土的渗透性及其影响因素__墨水学术,论文发表,发表论文,职称论文,

所属栏目：机械论文范文发布时间：2011-02-25浏览量:385

副标题#e#[摘要]自然软土的成因、类型等对建筑工程的影响十分重大。因此对自然软土进行深入细致的研究，具有重要意义。本文着重对自然土的渗透性及其影响因素作简要阐述。
　　[关键词]自然软土渗透性组织结构影响因素
　　在试验室工作接触的软土中，我们通常把它分为原状土与扰动土两种。原状土是指它的结构成分及含水量等基本保持原有的状态，扰动土是指它的结构与含水量等原有状态已被破坏。
　　原状土从工程角度判别，又可分为两类。一类是经过漫长的地质作用和各种复杂的自然因素作用下形成的软土，另一种则是经历时间短，一般是几年至几十年，人类在社会活动中建造的各种工程上的回填土。本文中将主要研讨前一种——自然形成的软土。
　　一、自然软土的特性
　　自然软土的成因、类型等对它的工程性质影响十分重大。从广义的角度讲，各种多孔介质中都有流体的传输现象，这里只限于认识自然软土这种多孔介质的特性。
　　1、三相体的特性
　　土中固相是构成土的主要部分，叫做土粒。土粒之间有孔隙，孔隙被液相体（通常为水）所充满则形成饱和土（两相土体），若为液气相体并存其中时则形成湿土，此时土属于三相体。自然软土又是多矿物组合体，一种土通常将含有5～10种或更多的矿物，其中，除原生矿物外，次生粘土矿物是主要成分，它不溶于水，遇水形成土粒间的特殊联结，是决定粘土工程性质的主要因素。
　　（1）土粒是岩石风化的产物。经物理风化后的碎屑，其矿物成分不变，经化学风化后，其原生矿物发生化学变化形成次生矿物，不可溶的次生变质产物是构成粘土颗粒的主要成分。
　　（2）土中的水一般分成以下四类：强结合水（吸附结合水），弱结合水（渗透吸收水），毛细水和自由水。
　　（3）土中的气按其所处状态和结构特点，大体上也分为以下四种：结合气体（吸附气体），溶解气体（溶解于液相中），密闭气体和自由气体。
　　2、土的结构特性
　　过去，所谓土的结构只是意味着土粒的宏观排列情况，现代土力学随物理——化学理论的进展，对土的胶体特性深入了解，并运用现代分析技术直接观察颗粒外形的微观结构，对粘土结构、构造的研究有了新的进展，土的结构概念是：A、土颗粒大小、形状、表面性质及其相对数量的比例关系（即粒度组成），B、各颗粒相互排列的关系，C、各颗粒质点间存在联结的特点（即结构联结）。
　　土的结构有广义与狭义之分。广义包含三相体全部在内，狭义仅包括构成土的固体颗粒的结构形式
　　因此，在这里我仅就狭义的结构形式进行探讨。
　　固体颗粒部分的基本结构要素是：简单颗粒，团聚体及半团聚体。简单颗粒即是原次生矿物颗粒，他们之间可能有微弱的联结，颗粒大最小单位小、形状、表面特征可不同，不同大小颗粒的定量评价（即粒度组成）其有重要意义。现行的粒度分析手段所鉴定的不只是简单颗粒，还包含有大量的团聚体。团聚体是片状的粒子团聚形成，它们之间已结合水相接触，在粘土结构中团聚体是最小单位，颗粒团聚体中间是有孔隙存在，大者可达10微米以上，小者小于100微米。半团聚体是位于简单颗粒与团聚体之间的一种结构单元，它由核——砂粒和膜——粘粒（铁或碳酸盐）所组成。
　　上述的结构要素在自然软土中是彼此掺合在一起的，它们相互排列的状况称为土的结构类型。A.K.拉里奥诺夫提出以下四种结构类型：Ⅰ类称作散粒结构，由大小颗粒组成，颗粒之间缺少联结；Ⅱ类称作粒——膜结构，由半团聚体组成（持各种类型的簿膜），颗粒之间存在某种联结；Ⅲ类团聚结构，由土中大小颗粒按一定比例混合组成，其特点是大颗粒彼此不相接触，由如悬浮分散颗粒之中；Ⅳ类称作融凝结构，基本上是由极微细的分散颗粒组成，无大颗粒。
　　二、土的渗透性
　　渗透性是研究在各种势能作用#p#副标题#e#下，土孔隙中间流体（一般是水和空气）的流动过程及其规律性。由于土体孔隙断面大小、形状均十分不规则，因而，其流动过程和流速分布是非常复杂的现象。迄今，研究土的渗透性都是引用平均概念。用单位时间内通过单位面积的水量这种平均渗透速度，来代替真实速度。
　　土渗透性的大小主要由土颗粒间的孔隙所决定，与土的分散性及密度有关。从理论上讲，不同结构类型的土，其渗透性也截然不同，其差别大体上是：Ⅰ类土良好透水，Ⅱ类土中等透水，Ⅲ类土弱透水，Ⅳ类土基本不透水。
