不同方法测定水泥土渗透系数的研究

童煜霄，魏 松，陈 清，邓杰妹

(1.合肥工业大学土木与水利工程学院,合肥 230009;2.土木工程结构与材料安徽省重点实验室,合肥 230009)

0 引 言

因具有良好的物理力学性能，水泥土在工程建设中已得到广泛应用，相较于一般土体来说，水泥胶凝材料的加入使水泥土具有更好的防渗性能。许多学者开展了水泥土渗透方面的研究。侯永峰[1]、张雷[2]等利用南55型渗透仪研究水泥土的渗透性，研究结果表明，水泥土的渗透性能主要受到水泥掺量的影响，水泥土抗渗性能随着水泥掺量的增加而增强。Quang等[3]通过柔性壁渗透仪对水泥处理的粘土的渗透系数kT进行研究,研究发现，只有在水泥掺量大于8%时，水泥粘土的渗透系数才明显降低。同时，一些学者在水泥土中掺入聚丙烯酰胺[4]、膨润土[5-7]、含煤偏高岭土[8]、空气泡沫[9]等材料，研究水泥复合土渗透性变化规律。目前对水泥土的研究多集中于水泥土渗透性能变化的规律及外加剂对水泥土渗透性能的影响，对于测定水泥土渗透系数方法的研究较少。文献[10]提出用柔性壁渗透仪测定土壤与岩石等多孔材料的渗透系数，为水泥土类孔隙材料渗透特性的测试提供了参考。Jin等[11]提出了一种利用改进的渗透系数测试仪测量变质层渗透系数的实验室试验方法，可在劣化环境中测试水泥土的等效渗透系数和劣化深度，即可得到劣化层的渗透系数，对于后续测定水泥土渗透系数方法的研究起到了指导作用。

水泥土的渗透系数可以直观反映出水泥土的渗透性，测定水泥土渗透系数的方法是研究水泥土渗透性的基础,但目前水泥土渗透系数试验方法不统一,造成实际工作中易发生分歧和偏差，因此还有待研究。本文利用室内三轴渗透试验和变水头渗透试验测定钻墙取芯水泥土试样的渗透系数，同时进行现场原位钻孔降水头注水渗透试验，结合工程实际，讨论适用于测定原状水泥土渗透系数的试验方法，研究了三轴渗透试验中孔隙水压及围压对水泥土渗透系数的影响。并且在室内重新配制水泥土试样，进行三轴渗透试验、变水头渗透试验和水泥土抗渗试验，对相关方法进行论述。研究结果对于水泥土渗透性能的试验测定方法具有理论意义和重要参考价值。

1 实 验

1.1 方 法

图1 变水头渗透试验装置示意图

1.1.1 室内渗透试验

室内水泥土渗透试验方法有三种，一为《土工试验方法标准》[12]中利用南55型渗透仪进行的变水头渗透试验，二为《水泥土配合比设计规程》[13]中提出的采用水泥土渗透试验装置进行的水泥土抗渗试验，三为室内三轴渗透试验，试验仪器多为柔性壁渗透仪。

(1)变水头渗透试验

利用南55型渗透仪进行室内变水头渗透试验，装置示意图如图1所示。在试验过程中,试验水头逐渐下降，根据达西定律，试验时间t内经过土样的流量等于变水头管内下降的水量。由变水头管内水头下降的速度与时间的关系,按式(1)计算土样的渗透系数kT。

(1)

式中：a为变水头管截面积，cm2；L为渗径，等于试样高度,cm；A为试样横截面积，cm2；t为试验时间,s;Hb1为开始时水头,cm；Hb2为终止时水头,cm。

图2 水泥土渗透试验示意图

(2)水泥土抗渗试验

水泥土抗渗试验所用仪器为水泥土渗透仪，示意图如图2所示。其根据液压原理设计，利用密封容器内压力处处相等的原理，以水泵对整个系统输压，并通过电接点压力表或压力控制器在0.1～2.5 MPa的规定范围内逐级加压，实现压力水由下向上渗透压装在试模中的试件。最后一级压力加至水泥土试件表面有水渗出时，记录此时渗透压力，并在恒压状态下测定水泥土试件渗出的水量。由达西定律定律可知此时渗出的水量即为通过试样的流量，可根据式(2)与式(3)计算出水泥土的渗透系数。

(2)

(3)

式中：t为试验时间,s；A为试样横截面积,cm2；h为渗径，即试件高度,cm；V为经过试验时间t渗出的水的体积,mL；i为水力梯度；p为施加的渗透压力,MPa；γω为水的容重,N/cm3，取0.009 8 N/cm3。

