[摘 要]粘性土的滲透性是工程性質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。本文對粘性土滲透性的影響因素進(jìn)行分析，并對粘性土滲透系數(shù)求解方法作一些探討。
[關(guān)鍵詞]粘性土 滲透性 滲透系數(shù) 求解方法
[關(guān)鍵詞]粘性土 滲透性 滲透系數(shù) 求解方法
粘性土的滲透涉及到地下基坑開挖的計(jì)算、地下結(jié)構(gòu)物的抗浮設(shè)計(jì)、支護(hù)樁承擔(dān)荷載的取值大小以及垃圾填埋場的設(shè)計(jì)指標(biāo)等諸多問題。因此粘性土的滲透性是工程性質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，其大小受到土的結(jié)構(gòu)性、顆粒大小、級配、膠結(jié)、礦物成分、孔隙充填、土的密實(shí)度、土體的組構(gòu)、溫度等諸多因素的控制和影響。
一、原狀土與重塑土滲透系數(shù)差異
由于土體宏觀構(gòu)造和微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，土體滲透性具有高度的不均勻和各向異性性質(zhì)。因此往往由于滲透系數(shù)取值不當(dāng)或滲透規(guī)律的偏差，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果有所偏差和給出的結(jié)果不合理。試驗(yàn)室一般多采用無荷條件下進(jìn)行滲透系數(shù)的測定，然而實(shí)際工程中地基總是承受上覆土的自重壓力和構(gòu)造物的附加壓力。因此分析和研究結(jié)構(gòu)性對土的滲透特性的影響，對于實(shí)際工程和設(shè)計(jì)具有重要的意義。
在加荷條件下，原狀土滲透系數(shù)逐漸減小，其實(shí)測值與計(jì)算值相差不大，曲線比較接近。重塑土試驗(yàn)所得滲透系數(shù)實(shí)測值與計(jì)算值也十分接近，但其值大小和原狀土相比相差5倍～10倍。此外，在加荷條件下原狀土的滲透系數(shù)變化較大，隨著固結(jié)壓力增大至一定值時(shí)，將會(huì)和重塑土的滲透系數(shù)相接近。實(shí)際上土體的體積變化及應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系取決于土粒間或粒組間應(yīng)力傳遞的性質(zhì)。外力增加改變雙電層的相互作用和離子交換，即改變土顆粒之間的力和排列。大荷載作用下，土的結(jié)構(gòu)性已不存在，并趨于重塑土性質(zhì)。
在未加荷時(shí)原狀土與重塑土滲透系數(shù)差異也較大。對原狀土而言，當(dāng)水力坡降i逐漸增大時(shí)，kv值逐漸增大；然而當(dāng)i值繼續(xù)增大到另一值后，kv值變化則較為緩慢；而重塑土隨水力坡降i的逐漸增大，滲透系數(shù)的變化甚小。與原狀土相比，滲透系數(shù)在較大的水力坡降范圍內(nèi)保持不變。這說明結(jié)構(gòu)的改變對滲透系數(shù)的影響較大。其主要原因是孔隙大小及分布發(fā)生較大的變化所致。天然狀態(tài)土由于存在結(jié)構(gòu)性，具有較高的抵抗壓密時(shí)排列的阻力。
二、孔隙對粘性土滲透性質(zhì)的影響
孔隙作為滲流通道，對土體的滲透性有直接的影響，其影響主要體現(xiàn)在孔隙尺寸、形狀、數(shù)量以及飽和度4個(gè)方面。
1、孔隙尺寸對滲透性的影響
