关中平原湿陷性黄土渗透特性试验研究
时间：2023-01-23 11:50:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
杨 俊，严耿升，胡向阳，赵 成，韦 佳
(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710000)
黄土沉积过程中特殊的形成环境(干旱和半干旱的气候条件)和物质成分(以粉粒为主,含量一般在60%以上)形成了其欠压密、多孔隙、弱胶结的结构特征和特殊的工程性质(水敏性、大孔性、结构性等)[1-3]，这种结构使得黄土在一定压力作用下下沉稳定后，受水浸湿结构迅速破坏并产生显著附加下沉的性质称为湿陷性，是其最典型的特殊工程性质之一[4]。湿陷变形是一种下沉量大、下沉速率快的失稳变形，对于建筑物危害很大。而土具有的被水透过的性能称为土的渗透性，其通常用渗透系数表征，土的渗透性是土的主要工程性质之一。水在土体中渗透会引起土体内部应力状态的变化，从而改变建筑物或地基的稳定条件。人们对土渗流问题的研究历史久远，以达西定律为基础的渗流理论，经过不断的完善和发展，形成了现在的渗流力学。
黄土的湿陷性和渗透性相互影响，黄土湿陷就是由于水的渗透浸润引起的，而渗透特性又直接决定着湿陷的发生和发展，因此，渗透性与湿陷性是一个统一过程的两个部分[5-7]。为此，我们有必要对湿陷性黄土的渗透特性进行研究，从而给土工建筑物或地基的勘察、设计及施工提供必要的资料。
大量学者在进行湿陷性黄土的渗透特性研究时，采用了不同的试验方法[8-13]，但大部分都是基于一种试验方法进行研究，未能进行不同试验方法的对比研究[14]，基于此，本次采用不同的试验方法对黄土渗透特性进行了研究，得出适用于湿陷性黄土渗透特性的试验方法，具有一定的现实意义。
1.1 试验区概况
本次研究以关中平原渭河南岸湿陷性黄土研究为主，试验区的工程地质概况如下。
1.1.1 地形地貌
关中平原位于黄河流域中部，渭河横贯关中平原，由西向东汇入黄河，渭河河槽地势低缓，海拔322～600 m，渭河南北两侧地势由一二级河流阶地到高出渭河200～500 m的一级或二级黄土台塬，呈不对称阶梯状增高。由南向北地貌单元均为流水地貌形成的低海拔平原，主要有山前洪积扇、倾斜的洪积平原(F11Eb)和冲洪积平原(F11Db)，由南向北地势总体由高降低。
1.1.2 地层岩性
关中平原的湿陷性黄土，主要分为黄土状土和黄土。其中黄土状土(Q4al)以粉粒为主，呈灰黄色，大孔隙发育，具湿陷性，主要分布于一级阶地上。黄土又包括自早更新世(Q1eol)到晚更新世(Q3eol)各个时期的黄土，但由于早更新世(Q1eol)黄土和中更新世早期(Q21eol)黄土埋藏较深，一般地基涉及的黄土主要为中更新世晚期(Q22eol)黄土和晚更新世(Q3eol)黄土。晚更新世(Q3eol)黄土呈黄褐色，大孔发育，土质疏松，具有湿陷性。底部古土壤呈棕褐色，块状结构，富含白色，钙质粉末、钙质结核，见铁锰黑色斑点。中更新世晚期(Q22eol)黄土呈褐黄色，孔隙不发育，局部顶层有轻微湿陷性，上部夹有四层棕色古土壤。
1.1.3 水文地质特征
关中平原渭河以南地下水潜水埋深具有由南向北变小的规律，西安市南部郊区、长安县一带水位埋深一般大于20 m，西安市北郊，尤其是接近渭河的一级阶地及河漫滩地带，地下水位小于5 m，西安市城区及周边，地下水埋深为5～20 m。潜水的补给有大气降水、地表水渗入、承压水的顶托补给及区外迳流补给等。潜水流向与地形总体坡度一致，主要流向北北西，近渭河处向北东方向偏转。金华路以东地下水向北东流向浐河。潜水排泄方式主要为迳流排泄、人工开采、潜水越流排泄及蒸发消耗等。
1.2 试验方法
1.2.1 室内变水头渗透试验
目前室内进行的渗透试验有常规渗透试验和三轴渗透试验，本次研究采用了常规渗透试验进行黄土的渗透特性研究。室内渗透系数测试过程中，首先需要对试样进行饱和，即测得的渗透系数为饱和渗透系数。关中平原黄土以粉质黏土为主，故采用变水头渗透试验。