(3)三轴渗透试验

室内三轴渗透试验采用应力应变控制式三轴剪切渗透试验仪测定水泥土试样的渗透系数，仪器照片如图3所示，三轴压力系统示意图如图4所示。应力应变控制式三轴剪切渗透试验仪属于多功能柔性控制三轴仪，利用其测水泥土渗透系数的试验原理与柔性壁式渗透试验大致相同，都可以保持水头不变，并且可以提供更大的渗透坡降,同时可以施加围压，可模拟现场应力状态进行试验。在设定的渗透水压力和围压的作用下，等渗流稳定之后，每间隔2 h测读连接排水管的体变管中的渗出水量。每组试验测读3～5次渗出水量，按式(4)计算其渗透系数，取试验结果平均值。

(4)

图3 应力应变控制式三轴剪切渗透仪

如果试样在围压作用下固结，则按式(5)计算:

(5)

式中：H′为固结后试样高度，cm；A′为固结后试样横截面积，通过试样直径面积计算，cm2。

1.1.2 现场钻孔注水试验

通常情况下，为了检测多头小直径防渗墙对堤防防渗的加固效果，采取现场对多头小直径防渗墙墙体进行钻孔降水头注水试验，测定墙体的渗透系数。主要观测孔内水位随时间的变化，时间间隔可根据孔内水位下降速度确定，要求孔内水位观测与时间要连续。观测水位下降速率从而确定滞后时间，通过相应的计算公式求得渗透系数kT。《水利水电工程注水试验规程》[14]提出了钻孔降水头渗透试验的方法，用于测定地下水位以下粉土、黏性土层或渗透系数较小的岩层。由于水泥土防渗墙为条形，需要考虑墙体厚度，根据《水利水电工程水泥土截渗墙试验测试规程》[15]计算水泥土防渗墙钻孔降水头注水试验渗透系数。

图4 三轴压力系统示意图

图5 钻孔降水头注水试验示意图

1.2 方 案

本文分别对钻孔取芯所制试样和室内配制试样进行渗透试验。钻孔取芯试样来自安徽某灌区续建配套与节水改造工程渗透治理工程的水泥土防渗墙。该工程所用水泥土防渗墙水泥掺入比为12%，试样取自桩号K6+030现场芯样上部，深度约为2 m，龄期大于28 d。

采取了现场钻孔注水试验、室内常规变水头渗透试验、室内三轴渗透试验的方法，测定防渗墙和水泥土芯样渗透系数，将试验结果进行对比，探寻测定水泥土芯样渗透系数的室内渗透试验方法。同时研究了孔隙水压和围压对水泥土芯样渗透性的影响。对室内配制水泥土进行室内常规变水头渗透试验、室内三轴渗透试验以及水泥土抗渗试验，比较三种试验方法，研究适宜测定室内配制水泥土渗透系数的试验方法。

1.3 试样的制备

现场取芯后将芯样带回实验室，经上下面、侧面打磨后，制备成φ3.91 cm×8 cm的圆柱体试样，用于进行室内三轴渗透试验。同时也打磨制备了φ6.18 cm×4 cm的环刀样，进行室内常规变水头渗透试验。

实际工程中需使用水泥搅拌桩防渗墙对渗漏段进行防渗处理的土体通常为渗透系数较大的透水结构物，故试验用土采用粉土。该粉土取自界首市沙颍河堤防开挖基坑，开挖深度约2 m。在实验室对试验土样进行基本试验，所得基本的物理指标如表1所示。

表1 土样基本物理指标

参照工程实际情况，确定室内配制水泥土试样的水泥掺入比为12%，水泥浆水灰比为0.6，分别制成φ3.91 cm×8 cm的三轴试样，φ6.18 cm×4 cm的环刀样和上头70 mm、下头80 mm、高30 mm的圆台样，每种试样各制4个试件，不拆模置于标准养护室养护28 d。

在室内三轴渗透试验中，调整围压及孔隙水压，然后在各种试验条件下对现场取芯所制水泥土试样进行试验。各组试验参数如表2所示。

表2 水泥土(钻芯取样)三轴渗透试验各组试验参数

2 实验结果

2.1 现场水泥土防渗墙钻墙取芯试样试验结果

现场取芯所制水泥土试样在围压作用下固结，并按照表2中的试验参数进行渗透试验，按式(4)进行计算，得到的结果如表3所示。

表3 水泥土(钻芯取样)三轴渗透试验结果

依据《土工试验方法标准》中的常规变水头渗透试验，取4个试样渗透系数测定值的平均，所测定的渗透系数为9.47×10-7cm/s。

现场钻孔注水试验即为原位渗透试验，常用于检测水泥土防渗墙防渗加固效果。现场钻孔注水试验所测定的渗透系数为1.01×10-7cm/s。

观察比较上述数据可得:

