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含有机质土渗透特性的研究

2024-06-12 59 上传者：管理员

摘要：为了研究含有机质土的渗透特性，通过在蒙脱石、伊利石和高岭土中添加泥炭，分别配置了6组不同有机质含量的矿质土样。利用固结-渗透联合试验的结果，分析了固结压力、孔隙比、干密度、有机质含量及矿物成分对含有机质土渗透特性的影响。试验结果表明：随着固结压力、干密度、有机质含量的增加以及孔隙比的减小，渗透系数整体呈下降的规律。其关系可分为2个阶段：显著下降阶段及平缓下降阶段。在显著下降阶段，渗透系数随固结压力的变化幅度可达37%～78%；干密度、有机质含量提高1%，孔隙比降低1%，渗透系数分别降低1%～4%、2%～6%及1%～11%。在平缓下降阶段，渗透系数随固结压力的变化幅度为8%～11%；干密度、有机质含量提高1%，孔隙比降低1%，渗透系数分别降低0.2%～0.8%、0.5%～0.6%及0.9%～1.8%。矿物成分对土渗透特性的影响较大，3种矿质土的渗透系数由大到小为伊利石>高岭土>蒙脱石。

关键词：
固结压力
孔隙比
干密度
有机质
渗透系数
矿物成分
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土壤有机质（一般指腐殖质）是由动植物残体经过微生物的分解而形成的含碳多聚体化合物，具有孔隙结构丰富、表面积比较大、吸附性强等特点，对土的工程性质具有较大影响[1,2]。美国材料试验协会根据土中有机质的含量，以5%、20%、75%的有机质含量为界限，将土分为无机质土、有机质黏土、有机质淤泥、泥炭[3]。由此可知，在实际工程中，常见土的有机质含量变化幅度非常大。

渗透性是土的基本性质之一，反映土体的透水能力，与土体固结变形密切相关[4]。同时，土壤孔隙中水的渗透也会产生渗透力，改变土体本身的结构和原有的稳定状态[5]，因而有关土的渗透特性的研究一直是岩土工程研究的基本内容之一。根据土颗粒粒径大小可将土划分为无黏性土和黏性土。现阶段的研究认为孔隙比、颗粒级配、干密度、颗粒粒径、颗粒形状等决定了无黏性土渗透系数的大小[6,7,8,9,10]。黏性土由于其矿物成分本身具有特殊的结晶构造和带电特性，矿物颗粒与土孔隙中的液体存在相互作用，会在土颗粒表面形成双电层和结合水膜，影响渗流通道的大小[11,12,13]，因此，黏性土的渗透特性还与矿物成分、渗透液成分以及浓度有关[14,15,16,17]。而有机质作为一种物理化学性质较为复杂的物质，对土的渗透特性会产生重要的影响。现阶段的研究表明，随着有机质含量的增加，土中孔隙数量增加、孔隙直径减小及结合水膜增厚，并在三者的共同作用下土的渗透系数不断减小[18,19,20]。

综上所述，目前关于含有机质土渗透特性的相关研究较少。因此，本文通过系统的室内试验，分析固结压力、孔隙比、干密度、有机质含量及矿物成分对含有机质土渗透特性的影响，以期帮助人们增强对含有机质土的工程特性的了解，深化对土壤有机质的研究。

1、试验材料及方案设计

1.1 试验材料

本文采用人工调配的方法制备土样，以蒙脱石、伊利石、高岭土等3种土中常见的矿物成分为基质，通过添加天然泥炭分别制备6组有机质含量不同的土样[21]。蒙脱石、伊利石、高岭土购自古丈县山麟石语矿产品有限公司，粒径均小于1 mm。泥炭取自昆明市滇池北岸的湿地公园，取样深度约为0.3 m。矿质土及泥炭如图1所示，其基本物理指标见表1。

图1 矿质土及泥炭

1.2 土样制备

本文分别以蒙脱石、伊利石和高岭土为基质，配置6组有机质含量由低到高的土样。图2为不同有机质含量的伊利石基质土样。1#～6#伊利石基质土样的有机质含量逐渐增加，具体含量见表2。

