粗粒土渗透特性影响因素及渗透规律试验研究

摘要： 影响粗颗粒土渗透特性的因素有很多。通过室内渗透试验，采用不同的试验条件，研究了粗颗粒土的干密度ρd、细料含量P5、孔隙比e和不均匀系数Cu对渗透系数的影响，分析了粗颗粒土的干密度ρd、细料含量P5、孔隙比e和不均匀系数Cu与渗透系数之间的关系，建立了粗颗粒土的干密度ρd、细料含量P5、孔隙比e和不均匀系数Cu与渗透系数之间的关系式。

Abstract： Many factors have influence on permeability of coarse-grained soil. By the results of seepage tests and byusing different test conditions， the paper studies on the influence of coarsegranular soil dry density ρd， fines content P5， void ratio e and nonuniform coefficient Cu to the permeability coefficient， analyzesthe relation between coarse granular soil dry density ρd， fines content P5， void ratio e， nonuniform coefficient Cu and permeability coefficient. Thus there isa relational expression between coarse granular soil dry density ρd， fines content P5， voidratio e， nonuniform coefficient Cu and permeability coefficient.

关键词： 粗颗粒土；干密度；细料含量；孔隙比；不均匀系数；渗透系数；渗透规律

Key words： coarse-grained soil；dry density；fine content；void ratio；nonuniform coefficient；permeability coefficient；seepage regulation

中图分类号：TV443 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）36-0105-03

0 引言

粗颗粒土是按工程分类标准定名的一类土，不同的国家和部门，其划分标准不同，并存在一定的差异。法国道路规范把60mm>d>0.01mm，质量比大于50%的土成为粗粒土；美国公路工作者协会把76.2mm>d>0.075mm，质量比大于50%的土称为粗粒土，美国工程师兵团、垦务局、材料试验学会把d>0.075mm，质量比大于50%的土称为粗粒土[1]。

我国国家标准、水利部行业标准把60mm>d>0.075mm，含量大于50%的土划分为粗粒土，且细分为粗粒类土、砾类土和砂土[2]。在粗颗粒土工程特性研究中，我国习惯用固定粒径5mm（P5）作为粗颗粒土的粗、细料的分界，把d>5mm的颗粒称为粗料，把d<5mm的颗粒称为细料。

粗颗粒土具有压实性好、填筑密度大，承载力高、抗剪强度大、沉陷变形小等诸多优良工程特性，已在建筑土石坝、高速公路路基、人工筑岛、建筑物地基以及处理一些沿海沿湖建筑物软弱地基的垫层等工程建设中广泛使用，特别是水利水电工程。随着水利水电工程设计能力、施工技术和材料试验水平的提高，对大坝筑坝材料的限制有较多的突破和放宽，粗颗粒土已经称为土石坝的主要建筑材料，一般可占坝体工程量的70%～90%。但粗颗粒土也存在一些缺点，比如颗粒均匀性差、抗渗性能低，在水流长期作用下，容易发生管涌、流土破坏。实际工程中，国内外由渗流引起的工程事故也非常多。如1973年7月9日，河北娄子山水库输水洞渗流漏水，库水位抬高后，造成溃坝[3]。1961年7月，印度的潘谢特（Panshet）大坝在其一期工程接近竣工时失事，管涌破坏被认为是失事的主要原因之一[4]。1976年6月5日，美国的提堂大坝在初次蓄水时由于靠近坝肩的心墙料发生管涌破坏而溃坝。因此，对筑坝粗颗粒土材料的渗透特性研究非常重要。

决定粗颗粒土渗透特性的因素有很多，除了渗流介质、温度、仪器、测试方法、粒径特性之外，细料含量和细料性质是主要的内在因素[5]。本文通过对粗颗粒土进行室内渗透试验，研究分析粗颗粒土的干密度ρd、细料含量P5、孔隙比e和不均匀系数Cu对渗透系数K20（标准温度下的渗透系数）影响以及干密度ρd、细料含量P5、孔隙比e和不均匀系数Cu与渗透系数K20之间的关系式。

