浸水历时对裂隙膨胀土渗透性的影响

袁俊平，丁 巍，蔺彦玲，张 锋，王启贵

（1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏南京210098；2.河海大学岩土工程科学研究所，江苏南京210098）

浸水历时对裂隙膨胀土渗透性的影响

袁俊平1，2，丁 巍1，2，蔺彦玲1，2，张 锋1，2，王启贵1，2

（1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏南京210098；2.河海大学岩土工程科学研究所，江苏南京210098）

许多与膨胀土有关的工程问题都与其渗透性有关，由于膨胀土的胀缩性，裂隙膨胀土的渗透性会随渗透历时而逐渐变化。利用柔性壁渗透仪对重塑膨胀土进行了渗透试验，分别研究了有无裂隙、浸水历时长短等对膨胀土渗透性的影响规律。结果表明：有裂隙时膨胀土渗透系数比无裂隙时大2个数量级左右；浸水后，裂隙膨胀土的渗透性迅速显著降低，大约2 d～3 d后趋向稳定，稳定后渗透系数约比浸水前低1～2个数量级，与无裂隙膨胀土接近。为工程设计和数值计算提供参考。

膨胀土；裂隙；渗透系数；浸水历时

膨胀土含有较多膨胀性粘土矿物，具有“裂隙性、胀缩性和超固结性”的特征［1－2］，其胀缩性是导致土体裂隙发育的重要内在因素。许多与膨胀土有关的工程问题都涉及到膨胀土的渗透特性，如降雨入渗下膨胀土边坡的稳定、膨胀土地基变形、核废料填埋处理等［3］。膨胀土渗透性是工程设计和渗流分析的关键参数之一，准确确定膨胀土渗透系数将是选择合理设计方案、获得正确可靠的渗流计算分析结果的前提。由于含有膨胀性粘土矿物、具有微结构和孔隙结构特征，膨胀土的渗透特性较一般粘性土复杂：在渗透过程中，伴随着吸力的下降、含水率的升高以及裂隙的愈合，膨胀土的渗透系数会随渗透时间逐渐变化。

近年来，有一些研究开始关注到膨胀土特别是裂隙膨胀土的渗透性。2004年，袁俊平等［4］采用单向固结仪测定了非饱和膨胀土膨胀时程曲线，定量地描述了膨胀土中裂隙在入渗过程中逐渐愈合的特征；2006年，陈建斌［5］进行现场试验时发现，低含水率时膨胀土原位渗透系数的量级在砂性土的量级范围之内，具有强透水性，表明膨胀土的裂隙性会极大地影响膨胀土的渗透性；2008年，李雄威［6］采用常水头渗透试验方法研究膨胀土裂隙渗透特性，结果表明：土样初始渗透系数最大，随后随着时间的延续，渗透系数逐渐降低，并最后趋于稳定。渗透系数减小的过程伴随着土体的膨胀过程，所以可以用渗透系数的变化过程反映裂隙的变化过程；2010年，张家俊［7］采用变水头渗透试验方法研究了膨胀土裂隙渗透性，饱和膨胀土土体的渗透系数与非饱和膨胀土的初始下渗强度均随着干湿循环次数的增加而增加，影响膨胀土体渗透特性的关键因素是试样中贯通渗径的裂隙长度。然而裂隙膨胀土浸水后其渗透性如何变化，浸水历时长短对其渗透性影响程度和规律如何，这些问题仍然有待研究。本文利用柔性壁渗透仪对重塑膨胀土试样进行了渗透试验，研究了有无裂隙，浸水历时长短等对膨胀土渗透性的影响规律。

1 试验情况

1.1 试验土样

受结构性、不均匀性、应力历史等影响，若采用原状膨胀土，可能由于试验结果的离散性而难以发现其内在规律。为此，本文采用重塑膨胀土，使其经历干湿循环产生裂隙，然后用此裂隙膨胀土进行渗透试验。