表1 矿质土及泥炭的基本物理指标

图2 伊利石基质土样

表2 试验方案

将泥炭与基质土按比例混合后，用调土刀边搅拌边加蒸馏水，直到土样含水率超过液限。将调制好的土样密封放入恒温箱中90 d，使矿质土与有机质充分结合。混合土制备完成后，采用常规一维固结仪以25 kPa进行预压制样，并取部分土样测定其有机质含量。预压时间约为36 h，预压完成后再将土样制成高为40 mm、直径为61.8 mm的环刀样，并采用真空抽气法进行饱和。

1.3 试验方法

孔隙比、干密度、渗透系数等渗透固结参数采用固结-渗透联合试验获得（图3）。具体试验步骤如下：先对试样进行固结，固结荷载分别以0 kPa→25 kPa→50 kPa→100 kPa→200 kPa→400 kPa逐级加载；待每级变形稳定后记录固结变形量；之后在该固结压力下进行渗透试验。变形稳定标准为竖向变形不大于0.01 mm/h，具体试验方案见表2。

图3 固结-渗透联合试验

2、试验结果及分析

2.1 固结压力对渗透系数的影响

图4为3种基质土样的渗透系数-固结压力关系曲线。由图4可知：随着固结压力的增加，渗透系数整体呈下降的规律；渗透系数-固结压力关系曲线在100 kPa处可分为显著下降阶段及平缓下降阶段。在第1阶段，固结压力的变化对渗透系数的影响较大，渗透系数随固结压力的增加而大幅减小，减小幅度为37%～78%。在第2阶段，固结压力的变化对渗透系数的影响较小，渗透系数随固结压力的增加而减小，减小幅度为8%～11%。当固结压力小于100 kPa时，随着固结压力的增大，土中大孔隙被压缩，孔隙数量迅速减少，渗流通道的数量减少，使得渗透系数大幅度减小。而当固结压力超过100 kPa时，土中大孔隙大部分被压缩成中小孔隙，孔隙难以压缩，孔隙体积的减小速度降低，使得渗透系数减小速度降低。

图4 3种基质土样的渗透系数-固结压力关系曲线

2.2 孔隙比对渗透系数的影响

由于篇幅有限，仅列出有机质含量为0%时，3种基质土样的渗透系数-孔隙比关系曲线，如图5所示。由图5可知：随着孔隙比的减小，渗透系数整体呈下降的规律；渗透系数-孔隙比关系曲线可分为显著下降阶段及平缓下降阶段。在第1阶段，孔隙比的变化对渗透系数的影响较大，渗透系数随孔隙比的减小而大幅减小，孔隙比降低1%，渗透系数就降低1%～11%。在第2阶段，渗透系数随孔隙比的减小而逐渐减小，孔隙比降低1%，渗透系数就降低0.9%～1.8%。如前文所述，当固结压力较小时，土中孔隙体积和孔隙直径较大，孔隙直径的变化直接影响渗透通道的变化，渗透系数随孔隙比的减小而大幅减小。而当固结压力较大时，土中孔隙被大幅压缩，孔隙直径较小，结合水膜对土渗透特性的影响越来越重要，使得孔隙比对土渗透特性的影响减弱。

2.3 干密度对渗透系数的影响

由于篇幅有限，仅列出有机质含量为10%时，3种基质土样的渗透系数-干密度关系曲线，如图6所示。由图6可知：随着干密度的增大，渗透系数整体呈下降的规律；渗透系数-干密度关系曲线可分为显著下降阶段及平缓下降阶段。在第1阶段，渗透系数随干密度的增大而大幅减小，干密度提高1%，渗透系数就降低1%～4%。在第2阶段，渗透系数随干密度的增大而逐渐减小，干密度提高1%，渗透系数就降低0.2%～0.8%。土中水的渗透直接与孔隙直径有关，孔隙直径越大，渗透特性越好。当干密度较小时，随着干密度的增大，土中大孔隙逐渐变小，使得土的渗透系数迅速降低。当干密度较大时，土中绝大部分大孔隙已经转化为中小孔隙，同时结合水膜对土渗透特性的影响越来越大，这时干密度继续增大，渗透系数降低幅度不大。

