細顆粒含量對極細砂滲透性的影響規律和細觀機理

唐 凱,郭 丹，沈才華，喬曉龍，王業釗

(1.保利長大海外工程有限公司，廣東 廣州 510623；2.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；3.山東科技大學土木工程與建筑學院，山東 青島 266590)

粒徑較小的砂土如粉細砂、極細砂具有滲透穩定性差、滲透系數受粒徑影響大、滲流作用下細顆粒易流失的特點，它在天然土層中的含量對工程安全具有重要影響，對于土層中存在這類細砂層的工程，在地下水的作用下，易產生流砂、涌砂，進而發生滑坡、坍塌、支護結構破壞等現象[1-2]。因此，有關粒徑較小的砂土滲透性的研究一直是熱點研究課題。

對于不同級配、不同顆粒形狀以及不同地區砂土的飽和滲透性的研究已有很多成果，這對探討極細砂的飽和滲透性具有重要指導意義?？琢顐サ萚3]通過室內試驗，發現砂土的飽和滲透系數隨細粒含量(質量分數，下同)的增加而減小，并且在細粒含量為5%、5%～10%、25%時有顯著區別。齊俊修等[4]統計分析了50余個細砂試樣的物理性質及相應的滲透系數，發現當細砂干密度在1.36～1.93 g/cm3時，其滲透系數主要分布在(8～3.0)×10-3cm/s區間內。石宇涵[5]對粉細砂進行的滲透試驗和顆分試驗結果表明，粉細砂粒徑較小，骨架顆粒之間的孔隙被細顆粒填充，使得試樣密度增大，孔隙率降低，滲透性減弱。史志敏[6]通過試驗研究發現，砂土的平均粒徑有一個臨界值0.37 mm，超過該值后，平均粒徑對砂土飽和滲透性的影響尤其顯著。張翔[7]對砂土滲流過程中的顆粒流失情況進行了試驗研究，發現當土體中的細顆粒含量小于35%時，細顆粒易在滲流作用下從粗顆粒骨架間的孔隙中流失，細顆粒含量為35%時土體最為穩定。Ueng等[8]對細砂液化過程中的滲透系數進行了試驗研究，發現液化區的滲透系數隨著向上流速的增大而增大。Xu等[9]通過室內模型試驗研究了Ca2+濃度對砂-膨潤土滲透性的影響，結果表明Ca2+濃度對混合土的滲透特性有較大的影響，土體會在化學反應的作用下發生轉化，從而降低土體的防滲性能。

在海岸港口工程中，富含極細砂的土層在遇外力作用后易產生隆起、沉降、驟淤等現象，導致這類地質條件下的海岸港口工程施工難度較高[10]。由于試驗條件等限制，目前細顆粒含量對極細砂土層滲透特性、工程安全特性等方面的研究還不成熟，理論體系尚不完善。為此，本文基于毛里塔尼亞港池建設M201項目，從工程現場取回極細砂樣本(以下簡稱“砂樣”)進行顆粒級配試驗，考慮到沿海岸沙灘的空間不均勻分布特性，采用相應級配的室內配置砂進行滲透試驗，研究不同細顆粒組成對極細砂飽和滲透性的影響規律，并采用掃描電鏡技術初步探討了細顆粒含量對極細砂滲透性的影響機理。

1 砂樣顆粒級配及砂粒成分分析

針對毛里塔尼亞工程現場取回的砂樣，根據GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》進行顆粒篩分試驗，試樣細度模數均值為0.838 348，質量損失率為0.1229%。篩底粒徑小于0.16 mm的顆粒占總質量的20.2%，已大于1%，需要對粒徑小于0.16 mm的細顆粒繼續進行粒徑分析。依據GB/T 19077—2016《粒度分布激光衍射法》，采用BT-9300S型激光粒度分布儀對細顆粒進行粒徑分析，采用濕法制樣，液體分散介質為蒸餾水，光學模式為Mie模式。為了提高測試精度，第一次測試添加少量砂樣(2 g)進行分析，測試完再添加2 g砂樣進行測試，總共進行5次測試，共添加砂樣10 g，取5次測試結果的平均值，得到砂樣的顆粒級配曲線如圖1所示。