试验土料取自南水北调中线工程河南省南阳市及平顶山市境内淅川段，其基本物理性质见表1。制备试样时，控制其干密度和含水率分别为1.63 g／cm3和23%，使其接近于天然状态。按《土工试验方法标准》［8］制成直径39.1mm，高度80 mm的圆柱样。

表1 试验土料基本物理性质指标

1.2 试验装置

本次试验采用南京泰克奥科技有限公司生产的柔性壁渗透仪，主要由三轴压力室、围压控制系统、反压控制系统、体变测量系统组成。压力室底座的三个通道分别连接至围压控制系统、反压力控制系统及体变测量系统。围压控制系统和反压控制系统均采用伺服稳压控制，可按要求自动加压到预先设定的压力。试验装置结构示意图见图1。

图1 膨胀土渗透试验装置示意图

使用该装置量测渗透系数时，对试样施加一定围压，同时在试样底部施加一个稳定的水压力，试样顶面通大气孔压保持为零，使水在一定压差作用下流经试样，达到稳定后测量一定时间内通过试样的流量，从而推算出试样渗透系数。之所以采用这种试验装置，是因为具有以下优势［9］：

（1）可以保证试样侧壁止水效果。试验时始终保持围压高于渗透水压力20 kPa，从而使橡皮膜紧贴试样侧壁，有效阻止了可能的渗漏。

（2）可以提供较大的渗透坡降。通过反压控制系统在试样两端可施加较大的渗透压差而无需传统变水头试验时的长玻璃管。

为避免过大围压可能影响试样中裂隙宽度和孔隙结构，试验时围压取50 kPa，渗透压差取30 kPa。

1.3 试验步骤

1.3.1 制备三轴试样

本文试验需要制备有裂隙的三轴试样，预试验结果表明，先制大样，后切小样的方法难以保证试样裂隙的充分发展，切样时不可避免会导致扰动，试样完整性容易被破坏。因此，本文试验中没有采用文献［10］中的办法，而是采取了直接对三轴试样进行干湿循环的方法，即先制备击实样，然后对击实样进行相应次数的干湿循环。

1.3.2 催生培育裂隙

本文采用室内强制干湿循环来使制备好的击实三轴试样产生裂隙。实施一次干湿循环过程的步骤是：先将试样抽气饱和，并浸泡一昼夜，然后将试样放置在取暖器下约30 cm处，侧方20 cm处用风扇强制通风，使试样表面温度稳定在25℃左右，维持脱湿风干12 h，使其裂隙充分开展。有关研究曾指出试样进行3次干湿循环后裂隙发育变缓［11］，所以本文使试样经历3次干湿循环。风扇加取暖器组合示意图如图2所示。

1.3.3 量测试样表面与纵向裂隙

试样经历干湿循环后，裂隙逐渐开展，为了解并描述裂隙的发育程度，在每次干湿循环结束时（即风干过程结束时），对试样表面拍照，并采用江苏省中大医院CT科室里的西门子64排螺旋CT仪对经历3次干湿循环后试样纵剖面方向进行扫描，发现试样裂隙开展深度达约1／2试样高度，获取的典型裂隙试样照片及CT扫描图片见图3。

图2 干湿循环装置图

图3 试样表面裂隙照片（1～3次干湿循环）及纵剖面CT扫描图片（第3次干湿循环）

1.3.4 渗透试验

（1）将制备好的裂隙试样抽气饱和，按《土工试验规程》［12］（SL237－1999）三轴压缩试验方法小心安装好试样。测读体变管水位初读数。

（2）施加50 kPa的围压，通过反压系统，在试样底面施加渗透压力30 kPa。在试验后1 800 s、5 400 s、9 000 s、12 600 s、18 000 s测读体变管水位，同时记录水温T。

