利用固结法求解黏性土渗透系数

　　摘要：G203 “松原至金宝屯”段沿线盐渍化黏性土渗透性能极小，公路病害频发，通过加入结晶氯化铝改良其渗透性能。由于黏性土的渗透系数极小，室内和室外试验受水头限制渗流速度缓慢甚至趋近于0，常规方法求解渗透系数比较困难。而一维固结仪能够提供十几米甚至几十米的水头压力，从而加速黏性土中水的流出。提出固结法求解黏性土的渗透系数，并利用该方法评价了结晶氯化铝改良盐渍化黏性土后渗透系数的变化。

　　关键词：一维固结；渗透系数；黏性土；盐渍土；结晶氯化铝；太沙基原理；超静孔隙水压力

　　中图分类号：TU413文献标志码：A文章编号：

　　1672-1683（2015）001-0111-03

　　Using consolidation method solving the permeability coefficient of clay

　　IAN Yan-liang1，YU qing-chun2

　　（1.The Institute of Hydrogeology and Environmental Geology，Shijiazhuang 050061，China；2.China University of Geosciences，Beijing 100083，China）

　　Abstract：A large number of saline clay distribute along the national highway 203 in songyuan to jinbaotun segment.The permeability coefficient of saline clay is very small.The highway diseases often appear because of the small permeability coefficient.In this paper，the permeability of saline clay was improved by adding the crystallization of aluminum chloride.But testing the permeability coefficient of saline clay is very difficult by conventional？methods，because water seepage velocity in saline clay is trending to zero.Oedometer can offer a？few tens？of？meters head pressure accelerating water flowing out.This paper use consolidation method solving the permeability coefficient of saline clay，and the changes of permeability coefficient is estimated by this method.

　　Key words：one-dimensional consolidation；permeability coefficient；clay；saline soil；the crystallizat-ion of aluminum chloride；Terzaghi′s theory；excess pore water pressure

　　G203 “松原至金宝屯”段是加格达奇至锦州的国家重点公路的一部分。沿线分布有大量盐渍土，其性质为黏性土。该类土渗透系数极小，造成排水不畅，公路病害频发[1]。本文通过加入结晶氯化铝改良盐渍土的渗透性能，评价其改良效果。现有求解渗透系数的方法按照原理可以分为定水头试验法、变水头试验法和抽水试验法。

　　定水头试验就是在整个试验过程中保持水头为一常数，水头差也为一常数。试验时，在透明塑料筒中装填截面为A，长度为L的饱和试样，打开水阀，使水自上而下流经试样，并自出水口处排出。待水头差Δh和渗出流量Q稳定后，量测经过一定时间 t 内流经试样的水量V，从而由公式k=QL/A・Δh计算试样的渗透系数。这种方法适用于测定透水性大的砂性土的渗透参数。

　　变水头试验法就是试验过程中水头差一直随时间而变化，水从一根直立的带有刻度横截面积为a的玻璃U形管自下而上流经横截面积为A的土样。试验时，将玻璃管充水至需要高度后，开动秒表，测记起始水头差Δh1，经时间 t 后，再测记终了水头差Δh2，通过建立瞬时达西定律，求解其渗透系数。变水头试验法渗透系数 k 的表达式为k=（aL/At）・ln（Δh1/Δh2）。该方法适用于测定渗透系数大于10-6 m/d的黏性土，对于渗透系数小于10-8 m/d黏性土，由于水头差较小，导致水头不变或变化极小难以观察，该方法不适用[2-5]。

　　抽水试验法是通过抽水设备，在揭露含水层的钻孔、竖井、民井、试坑中抽水，可以获得一定的水位降低值（降深）和相应的流量，依据降深和流量，按不同的边界条件采用相应的计算公式，计算含水层的渗透系数。该方法主要用于求解含水层渗透系数，含水层介质多为细砂、中砂、粗砂等粗颗粒物质。对于黏性土该方法不适用。

　　从以上方法中可以看出，只有变水头试验法适用于测定黏性土的渗透系数。但也限于渗透系数大于10-6 m/d的黏性土。当渗透系数过小（小于10-8 m/d）时，比如本文中的G203 “松原至金宝屯”段盐渍化黏性土，采用变水头试验法测定时由于水头差较小，水头基本不发生变化，所以该方法不适用该类土的测量。基于以上问题，本文提出表面固结法求解黏性土的渗透系数，该方法是在试验表面施加荷载使土体中的饱和水产生超静孔隙水压力。根据所加荷载的不同，超静孔隙水压力可以达到十几米甚至几十米水头压力。本文采用该方法评价了改良前后盐渍化黏性土渗透系数的变化情况。 　　1试验原理

　　根据太沙基原理，一维固结试验在荷载加载瞬间由于孔隙比不能瞬间变化，所以有效应力也不会瞬间变化。有效应力的变化是随着超孔隙水压力逐渐消散而逐渐增加的[6-8]。超孔隙水压力消散过程见图1。对于一个双向排水，厚度为2d的土样，t时刻土样上（下）半部分（0≤z≤d）总的沉降量满足公式（1）[9-10]。