　　现代土力学仍然依据法国水力学家达西早在100多年前给出的渗透基本理论：V=Ki（达西定律表达式），用来测定表示土渗透性大小的K值。文献（2）按K值把土分成五类。
　　土的渗透性分类
　　透水程度    高渗透性    中渗透性    低渗透性    极低渗透性    实际不透水
　　渗透系数K(cm/s)    ＞10-1    10-1～10-3    10-3～10-5    10-5～10-7    ＜10-7
　　文献（1）详细介绍了各种土的K值（见下表）对土的渗透性作定量评估。
　　各种土的渗透系数值
　　土质类别    K（cm/s）    土质类别    K（cm/s）
　　粗砾    100～5×10-1    砂壤土    10-3～10-4
　　砂质砾    10-1～10-2    黄土（砂质）    10-3～10-4
　　河砂    10-1～10-2    黄土（泥质）    10-5～10-6
　　粗砂    5×10-2～10-2    粘壤土    10-4～10-6
　　海边砂    2×10-2    淤泥土    10-6～10-7
　　细砂    5×10-3～10-3    粘土    10-6～10-8
　　粉质砂    2×10-3～10-4    均匀肥粘土    10-8～10-10
　　达西定律是在特定水力条件下的试验结果。V与i成线性比例的层流运动阻力关系，有一个适用范围。文献（1）、（2）介绍的欧德（J.Q.HL）给出各种土渗流符合达西定律的坡降（i）关系为：
　　达西定律适用的d10和相应的i值
　　d10（mm）    0.05    0.1    0.2    0.5    1
　　i≤    800    100    12    0.8    0.1
　　三、影响渗透的因素
　　影响土渗透的因素十分复杂。无粘性土主要因素是颗粒堆积的不同方式形成的孔隙系统的形状和渗透液体的粘滞阻力等因素。
　　粘性土主要受颗粘和团聚体的排列，以及土粒与水作用而形成的结构与构造的影响。这里仅就以下两个因素谈点浅见。
　　1、土的不均匀和各向异性性质对渗透性的影响
　　天然土层通常是非常不均匀的各向异性的。这主要是由土的成因特性所决定。从而使土体的渗透性可以具有高度的不均匀和各向异性性质。土这种多孔介质的渗透性大小是用渗透系数K值来定量表示。莫享和庞达利于一九七七年在国际软粘土专题讨论会上介绍他在研究印度海淤土时#p#副标题#e#，现场测压管注水试验所得到的K值（水平向）0.89×10厘米/秒；室内固结试验得到的K值（垂直向）为0.16×10厘米/秒。两者的比值约为5（2）。本人于二OO七年六月对开江宝石桥水库枢纽除险加固工程原状土01－19号的一节（长25厘米）样上制取垂直和水平试样各一个，在室内用南55型渗透仪按照SL237－1999的操作程序作了比较试验，取得水平向（）的K值为7.98×10-8厘米/秒，垂直向K值为0.8×10-8厘米/秒，两者比值约为10。都证明了土的各向异性性质明显的影响土的渗透性。从这两种（淤泥与粘土）试验结果上还可以出平行层理的K值都大于垂直层理的K值，常规情况也是这样。但是，这也不是绝对的，因为不均匀性本身的规律性就不稳定某种特定状况下可能是垂直向大于平行向。
　　在大竹龙潭水库工程上我们还同时另做了一种对比实验。即在同一组土的另一节土上制作一个平行层试样，所取得的渗透系数K值为1.88×10-7厘米/秒与前述水平向K值之比为2.4虽然两试样为同一土层同一点（高程上有差异）同一方向，但K值相差达二倍以上这也足一说明土的不均匀性对渗透的影响也十分明显。
　　此外，根据我多年来搜集的资料，土的K值变化范围非常大，干净的砾石其K值为30厘米/秒，而纯粘土的K值通常为10-8厘米/秒，两者相差达1010倍，而一般其他的常数指标变化范围都远比它小。如材料强度，从钢到软粘土，相差也不过105倍。由此可见（从总体而言）土这种多孔介质的不均匀性对渗透影响之大。
　　2、土的孔隙状态对渗透的影响
　　土的孔隙是土结构的主要表现形式，它不仅是固相颗粒中简单颗粒之间的空隙，而且还包括团聚体中的孔隙，其大者可达10微米以上。
