压实度对膨胀土渗透特性的影响研究

许英姿　杨昀和　黄政棋

摘要：为研究不同压实度对膨胀土渗透特性的影响规律，文章以南宁膨胀土为研究对象，通过压力板仪试验和变水头渗透试验，结合预测模型对非饱和渗透系数进行预测。结果表明：压实度对膨胀土渗透特性的影响较明显，压实度为95%的膨胀土饱和渗透系数仅为8.69×10 -9 m/s，而压实度为75%的膨胀土饱和渗透系数为6.33×10 -7 m/s，比压实度为95%的大约2个数量级;当压实度相同时，基质吸力越大，膨胀土渗透系数越小;当基质吸力相同时，压实度越高，膨胀土渗透系数也越小;基质吸力为1 000 kPa时，各压实度的膨胀土渗透系数均<10 -11 m/s，压实度为95%的膨胀土渗透系数要比压实度为75%的小约2个数量级。

关键词：膨胀土;压实度;渗透特性;渗透系数

中国分类号：U416.1 +67

0引言

膨胀土是一种具有典型特性即胀缩性、裂隙性和超固结性的高塑性黏土。膨胀土边坡失稳常常发生在降雨后[1]，降雨入渗引起膨胀土内部含水量变化，导致土体的力学特性发生改变，最终触发浅层滑坡[2]。因此，确定与膨胀土渗流相关的渗透参数，对分析膨胀土边坡的稳定性有十分重要的意义[3]。工程中的膨胀土大部分处于非饱和状态，非饱和渗透系数是描述膨胀土在非饱和状态下导水能力的参数。众多学者研究发现非饱和膨胀土的渗透系数受初始含水率、初始孔隙比、干密度等多种因素影响[4-7]，且其本身结构复杂，如果采用常规的饱和土渗透试验精确测量非饱和土渗透系数，所需费用十分昂贵，且耗时较长。研究表明，根据土水特征曲线（简称SWCC曲线）能够间接推测非饱和土的渗透系数，其计算精度在工程允许范围内，且所需费用较少[8]。本文以广西南宁膨胀土为研究对象，采用变水头渗透试验对膨胀土进行饱和渗透系数的量测，分析饱和渗透系数的影响规律，并结合压力板仪试验拟合结果，对非饱和膨胀土的渗透系数进行间接预测，研究非饱和渗透系数的影响规律，为分析膨胀土边坡失稳提供参考。

1试验土样与方案

1.1土样物理性质指标

本次试验所用土样取自广西南宁市兴[JP+1]宁区水牛研究所附近的膨胀土边坡。土样的物理性质指标试验结果如表1所示。由自由膨胀率可知试验土样为中等膨胀性膨胀土。

1.2土样制备和试验方案

取风干土样锤碎后过2 mm筛，按照最优含水率19%所需加水量配制土样。采用静压法制备环刀试样，试样的压实度分为95%、90%、85%、80%和75%五种，每个压实度制取3个平行样。土水特征曲线试验与饱和渗透试验均按照《公路土工试验规程》（JTG E40-2007）进行操作。采用1500型15 Bar压力板仪进行SWCC曲线试验，所用环刀尺寸内径为61.8 mm，高10 mm，加压路径为：0 kPa→25 kPa→50 kPa→100 kPa→200 kPa→400 kPa→600 kPa→800 kPa→1 000 kPa。采用TST-55型渗透仪进行变水头渗透试验，量测饱和渗透系数，所用环刀尺寸内径为61.8 mm，高度为40 mm。

2试验结果与分析

2.1压力板仪试验结果拟合

前人研究发现VG模型能较好地拟合膨胀土的土水特征曲线试验结果[9]，故本次试验选用VG模型对试验结果进行拟合。拟合结果如表2所示。

2.2膨胀土饱和渗透系数分析

变水头渗透试验的饱和渗透系数按《公路土工试验规程》（JTG E40-2007）的公式计算，为方便对比分析，将计算结果换算为20 ℃时的饱和渗透系数。换算结果如图1所示。

由图1可知，压实度对膨胀土饱和渗透系数的影响较明显。膨胀土在高压实度时的饱和渗透系数很小，95%壓实度的膨胀土饱和渗透系数仅为8.69×10 -9 m/s。随着压实度的降低，膨胀土的饱和渗透系数会相应增大，这是因为膨胀土的渗透性与其结构特性有密切联系。