圖1 砂樣顆粒級配曲線

為更好地描述砂樣的粒徑范圍及粒度組成，本文在GB/T 50145—2007《土的工程分類標準》的基礎上，結合王瑞東等[11-13]的研究成果，將粒徑在0.05～0.25 mm范圍的砂統稱為極細砂，并根據標準土壤細篩的篩孔直徑(從大到小分別為2 mm、1 mm、0.5 mm、0.25 mm、0.1 mm和0.075 mm)，利用不同篩孔直徑標準篩的對應目數，對砂樣的粒徑區間和顆粒做進一步劃分。根據圖1，砂樣的組分中，粗砂(d=1～2 mm)約占總質量的0.0355%，中砂(d=0.5～1 mm)約占0.1416%，中細砂(d=0.25～0.5 mm)約占3.7%，細砂(d=0.1～0.25 mm)約占93.372%，粉細砂(d=0.075～0.1 mm)約占2.117%，細粒(d≤0.075 mm)約占0.633 6%。

從圖1可以看出，本工程砂樣的粒徑級配過于集中，呈明顯的臺階狀，其粒徑主要分布于0.1～0.16 mm范圍內。由圖1可得限制粒徑d60=0.153 53 mm，中值粒徑d30=0.1484 4 mm，有效粒徑d10=0.134 41 mm；根據砂樣的不均勻系數和曲率系數綜合判定后認為該砂樣級配不良。

針對砂樣主要細砂顆粒采用掃描電鏡(Nova Nano SEM45型掃描電鏡儀)進行砂粒成分分析，結果表明砂粒成分主要是SiO2，其中硅和氧的質量占比達96.2%，主要是因為大西洋東岸為洋流沖刷型，后方為風化的沙漠，因此砂粒的成分相對比較單一。圖2為主要細砂顆粒的掃描電鏡圖。

圖2 主要細砂顆粒的掃描電鏡結果

2 不同細顆粒含量極細砂飽和滲透性試驗

由于砂層成因和環境不同，通常沿海岸線極細砂的細顆粒含量會不同，如我國山東威海銀灘的砂粒相對較細，因此有必要針對不同細顆粒含量的極細砂滲透性進行研究。極細砂屬細粒土，因此按GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》進行室內變水頭滲透試驗。

2.1 試驗方案

毛里塔尼亞港池建設M201項目富含極細砂的砂層級配非常復雜，為了進行細顆粒含量對滲透性影響機理分析，根據砂樣的顆粒級配曲線對試驗用砂進行室內配置。為同時控制試驗的系統誤差，在極細砂的配置過程中，不考慮中砂、中細砂含量的影響，將這兩種粒徑的砂含量固定(分別為0.18%和0.37%)，以探討粉細砂(方案1)和細粒(方案2)含量對極細砂滲透特性的影響規律。試驗方案如表1所示，每組試驗均制作3組平行試樣，最終試驗結果取平均值。

表1 試驗方案

2.2 試驗材料及制樣

2.2.1試驗材料

配置砂原材料取自青島市黃島區金沙灘海濱附近地表處的海砂，在室內進行篩分后保留粒徑0.25～0.5 mm的中細砂和0.1～0.25 mm的細砂；由于金沙灘海濱地表的海砂中粒徑大于0.1 mm的顆粒占總質量的90%以上，粉細砂和細粒極少，所以粉細砂和細粒采用機制石英粉進行補充，所用材料如圖3所示。

圖3 室內配置砂的原材料

2.2.2試樣制備

試樣均采用濕法制作，該方法可較好地控制試樣的孔隙比，并可減少制樣方法對土體形狀的影響，由于砂土顆粒在水的作用下可形成似黏聚力，因此制樣和裝樣可以順利進行。制樣前將一定質量的水和砂樣充分攪拌均勻，在密封袋內靜置一晝夜(24 h)。對密封袋內不同位置的試樣測定含水率，確保差值不超過1%后方可制樣。試樣的制備采用擊實法，制樣完成后采用變水頭滲透儀測量飽和滲透系數k20。制備好的試樣如圖4所示。