变水头渗透试验的试验原理符合达西定律，其推导出变水头渗透试验的渗透系数计算公式如下:
(1)
式中：a为变水头管界面剂(cm2)；
A为试样断面积(cm2)；
t为时间(s)；
L为渗径(cm)，等于试样高度；
H1为开始时水头(cm)；
H2为终止时水头(cm)。
1.2.2 双环渗透试验
试坑渗透试验，为一种原位测试渗透系数的试验，通过该方法获得的是土体的非饱和渗透参数。试坑渗透试验方法有双环法和单环法，砂土及粉土宜用单环法，黏性土宜用双环法。关中平原黄土以粉质黏土为主，故采用双环注水试验。双环注水试验的基本原理是利用内环渗水模拟垂向一维渗流来测试地层垂向渗透系数[15]。双环法渗透试验的渗透系数计算公式如下：
(2)
式中：Q为渗透水量(cm3)，双环法为内环渗透水量；
t为时间(s)；
Ah为铁环面积(cm2)，双环法为内环面积；
Hy1为试验时水的人渗深度(cm)；
Hy2为贮水坑中水的深度(cm)；
Hy3为相当于作用毛细管力的水柱高度(cm)，查表获取。
2.1 室内变水头试验结果分析
在试验区内随机采取了45组试样，进行了室内变水头渗透性试验，获取了基本物理参数及渗透系数，如表1所示。
依据试验资料，对各类基本物理参数对黄土渗透性的影响进行数据拟合及评述：
2.1.1 干密度
图1 干密度对渗透系数的影响
拟合公式：
k=-0.103×ρd2+0.129×ρd+0.081
方差(SSE): 0.016 64
确定系数(R-square): 0.491 3
校正后确定系数(Adjusted R-square): 0.465 2
标准差(RMSE): 0.020 66
由图1可知，在干密度较大时，数据较为集中，曲线拟合较好，在干密度较小时，渗透系数较为分散，主要原因为土体受到一定扰动。依据拟合曲线，整体影响趋势为随着干密度的增大，密实度增加，空隙减少，渗透系数随之减小。
2.1.2 孔隙比
图2 孔隙比对渗透系数的影响
图3 初始饱和度对渗透系数的影响
拟合公式：k=-0.076×e2+0.272×e-0.127
方差(SSE): 0.016 82
确定系数(R-square): 0.485 9
校正后确定系数(Adjusted R-square): 0.459 5
标准差(RMSE): 0.020 77
由图2可知，在孔隙比较小时，数据较为集中，曲线拟合较好，孔隙比较大时，数据较为离散，因为扰动的影响，孔隙增大，土体的渗透状态发生了变化。依据拟合曲线，整体影响趋势为随着孔隙比的增大，密实度减小，渗透系数随之增大。由于水只能通过为水所充填的孔隙空间流动，所以充水孔隙的比例是影响渗透性的重要因素。
表1 室内试验成果表
2.1.3 初始饱和度
拟合公式：k=-0.001×sr+0.103
方差(SSE): 0.023 35
确定系数(R-square): 0.286 2
校正后确定系数(Adjusted R-square):0.268 4
标准差(RMSE): 0.024 16
由图3可知，整体数据较为离散，曲线拟合较差，初始饱和度与渗透系数的相关性较差。依据拟合曲线，随着初始饱和度的增大，渗透系数减小，主要原因为在试验过程中，饱和度较低的土体未能完全饱和，整个过程中伴随着土体的吸水，饱和度较高时，且存在游离气泡，引起饱和度较低的土反而渗透系数减大。
2.1.4 初始含水率
图4 初始含水率对渗透系数的影响
拟合公式：k=0.001×w2-0.029×w+0.342
方差(SSE):0.028 44
确定系数(R-square): 0.130 6
校正后确定系数(Adjusted R-square): 0.085 98
标准差(RMSE): 0.027 01
由图4可知，整体数据较为离散，曲线拟合较差，初始含水率与渗透系数的相关性较差。依据拟合曲线，随着初始含水率的增大，渗透系数先减小后增大，渗透系数最小点对应含水率接近土体塑限，亦即初始含水率接近土体塑限时，渗透系数最小。
2.2 双环渗透试验结果分析