(1)用应力应变控制式三轴剪切渗透试验仪进行施加围压的三轴渗透试验在较高围压下测得的渗透系数接近现场钻孔注水试验所得的渗透系数，而用南55型渗透仪进行的常规变水头渗透试验所测定的渗透系数相对现场钻孔注水所测定的渗透系数大了近一个数量级。

(2)图6、图7分别为三轴渗透试验中孔隙水压和围压与渗透系数的关系曲线。在围压为0时，随着孔隙水压的增加，土体渗透系数变大(图6)。孔隙水压不变时，随着围压增大，渗透系数减小，存在一个阈值，阈值之前变化明显，阈值之后变化很小，这个阈值约为围压比孔隙水压大20 kPa(图7)。

图6 三轴渗透试验围压为0时，孔隙水压与渗透系数关系图

图7 三轴渗透试验中围压-渗透系数关系图

为更好地验证测定水泥土渗透系数的方法，室内重新配制水泥土试样并进行试验。将配制的环刀样进行变水头渗透试验，每个试样测定4次渗透系数取平均值，取4个试样平均值为最终测定的渗透系数，最终测定的渗透系数为1.04×10-7cm/s。

三轴试样则置于应力应变控制式三轴剪切渗透试验仪中进行三轴渗透试验，不考虑固结作用，未固结即加渗水压力。根据原状水泥土三轴渗透试验结果以及试验用土的性质，本次试验围压宜采用50 kPa，孔隙水头为20 kPa，最终测定的渗透系数为0.81×10-7cm/s。

截头圆锥型试件置于渗透试模中进行水泥土抗渗试验，先逐级加压，0.6 MPa开始有水渗出，之后在相同渗透压力下试验取平均值，作为该组试件的渗透系数。每个试件测定6次，取4个误差允许范围内的值取平均，作为该试件的渗透系数。最终测定的渗透系数为3.09×10-7cm/s。

表4 室内制样水泥土渗透试验结果

3 讨 论

3.1 三轴渗透试验与变水头渗透试验

土的渗透系数决定于土体孔隙直径的大小和流动液体的性质。改变水泥土的孔隙结构造成土体渗透通道发生改变，会对渗透系数产生影响。现场钻孔取芯时，存在应力释放现象，同时钻头的高速转动会对原状水泥土体造成扰动，取出的芯样和防渗墙中靠近孔洞区域的水泥土墙体都发生变形，内部孔隙空间改变，渗流通道变大。采用敲击的方法从钻头中取出芯样时，在外力的作用下芯样受到破坏，渗流孔隙体积发生变化。水泥土有一定凝结度，打磨成样的过程中时常会遇到水泥土崩坏的现象，产生一些孔隙，或者已有的孔隙变大，孔隙体积随之变大，渗透系数随着孔隙体积的增大而增大。

在三轴渗透试验中，应力应变控制式三轴剪切渗透仪可对试样添加围压，使试验土体受力情况接近原位状态。钻孔注水试验因为土体受到扰动，所得试验结果较三轴渗透试验略大，无法正确描述出水泥土防渗墙的渗透性。利用变水头渗透试验测定原状水泥土打磨成的试样的渗透系数时，所用仪器为南55型渗透仪，受到仪器条件限制，无法提供较大的外力使试样接近原位状态，孔隙体积相比原状土较大，致使试验结果较大。综上所述，三轴渗透试验比变水头渗透试验更适合测定原状水泥土(钻芯取样)渗透系数。

3.2 渗透系数与孔隙水压的关系

孔隙水压力的作用下饱和土体内发生渗流现象，水在土颗粒之间的孔隙间流动。渗流过程中遭受阻力，也就是土粒骨架对孔隙水流的阻力，其反力也就是水流作用于土粒骨架的渗透力。也就是说水压在试样中形成渗流，渗透力对土骨架产生作用[16]。渗透力将破坏土体骨架的稳定性，致使孔隙发生改变，土体变形，反过来孔隙的改变和土体的变形将会引起流体渗透性能的改变。

