关于粘性土的渗透特性问题的讨论

赵忠伟

摘 要：土的渗透性质的研究是土力学及渗流力学中极其重要的一环，常以渗透系数来表示，它同强度和变形特性一起都是土力学中所研究的主要力学性质。土的渗透性分为粘性土的渗透性和无粘性土的渗透性。本文主要介绍粘性土的渗透影响因素、渗透破坏和抗渗强度。

关键字：粘性土；渗透特性；渗透破坏；抗渗强度

土的渗透性通常是指水和土的孔隙中流动的过程和性质，常以渗透系数来表示，它同强度和变形特性一起都是土力学中所研究的主要力学性质，在土木工程中的各个领域中都有重要的作用。土的渗透性分为粘性土的渗透性和无粘性土的渗透性。

1 粘性土的渗透影响因素

通常所述的粘性土是指液限WL>26%，塑性指数IP>4-7的中高液限的粘质土和粉质土，粘粒含量一般大于10%。它在工程特性方面的表现是细颗粒之间具有一定的内聚力，处于中等密实状态以上时渗透系数K<1×10-4cm/s。

粘性土的渗透性要不无粘性土复杂的多，影响因素不仅是孔隙率与原级颗粒的组成，而是有复杂的机理。它与渗透液体的性质、颗粒组成的矿物成分、原级颗粒的凝聚状态以及孔隙大小的分布等因素有关。在岩土工程中将土的颗粒、粒团和孔隙排列称为土的組构。结构是指颗粒间诸力、成分和组构的综合效应。它是由单个颗粒及粒团组成的组构单元，并由不同的化学和物理化学力相连结，而按一定的方式排列和组成。粘土的粒团成杂乱排列时成凝聚性结构，具有较大的孔隙；粒团定向排列时形成分散性结构，平均孔隙较小。密度和孔隙比相同的同一粘性土，由于结构不同，可以具有极不相同的性质。结构对粘性土的渗透性质具有巨大的影响。粘土颗粒的形状是偏平的，有定向排列的性质，使平行于层面和垂直于层面方向的渗透系数显著不同。天然粘性土在沉积过程中是在垂直应力P和水平应力K0P（K0为静止侧压力系数）作用下固结的，已受到偏应力（1-K0）P的作用，使粘土颗粒沿剪切面定向排列，从而形成各向异性的渗透性质。

2 渗透的基本定律

在渗透理论中，著名的达西定律就是描述饱和土中渗透的基本定律。达西定律中K是材料的一个基本性质，称之为渗透系数。它将渗流速度与渗透势能联系在一起，确立了渗透水在土体中流动的速度、水力比降及土的性质三者之间的关系。在天然土体中渗流大多数呈线性阻力或接近线性阻力关系，达西定律用于土力学的各个方面，是渗流的基本定律。

3 粘性土渗透破坏的机理

粘性土渗透破坏的主要形式是边界面上的剥落和沿裂缝或洞穴的冲刷和侵蚀。此类土体抵抗渗透破坏能力同它的矿物、物理化学、结构等特性有关。具有稳固团粒结构的凝聚性土，渗透稳定性好；具有不稳定胶结的分散性土，渗透稳定性差。

影响粘性土渗透破坏的因素较多，其中最基本的因素有土的性质、密度、水流方向和渗流出口无保护的临空面的大小。粘性土的渗透破坏机理，不单纯是在渗透力作用下土体在渗流出口沿临空面周边的抗拉问题，而且与土体在水中的水化能力和实际达到的水化程度密切相关。特别是一般粘性土，渗流向下，出口被谁淹没时，它甚至会纯粹因水化而破坏。由于水化产生崩解后的土体将会在自重的作用下脱离本体，土体不断产生新的临空面，使水化崩解过程可以向上部继续发展，甚至在无水力比降的作用下可以一直破坏到顶部。此种现象在工程实践中经常可见，有些土石坝，防渗体承受的水力比降并不大，但出现垂直向上的渗透破坏，顶部呈现大的塌坑。

粘性土渗透破坏的原因有三个方面，即渗透破坏的三种典型：一是单纯在渗透力作用下的破坏；二是渗流出口土体表面的水化崩解造成的破坏；三是在渗透力和土体水化崩解同时作用下的破坏。上述三种类型的特点是，破坏过程都是表面土体成块成团的流失。其中以渗流向下，土表面又被水淹没的条件，即第三种情况为最不利，而且出现的机会较多。

4 粘性土抗渗强度的确定

粘性土的渗透稳定特性，在很大程度上取决于它的成因、粘土矿物成分、交换阳离子的成分和含量、孔隙液体含盐量及成分等物理化学因素。我国南方残积的红粘土，粘土矿物一般以高岭土为主，并含有一定量游离的铁铝氧化物。液限高而塑性指数低，亲水性差，因此具有较高的抗渗强度。北方的粘性土以沉积者为最多，粘土矿物以高岭石和伊里石为主，遇水后易湿化崩解，抗渗强度低于南方红粘土。

粘性土的主要特征是具有较大的内聚力，细颗粒都呈粒团存在，工程性质主要决定于粒团遇水后的稳定程度。我国南方的红粘土粒团稳固性强，抗渗强度很高，北方的粘性土粒团稳固性一般，抗渗强度不是很高。

粘性土的抗渗强度常以破坏水力比降表示，它的大小决定于土的性质、密度及渗流出口的保护程度，并可写成以下函数关系：

Jcr=f（Pdf、Pd、D）

式中：Pdf—代表土的性质，以土体处于液性限度时的干密度来表示；

Pd—土体实际的干密度；

D—渗流出口无保护临空面的大小，以孔径大小表示，通常称为孔隙直径，决定于出口保护层的等效粒径。

Pdf按下式确定：

Pdf=SrGPw/（Sr+G+WL）

式中：Sr—土的饱和度，在此等于1.0；

Pw—水的密度

WL—土的液限含水量

（1）抗渗强度与土密度间的关系：通过研究抗渗强度与干密度之间的关系，土的抗渗强度与干密度呈双曲线的函数关系。干密度是影响抗渗强度的一种因素。

（2）抗渗强度与出口无保护临空面的孔径的关系：出口无保护临空面孔径的大小是决定粘性土抗渗强度的主要因素，随着孔径的增大，抗渗强度逐渐降低。当临空面孔径大于某一值后，土的抗渗强度在数值上接近浮容重。在渗流方向向下的条件下，由于水化崩解，甚至在自重作用下土体就可发生渗透破坏。研究粘性土的抗渗强度时必须考虑出口无保护临空面孔径的大小。

5 结语

土的强度、变形和渗透性之间有着密切的联系，在土力学中由有效应力将三者联系在一起，形成了一个体系。加强粘性土渗透特性的研究，对土木工程各个领域里的许多课题都有着很大的帮助，对工程的应用具有十分重要的意义。

参考文献

[1]《土的工程性质》 黄文熙

[2]《土的渗透稳定与渗流控制》 刘杰 水利电力出版社 1992年

[3]《土力学与基础工程》 高大钊 中国建筑工业出版社 1998年

[4]《地下水动力学》 薛禹群 地质出版社 1997年