1 试验装置、试验方法和试验内容

1.1 试验装置

本次粗颗粒土垂直渗透仪采用的是试验室自制的垂直渗透变形仪，它由试样金属筒（内径50cm×高度25.5cm）、上下两块透水金属板（直径50cm×厚度1.5cm×孔径1.2cm）、测压管（试样筒两侧对称安装了上、中、下6根，上中、中下测压管间距为10cm）出水口（与底部透水板之间的距离为25.5cm）试样筒支架（水平和垂直）、供水装置等组成。供水装置包括供水管、溢水管、水桶、输水管、绞车。具体试验装置如图1。

1.2 试验方法

采用常水头渗透的试验方法，采用低水头饱和法，饱和时间均不低于24h。加第一级水头时，初始坡降可为0.02～0.03；然后一般按0.05、0.1、0.15、0.2、0.3、0.4、0.5、0.7、1.0、1.5、2.0…等坡降递增。在接近临界坡降时，渗透坡降递增值应酌量减小。如果各级连续3次测得的水位及渗水量基本稳定，又无异常现象，即可提升至下一级水头。当水头不再继续增加或试样破坏时，试验即可结束。本次试验依据达西渗流定理V=KJ[6]来计算粗颗粒土料的渗透系数，并将试验水温下所测得的渗透系数KT换算到标准温度下的渗透系数K20。

1.3 试验内容

取某水电站筑坝粗颗粒土料人工进行配料成12个试样对粗颗粒土渗透特性进行研究，本次试验严格按照中华人民共和国土工试验标准《土工试验规程》（SL237-1999）进行试验，并对试验数据进行多角度的分析。试样土样的颗粒粒径在0.0～60mm，试样编号为1-1～4-4，试验级配数据和试验级配曲线见表1和图2，试样室内含水率为2.1%、干容重为25.89kN/m3。各试样制样干密度ρd、孔隙比e、细料含量P5、特征粒径、不均匀系数Cu和渗透系数K20见表1。

①控制试样细料含量P5和不均匀系数Cu，改变试样干密度ρd和孔隙比e，探究分析干密度和孔隙比对试样的渗透系数K20的影响，并建立干密度与渗透系数之间的关系式、孔隙比与渗透系数之间的关系式。

②控制试样干密度ρd和孔隙比e，改变细料含量P5和不均匀系数Cu，探究分析细料含量和不均匀系数对试样的渗透系数K20的影响，并建立细料含量与渗透系数之间的关系式、不均匀系数与渗透系数之间的关系式。

2 试验结果及分析

2.1 控制试样细料含量P5和不均匀系数Cu，改变制样干密度ρd和孔隙比e，探究分析干密度和孔隙比对试样渗透系数K20的影响，建立干密度与渗透系数之间的关系式、孔隙比与渗透系数之间的关系式。

图3、图4分别为试样在不同细料含量P5和不均匀系数Cu条件下，试样干密度与渗透系数K20的关系曲线图和试样孔隙比与渗透系数K20的关系曲线图。从图3、图4中可以看出，在细料含量P5和不均匀系数Cu相同的情况下，随着干密度ρd的增大，渗透系数K20减小；随着孔隙e增大，渗透系数K20增大。同时也可看出，当细料含量P5<30%时，随着试样干密度增大、孔隙比e减小，渗透系数K20减小幅度较大。当细料含量P5？芏30%时，随着试样干密度增大、孔隙比e减小，渗透系数K20减小幅度较小。