围压为0时，土体受到的外界压力较小，主要受到孔隙水压力提供的内部压力，渗流向上时渗透力将会使结构产生明显变化，改变土体内部结构，孔隙全部变为开敞型，从而改变土体的导水能力，土体的渗透能力发生变化。另一方面，土体中细颗粒在渗透力的作用下会发生偏转或移动，土体会进行部分颗粒重新排列，进而导致土体结构的变化和孔隙通道的变化，影响整体渗透性。随着孔隙水压力的增加，渗透力增大，渗流有效孔隙体积在渗透力的作用下慢慢增大，渗流通道扩大，渗透系数随之增大。

3.3 孔隙水压不变，渗透系数与围压的关系

由仪器给土体施加一个孔隙水压力，起到渗流作用，可称为渗流孔隙水压力，也叫驱动水压力。试样结构在外力的作用下受到破坏，组构杂乱排列，土体中孔隙较多，且组构之间的孔隙都是连通的，孔隙通道比较大。随着围压的增加，土体受到的压力增大，大孔隙变小孔隙，小孔隙闭合，土体更加密实，孔隙结构趋向稳定，孔隙比降低，土体中的渗流有效通道相对减小，渗透系数也随之明显变小。

赵天宇等学者[17]发现，增大围压在一定程度上可以引起固结压密使试样更密实，减小了试样的孔隙体积，导致试样的渗透系数降低。同时得出围压对渗透系数大的试样的影响程度更显著，因为渗透系数大的试样孔隙体积相对更大，容易被压缩。大孔隙在围压增大的过程中变小，在达到阈值后，剩下的都是小孔隙，围压的增加固然会使小孔隙闭合，但渗流有效孔隙总体积变化不大，围压继续增加，渗流有效孔隙体积几乎不变，因此渗透系数趋于稳定。

3.4 室内试样的三种试验结果

变水头渗透试验和泥土抗渗试验所用仪器分别为南55型渗透仪和水泥土渗透仪，两个仪器中的试样周围存在侧向约束。三轴渗透试验中，可利用应力应变控制式三轴剪切渗透试验仪对试样施加较大围压，受力状态也更贴近工程实际。同时，三者的渗流方向均为从下至上，渗流过程中试样产生渗透力，方向也是从下至上。

南55型渗透仪有上盖，由于人工操作的误差性，会使上盖与试样产生接触上盖，对于试样有一定的压力。当渗透力大于渗透强度时，超过渗透强度的部分渗透力作用于上盖，由牛顿第三定律可得，试样上表面会受到上盖的压力[18]。应力应变控制式三轴剪切渗透试验仪既能施加垂直方向的压力，也可以施加侧向压力，由此可知南55型渗透仪和应力应变控制式三轴剪切渗透试验仪中，试样的受力状态相似。水泥土渗透仪无上盖，当渗透力大于渗透强度时，渗出的水就会直接流出，试样上表面无荷载。水泥土抗渗试验加压至0.6 MPa开始有水渗出，表明变水头渗透试验中2 m水头产生的渗透力并未超出水泥土的渗透强度，则试样上表面无上盖压力，除试样内部受到的渗透压力外，受力状态与水泥土渗透仪中的受力状态相似。三种仪器中的试样统一配制，试样特性也相同，故三种试验方法的结果相近。

变水头渗透试验以及水泥土渗透试验中，试样需大小适中，与试模紧密贴合，否则会产生裂缝，装样的状态和试样精度对试验结果影响较大，容易造成误差，并且需要人工读数，耗费精力颇多。三轴渗透试验试验采用计算机读数，较为精准，对试样精度要求较低，但其对仪器操作要求较高且试验周期较长，耗时久，比较适合时间宽裕的情况。在进行水泥土渗透试验时，可根据实际情况选择相应的试验方法。

4 结 论

(1)测定原状水泥土试样(钻芯取样)渗透系数时，用应力应变控制式三轴剪切渗透试验仪进行施加围压的三轴渗透试验较常规变水头渗透试验更加准确，对于防渗墙渗透性的检测更具有代表性。

(2)三轴渗透试验中，围压为0时，原状水泥土试样(钻芯取样)的渗透系数会随着孔隙水压的增加而增加。

(3)三轴渗透试验中，保持孔隙水压不变，随着围压的增加，原状水泥土试样(钻芯取样)的渗透系数会减小，当围压比孔隙水压约大20 kPa后渗透系数趋于稳定。

(4)测定室内配制的水泥土试验的渗透系数时，变水头渗透试验、三轴渗透试验及水泥土抗渗试验三种方法所得试验结果相接近,即三种试验方法都可用于测定水泥土(室内配制)渗透系数。