細粒含量對砂土滲透性能的影響

細粒含量對砂土滲透性能的影響

1細粒含量對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)育特性對土壤強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粒。細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)致其嚴重偏離純凈砂的滲透系數(shù)。顯然,分析細粒對砂土孔隙特性的影響,建立細粒等狀態(tài)參量和砂土滲透系數(shù)之間的規(guī)律性關(guān)系,進而揭示砂土滲透性能的細粒效應(yīng)意義十分明確。近年來,細粒含量對砂土工程性狀的影響已引起國內(nèi)外的重視,普遍認為細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。不少學者從不同角度進行了探討,目前大多聚集于評價細粒含量對砂土液化和強度特性的影響,如Naser針對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)的強度參數(shù)、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與水力特性,認為當黏粒含量超過40%時,黏粒含量不再明顯影響上述指標參數(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)——界限細粒含量,并得到其他學者的驗證;朱建群等通過固結(jié)不排水試驗圍繞細粒含量對砂土工程性質(zhì),尤其是強度特性的影響進行了比較深入的探討;曾長女等則利用全自動多功能靜動三軸儀,對細粒含量對粉土液化及液化后的影響進行了系統(tǒng)的研究。應(yīng)該說,國內(nèi)外在細粒對砂土的強度和液化及液化后的影響已開展了大量深入的研究,但在細粒對砂土滲透系數(shù)影響的精細分析尚不夠充分。本文利用常規(guī)飽和滲透試驗,探討砂土滲透特性的細粒效應(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),并初步探討其機制。2砂樣的顆粒分析取樣地點位于錢塘江南岸的蕭紹沖積平原,地勢較為平坦,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砂,偶見黏土透鏡體,砂呈灰色且飽和,試樣細砂即取自該層。試驗采用砂樣為重塑樣,為剔除取樣過程中不慎帶入的異常顆粒,在試驗前將砂樣風干過0.5mm篩。砂樣的顆粒分析曲線見圖1。由圖1可知,試樣中0.25~0.075mm范圍內(nèi)的顆粒占95%。按照《土工試驗規(guī)程》對土樣的劃分,砂樣屬于粉細砂,其基本物理性質(zhì)指標見表1。2.1土樣中細粒顆粒的變化為制備不同細粒含量的試樣,對砂樣的砂粒和細粒進行分選。砂樣經(jīng)風干過0.25mm篩后在水中用0.075mm篩子進行洗篩,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,晾干細顆粒土樣即為粒徑小于0.075mm的細粒,用碎土器磨碎、烘干,小于0.075mm的細粒顆級配曲線見圖2。由圖可知,試樣中0.075~0.002mm范圍內(nèi)的顆粒約占總細粒的90%以上,粉粒占絕大多數(shù),添加的細顆粒實為粉粒,以下所指的細粒皆為此樣。試驗所用土樣摻入的細粒含量(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表示細粒含量,數(shù)字表示細粒含量具體數(shù)值)。表2為各個含量的細粒砂土的基本物理性質(zhì)指標,圖3為各試樣的顆粒級配曲線。2.2常水頭滲透試驗試驗的砂土用蒸餾水洗去鹽分,在滲透試驗過程中保持室內(nèi)溫度恒定,待試樣滲透穩(wěn)定后開始量測,為減小試樣的制備方法對土體性狀的影響,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,先將不超過總質(zhì)量的7%的水和砂樣充分攪拌均勻,然后置于密封袋靜置20h以上,裝樣前測定袋內(nèi)不同位置處砂樣的含水率,差值不應(yīng)超過1%,以期達到試樣均勻。試驗用砂干密度取1.38g/cm3,利用千斤頂壓制了FC00、FC05、FC10、FC15、FC20、FC25與FC40等7種不同細粒含量的環(huán)刀試樣,其壓實含水率平均為6%,然后抽真空浸水飽和裝入滲透儀中,量測滲透系數(shù)的常水頭滲透試驗具體步驟見文獻。根據(jù)達西定律以Aht為橫坐標,QL為縱坐標,繪制不同細粒含量的滲透試驗結(jié)果見圖4,滲透系數(shù)見表3。其中,A為過水斷面面積,k為滲透系數(shù)(cm/s),Q為時間t內(nèi)的滲透水量(cm3),L為兩測壓孔中心間的試樣高度(cm),h為平均水位差(cm),t為時間(s)。3含細粒砂的砂粒間及粒間孔隙比對砂體結(jié)構(gòu)的影響根據(jù)表2與表3的試驗數(shù)據(jù),以下通過擬合分析分別論述含細粒砂土的狀態(tài)參量(細粒含量、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細粒對滲透系數(shù)的影響不同細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,細粒增加改變了砂土的孔隙性狀,隨著細粒的增加砂土骨架孔隙逐漸被細顆粒填充,砂土滲透性減小。在半對數(shù)坐標中,滲透系數(shù)總體上隨細粒增加而減小,曲線可分為FC<5%、FC=5%~10%、FC=10%~25%與FC>25%四段。FC=5%~10%時,隨細粒增加滲透系數(shù)急劇減小;FC>25%時,細粒對滲透系數(shù)影響不明顯,曲線緩慢下降;FC=10%~25%段,細粒對滲透系數(shù)的影響處于以上兩者之間。Nagaraj和Han認為細粒含量超過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數(shù)量級,這與本項試驗結(jié)果基本一致。Naser對不同黏粒含量砂土的滲透試驗結(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%時對滲透系數(shù)的影響最為明顯,且細粒含量大于40%后滲透系數(shù)基本不變。