（1）压实的作用主要是压碎膨胀土中的较大土颗粒，破坏膨胀土的原有结构，而压碎后的土颗粒会填充孔隙，使得土体的孔隙率减小，同时也会阻塞水的入渗通道，进而影响渗透性。膨胀土压实度越高，压实作用越显著，孔隙率越小，水的入渗通道也越少，导致饱和渗透系数越小。

（2）饱和土中的自由水不受多孔黏土颗粒表面性质的影响，压实度高的土样孔隙率较小，自由水在土中流动会被渗流通道的数量限制，故其饱和渗透系数相对压实度低的土样要小。当土的压实度较低时，土体内部的大孔隙数量会显著增加，粒间孔隙的连通性变好，土的渗透性也会变好。当压实度为75%时，土体的饱和渗透系数为6.33×10 -7 m/s，相比95%压实度的土样大了约2个数量级，说明压实度对土体饱和渗透系数的影响十分显著。

2.3膨胀土非饱和渗透系数的预测

利用SWCC曲线预测膨胀土的非饱和渗透系数需要借助渗透系数模型。本文利用Van Genuchten的渗透系数模型[10]，如式（1）、式（2）所示，在已知饱和渗透系数的前提下，结合SWCC曲线拟合结果对土体的渗透系数进行预测。

膨胀土SWCC曲线的VG模型拟合参数如前页表2所示，将各参数代入式（1）和式（2）即可计算非饱和渗透系数。不同压实度膨胀土的渗透系数与基质吸力的关系如图2所示。

由图2可知，在相同压实度条件下，膨胀土中基质吸力越大时对应的渗透系数越小，在基质吸力为1 000 kPa时，各压实度的膨胀土渗透系数均<10 -11 m/s，这说明处于高吸力状态下的膨胀土很难入渗。根据渗透系数的降低速率可把曲线分为两段：

（1）第一段为基质吸力在0～200 kPa范围，这一段渗透系数随基质吸力的增加而减小的现象十分显著，基质吸力为200 kPa时的渗透系数平均值要比饱和状态时的渗透系数小约3个数量级。

（2）第二段为基质吸力在200～1 000 kPa范围，该段渗透系数也呈现出随基质吸力增加而减小的变化趋势，但是其降低的幅度要明显小于第一段。而在相同的基质吸力条件下，膨胀土的压实度越高时对应的渗透系数越小，在基质吸力为1 000 kPa时，压实度为95%的膨胀土渗透系数要比压实度为75%的小约2个数量级。其主要原因可能是膨胀土的渗透系数会受到土体孔隙比变化的影响，高压实度的土样孔隙比会相应较小，其大孔隙的数量也会少于低压实度的土样。基质吸力从0 kPa开始增大时，土样由饱和状态向非饱和状态转变，空气会将部分大孔隙中的水逐步取代，而在大孔隙中的自由水对整个土体的渗透率起着控制作用，低压实度的膨胀土中大孔隙数量较多，孔隙中的自由水也较多，因此低压实度膨胀土的渗透系数要比高压实度膨胀土的大。随着空气压力将大孔隙中自由水排出，土的饱和度不断降低。当大孔隙中的水被空气取代后，水只能在较小的孔隙中流动，孔隙水流动的路径变得更小更曲折，因此渗透系数也不断减小。

3结语

（1）压实度对膨胀土饱和渗透系数的影响较为明显，膨胀土在高压实度时的饱和渗透系数很小，压实度为95%的膨胀土饱和渗透系数仅为8.69×10 -9 m/s。随着压实度的降低，膨胀土的饱和渗透系数会相应增大，当压实度为75%时，土体的饱和渗透系数为6.33×10 -7 m/s，比压实度为95%的大了约2个数量级。

（2）当压实度相同时，膨胀土中基质吸力越大，对应的渗透系数越小，当基质吸力为1 000 kPa时，各压实度的膨胀土渗透系数均<10 -11 m/s。当基质吸力相同时，膨胀土的压实度越高，对应的渗透系数也越小，当基质吸力为1 000 kPa时，压实度为95%的膨胀土渗透系数要比压实度为75%的小约2个数量级。

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