同时可以得到试样的干密度和渗透系数K20的线性相关公式：P5=10% y=-693.1x+1788.10，相关系数为0.874；P5=20% y=-194.6x+504.70，相关系数为0.968；P5=30% y= -19.48x+50.25，相关系数为0.940；P5=40% y=-48.91x+108.5，相关系数为0.974。可以得到试样的孔隙比和渗透系数K20的线性相关公式：P5=10% y=1181.1x+28.86，相关系数为0.880；P5=20% y=331.2x+10.84，相关系数为0.971； P5=30% y=33.18x-0.805，相关系数为0.944；P5=40% y=83.23x-15.51，相关系数为0.977。因此，可见此次试验所用试样的干密度ρd、孔隙比e均和渗透系数K20存在一定的线性关系。

2.2 控制试样制样干密度ρd和孔隙比e，改变试样细料含量P5和不均匀系数Cu，探究分析细料含量和不均匀系数对试样渗透系数K20的影响，建立细料含量与渗透系数之间的关系式、不均匀系数与渗透系数之间的关系式。

图5、图6分别为试样在制样干密度ρd和孔隙比e相同条件下，试样细料含量P5与渗透系数的关系曲线图和试样不均匀系数Cu与渗透系数的关系曲线图。从图5中可以看出，在制样干密度ρd和孔隙比e相同的情况下，随着细料含量P5的增大，渗透系数K20越小。而且，当细料含量P5<30%时，试样随着细料含量P5的增大，渗透系数K20减小幅度较大。当细料含量P5？芏30%时，试样随着细料含量P5的增大，粗料之间的孔隙全部被细料填充，甚至有部分粗料颗粒被细料撑开，这时细料颗粒也参与骨架作用，大小颗粒相互紧密接触，渗透系数K20减小幅度较小。从图6中可以看出，在制样干密度ρd和孔隙比e相同的情况下，随着不均匀系数Cu的增大，渗透系数K20越小。

同时通过图7、图8可以得到试样的细料含量P5和渗透系数K20的指数相关公式：y=1439.e-0.15x，相关系数为0.948；试样的不均匀系数Cu和渗透系数K20的幂函数相关公式：y=40383x-2.89，相关系数为0.959；可见本次试验所用的试样的细料含量P5和渗透系数K20存在一定的指数关系，不均匀系数Cu和渗透系数K20存在一定的幂函数

关系。

3 结论

通过本次试验结果整理，得到以下结论：

①在细料含量P5和不均匀系数Cu一定的情况下：随着干密度ρd的增大，渗透系数K20越小；随着孔隙比e的增大，渗透系数K20越大。而且，当细料含量P5<30%时，随着试样干密度增大、孔隙比e减小，渗透系数K20减小幅度较大。当细料含量P5？芏30%时，随着试样干密度增大、孔隙比e减小，渗透系数K20减小幅度较小。

②在制样干密度ρd和孔隙比e一定的情况下：随着细料含量P5的增大，渗透系数K20越小；随着不均匀系数Cu的增大，渗透系数K20越小。而且，当细料含量P5<30%时，试样随着细料含量P5的增大，渗透系数K20减小幅度较大；当细料含量P5？芏30%时，试样随着细料含量P5的增大，渗透系数K20减小幅度较小。

③本次所用的试样干密度ρd、孔隙比e与渗透系数K20存在一定的线性关系，细料含量P5和渗透系数K20存在一定的指数关系，不均匀系数Cu和渗透系数K20存在一定的幂函数关系。

参考文献：

[1]郭庆国.粗粒土工程特性及应用[M].郑州：黄河水利出版社，1999：6-10.

[2]南京水利科学研究院.SL237-1999土工试验规程[S].北京：中国水利水电出版社，1999：2-6.

[3]李广信，周晓杰.土的渗透破坏及其工程问题[J].工程堪察，2004，5：10-13.

[4]Singh， B.， and Varshney， R.S. Engineering for Embankment Dams[M].Balkema，Brookfield，USA，1995.

[5]郭庆国.关于粗颗粒土工程特性及分类的探讨[J].水利水电技术，1976，6：53-57.

[6]张伯平，党进谦编著.土力学与地基基础[M].西安：西安地质出版社，2001：28-35.