細(xì)粒含量對(duì)砂土滲透性能的影響

細(xì)粒含量對(duì)砂土滲透性能的影響

1細(xì)粒含量對(duì)砂巖工程特性的影響滲透系數(shù)是巖石工程研究的中心主題之一。作為代表滲透系數(shù)的最重要參數(shù)，其發(fā)育特性對(duì)土壤強(qiáng)度和變形有重要影響，這也應(yīng)與工程安全密切相關(guān)。由于砂具有良好透水性和較小壓縮性,在工程應(yīng)用中非常廣泛,但自然界中的砂大多都不是純凈砂,均不同程度含有一定含量的細(xì)粒。細(xì)粒的存在改變了砂土孔隙特性,而孔隙特性是影響砂土滲透性能的最重要因素,由此導(dǎo)致其嚴(yán)重偏離純凈砂的滲透系數(shù)。顯然,分析細(xì)粒對(duì)砂土孔隙特性的影響,建立細(xì)粒等狀態(tài)參量和砂土滲透系數(shù)之間的規(guī)律性關(guān)系,進(jìn)而揭示砂土滲透性能的細(xì)粒效應(yīng)意義十分明確。近年來(lái),細(xì)粒含量對(duì)砂土工程性狀的影響已引起國(guó)內(nèi)外的重視,普遍認(rèn)為細(xì)粒摻入后引起的砂土孔隙比等的改變是其工程特性發(fā)生變化的重要原因之一。不少學(xué)者從不同角度進(jìn)行了探討,目前大多聚集于評(píng)價(jià)細(xì)粒含量對(duì)砂土液化和強(qiáng)度特性的影響,如Naser針對(duì)不同黏粒含量與含水率的組合樣品,深入論證了黏-砂土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度參數(shù)、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與水力特性,認(rèn)為當(dāng)黏粒含量超過(guò)40%時(shí),黏粒含量不再明顯影響上述指標(biāo)參數(shù)與特性;Thevanayagam等提出粒間狀態(tài)參量的概念框架,并用于分析含細(xì)粒砂土液化特性,較好地解釋了砂土液化的重要參數(shù)——界限細(xì)粒含量,并得到其他學(xué)者的驗(yàn)證;朱建群等通過(guò)固結(jié)不排水試驗(yàn)圍繞細(xì)粒含量對(duì)砂土工程性質(zhì),尤其是強(qiáng)度特性的影響進(jìn)行了比較深入的探討;曾長(zhǎng)女等則利用全自動(dòng)多功能靜動(dòng)三軸儀,對(duì)細(xì)粒含量對(duì)粉土液化及液化后的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。應(yīng)該說(shuō),國(guó)內(nèi)外在細(xì)粒對(duì)砂土的強(qiáng)度和液化及液化后的影響已開(kāi)展了大量深入的研究,但在細(xì)粒對(duì)砂土滲透系數(shù)影響的精細(xì)分析尚不夠充分。本文利用常規(guī)飽和滲透試驗(yàn),探討砂土滲透特性的細(xì)粒效應(yīng),在此基礎(chǔ)上,引入Thevanayagam提出的粒間狀態(tài)參量作為參數(shù),用于表征砂土的滲透系數(shù),并初步探討其機(jī)制。2砂樣的顆粒分析取樣地點(diǎn)位于錢塘江南岸的蕭紹沖積平原,地勢(shì)較為平坦,地貌形態(tài)單一,屬錢塘江河口沖海積平原地貌,是典型的河口相沉積砂層且廣泛分布。該地區(qū)地下20~28m分布有典型的沉積粉細(xì)砂,偶見(jiàn)黏土透鏡體,砂呈灰色且飽和,試樣細(xì)砂即取自該層。試驗(yàn)采用砂樣為重塑樣,為剔除取樣過(guò)程中不慎帶入的異常顆粒,在試驗(yàn)前將砂樣風(fēng)干過(guò)0.5mm篩。砂樣的顆粒分析曲線見(jiàn)圖1。由圖1可知,試樣中0.25~0.075mm范圍內(nèi)的顆粒占95%。按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)土樣的劃分,砂樣屬于粉細(xì)砂,其基本物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。2.1土樣中細(xì)粒顆粒的變化為制備不同細(xì)粒含量的試樣,對(duì)砂樣的砂粒和細(xì)粒進(jìn)行分選。砂樣經(jīng)風(fēng)干過(guò)0.25mm篩后在水中用0.075mm篩子進(jìn)行洗篩,選取0.075mm篩上的砂樣,粒徑在0.075~0.25mm范圍內(nèi),以此作為骨架砂(純凈砂)。