（3）将围压和反压减小至10 kPa，调节体变管，使体变管内水面与试样顶面齐平，保持1 d后，按步骤（2）进行浸水1 d后试样的渗透试验。

（4）重复步骤（3），进行浸水2 d和3 d后试样的渗透试验。

（5）卸除围压和反压，小心拆除试样，观察试样表面裂隙形态。

2 试验结果及分析

由式（1）按达西定律计算不同条件下试样的渗透系数。

式中：a为体变管的横截面面积（cm2）；H为试样的总轴向高度（cm）；A为渗流流经的平均过流断面，即试样的横截面面积（cm2）；u为反压系统施加的反压（kPa）；h1，h2分别为t1和t2时刻体变管水位与试样顶面的水位差（cm）。

2.1 有无裂隙试样渗透性对比

将无裂隙和有裂隙试样抽气饱和后立即进行渗透试验，其渗透系数随试验历时变化关系曲线如图4所示，有无裂隙试样初始渗透系数（初始渗透系数指初始状态下，试样进行渗透试验时内部结构未发生变化的渗透系数）与渗透历时18 000 s的渗透系数汇总列于表2。

表2 有无裂隙试样渗透系数比较

图4 有无裂隙膨胀土试样渗透系数随试验历时变化曲线

由图4可以看出，裂隙试样的渗透系数随试验历时迅速减小，而无裂隙试样的渗透系数随试验历时基本不变。有裂隙试样的初始渗透系数比无裂隙土试样大2个数量级左右。这是由于裂隙开展后，土体结构发生了变化，发育的裂隙成为渗水的优势通道，这使得裂隙试样的初始渗透系数远大于无裂隙试样。即使试样浸水18 000 s后，土中部分裂隙逐渐闭合，其中优势渗水通道减少，但此时试样渗透系数仍然超过无裂隙试样约1个数量级。

2.2 浸水历时对裂隙试样渗透性影响

表3给出了未浸水及浸水1 d～3 d后裂隙膨胀土试样的渗透系数测试结果。可以看出，随浸水历时增加，土体渗透性迅速减弱。这表明浸水时间越长，膨胀土吸水膨胀越充分，裂隙逐渐愈合，水流经土体的通道变少。从试验结果来看，浸水历时达到2 d～3 d后，裂隙试样的渗透系数几乎不随试验历时而变化，表明此时试样结构已经趋于稳定，这与文献［13］的结论相一致。

从试样渗透系数随试验历时变化的关系曲线（图5）可以看出，不同浸水历时后裂隙试样的渗透系数均随试验历时逐渐减小，而且随浸水历时增大，裂隙试样渗透系数随试验历时减小幅度逐渐降低（图6）。表明在渗透试验过程中裂隙土样的微结构不断地发生变化，这一方面是由于土体膨胀导致裂隙闭合，另一方面是渗透力作用下土体孔隙逐渐被淤堵，孔隙连通性变差的缘故。

图5 裂隙膨胀土试样渗透系数随试验历时变化曲线

图6 裂隙试样渗透系数减小幅度随浸水历时变化曲线

值得注意的是，由表2和表3可以看出裂隙试样的渗透系数始终大于无裂隙试样，表明即使裂隙试样浸水后裂隙愈合，但这种愈合并不能使土体完全恢复到无裂隙状态。而且由于这种愈合存在滞后性［14］，特别在浸水初期，裂隙试样中仍有优势渗水通道，所以其渗透系数明显高于无裂隙试样。

表3 不同浸水历时裂隙试样渗透系数

3 结 论

利用柔性壁渗透仪，对有无裂隙及不同浸水历时的重塑膨胀土进行了渗透试验，主要结论如下：

（1）无论浸水与否，膨胀土裂隙试样的渗透系数均高于无裂隙试样，其裂隙试样的初始渗透系数约比无裂隙试样大2个数量级左右；

（2）裂隙膨胀土试样的渗透系数随浸水历时增大而迅速显著降低，大约2 d～3 d后趋向稳定。裂隙试样稳定后渗透系数约比浸水前低1～2个数量级，略高于无裂隙试样。

［1］ 孙长龙，殷宗泽，王福升，等.膨胀土性质研究综述［J］.水利水电科技进展，1995，15（6）：10-14.

