考虑干湿循环影响下玄武岩残积土渗透系数的试验研究

余 沛,张著芳,魏厚振,孟庆山

(1.天津城市建设学院天津市软土特性与工程环境重点实验室,天津 300384;2.贵州公路工程集团有限公司,贵州 贵阳 550001;3.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室,湖北 武汉 430071)

0 引 言

土的渗透性表征土体被水透过的性能,常用单位水力梯度下水在土中的渗流速度,即渗透系数表示渗透性的大小,渗透系数是土的重要物理性能指标。虽然已有不少学者[1-4]对黄土、黏性土以及膨胀土的渗透特性作了一些研究、探讨,但是对贵州玄武岩残积土的渗透试验研究未见报道。在工程建设中常出现滑坡等事故如图1所示,坡面经过降雨-蒸发的干湿循环,使土体开裂,在雨水的作用下土的强度降低,进一步演化成滑坡发生。文献[4]也证明了膨胀土的渗透性随着干湿循环次数的增加而增加,影响土的渗透特性的关键因素是试样中贯通渗径的裂隙长度,土体因干燥收缩产生的裂隙使得土的渗透系数增大[5-8]。因此,研究土的渗透性,对边坡的治理、滑坡以及泥石流的预测具有重大的意义。

图1 贵州赫章县某工地边坡破坏示意图

为了探讨玄武岩地区土的渗透特性,本文主要考虑干湿循环作用的影响,用室内试验的方法模拟自然条件下土的渗透特性,采用常规试验方法进行干湿循环下室内饱和土的渗透试验,为贵州赫章县堑坡稳定性分析提供合理的渗流参数。

1 试验仪器、材料及试验方法

1.1 试验仪器与材料

采用南京土壤仪器厂生产的TST-55型渗透试验仪和上海福玛实验设备有限公司生产的智能恒温恒湿箱,制取土样的环刀内径61.8mm,高40mm。

试验用土取自贵州省赫章县毕威高速公路典型滑坡处,分别为棕红色和黄褐色残积土,天然密度为:1.91 g/cm3和1.85 g/cm3,含水率为36.1%和24.8%。自由膨胀率为48%和30%,其基本物性指标如表1所示,从中可知,棕红色残积土属于黏性土,弱膨胀性,黄褐色残积土属于粉质黏性土,非膨胀土。

表1 贵州玄武岩残积土边坡土样的物性指标

1.2 试验方法

试验选取两种代表性风干土样,将土风干后过2mm筛,根据天然密度,制取3种不同干密度的土样进行干湿循环下的渗透试验,每种干密度制取2个试样,共 6组(12个)试样。棕红色土样:1.15 g/cm3、1.25 g/cm3、1.35 g/cm3;黄褐色土样:1.28 g/cm3、1.38 g/cm3、1.48 g/cm3。试样为黏性土,土工试验一般规定用抽真空不低于3 h,饱和12 h以上[9],在恒温箱,采用40℃烘干10 h左右,采用此方法的主要目的是模拟现场开挖揭露后土层干燥失水的工况,缩短试验时间,且便于与相关文献进行对比。

本次试验所用试样为饱和样,用烘干法与抽气饱和法模拟干湿循环过程,先按照天然含水率和密度制取试样后,对其进行饱和,饱和后测量其渗透系数,再放进恒温恒湿箱进行干燥10 h,将其抽真空饱和,此时完成一次干湿循环。计算试样渗透系数时,采用土工试验方法标准GB/T 50123-1999所提供的变水头渗透系数计算公式进行,同时试验过程测量渗透仪出水口水温,以便对测试结果做出温度修正。干湿循环次数看试样是否有大的裂隙出现,当试样出现大裂隙破坏时,土样已经不成型,此时终止试验,如果土样不发生破坏,但两次测量的渗透系数几乎一样或者变化微小,也终止试验。

2 试验结果与分析

2.1 棕红色土样的渗透特性分析

棕红色土样是较强风化的残积土,具有弱膨胀性,游离氧化铁对颗粒的胶结作用是导致残积土特殊性质的主要因素[10],无定形的氧化铁经凝集脱水和老化之后,形成晶形的氧化铁,具有一定的不可逆性。通过室内干湿循环的渗透试验表明,在干湿循环1次的情况下,土样就发生大的裂隙而破坏,各土样的渗透系数随干密度的增大而减小,如图2所示。

在未经历干湿循环的状态下,土样中未出现裂隙发育,开裂显著改变了土样内部的渗流场分布[11],从图2中可以看出,经历1次干湿循环以后,渗透系数略微增大,土的渗透系数有递增的趋势。由于土样的本身强度较低,干湿循环的交替,导致土颗粒本身之间距离的增加,裂隙数量增加并连通,最后形成网状裂隙,渗透性降低,试样中出现贯通渗径的裂隙,是发生渗透破坏的主要因素,如图3所示。

图2 玄武岩残积土干密度与渗透系数关系图

渗透系数在试验开始前期变化明显,后期逐步平缓,随干密度的增加而降低,随干湿循环次数的增加而增大,干密度低时,试样的孔隙相对较大,土的渗透性显著。经过脱水烘干,土中的结构有不同程度的破坏,再进行抽气饱和时,由于土样本身的特性,土粒只存在弱结合水,渗透系数起伏很大,由于裂隙的出现,土样的透水性增加,如图4所示。这和现场的边坡破坏类似,刚开挖的坡面保留固有的特性,渗透系数较小,土体受蒸发的影响会发生开裂,降雨后会出现不同程度的破坏,在开裂较大的坡面会发生滑坡现象,渗透系数明显增大[12]。