2.4 有机质含量对渗透系数的影响

图7为3种基质土的渗透系数-有机质含量关系曲线。由图7可知：随着有机质含量的增加，渗透系数整体呈下降的规律；渗透系数-有机质含量关系曲线可分为显著下降阶段及平缓下降阶段。在第1阶段，有机质含量的变化对渗透系数的影响较大，渗透系数随有机质含量的增加而大幅减小，有机质含量提高1%，渗透系数就降低2%～6%。在第2阶段，有机质含量的变化对渗透系数的影响较小，渗透系数随有机质含量的增加而逐渐减小，有机质含量提高1%，渗透系数就降低0.5%～0.6%。土中有机质会在土颗粒间隙之间形成疏松多孔的有机质团聚体，影响土中渗透通道的联通。当土中有机质含量较少时，随着有机质的增加，土的渗透系数迅速降低。而当土中有机质含量较多时，有机质团聚体会充满土颗粒的间隙，土中大孔隙大部分被堵塞，土中孔隙基本为有机质团聚体的中小孔隙。此时有机质含量再继续增加，渗透系数降低幅度也不会太大。

图5 3种基质土样的渗透系数-孔隙比关系曲线

图6 3种基质土样的渗透系数-干密度关系曲线

图7 3种基质土样的渗透系数-有机质含量关系曲线

2.5 矿物成分对渗透系数的影响

图8为3种矿质土的渗透系数-固结压力关系曲线。由图8可知：矿物成分对土渗透特性的影响较大，蒙脱石的渗透系数远小于伊利石、高岭土，约为2种矿质土的1/6～1/4;3种矿质土的渗透系数由大到小为伊利石>高岭土>蒙脱石。矿物成分不同，其内部结构、晶体构成、颗粒排列方式各不相同，这造成了其物理力学性能的差异。虽然蒙脱石的孔隙比远大于伊利石、高岭土，但由于蒙脱石的液限和塑限高，吸水性强，其结合水含量较大、结合水膜较厚，有效孔隙直径小，使得蒙脱石的渗透系数远小于伊利石及高岭土。

图8 3种矿质土的渗透系数-固结压力关系曲线

3、结论

本文通过对3种含有机质土进行了固结-渗透联合试验，从固结压力、孔隙比、干密度、有机质含量及矿物成分等方面，分析了含有机质土渗透特性的规律及机制，其主要结论如下：

1）固结压力对渗透系数的影响可以分为2个阶段：显著下降阶段及平缓下降阶段。当固结压力小于100 kPa时，随着固结压力的增加，渗透系数将大幅度减小，减小幅度为37%～78%。而当固结压力超过100 kPa时，渗透系数减小速度将降低，渗透系数的减小幅度为8%～11%。

2）孔隙比对渗透系数的影响可以分为2个阶段：显著下降阶段及平缓下降阶段。当孔隙比较大时，渗透系数随孔隙比的减小而大幅减小，孔隙比降低1%，渗透系数就降低1%～11%。当孔隙比较小时，渗透系数随孔隙比的减小而逐渐减小，孔隙比降低1%，渗透系数就降低0.9%～1.8%。

3）干密度对渗透系数的影响可以分为2个阶段：显著下降阶段及平缓下降阶段。当干密度较小时，随着干密度的增大，渗透系数大幅度减小，干密度提高1%，渗透系数就降低1%～4%。当干密度较大时，渗透系数随干密度的增大而逐渐减小，干密度提高1%，渗透系数就降低0.2%～0.8%。

4）有机质含量对渗透系数的影响可以分为2个阶段：显著下降阶段及平缓下降阶段。当有机质含量较少时，随着有机质含量的增加，渗透系数将大幅度减小。有机质含量提高1%，渗透系数就降低2%～6%。当有机质含量较多时，渗透系数随有机质含量的增加而逐渐减小并趋于定值。有机质含量提高1%，渗透系数就降低0.5%～0.6%。

5）矿物成分对土渗透特性的影响较大。3种矿质土的渗透系数由大到小为伊利石>高岭土>蒙脱石。

参考文献:

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