在试验区范围内，开展了三组双环渗透试验，试验成果见表2，Q-t曲线如图5～图7所示。
表2 双环渗透试验成果表
图5 双环渗透试验1 Q-t曲线
根据试验的Q-t曲线可知，双环渗透曲线整体趋势表现为在起初的几十分钟内平均渗透流量都呈现骤减趋势，在降到一定程度后，出现一个短暂的稳定平台，而后逐渐趋于稳定，在曲线的末端渗透稳定后，即可得到非饱和渗透系数[15]。因此，双环渗透试验的渗流过程可以分为三个阶段：
2.2.1 骤降阶段
该阶段渗流曲线呈现骤降趋势，其主要原因是非饱和黄土的吸水、大孔隙的及节理的填充，这个过程中水消耗量较大且时间较快，孔隙中的气体逐渐形成气泡。
2.2.2 暂时稳定阶段
该阶段渗流曲线逐渐平缓，呈现一个短暂的平台，其主要原因是随着水的不断下渗，孔隙中的水压力不断增加，迫使孔隙中的气泡被排出，孔隙逐渐被水充满，这个过程较为短暂。
2.2.3 稳定渗流阶段
该阶段渗流曲线平缓，渗透流量趋于稳定，持续时间较长且渗流量基本不变，此阶段的渗透流量即可反应黄土的非饱和渗透性能。
图6 双环渗透试验2 Q-t曲线
图7 双环渗透试验3 Q-t曲线
2.3 试验结果对比分析
(1)室内变水头渗透试验测得的渗透系数为饱和渗透系数，其没有考虑围压的影响，土从原位取出后有一个应力释放过程，未能真实的反应土的渗透能力。双环法现场试验测得的渗透系数为非饱和渗透系数，其渗流过程可以分为三个阶段。在实际工程中，土体很难达到实验室的完全饱和状态，所以非饱和渗透系数更能反映土体的性质。
(2)对比室内变水头渗透试验跟双环法现场测试结果，发现室内试验测得的渗透系数偏小，原因主要是在取样过程中或多或少对土体结构造成了扰动，导致孔隙比、密实度变化，原有孔隙及裂隙发生了变化甚，渗流通道被堵塞。而且现场试验空间尺度更大，更能体现原状土的结构特征，代表性更强。
2.4 黄土特性对渗透性的影响
根据试验结果，发现黄土特性对渗透性有很大的影响，其影响主要有：
2.4.1 黄土结构的影响
渗透主要发生在土的孔隙中，湿陷性黄土浸水后，在固结压力及土水共同作用下，其原状大孔隙结构迅速破坏而发生湿陷，土中孔隙的大小与数量等均发生变化，土颗粒重新排列而形成新的密实结构，孔隙的连通性变差，土体变得致密，从而使得土体的渗透性降低。
2.4.2 黄土构造的影响
黄土节理在黄土层中发育极为普遍，特别是垂直节理更为普遍，构成黄土的主要特征之一。这些节理是黄土区地下水运移的主要通道，也是渗流的优势通道，由于这些节理的存在，将导致渗透性能激增。
2.4.3 黄土成分的影响
湿陷性黄土中土颗粒由胶结物粘着在一起，胶结物附着于土颗粒表面或存在于土颗粒之间，而胶结物的主要成分为粘土矿物和盐分，随着水的入渗造成胶结物中的中溶盐(如二水硫酸钙)、易溶盐(如碳酸盐、重碳酸盐、硫酸盐、氯化物等)以及可溶性胶结物的溶解，在固结压力和土水共同作用下，导致土骨架溃散，土体结构破坏，颗粒排列变密实，孔隙连通性降低，渗透性能变差。
综上可见，土的结构、构造以及土体成分是影响黄土渗透性的重要因素，三者之间的共同作用使得湿陷后土体结构遭到破坏，颗粒排列变得密实，孔隙连通性降低，从而渗透性能变差。此外，由于黄土形成原因导致了其明显的各向异性，竖直向渗透系数往往大于水平向渗透系数，随着湿陷的发生，其差异逐渐减小。
(1)黄土的结构、构造以及土体成分是影响黄土渗透性的重要因素，黄土湿陷后，渗透系数明显变小。
(2)土体的干密度和孔隙比对土体的渗透系数影响较大，相关性较高，随着干密度的增大及孔隙比的减小，渗透系数减小。
(3)土体的初始饱和度和初始含水率对土体的渗透系数也有一定影响，但相关性较低，随着初始饱和度的增大，渗透系数减小，初始含水率达到土体塑限时，渗透系数最小。
(4)室内试验测得的渗透系数为饱和渗透系数，双环法现场试验测得的渗透系数为非饱和渗透系数，室内试验测得的渗透系数偏小，双环法现场试验更贴近工程实际。在实际工程中，渗透系数建议通过现场渗透试验获取。
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