本文摻合料為粉粒,其結(jié)果與黏粒試驗的趨勢一致,細粒含量10%為滲透系數(shù)轉(zhuǎn)折點,且細粒含量大于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配狀況,是評定其滲透性能的重要指標之一。從圖6可以看出,在半對數(shù)坐標中,滲透系數(shù)隨著不均勻系數(shù)的增大而不斷減小,這表明顆粒級配對滲透系數(shù)有一定的影響,不均勻系數(shù)越大,級配越良好,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,土樣的滲透性增強。當平均粒徑D50在0.155mm附近時,曲線出現(xiàn)拐點,D50小于0.155mm時滲透系數(shù)變化不大,曲線隨粒徑減小平緩下降,粒徑大于0.155mm時,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,但對于細粒含量超過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,不利于進行滲透系數(shù)的預(yù)測。這也說明其未能真實反映細粒對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,分析細粒在砂土內(nèi)部扮演的角色及其宏觀上對砂土滲透系數(shù)的影響。土體在外力作用下各土粒或粒團間的連接方式或接觸方式,被Thevanayagam等稱為“力鏈”,且認為土體內(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粒砂土力學性能的宏觀表象。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)粒組,將骨架孔隙比的概念擴展,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,粉粒組對含細粒砂土力學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)一在含細粒砂土中應(yīng)用,稱為粒間孔隙比:當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,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,對土體性狀的影響很小。盡管砂粒間的作用力可忽略不計,但其體積卻不可不計,此時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,隨細粒的增加,細粒組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增大說明粉粒的比重增大,骨架孔隙被細粒填充,砂土滲透性減小。圖9的曲線轉(zhuǎn)折點出現(xiàn)在es=1.2附近,es<1.2時,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滲透系數(shù)的減小的貢獻已經(jīng)很小;es>1.6以后對滲透系數(shù)幾乎無影響。擬合方程式為粉粒間孔隙比是孔隙比與細粒的比值,其沒有考慮砂土骨架粗顆粒,粉粒間孔隙與滲透系數(shù)在半對數(shù)坐標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,說明細粒組的含量越小,滲透系數(shù)越大,滲透系數(shù)的對數(shù)隨粒間孔隙比的增大而呈線性增長。兩者的擬合方程為通過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)系在半對數(shù)坐標下呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系,便于應(yīng)用,適宜用來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)作為土性的一個基本參數(shù),其與多個物性參數(shù)(顆粒組成、孔隙比)等有關(guān),國內(nèi)外諸多學者對其進行了研究,以期能夠建立滲透系數(shù)模型公式,供工程計算參考。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,對不同細粒含量砂土的滲透系數(shù)進行擬合與預(yù)測,并與實測結(jié)果進行類比,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。在相同細粒條件下的滲透系數(shù)均在一個數(shù)量級,誤差較小。但前4種的擬合結(jié)果在細粒含量大于15%之后,滲透系數(shù)保持不變。從試驗結(jié)果也可看出,細粒含量大于25%之后砂土的滲透系數(shù)才變化較小,說明這4種參數(shù)對于細粒含量大于15%后細粒的增大引起的滲透系數(shù)的變化不敏感。(2)Hazen公式計算結(jié)果比實際明顯偏大1~2個數(shù)量級,這可能與Hazen公式來源于極均勻松砂有關(guān),不能反映與含細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公式的計算結(jié)果與實測的比較接近,但當細粒含量大于25%時的計算值比實測值偏小一個數(shù)量級。而太沙基公式則明顯偏大,不宜用來反映該類砂土。(3)利用粉粒間孔隙比狀態(tài)參量,可以較好地反映各細粒含量下滲透系數(shù)的變化,這說明粉粒間孔隙比可以更好地反映試樣的真實滲透性能。同時,粉粒間孔隙比和滲透系數(shù)在半對數(shù)坐標下基本呈線性關(guān)系,這對于滲透系數(shù)的預(yù)測有很大幫助。雖然粉粒間孔隙比無法反映細粒含量為0的情況,但根據(jù)細粒含量為0的真實滲透系數(shù)反算出試樣的細粒含量為4.79%,基本接近5%,可以利用細粒5%的擬合結(jié)果近似代替,并不影響利用粉粒間孔隙比進行滲透系數(shù)的擬合或預(yù)測。4土壤滲透系數(shù)預(yù)測結(jié)果(1)砂土滲透系數(shù)的細粒效應(yīng)明顯,其滲透系數(shù)總體上隨細粒增加而減小,當細粒含量小于5%時影響較小,細粒含量在5%~10%時,滲透系數(shù)隨細粒含量增加而急劇