图3 烘干后的平面和竖向示意图

图4 棕红色土样的渗透系数与渗透时间的关系图

2.2 黄褐色土样的渗透特性分析

黄褐色玄武岩残积土风化弱,强度较棕红色土样大,随着干湿循环次数的增加,土的渗透性增大,试样随干密度的增加,渗透特性逐渐降低。干密度为1.38 g/cm3和1.48 g/cm3时,经过1次循环渗透系数增加,但幅度不大,随干湿循环次数的增加,土样渗透系数变化不大。而干密度为1.28 g/cm3的土样,随干湿循环次数的增加,渗透系数也呈上升的趋势,最后趋向稳定,如图5所示。可见干密度对残积土的渗透特性有一定的影响,干密度越小的土样,边坡在遇水的情况下,更容易发生破坏。

黄褐色土样在脱水烘干6次后,表面开始出现较大点的裂隙,土样也有微小的收缩趋势,这也是渗透系数增大的根本原因。在土样达到饱和的情况下,原有烘干时留下的裂隙将会愈合,看上去难以分辨裂隙的存在,如图6所示。然而,土的饱和渗透系数却随着干湿循环次数的增加有增大的趋势,该现象说明,即使在试样裂隙饱和愈合的情况下,裂隙的存在对土结构性的破坏作用仍然对土体的饱和渗透特性有一定的影响。

图5 黄褐色土样渗透系数与干湿循环次数关系图

在尚未经历干湿循环的状态下,即土样中未出现裂隙发育时,试样的渗透系数分别为2.76×10-5cm/s、7.46×10-6cm/s、4.19×10-7cm/s。经历一次干湿循环以后,渗透系数略微增大至1.1×10-4cm/s、3.88×10-5cm/s、2.06×10-6cm/s。第2次循环至第6循环,渗透系数升幅不大,仍然与第1次循环处于同一数量级,可见此时干湿循环的作用减弱,渗透系数的发展趋于稳定。第7次循环后,干密度为1.28 g/cm3的土样渗透系数为3.18×10-4cm/s,而干密度为1.38 g/cm3的土样渗透系数为1.14×10-4cm/s,比原来提高2个数量级,可见,渗透系数与干密度大小有关,干密度小的随干湿循环次数的增加变化不大,随干密度的增大,循环次数的增加,渗透系数逐渐提高,如图7所示。

图6 黄褐色土样饱和前后对比

图7 黄褐色土样的渗透系数与渗透时间的关系图

2.3 玄武岩残积土渗透特性的作用机理

从根本上来看,影响残积土渗透性的主要因素是土的性质、颗粒组成以及孔隙的大小及其连通性对渗透系数的影响。在大气影响层深度的范围内,处于自然界中的土由于受到干湿循环的影响,改变了土样的孔隙大小以及连通性。即雨滴打湿土壤的冲击力和太阳照射于土壤时的辐射能导致土中团聚体很快消散,使土变得松散,土再经过反复膨胀和收缩,大量次生裂隙生成与原生裂隙的进一步扩大,使得土中裂隙变大。裂隙的发展使土变为松散,为土的进一步风化创造了条件,当发生降雨时,使水更容易进入土体,雨水入渗及季节性的干湿循环作用对边坡稳定的危害极大,更易引发滑坡和泥石流[13]。

贵州玄武岩残积土边坡表层,经过降雨-蒸发的循环交替,使得土体出现贯通渗径的裂隙,大量宽的裂隙出现,为雨水的入渗提供了条件,土的强度降低,给工程建设造成重大的损失。另外,也与土的性质有关,棕红色土样空隙比大,具有弱膨胀性,收缩性明显,遇水时,开始微膨胀,后发生收缩,经过一次干湿循环,试样就发生破坏,这也是玄武岩地区大量滑坡发生的主要原因。黄褐色土风化较弱,空隙比相对较小,没有膨胀性,随干湿循环次数的增加,出现微小的裂纹,遇水后又恢复原样,但经过7次循环后,土的强度变低,渗透系数变大。

3 结 论

(1)通过干湿循环下的室内渗透试验,探讨了贵州玄武岩残积土的渗透性,研究发现,裂隙的存在是渗透发生的主要通道,棕红色土样经1次干湿循环,试样发生破坏,渗透系数大于黄褐色土样。黄褐色土样经7次干湿循环,才发生轻微破坏。

(2)干密度的大小影响土的渗透性,干密度大的渗透性差,随着干湿循环次数的增加,土的渗透性增大,渗透系数也呈上升的趋势。干密度大的试样随干湿循环次数的增加,渗透系数的量级也有增加的趋势,但变化不大。

(3)在玄武岩地区进行边坡防护时,增加土的压实度,在表层增加植被,减少雨水的冲刷,开挖时尽量减少土体暴露的时间,喷射混凝土或覆盖人工膜,减少水分蒸发,本文只是对玄武岩残积土的初步研究,还有许多问题需要进一步研究。

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