圖4 制備好的試樣

2.3 試驗結果分析

2.3.1飽和滲透系數與細顆粒含量的關系

變水頭滲透試驗用水為清水，水溫為13℃，需要根據水的動力黏滯系數和溫度校正值[11]對所測得的飽和滲透系數進行換算，結果見圖5。

圖5 不同細顆粒含量試樣的飽和滲透系數時程曲線

從圖5可以發現，相對于細粒，粉細砂含量對試樣的滲透性影響較小，直到粉細砂的含量達到30%時才改變了一個數量級，而細粒含量達到15%時其飽和滲透系數即改變了一個數量級。隨著粉細砂含量的提高，試樣飽和滲透系數呈持續減小的趨勢，當粉細砂含量為15%～20%時，同一試驗組次的不同試樣的飽和滲透系數有所不同，數據振幅較大，部分數據交叉，但不影響總體變化規律。隨著細粒含量的提高，試樣的滲透性先顯著下降，在細粒含量達到15%以后，試樣的滲透性降低一個數量級并趨于穩定，數據的振幅較小，總體變化規律明顯。

取每組試驗試樣飽和滲透系數的所有數據的平均值進行擬合，可得到試樣飽和滲透系數隨粉細砂和細粒含量改變的變化規律，如圖6所示。

圖6 試樣飽和滲透系數隨不同細顆粒含量的變化曲線

從圖6可以發現，試樣的飽和滲透系數隨粉細砂含量的增加而持續下降，但差距不大，粉細砂的含量每增加5%，其飽和滲透系數約減小0.2×10-3cm/s，說明粉細砂含量的變化對試樣整體飽和滲透系數的影響較小。試樣的飽和滲透系數隨細粒含量的增加呈先下降后穩定的趨勢，其數據變化明顯，并在細粒含量達到10%時改變數量級；飽和滲透系數的變化趨勢大致可分為快速下降和平穩兩個階段，細粒含量15%為飽和滲透系數變化的分界點，飽和滲透系數穩定后約比原砂減小兩個數量級，孔令偉等[3，12-14]在對粉細砂和鈣質砂試驗中觀察到相同的規律，與本文所得結果基本一致。

整體而言，極細砂的飽和滲透系數隨粉細砂和細粒含量的變化規律分別為線性變化和冪函數變化，擬合公式分別為

k20=0.002 03-4.236-5wf(R2=0.978 18)

(1)

k20=0.021 74wx-1.572 8(R2=0.990 60)

(2)

式中wf、wx分別為粉細砂和細粒的含量。兩種擬合曲線的R2均達到0.97以上，擬合效果較好。

2.3.2飽和滲透系數與顆粒級配狀態參數的關系

極細砂的飽和滲透系數與細顆粒的含量有顯著關系，而粉細砂和細粒含量的變化會直接導致極細砂的顆粒級配發生改變。一般而言，顆粒級配均采用不均勻系數Cu和曲率系數Cc來聯合表示。不同試驗方案的滲透系數與顆粒級配狀態參數見表2。

表2 不同試驗方案的顆粒級配狀態參數與飽和滲透系數

將表2中所有試驗數據整理并摒棄異常數據點后，可以得到不同級配極細砂的飽和滲透系數與顆粒級配狀態參數的關系如圖7所示。表2和圖7分析顯示，當Cu較大時，飽和滲透系數k20與Cu、Cc呈近似線性關系；當Cu<5時，k20與Cu和Cc之間存在冪函數關系，擬合公式為

圖7 極細砂飽和滲透系數與顆粒級配狀態參數的關系

(3)

在張宜健等[15-16]對鈣質砂、粗砂、粉砂的研究中，不同粒徑砂的滲透系數與不均勻系數和曲率系數之間均擬合為線性關系，但從本文極細砂試驗結果來看，不同粒徑砂的飽和滲透系數與不均勻系數和曲率系數之間的關系用非線性冪函數表示更為準確。因此，建議不均勻系數不大時采用冪函數來表達極細砂飽和滲透系數和其顆粒級配狀態參數之間的關系。

