非饱和黏土受冻融影响的渗透性演化试验研究

钟佳思 童富果 刘畅 刘刚 刘创

摘要：土体的渗透性是评价其抗冻性能的重要指标，在冻融循环条件下，土体结构及孔隙特征改变，导致渗透性能产生差异。为研究非饱和黏土受冻融影响的渗透性演化规律，针对不同饱和度和密实度的试样，开展了冻融循环条件下黏土的渗透性测试。结果表明：随着冻融次数的增加，黏土的渗透系数先快速增大而后逐步趋于稳定，并且这种变化趋势受到饱和度和密实度的影响；饱和度越高，渗透系数增量和增长率越大；密实度越高，冻融对渗透性的影响越小，冻融过程中渗透系数能更快达到稳定状态。最后根据试验结果提出了包含冻融次数、饱和度和密实度的渗透系数演化模型。

关键词：渗透性；冻融循环；饱和度；密实度；非饱和土

中图分类号：P642. 11+1； TV443

文献标志码：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.07.029

渗透性作为土体抗冻性能的评价指标，与土体的结构、孔隙、颗粒大小等有着密切的关系。因为冻融循环条件下土体的粒径和孔隙大小会发生变化，所以土体的渗透性必然受到影响。而土体渗透性能的劣化可能会降低结构的耐久性、影响边坡的稳定性以及地基的承载能力等。因此，有必要研究冻融后土体渗透性能的变化规律。

肖东辉等研究了原状黄土与重塑黄土冻融后的孔隙率与渗透性，结果表明冻融循环作用通过破坏黄土颗粒的大小等影响孔隙率，渗透系数的变化曲线与孔隙率的变化曲线相似；倪万魁等认为冻融循环作用使黄土颗粒之间原始固有胶结减弱，多次冻融循环作用使黄土的结构更加疏松；胡田飞等在最优含水率状态下研究压实度对冻融后黏土性质的影响，结果表明试样内部水分的重分布会引起不同密实度土体的抗剪强度呈现完全相反的变化趋势。这些研究虽然取得了丰富的成果，但他们选择的冻融土样都基于某一固定饱和度，然而自然界中的土体多数处于非饱和状态，水分的含量非恒定，而且天然土体的密实度差异也较大。汪恩良等认为土体的初始饱和度和密实度等对冻融试验结果有较大的影响。鉴于此，笔者以黏土为研究对象，针对不同饱和度和密实度的试样，进行冻融循环试验和渗透性测试，分析冻融条件下饱和度和密实度对渗透系数的影响规律，并基于试验结果得出一个包含饱和度及密实度影响的渗透系数演化模型。

1试验方法

本试验用土的基本物理性质指标见表1，根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）中对土的分类，将其定义为黏土。根据《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）中有关土样和试样制备标准的要求，先将土体在自然环境中风干，碾碎去除杂质，过2mm筛，然后将其放人烘干箱中烘干，最后得到的土体即为制样所需土料，用多层塑料袋密封保存。试样的制备：首先根据饱和度和需要的土量将烘干后的土料用蒸馏水配置成湿土，用多层塑料袋将湿土密封放置一段时间待水分均匀分布；然后根据装样器容积和密实度计算所需湿土的质量；最后将湿土分五层填人直径6.18cm、高度11.90cm的装样器中。为了研究冻融前黏土饱和度和密實度对冻融后渗透系数的影响，试验设定了5组冻融前饱和度（简称饱和度）和3组密实度的试样，饱和度Sr为0.4、0.5、0.6、0.7、0.8，每一饱和度下的密实度pd 为1.3、1.5、1.7g/cm^3。

本试验分为两个阶段，首先对试样进行冻融循环试验，然后将冻融后的试样进行渗透性测试。冻融循环试验采用HDK-9型快速冻融试验机，其温度的控制精度为0.1℃。试验过程设置为无外界补水条件，利用保鲜膜将试样包裹，构造不补水的密闭环境。目前室内冻融循环试验在参数的选择上具有较大的差异性，尚未形成相对统一的试验标准，本试验以试样能完全冻结和融化为依据设置冻融方案。选取冻融方案为冻结时间6h、冻结温度-20℃，融化时间6h、融化温度20℃，一个完整的冻融循环需要12h；冻融次数设定为0、1、3、7、9、12、15、20。冻融结束后对试样进行渗透性测试，为了反映冻融过程中土体结构和孔隙的改变对渗透性的影响，排除孔隙中空气的干扰，本文测量的渗透系数为饱和渗透系数。试验采用图1所示的渗透性测试装置。首先将水泵上方的电磁阀打开，利用水泵将水抽人渗流管，关闭该电磁阀。再打开与空压机相连的电磁阀，利用空气压缩机提供高压力水头，水流方向如图1中箭头所示。进行测量时除装样器上部的电磁阀外，其他的电磁阀均处于关闭状态。试样上下部位水头均由传感器测量，传感器与数据采集系统连接，可定时将获取的数据传人计算机，进而求得渗透系数。测量结束后，将左上角与大气相通的电磁阀打开，卸掉多余气压力。水泵与集水器之间的管路用于尾水回收再利用。

