混合土的渗透试验综述★

周 锐 李星润 杨晓东 常宇涵 姬厚真

(西北民族大学，甘肃 兰州 730100)

1 概述

混合土作为工程中一种改善原状土不良性质的方法，是指将一种或多种材料以一定量的掺比与所匹配的相应土壤通过一定的方法，如击实、拌匀、碾压重塑等，结合形成某种工程性质更为优良的新型“土壤”。随着高层建筑、高速公路的不断开拓发展，对承载的地基持力层提出了更高的要求，因而一直以来，有关混合土的研究便是工程学者专研的重中之重。

目前，关于混合土的探索已经初见成果，其中以适量橡胶颗粒、生石灰、钢渣与黏土、砂土、黄土等进行混合从而达到增强原有土壤抗压强度、抗剪性能以及改善原有湿陷性目的的研究较为丰富[1-3]，此类文献主要通过直剪试验，轻型、重型击实试验，膨胀率试验等综合各影响因素，寻求适用于特定实际工程的最佳掺量，Sadrekarimi[4]通过将工程实际与标准试验结合建立了一种可以对砂土不排水剪切强度进行评价的体系，并相应试验研究了黏粒含量与砂土液化强度间的变化关系。除上述之外，也有相关混合土水理性质的研究，徐超等[5]通过渗透试验，发现不同浓度、类型的离子溶液与混合土中的膨润土之间存在一定的变化规律，即石屑掺膨润土混合土的渗透系数随溶液离子价和浓度的增大而逐渐增大。若从众多试验中单列出渗透试验进行实际操作，我们会发现其仍旧存在些许需要简化与改善之处。

本文针对混合土渗透试验的全过程，提出在试验制样方面简化的计算公式，并联系实际配置橡胶颗粒混合土所得相关成果，总结渗透试验过程的注意事项，并对TST-35渗透仪提出了改善建议。

2 试验制样

2.1 击实试验

现有文献已有关于击实试验的混合土性能参数的研究，李朝晖等[6]通过将不同掺量的橡胶颗粒与一定量黄土进行混合后，分别研究了掺量为0%，10%，20%，30%，40%，50%时，混合土的压实参数。其轻型、重型击实试验与渗透试验的制样问题是有所关联的，通过土工试验规程[7]进行标准击实试验，可以得到实测混合土的最大干密度与最优含水率，并依照以下公式换算即可计算出最为密实情况下利用渗透环刀制备试样所需混合土的质量。

设混合土试样最大干密度为ρdmax，最优含水率为ωop，渗透环刀体积为V,混合土的质量为mt，密度为ρ。

mt=ρV

(1)

ρ=ρdmax×(1+ωop)

(2)

式(1)，式(2)联立可得：

mt=ρdmax×(1+ωop)×V

(3)

式(3)计算所得结果即为渗透环刀装样时所需称量的实际混合土的质量，注意式(3)的前提为在最大干密度，最为密实状态；针对其他情形，原理还是利用试验或者换算得到混合土的密度，其与体积乘积即为所需混合土质量。

2.2 混合土组成要素质量配比

设已有含水率为ω1的若干纯土样，欲配置含水率为ω2，质量为mt的混合土，可依据如下步骤进行计算。

定义掺量y为所添加的材料与混合土的质量之比；my为混合物中需添加的材料的质量；mt为混合土的总质量；ms1为配置混合土所需含水率为ω1的纯土样的质量；Δω1-2为配置含水率为ω2的混合土而需要在含水率为ω1的纯土样基础上添加的水的质量。则有：

mt=Δω1-2+ms1+my;

其中，ms0为ms1减去水后的纯干土质量;ω1为原有纯土样的含水率;ω2为欲配置的混合土样的含水率。

等式代换整理可得：

(4)

my=y·mt

(5)

(6)

