)部絕大多數(shù)孔隙被撐開，此時(shí)孔隙水的凍脹不再能撐開更大的孔隙，孔隙比基本趨于保持不變，這反映在宏觀即表現(xiàn)為滲透系數(shù)隨凍融次數(shù)的增加近似呈雙曲線型增長(zhǎng)的趨勢(shì)。對(duì)比圖5（a）和圖5（b）可知，即使在較高的圍壓水平下，無(wú)論是滲透系數(shù)還是孔隙比，在經(jīng)歷一定次數(shù)的凍融循環(huán)作用后，其數(shù)值仍然比初始未凍融時(shí)要大，說(shuō)明圍壓的作用可以削弱凍融作用對(duì)摻礫黏土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的影響，但不能消除這種影響，而摻礫黏土的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)則與下面要討論的摻礫量的影響密切相關(guān)。

圖5 摻礫黏土滲透系數(shù)和孔隙比隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律

4.3 摻礫量的影響圖6 為常溫環(huán)境下（未經(jīng)歷凍融作用）不同摻礫量（0%、10%、30%、40%和50%）試樣的滲透系數(shù)變化規(guī)律。從圖6 可以發(fā)現(xiàn)：隨著摻礫量的增加，滲透系數(shù)先減小后增大，當(dāng)摻礫量約30%時(shí)滲透系數(shù)減小到最小值。這與Shafiee 等［13］和李方振等［26］發(fā)現(xiàn)的規(guī)律類似，這主要是因?yàn)閾降[黏土的滲透特性是由黏土基質(zhì)、礫石及土石界面三者相互作用的結(jié)果。一方面，礫石相對(duì)于黏土基質(zhì)的滲透系數(shù)極低，礫石的加入相當(dāng)于減小試樣的過(guò)水?dāng)嗝?，延長(zhǎng)了滲徑，從而滲透系數(shù)隨摻礫量的增加而減小；另一方面，由于土石介質(zhì)的高度彈性不匹配，使得土石界面成為滲透最薄弱的部位，滲流過(guò)程中會(huì)在土石界面產(chǎn)生較大的滲透力，導(dǎo)致界面滲透性明顯優(yōu)于黏土基質(zhì)。因此，雖然礫石降低了試樣的滲透性，但是土石界面的存在一定程度上卻提高了試樣的滲透性，在這兩種作用的共同影響下，試樣在30%摻礫量附近出現(xiàn)了滲透系數(shù)最小值。

圖6 摻礫黏土滲透系數(shù)隨摻礫量的變化關(guān)系（未凍融）

由上述分析可知，第1 次凍融循環(huán)對(duì)滲透系數(shù)的影響最大，下面重點(diǎn)比較第0 和第1 次凍融循環(huán)的影響。圖7 為經(jīng)歷0 次和1 次凍融作用后不同摻礫量（10%、30%和50%）試樣的滲透系數(shù)變化規(guī)律曲線。從圖7 可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)歷1 次凍融作用后，各摻礫量的滲透系數(shù)均有所增大，增大幅度隨著摻礫量的增大而增加。以30%摻礫量為界，再次考察試驗(yàn)數(shù)據(jù)可見，在未經(jīng)凍融前，滲透系數(shù)表現(xiàn)為：50%摻量>10%摻量>30%摻量；而經(jīng)過(guò)1 次凍融后，10%和30%摻量的滲透系數(shù)已十分接近。值得注意的是，在低中摻礫量情況下（10%和30%），這種由于凍融作用引發(fā)的滲透性增大效應(yīng)在低圍壓下比較顯著，在較高圍壓時(shí)（＞400 kPa）時(shí)不再顯著；而對(duì)于高摻礫量（50%）的試樣，即使高圍壓時(shí)，凍融前后的滲透系數(shù)仍存在較大差距?？梢酝茰y(cè)，摻礫量對(duì)滲透特性凍融演化規(guī)律的影響在高低圍壓下表現(xiàn)得并不一致，這可能與壓實(shí)試樣內(nèi)部的土-石結(jié)構(gòu)分布密切相關(guān)。

圖7 不同摻礫量試樣經(jīng)歷0 和1 次凍融作用后滲透系數(shù)隨圍壓的變化關(guān)系

對(duì)此，分別對(duì)3 種特征摻礫量（10%、30%和50%）的試樣開展橫斷面CT 掃描如圖8所示。從圖8可以發(fā)現(xiàn)：10%～30%摻礫量下的土石結(jié)構(gòu)比較類似，礫石都懸浮于黏土基質(zhì)中；而50%摻礫量時(shí)，礫石與礫石之間開始接觸，逐漸形成骨架并存在大量的土-石結(jié)合面。結(jié)合前面的試驗(yàn)結(jié)果可知，凍融作用將主要體現(xiàn)在對(duì)黏土孔隙和土-石結(jié)合面的影響。

