黄河冲积粉土的渗透特性研究

南 钰，蔡瀚琛*，郑 罡，海 岳，时 刚

（1.国网河南省电力公司开封供电公司，河南开封；2.郑州大学土木工程学院，河南郑州）

引言

黄河流域中下游平原广泛分布着粉土，大部分属于水成粉土[1-2]。粉土是介于砂土和黏性土之间的一种土，渗透系数高于黏性土[3-4]。相关学者采用太沙基渗透系数公式[5]、kozeny-carman 公式等[6-8]研究了粉土的渗透性[9-11]。但是其分析不够深入，因此，本文以郑州地区黄河冲积粉土为研究对象，分析粉土的渗透性。

1 试验研究

1.1 试验材料

1.1.1 基本物理性质

本试验用土取自郑州市西四环西侧某工程场地。对试验用土分别进行了相对密度、颗分、液塑限联合测定试验，得到土体的基本物理性质指标如表1 所示，颗粒级配试验结果如图1 所示。

图1 郑州粉土的颗粒级配曲线

表1 试验用土的基本物理性质指标

由表1 可知，根据《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2011）[12]第4.1.11 条,判定试验用土为粉土。

1.1.2 SEM 扫描

采用电子扫描方法分析研究区域粉土试样的颗粒微观结构，如图2 所示。由图可知，低放大倍数下（1 000 倍），粉土的颗粒轮廓清晰，颗粒大小分布不均匀，细颗粒占比较高，偶尔见粗大颗粒，与颗分试验结果相吻合。在高放大倍数下（5 000 倍），粉土颗粒形状以棱角颗粒和磨圆颗粒为主，棱角颗粒棱角分明，形状不规则，分布不均匀，其中，土颗粒粒径以20～50 um 为主。因此，郑州地区黄河冲积粉土的颗粒组成以粉粒为主，胶粒含量相对较少。

图2 郑州地区的黄河冲积粉土扫描电镜图片

1.2 试样的压实标准

研究黄河冲积粉土的渗透特性时，需要考虑试样压实度影响，因此开展粉土击实试验，得到研究区域粉土的最大干密度和最佳含水量，进而制备不同压实度粉土试样。制备过程将风干、碾碎试验用粉土并过2 mm 筛，参考塑限含水量，分别配置含水量为8.6%、10.6%、13.6%、16.6%、18%和20.6%的试样。击实试验采用南京土壤仪器厂生产的JDS-2 型数控电动击实仪，选用轻型击实试验，具体方法按《土工试验规程》（SL 237-1999 规定进行。结果如图3 所示，由图可得出试验用粉土的最佳含水量为13.5%，最大干密度为1.86 g/cm3。

图3 黄河冲积粉土的击实试验结果

1.3 渗透试验方法

为研究郑州地区黄河冲积粉土的渗透特性，对不同压实度粉土试样进行渗透试验，其中，每个压实度制作两个试样进行平行试验。根据颗粒级配分析结果，本试验用粉土的细颗粒含量大于50%，属于细粒土，因此，土体渗透试验采用变水头渗透试验方法，采用南-55 型变水头渗透试验设备。进行变水头渗透试验时，主要分为土料准备、制样、土样饱和和测试四个步骤。准备土料时，按要求的含水量配置土料后，应在密封袋中保存48 h 以上；按要求的压实度制样后，将试样上下表面垫上滤纸，用透水石和橡皮筋固定后，放置于真空饱和器中抽气饱和；最后将试样装入渗透容器，并在低压水头下静置12 h 进行二次饱和。渗透试验时，每3 min 作为一个测量时间段，记录该时间间隔内起始水头高度及终止水头高度，一次数据读完需将水头调至原来起始水头高度。每个试样测量6～8次，直至数据基本稳定。

2 试验结果分析

2.1 渗透试验结果

对不同压实度的郑州地区黄河冲积粉土土样的渗透试验结果进行整理，以压实度λ 为横坐标，以渗透系数k 为纵坐标，做出粉土渗透系数随压实度的变化曲线，如图4 所示。

图4 黄河冲积粉土渗透系数随压实度的变化曲线

由图4 可知，郑州地区黄河冲积粉土的渗透系数随压实度的增大而减小，压实度越小，压实度的变化对渗透系数的影响幅度越大。对渗透试验结果进行拟合显示，黄河冲积粉土的渗透系数k 与压实度λ 近似成指数函数关系，这表明，若粉土填料压实度不足则会使粉土地基的渗透系数显著增大，进而引发冲刷、潜蚀等渗透破坏。

2.2 黄河冲积粉土渗透系数经验公式的验证

岩土工程、水利工程学等科研领域已有许多用于计算土体渗透系数的经验公式，如表2所示。这些经验公式大大简化了渗透系数测试过程，且揭示了影响土体渗透特性的因素。

表2 土体渗透系数的常用经验公式

式中，e0为无效孔隙比；a0细粒土中结合水质量占液限含水量的比例系数，0＜a0＜1，对某特定的细粒土，a0为近似常数，本文取0.8；ρaw结合水密度，取1.2g/cm3；ρs土颗粒的密度，取2.65g/cm3。

然而，表2 中列出的经验公式是否适用于郑州地区黄河冲积粉土尚未可知，需要通过室内试验检验上述经验公式的适用性。比较粉土渗透系数试验结果与上述渗透系数的经验公式计算值，结果如表3 所示。

表3 黄河冲积粉土渗透系数试验结果与经验公式计算结果的对比

由表3 可知，与黄河冲积粉土渗透系数的试验结果相比，中科院经验公式与kozeny-carman 公式的计算结果比试验结果偏大2～3 个数量级，太沙基公式的计算结果比试验结果偏小1 个数量级，预测误差较大；而采用修正后的kozeny-carman 公式的计算结果与试验结果误差相对较小，大体在同一数量级上。此外，修正后的kozeny-carman 公式比修正前的公式计算结果更接近实际结果，且基本能够反映压实度对渗透系数的影响规律，除压实度95%试样外，其他计算结果误差相对较小。因此，修正后的kozeny-carman 公式可运用于预测郑州地区黄河冲积粉土的渗透系数。

3 结论

（1） 颗粒级配分析和SEM 结果表明郑州地区黄河冲积粉土颗粒以粉粒组为主，黏粒含量相对较少。

（2） 郑州地区黄河冲击粉土的渗透系数随压实度的增大而减小，渗透系数减小可达一个数量级以上，渗透系数与压实度呈负指数关系。

（3） 修正kozeny-carman 公式更适于预测郑州地区黄河冲积粉土的渗透系数，且该公式也能反映压实度不同对粉土渗透系数的影响。