式(4)～式(6)为含水率由纯土样的ω1到混合土ω2的过程，因而此式仅适用于ω2>ω1的情形，即最终配置的混合土含水率必须大于纯土样的初始含水率。当ω2<ω1时，则可采用如下烘干土样的方法进行配置，即将初始的具有一定含水率的纯土样放入烘箱，调至105 ℃烘满24 h，得到ω1=0的纯土样，而后根据下述公式进行计算：

(7)

my=y·mt

(8)

(9)

3 试验过程

在得到试验所需混合土各组成要素质量(水、材料、土)之后，需混合均匀后装入渗透环刀中，一般而言混合土体积开始时会高于单个渗透环刀的上表面，因而建议于环刀上方倒放另外一个渗透环刀，起到拢合的作用，并可以利用击实仪器，通过渗透环刀与击实筒的体积换算关系，由单位体积击实功，等式转化出所需锤击数。注意锤击数的含义为当按照土工试验规范要求[7]锤击完毕后，混合土表面恰好与渗透环刀相平,若不满足此要求则需重新称量，减少误差，直至符合条件为止。

将渗透环刀置入渗透仪时，需注意在土样底部，透水石上方放置一片裁剪过的大小与透水石相近的滤纸，每次试验完成要及时更换。同样地，混合土顶部与透水石相接处也需放置一片滤纸，见图1。在转动上方钢制旋盘时，常常会遇到无法合龙渗透仪上盖的问题，一般而言是上部透水石与橡胶圈的贴合出现问题。可以通过先放置透水石，再套橡胶圈，当二者结合并不服帖或均衡时，使用外力将橡胶圈明显鼓起部分按入仪器内部，在橡胶圈整个嵌入贴合后再旋紧仪器以达到防止漏水的目的。

渗透仪需要利用三通与水头连接，三通有三个管口，其一与顶部水瓶相连，其二与读数的刻度管相连，其三与渗透仪底部两尖嘴中略高的进水口相连。由于一般适配连接的橡胶管较少，因而可以选取尺寸略大的橡胶管，而后用钢丝以及防水胶布进行连接固定，见图2。注意在试验开始前要先用橡胶管与渗透仪底部最低尖嘴出水口连接，并用止水夹夹住以控制水流。试验开始时，先打开底部橡胶管止水夹，再打开顶部水瓶和渗透仪的三通开关，并关闭另外一个，当底部橡胶管无气泡，而且开始稳定出现水流时，即认为底部空气已排尽，此时可以关闭止水夹，见图3，等待顶端出水口渗透出水。

注意等待顶部出水口出水时，需观察仪器中间部分是否有漏水情况，若有须暂停试验，检查旋盘是否旋紧亦或是防水橡胶圈是否与透水石嵌合牢固，以及仪器本身是否存在漏水缺陷，在调整完善后，方可按照流程重新进行试验。试验顶端出水快慢，与混合土试样压实性息息相关，时间在几分钟到数小时不等。

当渗透仪顶端尖嘴冒出水珠时，见图4，即认为混合土样达到饱和。此时关闭顶部水瓶的三通开关，保持渗透仪三通开关开启，并打开连接刻度管的三通开关，当渗透仪顶端尖嘴出水口稳定冒出水时，即可按照一定时间间隔进行刻度读数。

4 结论

本文通过混合土具体的试样制备，以及实际渗透试验操作，提出了在进行制样时的理论简化公式，并详述了混合土的整个渗透试验流程，得到结论如下：

2)连接的三通注意用钢丝、防水胶布与橡胶管进行防水加固，开关顺序为先开顶部水瓶和渗透仪、关闭后再开渗透仪和水头刻度管。当出现试件漏水、读数问题时皆可根据上述内容进行检查与完善。

3)在实际渗透试验中，发现渗透系数的计算结果会在开始时产生较大波动，越是混合土内部结合不够紧密时越会如此，随着时间的增长波动才会慢慢趋于稳定，因而当渗透仪顶端尖嘴出水时，是否意味着土样饱和稳定渗流还需进一步考证，此外影响渗透系数的具体因素也有待学者们进一步研究。