將0.075mm篩下的水溶液靜置到水變清后倒出清水,晾干細(xì)顆粒土樣即為粒徑小于0.075mm的細(xì)粒,用碎土器磨碎、烘干,小于0.075mm的細(xì)粒顆級(jí)配曲線見(jiàn)圖2。由圖可知,試樣中0.075~0.002mm范圍內(nèi)的顆粒約占總細(xì)粒的90%以上,粉粒占絕大多數(shù),添加的細(xì)顆粒實(shí)為粉粒,以下所指的細(xì)粒皆為此樣。試驗(yàn)所用土樣摻入的細(xì)粒含量(占試樣總質(zhì)量)分別為0%、5%、10%、15%、20%、25%、40%和100%,分別以FC00、FC05、FC10、FC15、FC20、FC25、FC40和FC100表示(其中FC表示細(xì)粒含量,數(shù)字表示細(xì)粒含量具體數(shù)值)。表2為各個(gè)含量的細(xì)粒砂土的基本物理性質(zhì)指標(biāo),圖3為各試樣的顆粒級(jí)配曲線。2.2常水頭滲透試驗(yàn)試驗(yàn)的砂土用蒸餾水洗去鹽分,在滲透試驗(yàn)過(guò)程中保持室內(nèi)溫度恒定,待試樣滲透穩(wěn)定后開(kāi)始量測(cè),為減小試樣的制備方法對(duì)土體性狀的影響,本研究各土樣制備均采用濕壓法,以便較好地控制試樣孔隙比。利用水在砂土顆粒間可形成“假”黏聚力這一特性順利制樣和裝樣,先將不超過(guò)總質(zhì)量的7%的水和砂樣充分?jǐn)嚢杈鶆?然后置于密封袋靜置20h以上,裝樣前測(cè)定袋內(nèi)不同位置處砂樣的含水率,差值不應(yīng)超過(guò)1%,以期達(dá)到試樣均勻。試驗(yàn)用砂干密度取1.38g/cm3,利用千斤頂壓制了FC00、FC05、FC10、FC15、FC20、FC25與FC40等7種不同細(xì)粒含量的環(huán)刀試樣,其壓實(shí)含水率平均為6%,然后抽真空浸水飽和裝入滲透儀中,量測(cè)滲透系數(shù)的常水頭滲透試驗(yàn)具體步驟見(jiàn)文獻(xiàn)。根據(jù)達(dá)西定律以Aht為橫坐標(biāo),QL為縱坐標(biāo),繪制不同細(xì)粒含量的滲透試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4,滲透系數(shù)見(jiàn)表3。其中,A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e,k為滲透系數(shù)(cm/s),Q為時(shí)間t內(nèi)的滲透水量(cm3),L為兩測(cè)壓孔中心間的試樣高度(cm),h為平均水位差(cm),t為時(shí)間(s)。3含細(xì)粒砂的砂粒間及粒間孔隙比對(duì)砂體結(jié)構(gòu)的影響根據(jù)表2與表3的試驗(yàn)數(shù)據(jù),以下通過(guò)擬合分析分別論述含細(xì)粒砂土的狀態(tài)參量(細(xì)粒含量、不均勻系數(shù)、平均粒徑)與砂土滲透系數(shù)的關(guān)系,然后通過(guò)引入粒間狀態(tài)參量,討論粒間孔隙比、粉粒間孔隙比與砂土滲透系數(shù)的關(guān)聯(lián)性。3.1細(xì)粒對(duì)滲透系數(shù)的影響不同細(xì)粒含量砂土與滲透系數(shù)關(guān)系如圖5所示。從圖5可看出,細(xì)粒增加改變了砂土的孔隙性狀,隨著細(xì)粒的增加砂土骨架孔隙逐漸被細(xì)顆粒填充,砂土滲透性減小。在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)中,滲透系數(shù)總體上隨細(xì)粒增加而減小,曲線可分為FC<5%、FC=5%~10%、FC=10%~25%與FC>25%四段。FC=5%~10%時(shí),隨細(xì)粒增加滲透系數(shù)急劇減小;FC>25%時(shí),細(xì)粒對(duì)滲透系數(shù)影響不明顯,曲線緩慢下降;FC=10%~25%段,細(xì)粒對(duì)滲透系數(shù)的影響處于以上兩者之間。Nagaraj和Han認(rèn)為細(xì)粒含量超過(guò)40%以后砂土的滲透系數(shù)變化不大,其滲透系數(shù)約比純凈砂減小兩個(gè)數(shù)量級(jí),這與本項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果基本一致。Naser對(duì)不同黏粒含量砂土的滲透試驗(yàn)結(jié)果表明,在低黏粒含量下滲透系數(shù)的減小顯著大于高黏粒含量,而黏粒含量小于10%時(shí)對(duì)滲透系數(shù)的影響最為明顯,且細(xì)粒含量大于40%后滲透系數(shù)基本不變。