圖8 特征摻礫量試樣的土石結(jié)構(gòu)分布CT 橫斷面

對(duì)于10%～30%中低摻礫量范圍的試樣，隨著摻礫量的增加，黏土含量逐漸減小，凍融對(duì)黏土基質(zhì)孔隙的影響也將是逐漸減小的，但凍融1 次后，30%摻礫量的試樣出現(xiàn)了滲透系數(shù)從未凍融時(shí)的最小增加到最大的現(xiàn)象，說(shuō)明30%摻礫量時(shí)黏土與礫石結(jié)合面的黏結(jié)程度在凍融作用下比10%摻礫量時(shí)發(fā)生了大幅度衰減。摻礫量越高，試樣中黏土所占的比例越少，土-石界面表面積越大，滲透性薄弱的土石結(jié)合面也就越多。在高圍壓情況下，凍融作用撐大的黏土基質(zhì)孔隙在應(yīng)力作用下逐漸密閉愈合，滲透系數(shù)逐漸減??；由于土石介質(zhì)的彈性不匹配性，土-石結(jié)合面的凍融損傷影響較難恢復(fù)。因此，出現(xiàn)高圍壓下滲透系數(shù)出現(xiàn)10%摻量<30%摻量的情況。此外，50%摻礫量的試樣在經(jīng)歷1次凍融作用后，滲透系數(shù)增大幅度最大，主要是因?yàn)?0%摻礫量時(shí)，礫石與礫石之間開始接觸，具有大量的土石結(jié)合面，并逐漸形成骨架-空隙結(jié)構(gòu)，此時(shí)滲透系數(shù)的大幅度增加主要是由于凍融作用嚴(yán)重破壞了土-石結(jié)合面，形成了大量不可恢復(fù)的接觸面裂隙滲透路徑。

4.4 初始含水率的影響常規(guī)滲透試驗(yàn)（測(cè)量飽和滲透系數(shù)）不需要考慮初始含水率對(duì)試樣滲透特性的影響，因?yàn)槌跏伎紫侗纫恢?，不同初始含水率的土樣其飽和滲透系數(shù)基本一致。若經(jīng)歷凍融作用，則土樣內(nèi)部冰晶生長(zhǎng)及冷生結(jié)構(gòu)的形成會(huì)導(dǎo)致土樣中孔隙體積增加，土顆粒受到擠壓并形成新的土骨架結(jié)構(gòu)，因而在凍融過(guò)程中需考慮初始含水率對(duì)試樣滲透特性的影響［20］。圖9（a）為不同初始含水率的試樣（摻礫量30%）的滲透系數(shù)隨圍壓的變化關(guān)系。由圖可見，未凍融和4%含水率凍融1 次的試樣，其試驗(yàn)曲線十分接近并且有波動(dòng)重合的趨勢(shì)，說(shuō)明4%含水率的試樣在經(jīng)過(guò)凍融作用后，其滲透系數(shù)基本不受凍融作用的影響，這是由于含水率很低時(shí)，負(fù)溫作用下土顆粒對(duì)水存在強(qiáng)吸附作用，這部分少量的水基本以未凍水的形式存在；即使水分全部?jī)鼋Y(jié)，也很難對(duì)土體初始的內(nèi)部孔隙產(chǎn)生擠壓膨脹作用，從而4%含水率時(shí)土體結(jié)構(gòu)基本不受凍融作用的影響，表現(xiàn)為4%初始含水率的試樣在經(jīng)過(guò)1 次凍融后的滲透系數(shù)和未經(jīng)凍融的試樣基本接近。隨著初始含水率的進(jìn)一步增加，曲線逐漸向右上方移動(dòng)，說(shuō)明凍融作用對(duì)土體結(jié)構(gòu)的影響逐漸增大，但這種增大趨勢(shì)并不是線性的，當(dāng)含水率很高時(shí)（10%和12%），試驗(yàn)曲線又變得比較接近。此外可發(fā)現(xiàn)，高圍壓下試驗(yàn)曲線逐漸收攏，說(shuō)明圍壓的增大可以抑制由于初始含水率不同而導(dǎo)致的凍融作用對(duì)土體結(jié)構(gòu)的影響。

