关于土渗透的研究综述

鞠 扬 张 卓

(上海理工大学,上海 200082)

1 概述

土的渗透性是土力学中的一个重要课题，土木工程领域里很多工程问题都和土的渗透性息息相关。水在土中的渗透会引起很多工程问题，影响工程安全，耽误工程进度，造成效益损失。因此，研究土的渗透规律及其与工程的关系有着重要意义。

2 研究综述

2.1 无黏性土渗透性的研究现状

法国工程师H·达西(Darcy，1855)对均质砂展开了很多渗透试验，结果显示层流条件下，土里水的渗流速度和能量损失之间关系的渗流规律，即为达西定律。广大的研究学者们纷纷对无黏性土的渗透性展开了大量研究，王小江，荣冠，周创兵[1]通过试验，研究了不同围压下粗砂岩变形破坏过程渗透性，并且进行了相关理论分析，结论如下：在粗砂岩的变形渗透破坏过程中，轴向应变和环向应变对渗透性的影响基本上呈阶段性一致。环向应变比轴向应变更快偏离线弹性状态，在塑性阶段环向应变增加的速度比较快，由强度峰值到渗透性峰值，环向应变的增加幅度约为轴向应变增加幅度的1.5倍～2.0倍。由此可见，渗透性对环向应变的变化更为敏感。万力，蒋小伟，王旭升[2]通过理论分析和现场数据，证实了渗透系数随深度衰减是不同类型含水层的普遍规律。这种现象的根本原因在于岩体和地层的自重应力随着埋深的增加而增加。应力的增加导致介质被挤压并且渗透性降低。王俊杰，卢孝志，邱珍峰，梁越[3]通过试验研究渗透系数与分级，颗粒形状，干密度之间的关系，得出如下结论：粗颗粒土的渗透系数与颗粒大小分布，颗粒形状和土壤干密度密切相关，相关性从强到弱。其次是颗粒分级，颗粒形状，干密度。粗粒土渗透系数与d20和曲率系数Cc呈正相关，与干密度和颗粒球度呈负相关。崔自治，张群，彭博，崔永成，李媛媛[4]试验发现膨润土与黏性土复合能有效地改善砂土的抗渗性，其效果明显优于膨润土单掺。就渗透系数来说，最优组合方式是膨润土掺量6%，黏砂比30%，含水量6%。上述因素对渗透系数影响的强弱顺序为膨润土掺量、含水量、黏砂比。苏立君，张宜建，王铁行[5]试验得出对于单一颗粒尺寸范围的砂岩，渗透系数随着孔隙度的增加而线性增加，并随着二次平均颗粒尺寸的增加而线性增加，特别是平均颗粒尺寸对渗透系数的影响大，平均粒径的变化会导致渗透系数的大小不同。对于天然砂，有效粒径，孔隙率，曲率系数和非均匀系数都对渗透系数有一定的影响。这四个参数与渗透系数呈良好的线性正相关。袁涛，蒋中明，刘德谦，熊小虎[6]研究粗土粒渗透损伤条件下压缩变形特性后，发现渗透损伤的过程是从颗粒出现迁移开始，到试样破坏结束为止。试样土体结构损伤会导致孔隙比和渗透系数增大。试样渗流作用的前后，压缩模量的变化能够定量描述由砂砾石土体渗透变形而导致的骨架渗透损伤。杨仲德，陈冠，孟兴民，陈玺，张毅，王思源[7]研究发现造成滑坡体不同部位渗透性能差异的原因主要是土体颗粒级配和密实度状态的不同。与滑坡体中、前缘相比，滑坡体后缘粗颗粒含量较高，且粗、细颗粒含量极不均衡，导致粗颗粒间的孔隙不能被有效填充，故渗透系数较高。何书，鲜木斯艳·阿布迪克依木，戎慧敏，韩旭，王伟中，汪鑫[8]实验分析得出，含粉粒的粗粒土在很长时间的渗透过程里，因为氨氮离子吸附或者颗粒迁移，都会引起渗透系数不同程度的变化；下游孔隙的堵塞主要是由颗粒迁移引起的，引起渗透系数随时间逐渐降低；土颗粒对氨氮离子的吸附，使得土颗粒表面水化膜厚度产生了压缩，渗透系数随渗透时间增加。孔令伟，李新明，田湖南[9]利用常规渗透仪进行了不同细粒含量砂土的渗透实验，砂土渗透系数的细粒效应很明显，渗透系数随着细粒的增加而降低。细粒含量低于5%时，效果不明显；细粒含量在5%～10%时，渗透系数随着细粒含量的增加急剧下降。当细粒含量超过25%时，砂土的渗透系数趋于相对稳定。

2.2 黏性土渗透性的研究现状

王铁行，卢靖，张建峰[10]通过对不同干密度的压实黄土土样进行水平土柱入渗法测试，发现渗透系数随着体积含水量的增大而单调加速增大，密实黄土的渗透系数对于密度的变化比较敏感。陈宗先，何翔，熊云山，王锐[11]通过对比分析黏性土渗透系数k与孔隙比e的3种关于lgk-lge，lgk-lg(1+e),lgk-e半对数或双对数关系曲线图以及对应关系书，得出渗透系数与孔隙比呈直线关系，lgk-lge的线性相关性最显著。李萍，李同录，王红，梁燕[12]用Childs & Collis-Geroge来预测非饱和黄土的渗透系数模型，推出了非饱和黄土的渗透系数与体积含水量以及基质吸力之间的关系。结果显示黄土从饱和到非饱和的渗透系数迅速下降，非饱和黄土渗透系数与体积含水量以及基质吸力之间的关系都可以用指数函数来表示。凌华，张胜，敖大华，王芳，韩华强[13]将复杂应力条件下土体的渗透性试验在中型三轴仪器上进行。在相同的应力条件下，颗粒和黏土的含量越高，土壤的渗透系数越小，表明分级是影响土壤渗透系数的重要因素。随着围压和应力水平的提高，土壤材料的渗透系数逐渐降低。粉末和黏土含量越低，大颗粒含量越高，围压对土体渗透系数的影响越显著。对于密度相同的不同层次样品，应力水平对渗透系数的影响基本相同。邹圣锋，李金柱，王忠瑾，兰璐，王文军，谢新宇[14]用GDS渗透仪对宁波粉质黏土进行了恒定压头试验，得出结论：宁波软土的渗透系数随孔隙比的减小而减小，重塑样品下降更明显;重塑样品和原始样品测试结果显示，目前广泛使用的几种渗透模型基本符合。提出了以lg[kv(1+e)]～e为参数的渗透模型，能够较好的用来描述宁波软土的渗透系数和孔隙比之间的非线性变化关系。周葆春，孔令伟，郭爱国[15]试验发现膨胀土的渗透系数非常小，量级为10-8cm/s～10-9cm/s，随着干密度的增长而下降，能够用幂函数的形式来描述k和ρd的关系。石灰土的渗透系数比较小,也伴随着干密度的增长而下降，但却大于同一压实度时膨胀土的渗透系数；当干密度相近时，两种土的渗透系数也接近。

3 总结与展望

大量实验结果表明，土的渗透性主要与土的孔隙率，颗粒级配，物理状态，渗透液的密度，粘度有关。不同种类土的渗透性差异明显，无黏性土和黏性土在渗透性上的差异也大相径庭，与上述参量之间的相关性，敏感度也有很大不同。因此，在研究不同种类土的渗透性时应注意实验方法，数据参量采用的特殊性。此外，对于两种甚至多种组分的混合土的研究案例目前而言仍相对较少，以待往后众位学者进行更深入，更全面，更具体的研究和探讨。