3 細顆粒含量對極細砂滲透性影響的細觀機理

與粉細砂含量對極細砂的滲透系數影響相比，細粒含量對極細砂的滲透系數影響較為明顯，觀察不同細粒含量的細觀變化更易得出細顆粒含量對極細砂滲透性影響的細觀機理。為了探究不同細粒含量時極細砂宏觀滲透系數的變化機理，對0.25 mm以下的試驗材料觀察其細觀形貌，并選取滲透試驗中細粒含量分別為5%、10%、15%、20%、30%的砂樣進行掃描電鏡分析，觀測用砂采用導電膠粘在觀測板上并輕輕壓實，掃描前對試樣進行噴金。0.25 mm以下的試驗材料細觀形貌如圖8所示，不同細粒含量試樣的細觀結構如圖9所示。

圖8 細顆粒的細觀形貌

圖9 不同細粒含量極細砂的細觀形貌

觀察圖8可以發現，當顆粒粒徑較大時，顆粒的分布較為均勻，顆粒較為圓滑，形狀更規則，顆粒間隙較大；隨著顆粒粒徑的減小，顆粒逐漸變得不規則，尖銳的棱角較多，顆粒間隙更小。在這種情況下，當不同粒徑級的顆?；旌系揭黄饡r，細顆粒更容易分布在粗顆粒形成的骨架孔隙中，并且粗顆粒與細顆粒之間易相互勾嵌連接形成不同的整體結構，從而影響其結構性和滲透系數。

由圖9可見，當細粒含量較小(5%～10%)時，粗顆粒間具有明顯的孔隙，孔隙中少有細顆粒存在，粗顆粒骨架之間的孔隙幾乎沒有被細顆粒充填，此時少量的細顆粒并未受到四周環境的約束或限制，其自身具有良好的自由度，可能在滲流作用下發生運移甚至流失，從而導致土體細觀結構重組，孔隙結構產生改變，因此其滲透系數變化較為明顯；當細粒含量達到15%時，粗顆粒間的孔隙明顯減小，可以明顯觀察到有細顆粒填充于粗顆粒的孔隙中，孔隙被細顆粒填充后，水流途徑被阻塞或堵塞，導致滲透系數明顯減小，產生宏觀滲透系數降低一個數量級的現象；當細粒含量大于15%以后，粗顆粒骨架之間的孔隙得到充分充填，只留下了少許的毛細孔隙，同時不規則的細顆粒和粗顆粒之間相互勾嵌，形成致密且穩定的結構，細顆粒受到約束，自由度大大降低，難以自由運移，此時在滲流作用下砂土的整體結構保持較完整，這就使得滲透系數進一步減小，細顆粒流失的程度大大降低。所以當細粒含量大于15%后，出現圖6中滲透系數趨于穩定的現象。

4 結 論

a.極細砂的飽和滲透系數k20隨粉細砂含量增大呈線性減小變化規律，粉細砂的含量每增加5%，k20約減小0.2×10-3cm/s，k20隨細粒含量增大呈先降低后穩定的冪函數變化規律，兩種擬合關系式的R2均達到0.97以上，擬合效果較好。

b.k20與極細砂的顆粒級配狀態參數之間存在顯著聯系，當Cu<5時，k20和Cu、Cc之間關系用冪函數表達更為準確，并通過計算得到極細砂飽和滲透系數計算的經驗公式。

c.細顆粒含量對極細砂滲透系數的影響體現在孔隙和整體性的改變上，當細顆粒含量較小時，粗顆粒骨架間孔隙明顯，細顆粒具有一定的自由度，會在滲透作用下發生運移或流失，隨著細顆粒含量的逐漸增大，粗顆粒骨架之間的孔隙逐漸得到填充，細顆粒的自由度逐漸被限制，在滲流作用下整體結構保持較完整。通過掃描電鏡分析可以揭示細顆粒含量對極細砂內部結構和滲透系數的細觀影響機制。