相同的砂砾石土体在不同应力状态下，土样产生渗透变形的临界水力梯度明显不同，见图5.10。表5.9临界水力梯度试验值4.抗渗强度变化规律图5.13临界水力梯度与试验荷载关系图图5.13是根据砂砾石试样渗透变形试验得到的临界水力梯度与试验荷载之间的关系。砂砾石试样在应力较低的情况下，其渗透变形的临界水力梯度相对较低。......
2023-06-28
黏性土渗透变形与应力的关系
【摘要】：在渗透变形试验的前期，渗透系数随水力梯度的增加变化幅度不大，基本保持不变。表5.6给出了渗透变形试验规程和本书建议的方法得到的临界水力梯度对比。由表5.6可知，含黏粗粒土试样即使在应力较低的情况下，其渗透变形的临界水力梯度也较“零附加应力”状态下的试件临界水力梯度高出许多。
1.试验现象
图5.5为试样2-4颗粒级配粗粒土试样在侧限条件下铅直加载0.1MPa、0.3MPa、0.6MPa、0.9MPa时出现渗透变形后的照片。图5.6为试验过程中的lgJ-lgv关系图。
图5.5 渗透变形试样裂缝分布
图5.6 渗透变形试验lgJ-lgv曲线图
荷载为0.1MPa的情况，试样在水力梯度达到11.76时，出现浑浊现象，随着试验水头的提升，水质越来越浑浊，如图5.5（a）所示，试样中砂粒和黏粒被不断带出，筒壁上也产生了一条细小的裂缝；随着水头的继续增加，细粒跳动开始加剧，而且被带出来的颗粒也逐渐变大。
随着试验荷载的加大，在0.3MPa、0.6MPa以及0.9MPa压力情况下，水力梯度分别达到14.57、18.69和107.63时，试样才开始浑浊；随着试验水头升高，各试样中都出现细粒被带出现象，同时，试验筒壁接触的土样表面都不同程度出现了或粗或细的裂缝，如图5.5（b）～图5.5（d）所示。
试验过程中，试样产生裂缝后，只有少量细颗粒从裂缝中被带出。由此可见，含黏粒较多的粗粒土在黏粒的胶结作用及应力作用下，使得粗粒土中的细颗粒只有在较高的水力梯度作用下，才能产生颗粒迁移现象；试验过程的现象观察还表明，颗粒迁移现象一般在试样出现裂缝之后。裂缝的出现表明试样在渗透变形过程中产生了水力劈裂。水力劈裂现象的出现，破坏了试样内部结构。由于裂缝出现，作用在裂缝两侧壁上的颗粒应力大幅度降低，裂缝两侧壁上的颗粒在水流冲蚀作用下，产生颗粒迁移现象。
2.渗透系数演化过程
图5.7为渗透变形试样渗透系数在不同应力状态下的变化过程。在渗透变形试验的前期，渗透系数随水力梯度的增加变化幅度不大，基本保持不变。在渗透变形试验后期，即试样产生明显的渗透变形现象后，试件的渗透系数急剧增加。
图5.7 渗透系数演化过程
4组试样渗透系数k与水力坡降J曲线图表明：由于在试样中加入了黏粒成分，试样中的颗粒被胶结在一起；同时在不同程度的应力作用下，颗粒间黏结更加紧密，颗粒在渗透力的作用下“逃逸”变得十分困难。试样的细观组成结构在产生渗透变形之前，基本保持不变，因此，试样在这个阶段的渗透性基本保持不变。当试验水头足够大时，由于土体中较高的孔隙压力使得土体试样产生水力劈裂，形成细小的裂缝通道，从而导致试样的渗透系数开始增大。然而，由于土体处于较高的应力环境中，水力劈裂形成的裂缝受到外部压应力的约束作用，裂缝的扩展较为缓慢。
3.临界水力梯度判断
粗粒土渗透变形临界水力梯度一般采用《粗颗粒土的渗透及渗透变形试验》（SL 237-056—1999）规程中建议的方法进行判别，即当lgJ-lgv关系曲线的斜率开始变化，并观察到细颗粒开始跳动或被水流带出时，认为该试样达到了临界坡降。对于这一判别准则来说，由于lgJ-lgv图的坐标为对数坐标，在很多情况下，试验中即使观察到了试样出现了颗粒跳动，但lgJ-lgv曲线的斜率变化并不明显。基于这一事实，工程中绝大多情况对渗透变形临界水力梯度的判别主要依据人工观察细颗粒跳动现象来进行。然而人工观察不可避免地容易引起较大的误差，且要求试验人员精力高度集中，对试验人员要求高。
以渗透变形试验得到的数据为基础，绘制了渗透变形试验过程中试样的渗透系数随水力梯度变化的关系图，见图5.7。在产生宏观渗透变形现象前，含黏粗粒土试样的渗透系数基本保持，而在产生渗透变形现象后，渗透系数急剧增加，突变现象明显，易于判断。为此，对于含黏粗粒土的渗透变形试验，建议采用渗透变形过程中的K-J关系曲线来判断临界水力梯度，见式（5.36）：
式中：Jc为临界水力梯度；
为K-J曲线上渗透系数突变前一级对应的水力梯度；
为K-J曲线上渗透系数开始突变后的水力梯度。
表5.6给出了渗透变形试验规程和本书建议的方法得到的临界水力梯度对比。由表5.5可知，两种整理方法得到的结果存在一定差异，按本书提出的方法得到的临界水力梯度值均大于按规程规定方法得到的结果。考虑到渗透系数的变化客观反映渗透变形现象的内在机理，因此，可以认为按规程规定的方法得到的结果略显保守。
表5.6 临界水力梯度试验值
4.抗渗强度变化规律
表5.7为不同应力状态下试样临界水力梯度统计表。图5.8为临界水力梯度与试验载荷之间的关系图。由表5.6可知，含黏粗粒土试样即使在应力较低的情况下，其渗透变形的临界水力梯度也较“零附加应力”状态下的试件临界水力梯度高出许多。试验中相同成分组成的含黏粗粒土在“零附加应力”状态下的临界水力梯度为1.47；在施加荷载为0.1MPa、0.3MPa、0.6MPa、0.9MPa状态下，试样产生渗透变形的临界水力梯度分别达到了10.93、13.25、17.37和100.16，分别是不加载试验条件下的8.5倍、10.2倍、13.6倍和74.3倍。由此可见，试验荷载越大，土体中的应力状态越高，粗细颗粒间的接触状态越紧密，作用在粗颗粒上的外应力越容易传递到填充在粗颗粒骨架孔隙中的细颗粒上，加上黏粒成分的胶结作用，从而强化了土体颗粒间的相互约束作用。因此，细颗粒在渗流作用下，其“逃逸”难度远大于“零附加应力”状态下的土体。
表5.7 不同应力状态下试样临界水力梯度
图5.8 临界水力梯度与试验荷载关系图
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