本文摻合料為粉粒,其結(jié)果與黏粒試驗(yàn)的趨勢(shì)一致,細(xì)粒含量10%為滲透系數(shù)轉(zhuǎn)折點(diǎn),且細(xì)粒含量大于25%后基本維持常數(shù)。圖5的擬合方程為3.2不均勻系數(shù)對(duì)滲透系數(shù)的影響不均勻系數(shù)Cu可在一定程度上反映土的顆粒級(jí)配狀況,是評(píng)定其滲透性能的重要指標(biāo)之一。從圖6可以看出,在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)中,滲透系數(shù)隨著不均勻系數(shù)的增大而不斷減小,這表明顆粒級(jí)配對(duì)滲透系數(shù)有一定的影響,不均勻系數(shù)越大,級(jí)配越良好,滲透系數(shù)越小,但滲透系數(shù)在不均勻系數(shù)等于2.5時(shí)發(fā)生突變,不均勻系數(shù)大于3后,滲透系數(shù)變化較小。圖6的擬合方程為3.3土體滲透系數(shù)的影響因素平均粒徑D50與滲透系數(shù)的擬合曲線見(jiàn)圖7,不難看出,隨平均粒徑的增大,砂土的顆粒中骨架顆粒增多,骨架效應(yīng)增強(qiáng),土樣的滲透性增強(qiáng)。當(dāng)平均粒徑D50在0.155mm附近時(shí),曲線出現(xiàn)拐點(diǎn),D50小于0.155mm時(shí)滲透系數(shù)變化不大,曲線隨粒徑減小平緩下降,粒徑大于0.155mm時(shí),土樣中大顆粒骨架形成通道,滲透系數(shù)快速增大,其擬合方程式為3.4(粉)粒間孔隙比與砂土滲透系數(shù)的關(guān)系不均勻系數(shù)和平均粒徑等傳統(tǒng)狀態(tài)參量可以在一定程度上描述砂土的滲透性能,但對(duì)于細(xì)粒含量超過(guò)20%以后砂土滲透系數(shù)的變化的描述效果一般,其擬合曲線非線性特征明顯,不利于進(jìn)行滲透系數(shù)的預(yù)測(cè)。這也說(shuō)明其未能真實(shí)反映細(xì)粒對(duì)于砂土滲透特性的影響。以下引入粒間狀態(tài)參數(shù)的概念,分析細(xì)粒在砂土內(nèi)部扮演的角色及其宏觀上對(duì)砂土滲透系數(shù)的影響。土體在外力作用下各土粒或粒團(tuán)間的連接方式或接觸方式,被Thevanayagam等稱為“力鏈”,且認(rèn)為土體內(nèi)部的力鏈具有顆粒尺寸效應(yīng),它們共同影響可表征含細(xì)粒砂土力學(xué)性能的宏觀表象。已有孔隙比e不能描述其提出的“力鏈”的意義,Thevanayagam以74μm為界將土體顆粒劃分為砂(粗)粒組和粉(細(xì))粒組,將骨架孔隙比的概念擴(kuò)展,定義了各粒間狀態(tài)參量。為分析方便,如圖8所示將砂土的各相分離。假設(shè)在某粉粒含量下,粉粒組對(duì)含細(xì)粒砂土力學(xué)性狀的宏觀表象并未起作用或作用較小,則它的“力鏈”占土粒間相互作用比例不大。假定砂粒與粉粒具有相同的土粒相對(duì)密度,如圖8(b)所示,土體總孔隙體積為e,粉粒含量為FC(質(zhì)量百分比),則粉粒體積為fc=FC/100,砂粒體積為(1-FC/100)=1-fc。骨架孔隙比為es,為統(tǒng)一在含細(xì)粒砂土中應(yīng)用,稱為粒間孔隙比:當(dāng)土體中粉粒含量顯著增加而使其內(nèi)部力鏈的形成和相互作用力的傳遞逐漸為粉粒所控制時(shí),砂粒被粉粒包圍而成為懸浮顆粒,其相互不接觸或接觸很少,對(duì)土體性狀的影響很小。盡管砂粒間的作用力可忽略不計(jì),但其體積卻不可不計(jì),此時(shí)粉粒作為土體的主骨架如圖8(c)所示,粉粒間孔隙比定義為基于以上定義,可方便給出粒間狀態(tài)參量se、粉粒間狀態(tài)參量fe與砂土的滲透系數(shù)關(guān)系,分別如圖9與圖10所示。由可以看出,隨細(xì)粒的增加,細(xì)粒組fc增加,孔隙比e變化并不明顯,因而e+fc與1-fc的比值增大,es增大說(shuō)明粉粒的比重增大,骨架孔隙被細(xì)粒填充,砂土滲透性減小。圖9的曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在es=1.2附近,es<1.2時(shí),滲透系數(shù)受es影響劇烈,滲透系數(shù)隨es增大急劇減小;es>1.2以后粒間孔隙比的增加對(duì)滲透系數(shù)的減小的貢獻(xiàn)已經(jīng)很小;es>1.6以后對(duì)滲透系數(shù)幾乎無(wú)影響。