粉砂土路基渗透系数的试验研究

宇德忠，杨洪生，于立泽

(黑龙江省交通科学研究所)

1 粉砂土的性质

粉砂土的矿物组成主要以石英为主并含有少量长石、云母以及其他矿物，其颗粒粒径介于粉土和细砂之间。根据《公路土工试验规程》JTG E40-2007中的土体分类，粉砂土是指土粒径大于0.1 mm的颗粒含量不超过总质量的75%的砂土。在齐泰公路选择具有代表性的A、B两种试验土样，每种土样的颗粒分析及物理力学性能指标见表1和表2。

2 渗透试验

室内渗透试验是指土体渗透系数K值的实验室测定，室内渗透试验分为常水头渗透试验和变水头渗透试验。在国内外这两种常规试验方法都有较为普遍的应用，但不同的渗透装置在测量形式和测量精度上都是不同的，通常认为颗粒较大的砂类土等材料宜采用常水头渗透试验;粘质土、细粒土等颗粒较小的土工材料宜采用变水头渗透试验。粉砂土的颗粒相对较细，因此根据《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)本试验最终采用的试验方法为变水头渗透试验，试验装置采用TST-55型变水头渗透仪。

表1 土样的颗粒分析试验结果

土样编号 天然含水率/%天然密度/(g/cm-3)天然孔隙比n比重GS最大干密度/(g/cm-3)最佳含水率/%

本试验先用电动击实仪制件，在最佳含量率条件下制备了三种不同压实度的试件，不同压实度试件所采用的每层土样击实变数分别为30次、50次和98次，所对应的压实度分别为93%、96%和100%。制好件后再用环刀取土，不同土样每种压实度做3个平行试件，以此来对比分析最佳含水率不同压实度条件下的粉砂土渗透系数的变化规律。

试验所采用的土样不能烘干是因为过高温度会破坏土体中的有机质，对试验结果产生影响。试验前要将经风干土样过0.5 cm的筛，取筛下土样做试验;同时还要测定风干土样的含水率，确定试验用土的质量。根据计算结果称取试验用土和水的质量，将两者经均匀拌和后装入塑料袋内密封12 h使水分充分浸润。采用击实仪制件时要将土分三层装入击实筒内并且每层土体的装入量应为击实后的试件高度等于或高于击实筒高的1/3。每层土体经击实后要将表层“拉毛”后在将下层试验用土装入击实桶筒内，重复上述方法将每层土体击实，击实完毕后在用修土刀将最上层土体削平。

在用环刀切取试样时为了使试样与环刀内壁之间没有缝隙要将环刀的内侧均匀地涂抹凡士林，在切取过程中要确保环刀刀口均匀下切。切好后在用钢丝锯在试样的上下两个层面要从中间向两边刮平，同时要避免用刮土刀在试样表

式中：kt为水温t℃时的试样渗透系数，cm/s;a为变水头管的断面积，cm2;2.3为ln和log的变换因数;L为渗径，即试样高度，cm;A为试样的过水面积;t1，t2为测读水头的起始和终止时间，s;H1，H2为起始和终止水头。

3 试验数据分析

渗透系数在一定程度上反映了压密土体中水分渗透的强弱。由于粉砂土颗粒介于细砂土和粉土之间，其颗粒组成中粘性颗粒含量相对较少主要以砂粒和粉粒为主，因此亲水矿物含量也较低，对土体的渗透系数也会产生影响，通过变水头渗透试验可以有效地反映出路基土在不同压实度条件下渗透系数的变化规律。各标土样的试验结果见表3所示。面反复刮抹，造成土孔隙堵塞而影响测试结果。最后将制好的试件放入抽气缸内使试样充分饱和，经过12 h的浸泡后再抽气20～30 min，抽气完毕后将试样装入变水头渗透仪器内，控制试验水头在120 cm左右水柱高，当渗透仪的滴水孔有水溢出时，说明土样已达到充分饱和，即可进行变水头渗透试验。

本次试验所用均为饱和土样，因此计算土样的变水头渗透系数时，根据《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)所提供的变水头渗透系数计算公式(T0130-4)进行计算，同时还要量出变水头渗透仪出水口处的流水温度，在整理试验结果时要对温度进行修正。具体计算公式如公式1所示

表3 土样的渗透系数 cm/s

由表3分析可知，压实度越大土体的渗透系数越小，这主要是由于土体在欠密实的状态下土颗粒间存在许多不均匀的孔隙，为水的渗透提供了通道，随着击实次数的增加，土颗粒间出现了相互嵌挤的现象，彼此间的相对位置有所改变，即较小颗粒填充了较大颗粒形成的间隙，同时经压实后土体中空气的含量也在击实过程中被压缩了，自由水的渗透受阻，土体的渗透系数也随之变小。

由表3还可以看出B土样在压实度相同的条件下渗透系数都要小于土样A，这是由于自由水在土体中的渗透与土中的细粒含量有关。由表2土样的颗粒分析结果可以看出B土样的细粒含量要多于A土样，由于粉土和粘土颗粒表面活性较大，因此细粒含量越多，土体的分散程度就越大，亲水矿物的含量就越多，土颗粒表面结合水膜的厚度也就越厚，水膜持水量增加也进一步堵塞了自由水的渗透，使土体的渗透系数变小。

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［1］刘红军，张秀华.工程地质学［D］.东北林业大学，2004.

［2］徐学祖.国内外对冻土中水分迁移课题的研究［J］.冰川冻土，1982，4(3)：97-104.