為了更清晰地分析這一現(xiàn)象，將試驗(yàn)結(jié)果表示為滲透系數(shù)隨初始含水率的變化過(guò)程，如圖9（b）所示?？梢钥闯?，當(dāng)初始含水率從4%逐漸增加到12%時(shí)，不同圍壓下的滲透系數(shù)均表現(xiàn)為逐漸增大，但在低圍壓下增加的幅度大，而高圍壓下增加的幅度要小。此外，可以觀察到一個(gè)有趣的現(xiàn)象：當(dāng)含水率從4%增加到8.3%（30%摻礫量時(shí)的最優(yōu)含水率）時(shí)，滲透系數(shù)增加非常顯著；但是當(dāng)含水率從8.3%增加到12%時(shí)，滲透系數(shù)增加的幅度較之前有所減小，且在高圍壓下這種增加的趨勢(shì)表現(xiàn)得更加平緩。這主要是因?yàn)椴煌是闆r下的壓實(shí)黏土的微觀結(jié)構(gòu)不一樣所致。已有研究表明，在黏土的壓實(shí)曲線中，最優(yōu)含水率左側(cè)為干側(cè)，右側(cè)為濕測(cè)，左側(cè)的土樣微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)為雙孔隙結(jié)構(gòu)，大孔和小孔交錯(cuò)分布，由壓汞試驗(yàn)獲得的孔徑分布函數(shù)呈“雙峰”分布；而右側(cè)的土樣微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)為單孔結(jié)構(gòu)，孔隙分布比較均勻，孔徑分布函數(shù)呈“單峰”分布［33］。相對(duì)而言，雙孔隙結(jié)構(gòu)較單孔隙結(jié)構(gòu)更加不穩(wěn)定，雙孔隙結(jié)構(gòu)的土體在外力作用下，其中的“大孔隙”更容易被壓密，也更容易受到外界干濕、凍融等環(huán)境因素的影響［34］。本文中，30%摻礫量時(shí)的最優(yōu)含水率為8.3%，從而含水率從4%增加到最優(yōu)含水率8.3%時(shí)，試樣將基本處于雙孔隙結(jié)構(gòu)分布，凍融對(duì)結(jié)構(gòu)的影響十分顯著，滲透系數(shù)增加顯著；而當(dāng)含水率從8.3%增加到12%時(shí)，單孔隙結(jié)構(gòu)試樣滲透系數(shù)增加的幅度將有所減小。

圖9 滲透系數(shù)隨圍壓和初始含水率的變化規(guī)律

5 結(jié)論

通過(guò)三軸滲透試驗(yàn)，對(duì)摻礫心墻土料在經(jīng)歷凍融作用后的滲透特性進(jìn)行了研究，分析了凍融次數(shù)、圍壓、摻礫量和初始含水率等因素對(duì)心墻礫質(zhì)土滲透特性的影響。研究表明：（1）凍融作用后，摻礫黏土的滲透系數(shù)將顯著增加，增加程度受圍壓、凍融次數(shù)、摻礫量和初始含水率影響；摻礫黏土的滲透特性是黏土基質(zhì)、礫石及土石界面三者相互作用的結(jié)果。（2）隨著圍壓的增大，摻礫黏土逐漸被壓密，滲透系數(shù)降低，而滲透系數(shù)減小的程度逐漸緩慢；高圍壓下因凍融而增大的黏土孔隙逐漸閉合，但高滲透土石結(jié)合面產(chǎn)生的凍融損傷較難恢復(fù)。（3）隨著凍融次數(shù)的增加，滲透系數(shù)逐漸增加，且在第1～2 次凍融作用后增加的幅度最大；凍融對(duì)滲透系數(shù)的增大作用在低圍壓和高初始含水率情況下更為顯著。（4）摻礫量影響土石分布，低摻礫量時(shí)礫石懸浮于黏土基質(zhì)中，而較高摻礫量時(shí)形成骨架-空隙結(jié)構(gòu)，凍融損傷作用下，土石界面形成接觸界面的高滲透路徑，使得滲透系數(shù)大大增加。（5）隨著初始含水率的增加，低滲透性黏土的微觀結(jié)構(gòu)從“雙孔隙”結(jié)構(gòu)過(guò)渡到“單孔隙”結(jié)構(gòu)，從而，凍融作用下在小于最優(yōu)含水率時(shí)滲透系數(shù)增加的幅度較大，而在大于最優(yōu)含水率時(shí)增幅較小。（6）在冬季施工期，1～2 次的凍融過(guò)程便會(huì)大幅度劣化淺層心墻料的滲透性能，給后期滲透穩(wěn)定帶來(lái)潛在隱患，因此實(shí)際施工時(shí)，應(yīng)采取有效措施，嚴(yán)格避免淺層填筑心墻料遭遇低溫凍融作用。