［2］ 缪林昌，刘松玉.论膨胀土的工程特性及工程措施［J］.水利水电科技进展，2001，21（2）：37-40.

［3］ Alonso E E，Olivella S.Unsaturated soilmechanics applied to geotechnical problems［C］／／Miller GA.Proceedings of the 4th International Conference on Unsaturated Soils.America：ASCE，2006：1-35.

［4］ 袁俊平，殷宗泽.考虑裂隙非饱和膨胀土边坡入渗模型与数值模拟［J］.岩土力学，2004，25（10）：1581-1586.

［5］ 陈建斌.大气作用下膨胀土边坡的响应试验与灾变机理研究［D］.武汉：中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所），2006.

［6］ 李雄威.膨胀土湿热耦合性状与路堑边坡防护机理研究［D］.武汉：中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所），2008.

［7］ 张家俊.干湿循环下膨胀土裂隙、体变与渗透特性研究［D］.广州：华南理工大学，2010.

［8］ 中华人名共和国水利部.GB／T 50123－1999.土工试验方法标准［S］.北京：中国计划出版社，1999.

［9］ 宋新江.基于常规三轴仪测定水泥土渗透系数方法研究［J］.江淮水利科技，2010，（6）：19-21，25.

［10］ 徐 彬.膨胀土强度影响因素与边坡稳定分析方法研究［D］.南京：河海大学，2012.

［11］ 杨和平，刘艳强，李晗峰.干湿循环条件下碾压膨胀土的裂隙发展规律［J］.交通科学与工程，2012，28（1）：1-5.

［12］ LIXiong-wei，WANG Yong，YU Jing-wei，et al.Unsaturated expansive soil fissure characteristics combined with engineering behaviors［J］.Journal of Central South University，2012，12：3564-3571.

［13］ 姚志华，陈正汉，朱元青，等.膨胀土在湿干循环和三轴浸水过程中细观结构变化的试验研究［J］.岩土工程学报，2010，32（1）：68-76.

Influence of Soaked Period on Permeability of Cracked Expansive Soil

YUAN Jun-ping1，2，DINGWei1，2，LIN Yan-ling1，2，ZHANG Feng1，2，WANG Qi-gui1，2
（1.Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering，Hohai University，Nanjing，Jiangsu 210098，China；2.Geotechnical Engineering Research Institute，HohaiUniversity，Nanjing，Jiangsu 210098，China）

Many engineering problems related to expansive soils are found to have strong relationship with the soil permeability.Due to the soil’swell-shrink property，the permeability of cracked expansive soil would change gradually along with the soaked period.The laboratary seepage tests are conducted on remolded expansive soilwith a flexible-wall permeameter，and the influences of the presence of cracks and the duration of soaked period on the permeability of expansive soil are studied respectively.The test results show that the permeability coefficient of cracked expansive soil is about two orders ofmagnitude greater than thatwithout cracks；The permeability of cracked expansive soil reduces significantly after soaking，it tends to stabilize after about two to three days，the final permeability coefficientafter stabilization is aboutone to two orders ofmagnitude lower than thatof no-soaked expansive soil，and it is close to that of the expansive soilswithout cracks.All these asmetioned above could provide practical references for project design and numerical calculation.

expansive soil；crack；permeability coefficient；soaked period

TU443

A

1672—1144（2014）01—0083—04

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.01.017

2013-08-24

2013-10-03

“十二五”国家科技支撑计划课题资助（2011BAB10B04）；国家自然科学基金青年基金项目资助（51008117）

袁俊平（1975—），男，湖北麻城人，博士，副教授，主要从事非饱和土和堤坝工程方面的科研工作。

丁 巍（1989—），男，江苏盐城人，硕士研究生，研究方向为膨胀土及非饱和土力学性质。