從微觀的角度來看，土中孔隙具有不同的尺寸，在發(fā)展了光學(xué)、X射線衍射和電子掃描技術(shù)后，直接觀察土顆粒的排列成為了可能，于是在孔隙尺寸分類方面的研究取得了很大進(jìn)展。Mitchell從粘性土組構(gòu)的角度，定性地將孔隙分為粘粒問孔隙、粘粒群間孔隙、粘粒群內(nèi)孔隙以及粘粒與粘粒群間孔隙4種，相應(yīng)地存在粘粒群間孔隙中的水、粘粒群內(nèi)孔隙間的水和粘粒及粘粒群接觸部位的水，這3種水有的是結(jié)合水、有的是自由水，其性質(zhì)取決于孔隙的大小。目前各學(xué)者對孔隙的定量分類比較一致。由于粘性土中含有大量的粘粒，粘粒比表面積大，表面帶負(fù)電，水在孔隙中流動(dòng)時(shí)，將受到粘粒表面電性的吸引。因此，土與水的相互作用與孔隙大小共同影響粘土的滲透性。一旦土與水相互作用后形成的吸附水層尺寸與孔隙尺寸相當(dāng)，則該孔隙中的水將不會(huì)流動(dòng)，也即構(gòu)成了孔隙中的結(jié)合水。此外，微孔隙和超微孔隙中的水是不存在滲透性的，粘土中這類孔隙的含量越多，則該粘土的滲透性將越小。另外，對于大中小各種孔隙，如果存在以下兩種情況，水在其中也不能流動(dòng)：一是孔隙與其他任何孔隙均不連通，是“死水區(qū)”；二是孔隙一端或一部分與其他孔隙不連通，是“死胡同”。除此之外，其對粘土滲透性的影響取決于孔隙的形狀。
2、孔隙形狀對滲透性的影響
粘性土在天然形成過程中，由于環(huán)境的不同將產(chǎn)生不同形狀的孔隙，加上人類后期的活動(dòng)，上覆荷載變化、地下水位改變、地面溫度上升等，這些因素對粘土中的孔隙形狀將產(chǎn)生較大的影響，歸納起來，孔隙形狀主要分成圓孔狀和扁平狀，層流在兩種形狀的孔隙中的流速有各自的計(jì)算方法。
宋林輝等人在計(jì)算這兩種不同形狀的孔隙流量時(shí)提出下列公式：
�。�1）圓孔狀孔隙流量：根據(jù)管道水力學(xué)，圓管中水（水流為層流）的流量可用下式表示：
式中Q為流量；d為圓管的內(nèi)徑；L為圓管的長度；為流體的運(yùn)動(dòng)粘滯性系數(shù)
式中Q為流量；為流體的運(yùn)動(dòng)粘滯性系數(shù)；h為水頭。
由此可見，圓形孔隙的流量和扁平孔隙的流量明顯不同，基于上述假設(shè)條件下，其大小取決于孔隙的尺寸，因此選擇合適計(jì)算模式也將影響滲流量計(jì)算的準(zhǔn)確性。另外可從新的角度證明孔隙的尺寸和孔隙的形狀相互耦合，共同影響粘土的滲透性。
3、孔隙數(shù)量對滲透性的影響
孔隙數(shù)量即一定體積粘土中孔隙的多少，工程上常用孔隙比或孔隙率來表示土中孔隙的量。一般而言，孔隙越多，滲流發(fā)生的可能性大，這不管從理論公式的計(jì)算結(jié)果，還是滲透性的實(shí)測數(shù)據(jù)都表明隨著孔隙含量增加，土的滲透性也加大。
4、孔隙飽和度對滲透性的影響
除孔隙的尺寸、形狀和數(shù)量對粘性土體的滲透性存在影響之外，孔隙的飽和度也會(huì)對滲透性產(chǎn)生影響。所謂的孔隙飽和度是指孔隙空間充水程度。按照常理，位于地下水位以下的土體都是飽和的。但隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)事實(shí)并非如此，在存在多層隔水層的場地或深部粘土層中，其原狀土可能處于不飽和的干燥狀態(tài)。對于多層隔水層的場地可能是由于地層的變化或地下水水位的升降造成的，而深部土層則可認(rèn)為是該土層處于土一巖過渡期，而土在成巖過程中，土中的水逐步轉(zhuǎn)化為結(jié)晶水，導(dǎo)致孔隙的飽和度下降，形成不飽和干燥狀態(tài)。如果飽和度較小，后續(xù)的充水過程將改變粘土的組構(gòu)，將導(dǎo)致該粘土的滲透性小于飽和度大的土層。
三、其他因素對粘性土滲透性質(zhì)的影響
