膨胀土渗透特性与膨胀特性实验研究

【摘要】膨胀土作为高塑性粘土，承载力因水体渗透而逐渐衰减，这极大地限制实际工程的应用范围。本文通过对膨胀土进行重塑土与原状土渗透性能与膨胀性试验，对比分析重塑土与原状土在不同上覆荷载值下渗透系数的变化规律，研究了上覆荷载、水头高度、含水率对重塑土渗透系数的影响规律并进一步分析不同初始含水率下的膨胀量与膨胀力。结果表明：随上覆荷载的增大重塑土与原状土渗透系数逐渐减小。随含水率增加，渗透系数在一定范围内先减小，达到一定程度后，渗透系数逐渐增大。渗透系数随水头高度增加而增大。随着初始含水量的增加，膨胀量逐渐减小;膨胀力逐渐减小。

【关键词】膨胀土;渗透系数;膨胀量

【中图分类号】 TU411.4

【文献标识码】A

1、引言

膨胀土是一种非饱和的、结构不稳定的区域性的高塑性粘土，其矿物成分主要为蒙脱石和伊利石。膨胀土特性性能极不稳定，具有吸水膨胀、失水收缩、反复胀缩变形、浸水承载力衰减和干缩裂缝发育等不良特性。对膨胀土的工程特性进行研究，分析膨胀土特性规律，对于实际的工程建设具有重大意义。

本论文主要通过三组实验，分别对重塑土与原状土渗透性性能进行分析研究。

2、试验条件

2.1实验用料

实验所用土样为膨胀粘土，渗透系数为6.19×10-7 cm/s;原状土渗透系数为8.98×10-8cm/s。

2.2实验方法

将实验所用土体进行处理后，分别进行渗透实验和膨胀模型实验。

3、实验结果与分析

3.1膨胀土的渗透系数变化

3.1.1 原状土渗透系数变化

从图1可以看出，对于同一组试验，上覆荷载分别为0、100、200、300、400kPa时，渗透系数依次为6.19x10-7cm/s、3.23×10-7cm/s、2.31×10-7cm/s、9.69×10-8cm/s、7.15×10-8cm/s，随着上覆荷载的增大，渗透系数逐渐减小;在较小荷载作用时，渗透系数随上覆荷载增大而较快减小，在较大荷载作用时，渗透系数随上覆荷载增大减小变得平缓。渗透系数随上覆荷载变化呈现非线性规律，变化率随着荷载增大而逐渐减小。

3.1.2 重塑土渗透系数变化

重塑的结果破坏了絮凝集聚体，从图2可以看出，上覆荷载分别为0、100、200、300、400kPa时，渗透系数依次为8.98×10-8cm/s、5.26×10-8cm/s、3.11×10-8cm/s、2.71×10-8cm/s、1.64×10-8cm/s，随着上覆荷载增大，渗透系数逐渐减小。渗透对重塑土的影响主要是通过压实作用改变其孔隙比，土体中孔隙比的改变引起渗透性变化。

3.1.3 原状土与重塑土渗透系数比较

将上述的两组实验结果进行对比，研究重塑作用对膨胀土渗透系数的影响作用。从图3以看出，在上覆荷载为0时，原状土渗透系数为6.19×10-7cm/s，重塑土渗透系数为8.98×10-8cm/s，原状土渗透系数大于重塑土渗透系数，两者大约相差1个数量级。这主要是由于原状土中有天然的孔隙以及微小裂隙等，为水的渗流提供了很好的通道;而重塑土破坏了土体的结构性，通过击实作用使得土体颗粒重新分布。从整个趋势图来看，原状土渗透系数随上覆荷载曲线变化幅度大，重塑土较为平缓。对从重塑土施加较大的上覆荷载，也无法达到原状土渗透系数，说明原状土在较长时间沉积中具有较大密实度。

3.1.4 含水率對渗透系数的影响

含水率一直是影响土渗透系数的一项重要参数，本实验通过试验分析，得出以下规律：随着含水率的增加，渗透系数在一定范围内先减小，达到一定程度后，渗透系数逐渐增大，随着含水率的逐步增大，渗透系数也逐渐增大，含水率增大的越快，渗透系数增大的越快。当含水率相同时，随着密度的增加，土颗粒的质量也增加，渗透仪体积不变，土试样更加密实，渗流的通道变小，渗透系数随着变小。变化规律见图4。

（1）在重塑土与原状土的渗透性试验中，随着上覆荷载的增加，渗透系数逐渐减小;原状土由于其结构致密，不容易发生渗透;对干密度不同的重塑土样，随着干密度的增加，渗透系数逐渐减小;不同高度的重塑土样，随着高度增加，渗透系数逐渐增大，并且高度增加越快，渗透系数的变化越快;不同含水率的重塑土样，随着含水率的增加，渗透系数在一定范围内先减小，达到一定程度后，渗透系数逐渐增大，随着含水率的逐步增大，渗透系数也逐渐增大，含水率增大的越快，渗透系数增大的越快。

（2） 在膨胀性实验中，随着初始含水量的增加，膨胀量逐渐减小;随着初始含水量的增加，膨胀力逐渐减小;土中含水率越大，膨胀量越大;由于试验时通过增加水量增大初始含水量，且保湿较长时间，导致一部分膨胀力以膨胀量的形式释放，初始含水量增大的越多，以膨胀量形式释放的膨胀力也就越多，因而剩余的膨胀力越小。

（3）在膨胀模型实验中，随着开孔数的增加，膨胀量的减小呈3个阶段 ，加水骤增阶段、正常膨胀阶段、膨胀稳定阶段。当加水到一定程度时，膨胀量稳定，说明土样不再进行膨胀，此时，土样达到最大膨胀值。随着含水量的增加，不同孔数的土样膨胀量初始膨胀量不相同，最终膨胀量呈减小趋势。

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作者简介：

李小刚，出生于1993年12月，男，本科，中铁七局集团第三工程有限公司，助理工程师。