擬合方程式為粉粒間孔隙比是孔隙比與細(xì)粒的比值,其沒(méi)有考慮砂土骨架粗顆粒,粉粒間孔隙與滲透系數(shù)在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)中具有良好的線性關(guān)系,如圖10所示。滲透系數(shù)與粉粒間孔隙比直接相關(guān),在孔隙比不變的情況下,粒間孔隙比越大,說(shuō)明細(xì)粒組的含量越小,滲透系數(shù)越大,滲透系數(shù)的對(duì)數(shù)隨粒間孔隙比的增大而呈線性增長(zhǎng)。兩者的擬合方程為通過(guò)上面的分析可以看出,采用傳統(tǒng)表征砂土的狀態(tài)物性參數(shù)與滲透系數(shù)一般呈非線性關(guān)系,而引入粒間狀態(tài)參量表征含細(xì)粒砂土的滲透系數(shù),不僅物理概念清晰,而且粉粒間孔隙比與滲透系數(shù)的關(guān)系在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)下呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系,便于應(yīng)用,適宜用來(lái)描述砂土的滲透系數(shù)。3.5結(jié)果分析和擬合結(jié)果滲透系數(shù)作為土性的一個(gè)基本參數(shù),其與多個(gè)物性參數(shù)(顆粒組成、孔隙比)等有關(guān),國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究,以期能夠建立滲透系數(shù)模型公式,供工程計(jì)算參考。目前應(yīng)用較廣泛的Amer公式、Hazen公式、太沙基公式等及本文擬合公式在給定的參數(shù)下,對(duì)不同細(xì)粒含量砂土的滲透系數(shù)進(jìn)行擬合與預(yù)測(cè),并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行類比,如表4和圖11所示。從中可以看出:(1)從本文研究的前4種影響因素所得擬合結(jié)果看,擬合效果較好。在相同細(xì)粒條件下的滲透系數(shù)均在一個(gè)數(shù)量級(jí),誤差較小。但前4種的擬合結(jié)果在細(xì)粒含量大于15%之后,滲透系數(shù)保持不變。從試驗(yàn)結(jié)果也可看出,細(xì)粒含量大于25%之后砂土的滲透系數(shù)才變化較小,說(shuō)明這4種參數(shù)對(duì)于細(xì)粒含量大于15%后細(xì)粒的增大引起的滲透系數(shù)的變化不敏感。(2)Hazen公式計(jì)算結(jié)果比實(shí)際明顯偏大1~2個(gè)數(shù)量級(jí),這可能與Hazen公式來(lái)源于極均勻松砂有關(guān),不能反映與含細(xì)粒砂土的滲透性能有關(guān)。根據(jù)天然砂土和沙礫得到的Amer公式的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)的比較接近,但當(dāng)細(xì)粒含量大于25%時(shí)的計(jì)算值比實(shí)測(cè)值偏小一個(gè)數(shù)量級(jí)。而太沙基公式則明顯偏大,不宜用來(lái)反映該類砂土。(3)利用粉粒間孔隙比狀態(tài)參量,可以較好地反映各細(xì)粒含量下滲透系數(shù)的變化,這說(shuō)明粉粒間孔隙比可以更好地反映試樣的真實(shí)滲透性能。同時(shí),粉粒間孔隙比和滲透系數(shù)在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)下基本呈線性關(guān)系,這對(duì)于滲透系數(shù)的預(yù)測(cè)有很大幫助。雖然粉粒間孔隙比無(wú)法反映細(xì)粒含量為0的情況,但根據(jù)細(xì)粒含量為0的真實(shí)滲透系數(shù)反算出試樣的細(xì)粒含量為4.79%,基本接近5%,可以利用細(xì)粒5%的擬合結(jié)果近似代替,并不影響利用粉粒間孔隙比進(jìn)行滲透系數(shù)的擬合或預(yù)測(cè)。4土壤滲透系數(shù)預(yù)測(cè)結(jié)果(1)砂土滲透系數(shù)的細(xì)粒效應(yīng)明顯,其滲透系數(shù)總體上隨細(xì)粒增加而減小,當(dāng)細(xì)粒含量小于5%時(shí)影響較小,細(xì)粒含量在5%~10%時(shí),滲透系數(shù)隨細(xì)粒含量增加而急劇