由前面敘述總結(jié)可知，影響粘性土滲透性質(zhì)的因素主要有：土的粒度成分，一般土粒愈粗、大小愈均勻、性狀愈圓滑，k值也就愈大，當(dāng)粗粒土中含有細(xì)粒土?xí)r，隨著細(xì)粒含量的增加，k值極具下降；土的密實(shí)度，土愈密實(shí)，孔隙比愈小，k值愈小；土的飽和度，一般情況下飽和度愈低，k值愈小，這是因?yàn)榈惋柡屯恋目紫吨写嬖谳^多氣泡會(huì)減小過水?dāng)嗝娣e，甚至堵塞細(xì)小孔道，同時(shí)由于氣體因孔隙水壓力的變化而脹縮，因而飽和度的影響成為一個(gè)不定因素；土的結(jié)構(gòu)性，粘性土在天然狀態(tài)下具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)一旦擾動(dòng)，原有的過水通道的性狀、大小及其分布就會(huì)完全改變，因而k值也就不同，原狀土和重塑土的滲透系數(shù)的差異就體現(xiàn)在這里；此外，環(huán)境溫度的變化也會(huì)影響到粘性土的滲透系數(shù)，一方面，溫度的變化改變了水的溫度，當(dāng)水溫變化時(shí)，其粘滯度變化較大，水溫愈高，粘滯度愈低，k值愈大，另一方面，溫度的變化也會(huì)擾動(dòng)土的結(jié)構(gòu)性，必然導(dǎo)致土中含水量和離子化學(xué)場的變化，引起土體液、固相物理化學(xué)性質(zhì)的改變，從而使土顆粒連接、吸附及其性狀發(fā)生變化，從而影響土體的滲透性質(zhì)。
綜上所述，影響滲透性質(zhì)的因素很多，其相互作用有比較復(fù)雜，但滲透參數(shù)的選擇在滲流分析中十分重要，參數(shù)選擇的合理與否直接影響計(jì)算的合理性和可靠性。
參考文獻(xiàn)
[1] 何偉，趙明華，劉小平.雙電層對非飽和粘土滲透率的影響[J].公路交通科技，2008，25（9）.
[2] 宋林輝，梅國雄.孔隙對粘土滲透性的影響分析[A].中國土木工程學(xué)會(huì)第十屆土力學(xué)及巖土工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C].2007.
[3] 何俊，郝國文.粘土襯墊中滲透系數(shù)與擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系[J].煤田地質(zhì)與勘探，2007，35（6）.
一、原狀土與重塑土滲透系數(shù)差異
由于土體宏觀構(gòu)造和微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，土體滲透性具有高度的不均勻和各向異性性質(zhì)。因此往往由于滲透系數(shù)取值不當(dāng)或滲透規(guī)律的偏差，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果有所偏差和給出的結(jié)果不合理。試驗(yàn)室一般多采用無荷條件下進(jìn)行滲透系數(shù)的測定，然而實(shí)際工程中地基總是承受上覆土的自重壓力和構(gòu)造物的附加壓力。因此分析和研究結(jié)構(gòu)性對土的滲透特性的影響，對于實(shí)際工程和設(shè)計(jì)具有重要的意義。
在加荷條件下，原狀土滲透系數(shù)逐漸減小，其實(shí)測值與計(jì)算值相差不大，曲線比較接近。重塑土試驗(yàn)所得滲透系數(shù)實(shí)測值與計(jì)算值也十分接近，但其值大小和原狀土相比相差5倍～10倍。此外，在加荷條件下原狀土的滲透系數(shù)變化較大，隨著固結(jié)壓力增大至一定值時(shí)，將會(huì)和重塑土的滲透系數(shù)相接近。實(shí)際上土體的體積變化及應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系取決于土粒間或粒組間應(yīng)力傳遞的性質(zhì)。外力增加改變雙電層的相互作用和離子交換，即改變土顆粒之間的力和排列。大荷載作用下，土的結(jié)構(gòu)性已不存在，并趨于重塑土性質(zhì)。