2饱和度对渗透性的影响

根据试验结果，得到冻融循环条件下不同饱和度试样渗透系数的演化过程，见图2。可以看出，不同饱和度的试样经过冻融循环后渗透系数的演化趋势相同，都随着冻融次数的增加不断增大，但增大的程度逐渐减小，后期逐步趋于稳定。其原因在于冻融后土体的变形可看作是一个由弹性变形和塑性变形组成的过程，弹性变形是土体变形中可以恢复的部分，在冻融循环往复后，对土体的孔隙和结构的影响可忽略。塑性变形为不可逆变形，导致冻结融化后的土体部分变形无法恢复。经过多次冻融后，达到了土体在该饱和度和密实度状态下的塑性变形极限值，则孔隙不再继续变形扩展，相应的渗透系数也不再变化。

为了更直观地展示冻融过程中渗透系数变化的快慢，采用渗透系数增长率（冻融后的渗透系数减去未冻融时的渗透系数除以该冻融次数）来表示。

渗透系数增长率随冻融次数变化曲线见图3，可以发现，高饱和度（80%）的试样在冻融过程中，渗透系数的增长率较大。因为高饱和度的试样水分含量相对较多，冻结后对土颗粒的挤压作用以及融化后孔隙增大程度都更为明显，所以渗透系数相应增大较快。不仅如此，无论密实度高低，冻融前几次渗透系数增长率大幅降低，因为土体结构受到扰动后孔隙和颗粒均会重新分布，在此期间渗透系数变化较大，即渗透系数增长率较大。经过几次冻融达到了新的平衡，则渗透系数增长率趋于稳定。

3渗透性随密实度的变化规律

不同密实度的试样在冻融后渗透性的演化规律同样存在差异性。图4给出了试样在不同密实度下渗透系数的演化过程，为了直观地展示演化的规律性，曲线的纵坐标采用对数坐标。在冻融过程中，无论密实度高低，试样渗透系数都有不同程度的增长。随着冻融次数不断增加，渗透系数最终趋于稳定。低密实度的试样其渗透系数在冻融过程中的增量相对较大，渗透系数在冻融后期仍然有较为明显的增大趋势。而高密实度的试样，冻融对渗透性的影响较小，表现为冻融后期的渗透系数达到了一个动态平衡状态，即基本不随冻融次数变化。这种现象表明高密实度的土体未冻融前孔隙的结构已经较为紧密，经过几次冻融循环即可达到其塑性变形的极限值，因此渗透系数能够快速稳定。

4渗透系数演化模型

根据试验结果可知，黏土的渗透系数与冻融次数、饱和度以及密实度的关系密切，受它们的影响显著。因此，依据试验结果的规律性可以求得黏土渗透系数的多因素演化模型。

首先根據渗透系数随冻融次数先增加后趋于稳定的变化趋势，得出渗透系数和冻融次数满足关系式：实度都有关系的参数。由前述可知，渗透系数随饱和度的增大而增大、随密实度的增大而减小（对于同一冻融次数而言）。因此，参数P1与饱和度和密实度的关系可用如下函数表示：式中：Sr为饱和度；ρd 为密实度，g/cm^3；a、b、c、d为参数。表3给出了参数a、6、c、d的拟合值。

根据表3，最终得出渗透系数随着冻融次数、饱和度以及密实度变化的多因素模型为

该模型不仅综合考虑了饱和度、密实度在冻融过程中对黏土渗透性的影响，而且也可单独考虑某一变量（其余两个变量控制不变）变化时渗透系数的变化情况。表2、表3中的拟合相关系数的平方R^2均在0.960以上，说明该模型可以较好地反映黏土渗透性随冻融次数的改变以及饱和度和密实度的变化而变化的规律，具有一定的参考价值。

5结论

本文研究了冻融循环条件下饱和度、密实度的变化对黏土渗透性演化规律的影响，先后进行了冻融循环试验和渗透性测试，得出如下结论：

（1）黏土渗透系数受冻融作用的影响明显，随着冻融次数的增加渗透系数不断增大，冻融前期增长较快，冻融后期趋于动态稳定状态。

（2）渗透系数随冻融次数的演化过程与饱和度有关。饱和度越高，受到冻融作用的影响越大，表现为土体的渗透系数在冻融过程中的增长率越大，冻融扰动作用持续的时间长，需要更长的周期达到动态稳定状态。

（3）冻融过程中，渗透系数同样受密实度的影响。冻融初期，高密实度土体对应低渗透系数：冻融后期，密实度较低的土体渗透系数仍有明显的增长，而高密实度的土体渗透系数基本趋于稳定。

（4）根据试验结果的规律性得出了包含冻融次数、饱和度以及密实度的渗透系数演化模型，其相关系数均在0.960以上，可以较准确地反映冻融过程中渗透系数的变化趋势，具有一定的实际应用价值。