　　ρ=1E0∫z0（Δσv-ue）dz（1）

　　式（1）右半部分等于1/E0乘以0时刻与t时刻所围的面积。

　　图1土样固结等时线

　　图2沉降量ρ与时间t的关系曲线

　　2试验研究

　　2.1试验材料与仪器

　　本次试验采用G203国道“松原至金宝屯”段所取扰动土样，土质为盐渍化黏性土。试验仪器为单轴固结仪，试验环刀内径618 mm，高20 mm。

　　2.2试验方案与方法

　　试验土样为盐渍化黏性土，由于透水性不良用于公路建设时，容易产生公路病害。为此在试样中加入不同含量的结晶氯化铝，改良该类土的渗透性。

　　首先根据所取干土质量、最佳含水率（结晶氯化铝含量在05%时最佳含水率为137%、10%为138%、15%为140%）[12-13]、结晶氯化铝的含量计算所需水的体积和结晶氯化铝的质量，将土样、水、结晶氯化铝混合均匀，制备结晶氯化铝含量为0、05%、10%、15%的试样4组，每组8个，共32个。

　　然后将制备好的试验放在恒温保湿箱里养护1 d、7 d、14 d、28 d。并与试验前一天将试验放进真空箱进行抽真空处理，然后注入蒸馏水使试样饱水24 h。

　　最后将饱和试样安装至固结仪上施加预压，而后直接加压至400 kPa（相当于40 m水柱压力），按照0、01、015、025、05、1、2、4、9、16、25、36、49、64、90、120、150 min……直到每小时变形量不大于0005 mm为止。

　　3试验结果分析

　　根据试验记录数据做变形量与时间的平方根关系曲线求得公式（7）中的tx和E0，从而计算试样的渗透系数（见表1）。

　　表1不同养护天数不同结晶AlCl3含量土样的渗透系数

　　3.1养护相同天数不同结晶氯化铝含量试样的渗透系数对比

　　从表1可以看出，利用固结法计算出改良前的渗透系数为1.2×10-10～2.2×10-10 m/s，改良后的渗透系数为3.0×10-9～5.4×10-9 m/s。加入结晶氯化铝后试样的渗透系数普遍是未加结晶氯化铝的10～40倍。根据前人研究成果，该类土改良前的渗透系数范围为1.0×10-10～2.0×10-10 m/s，改良后的渗透系数范围为1.0×10-9～4.0×10-9 m/s[14]。通过和前人成果对比可以看出，改良前数值比较接近，改良后数值略大于前人研究成果。这可能是由于计算时假设公式中的弹性模量E0为一定值造成的，而在实际过程中该值随着时间增加的。 从图3可以看出，随着加入结晶氯化铝的量增加，渗透系数呈增加趋势。养护前期（1～7 d）随着结晶氯化铝含量的增加渗透系数增加较为明显，养护后期（14～28 d）随着结晶氯化铝含量的增加渗透系数增加没有养护前期增加明显。加入结晶氯化铝后虽然提高了土样的渗透系数，但没有改变土体的性质，仍属于黏性土。

　　图3养护相同天数不同结晶氯化铝含量试样渗透系数对比

　　3.2不同养护天数相同结晶氯化铝含量试样的渗透系数对比

　　从图4可以看出，原土样随着养护天数的增加，其渗透系数先有变现的增大，而后有小幅下降保持一定水平保持稳定；结晶氯化铝含量05%的土样随着养护天数的增加，其渗透系数有小幅的增加，而后有小幅的下降；结晶氯化铝含量10%的土样随着养护天数的增加前14 d基本保持不变，而后有小幅增加保持不变；结晶氯化铝含量15%的土样渗透系数随着养护天数的增加基本保持稳定。

　　图4养护相同天数不同结晶氯化铝含量试样渗透系数对比

　　从以上分析可以得出如下结论：（1）原土样的渗透系数很小，其范围为10×10-10～60×10-9 m/s。与前人研究成果10×10-10～40×10-9 m/s相比，略大于前人研究成果。（2）从水文地质意义来说这种渗透系数的土层属于隔水层， 这和现实比较符合。（3）改良后土的渗透性有了很大提高，普遍是改良前的10～40倍。但这并没有改变其根本的性质，即粉质性黏土，这和实际也很符合。（4）一维固结试验属于常规土木试验，比较容易操作，即具有可操作性。（5）利用固结法求解黏性土的渗透系数在实际应用中是可行的[15]。

　　4讨论

　　（1）本文中假设土样在压缩过程中弹性模量为一固定值，实际上随着固结的进行其弹性模量是逐渐增加的，所以本文所求渗透系数会比实际的渗透系数偏大。

　　（2）在一维固结试验中，试样饱水过程中不可避免的会出现试样表面紧实度变小，如何处理表面所带来的计算误差有待于进一步研究。

　　（3）一维固结法求解黏性土渗透系数是对现有求解岩土样渗透系数的一种补充，特别是对求解黏性土渗透系数，该方法解决了变水头达西试验求解黏性土渗透系数过程中水头差太小的问题。

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