在未加荷時(shí)原狀土與重塑土滲透系數(shù)差異也較大。對原狀土而言，當(dāng)水力坡降i逐漸增大時(shí)，kv值逐漸增大；然而當(dāng)i值繼續(xù)增大到另一值后，kv值變化則較為緩慢；而重塑土隨水力坡降i的逐漸增大，滲透系數(shù)的變化甚小。與原狀土相比，滲透系數(shù)在較大的水力坡降范圍內(nèi)保持不變。這說明結(jié)構(gòu)的改變對滲透系數(shù)的影響較大。其主要原因是孔隙大小及分布發(fā)生較大的變化所致。天然狀態(tài)土由于存在結(jié)構(gòu)性，具有較高的抵抗壓密時(shí)排列的阻力。
二、孔隙對粘性土滲透性質(zhì)的影響
孔隙作為滲流通道，對土體的滲透性有直接的影響，其影響主要體現(xiàn)在孔隙尺寸、形狀、數(shù)量以及飽和度4個(gè)方面。
1、孔隙尺寸對滲透性的影響
從微觀的角度來看，土中孔隙具有不同的尺寸，在發(fā)展了光學(xué)、X射線衍射和電子掃描技術(shù)后，直接觀察土顆粒的排列成為了可能，于是在孔隙尺寸分類方面的研究取得了很大進(jìn)展。Mitchell從粘性土組構(gòu)的角度，定性地將孔隙分為粘粒問孔隙、粘粒群間孔隙、粘粒群內(nèi)孔隙以及粘粒與粘粒群間孔隙4種，相應(yīng)地存在粘粒群間孔隙中的水、粘粒群內(nèi)孔隙間的水和粘粒及粘粒群接觸部位的水，這3種水有的是結(jié)合水、有的是自由水，其性質(zhì)取決于孔隙的大小。目前各學(xué)者對孔隙的定量分類比較一致。由于粘性土中含有大量的粘粒，粘粒比表面積大，表面帶負(fù)電，水在孔隙中流動(dòng)時(shí)，將受到粘粒表面電性的吸引。因此，土與水的相互作用與孔隙大小共同影響粘土的滲透性。一旦土與水相互作用后形成的吸附水層尺寸與孔隙尺寸相當(dāng)，則該孔隙中的水將不會(huì)流動(dòng)，也即構(gòu)成了孔隙中的結(jié)合水。此外，微孔隙和超微孔隙中的水是不存在滲透性的，粘土中這類孔隙的含量越多，則該粘土的滲透性將越小。另外，對于大中小各種孔隙，如果存在以下兩種情況，水在其中也不能流動(dòng)：一是孔隙與其他任何孔隙均不連通，是“死水區(qū)”；二是孔隙一端或一部分與其他孔隙不連通，是“死胡同”。除此之外，其對粘土滲透性的影響取決于孔隙的形狀。
2、孔隙形狀對滲透性的影響
粘性土在天然形成過程中，由于環(huán)境的不同將產(chǎn)生不同形狀的孔隙，加上人類后期的活動(dòng)，上覆荷載變化、地下水位改變、地面溫度上升等，這些因素對粘土中的孔隙形狀將產(chǎn)生較大的影響，歸納起來，孔隙形狀主要分成圓孔狀和扁平狀，層流在兩種形狀的孔隙中的流速有各自的計(jì)算方法。
宋林輝等人在計(jì)算這兩種不同形狀的孔隙流量時(shí)提出下列公式：
�。�1）圓孔狀孔隙流量：根據(jù)管道水力學(xué)，圓管中水（水流為層流）的流量可用下式表示：
式中Q為流量；d為圓管的內(nèi)徑；L為圓管的長度；為流體的運(yùn)動(dòng)粘滯性系數(shù)
式中Q為流量；為流體的運(yùn)動(dòng)粘滯性系數(shù)；h為水頭。
由此可見，圓形孔隙的流量和扁平孔隙的流量明顯不同，基于上述假設(shè)條件下，其大小取決于孔隙的尺寸，因此選擇合適計(jì)算模式也將影響滲流量計(jì)算的準(zhǔn)確性。另外可從新的角度證明孔隙的尺寸和孔隙的形狀相互耦合，共同影響粘土的滲透性。