　　孔隙的大小、形状对渗透的影响是直接的因素，这是早已众所周知，而孔隙的大小形状又取决于土颗粒的大小形状，表面性质和相互排列关系，以及颗粒间结构联结等因素。这些促成各类土渗透比的差别，前面二节中已作介绍，不再阐述。
　　按照土力学的观点，土的孔隙比e值越大，表示土体中孔隙体积越大，因之土的透水性也就可能越大，但在我们的实践中，曾多次出现孔隙比大，K值反而小（均属同一种土）的现象。
　　现举近期一例，二OO八年剑阁县高台水库病害整治工程共委托我室做九组地基软土试验分析，均匀系壤土类，其中有五组作渗透试验，现将成果列后。
　　
　　
　　
　　土的渗透试验
　　土样编号    干容重g/cm3    比重    孔隙比    塑性指数    土壤分类    渗透系数cm/s    压缩系数a1-2    饱和快剪
　　                                C    φ
　　ZK9    1.70    2.70    0.590    12.94    CI    5.1×10-5    0.028    0.02    7°15′
　　ZK3    1.62    2.73    0.684    12.68    CI    1.1×10-5    0.030    0.18    7°15′
　　ZK23    1.59    2.77   #p#副标题#e# 0.745    11.79    CI    2.6×10-5    0.025    0.57    2°40′
　　ZK10    1.34    2.71    1.015    12.76    CI    0.58×10-5    0.055    0.28    5°0′
　　ZK31    1.27    2.74    1.164    14.11    CI    2.1×10-5    0.086    0.08    4°0′
　　上表中孔隙比按由小到大，由上到下排列。按常规ZK9号土的e值最小，其K值也应最小，实际上却是五个K值中最大的一个。除了ZK3处于常规位置外，其余均反常，即渗透系数与孔隙比不是成直线变化的关系，便不成立了。什么原因呢？尚不能明确回答。限于我们的测试设备不齐，这次主要是从理论着手分析已取得的实际资料，谈一下我们的感受与看法共商确。
　　首先，可能是孔隙体系中孔隙对外连通状况欠佳，即便是孔隙总体积很大（e值也大），孔隙也很多，但孔隙不与土体外连通的都很少，则其K值当然就不会很大。其次，也可能存在多数孔隙的形状十分不利于液体畅流，使所得K值很小。第三，可能是土粒水膜（渗透吸收水为主）形成的结构联结阻塞一部份通道，通常这种水膜在势能作用下自由水能把它带走，构成渗流量的一部分。但实际事物很难分开，水膜理论本身就是渐变，即量变集聚逐步达到质变的量。因此，渗透吸收水也可在一定条件下，势能作用下的自由水无力把它带走，形成阻塞部分孔隙通道。但它们都在烘干土时气化逸去，所占据的空间被计入孔隙总体积，从而产生孔隙比大而渗透系数反而小的反常现象。
　　这仅仅是从理论与现象两个方面就事论事，要证明它，尚需作专门试验。
　　四、结束语
　　1、粘性土的组织结构与宏观构造对渗透性影响很大，我们在室内试验所取得的数据不可能完全代表现场土体的实际情况。这一方面需要工程单位在取用计算参数时，要考虑到多方面的因素，另一方面试验室应在今后渗透试验中多做工作。排除或弄清这些影响因素，如以往只测定一个方向的K值，今后水平垂直两个方向的K值都要测出，或者按工程方的要求测定。
　　2、于土粒、水、气三相并存的三相体的渗透测试，以往很少接触，特别是整个水——土——电解体系相互作用的强烈影响，虽然它在工程上实际应用价值大，一时间我们还没有力量和设备来研究，今后适当的时候，应专门创造条件进行研究。
　　3、此外，对于碾压式土坝，水平向的K值测定很关键，但目前室内试验，在扰动土抽样设备方面，还不能模拟实际的层间结合状态，因此，取得K值与实际的出入较大，急需研制一种新的能模拟实际状态的抽样设备，来解决这一问题。
　　参考文献
　　1、“岩土工程勘察规范”GB50021－2001
　　2、“土力学地基基础”（第4版）清华大学出版社2004年4月第4版
　　3、“土工试验规程”SL237－1999