3、孔隙數(shù)量對滲透性的影響
孔隙數(shù)量即一定體積粘土中孔隙的多少，工程上常用孔隙比或孔隙率來表示土中孔隙的量。一般而言，孔隙越多，滲流發(fā)生的可能性大，這不管從理論公式的計(jì)算結(jié)果，還是滲透性的實(shí)測數(shù)據(jù)都表明隨著孔隙含量增加，土的滲透性也加大。
4、孔隙飽和度對滲透性的影響
除孔隙的尺寸、形狀和數(shù)量對粘性土體的滲透性存在影響之外，孔隙的飽和度也會(huì)對滲透性產(chǎn)生影響。所謂的孔隙飽和度是指孔隙空間充水程度。按照常理，位于地下水位以下的土體都是飽和的。但隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)事實(shí)并非如此，在存在多層隔水層的場地或深部粘土層中，其原狀土可能處于不飽和的干燥狀態(tài)。對于多層隔水層的場地可能是由于地層的變化或地下水水位的升降造成的，而深部土層則可認(rèn)為是該土層處于土一巖過渡期，而土在成巖過程中，土中的水逐步轉(zhuǎn)化為結(jié)晶水，導(dǎo)致孔隙的飽和度下降，形成不飽和干燥狀態(tài)。如果飽和度較小，后續(xù)的充水過程將改變粘土的組構(gòu)，將導(dǎo)致該粘土的滲透性小于飽和度大的土層。
三、其他因素對粘性土滲透性質(zhì)的影響
由前面敘述總結(jié)可知，影響粘性土滲透性質(zhì)的因素主要有：土的粒度成分，一般土粒愈粗、大小愈均勻、性狀愈圓滑，k值也就愈大，當(dāng)粗粒土中含有細(xì)粒土?xí)r，隨著細(xì)粒含量的增加，k值極具下降；土的密實(shí)度，土愈密實(shí)，孔隙比愈小，k值愈小；土的飽和度，一般情況下飽和度愈低，k值愈小，這是因?yàn)榈惋柡屯恋目紫吨写嬖谳^多氣泡會(huì)減小過水?dāng)嗝娣e，甚至堵塞細(xì)小孔道，同時(shí)由于氣體因孔隙水壓力的變化而脹縮，因而飽和度的影響成為一個(gè)不定因素；土的結(jié)構(gòu)性，粘性土在天然狀態(tài)下具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)一旦擾動(dòng)，原有的過水通道的性狀、大小及其分布就會(huì)完全改變，因而k值也就不同，原狀土和重塑土的滲透系數(shù)的差異就體現(xiàn)在這里；此外，環(huán)境溫度的變化也會(huì)影響到粘性土的滲透系數(shù)，一方面，溫度的變化改變了水的溫度，當(dāng)水溫變化時(shí)，其粘滯度變化較大，水溫愈高，粘滯度愈低，k值愈大，另一方面，溫度的變化也會(huì)擾動(dòng)土的結(jié)構(gòu)性，必然導(dǎo)致土中含水量和離子化學(xué)場的變化，引起土體液、固相物理化學(xué)性質(zhì)的改變，從而使土顆粒連接、吸附及其性狀發(fā)生變化，從而影響土體的滲透性質(zhì)。
綜上所述，影響滲透性質(zhì)的因素很多，其相互作用有比較復(fù)雜，但滲透參數(shù)的選擇在滲流分析中十分重要，參數(shù)選擇的合理與否直接影響計(jì)算的合理性和可靠性。
參考文獻(xiàn)
[1] 何偉，趙明華，劉小平.雙電層對非飽和粘土滲透率的影響[J].公路交通科技，2008，25（9）.
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[3] 何俊，郝國文.粘土襯墊中滲透系數(shù)與擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系[J].煤田地質(zhì)與勘探，2007，35（6）.
