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。......
2023-06-28
无黏性土渗透变形与应力的相关性
【摘要】：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。
1.实验现象
针对试样1-3的级配砂砾石土分别进行了0.1MPa、0.3MPa、0.6MPa、0.9MPa 4种不同加载状态下的渗透变形试验。
在不同加载应力条件下，砂砾石土在试验水头较低时均未出现颗粒带出现象，试验筒中的水质清澈透明。随着试验水头的提高，试验土样中的颗粒逐渐从透水板圆孔中逸出，出现轻微的细粒跳动；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，见图5.9。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。
图5.9 试件表面渗透变形点分布
2.渗透系数演化过程
为研究渗透变形过程中砂砾石土试件的渗透性关联变化特性，对试验过程中试件的渗透性变化过程进行整理，见图5.11。由图5.11可知，在渗透变形试验的开始阶段，随着试验水力梯度的增大，各试件的渗透系数均呈现出逐渐减小的现象；而在出现渗透变形现象（管涌）后，试件渗透系数随水力梯度的增大而加大。这种现象说明试件在渗透变形过程首先发生了渗透挤密现象，导致试件局部孔隙减小；而在发生管涌后，试件内部结构遭到不同程度的损伤，导致结构孔隙空间增大。
图5.10 渗透变形试验lgJ-lgv曲线图
图5.11 渗透系数演化过程
渗透系数先减后增的现象揭示了一定应力状态下的砂砾石土在逐渐抬高的试验水头条件下，位于渗流路径“上游”的试件底部中的细小颗粒在渗透力作用下，首先在砂砾石土体内部发生颗粒迁移，并填充或阻塞在渗流路径上的“下游”通道中，见图5.12（b）。由于试验前期渗透力相对较小，在较大的颗粒流动阻力作用下，渗流不能将试件内部首先发生迁移的细小颗粒一次性带出到试件表面。细小颗粒移动后，改变砂砾石土内局部细观结构，使得颗粒发生迁移的部位孔隙比增加；而颗粒阻塞部位的孔隙比减小，产生渗透挤密效应，从而导致试样的渗透性在总体上表现为渗透性降低的过程。随着试验水头的逐步抬高，作用在试件中的渗透力越来越大，位于试件渗流部位下游的细小颗粒被渗流逐步带出到试件表面，产生渗透变形现象，而试件内部被阻塞的部位逐渐得到“疏通”，渗透系数逐渐变大，见图5.12（c）。
图5.12 渗透挤密概念示意
表5.8给出了同种级配试件在不同加载状态下进行渗透变形试验得到的渗透系数特征值。随着试验载荷的增加，试件的渗透系数值越来越小。由于试验过程中对试样制作过程严格按相同的程序来制作，因此，各试件颗粒结构空间组成尽管不可能完全一致，但总体上应该相同，所以其渗透性也基本相同。在加载试验条件下，加载应力越大，加载应力导致试件产生的压缩量越大，因此其孔隙比越小，因此试验开始时的渗透系数值也就越小。在渗透变形试验开始阶段，由于试件中没有颗粒被带出，因此，渗透系数的减小只可能是渗流导致试件内部渗流通道面积缩小的缘故。
表5.8 渗透系数特征值
尽管渗透变形试件在不同应力状态下渗透系数整体上呈现先减后增的趋势，但在不同应力状态下，试样的渗透性变化过程还是有所差异的，这可能与重塑样试件内部结构的细微差异有关。
3.临界水力梯度判断
与5.4.3节类似，采用试样渗透变形过程中的K-J曲线来判断临界水力梯度，见式（5.36）。同样，无黏土K-J曲线拐点比lgJ-lgv曲线的斜率变化更容易判断Jc，因此，其判断结果会更加明确。表5.9给出了不同试验方法得到的临界水力梯度对比。由表5.8可知，两种整理方法得到的结果在量级上差别不大，但按本文提出的方法得到的临界水力梯度值均大于按规程规定的方法得到的结果。考虑到渗透系数的变化客观反映渗透变形现象的内在本质，因此，按规程规定方法得到的结果可能略显保守。
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。由图可知，砂砾石颗粒级配一定的试件1-3在“零应力”状态下，临界水力梯度为1.26；在对试件顶部施加0.1MPa压力的条件下，临界水力梯度值大幅增加，其值达到了2.06，较无应力状态下的试验成果增加了63.5%。随着作用在试件顶面的试验载荷的继续增加，试件发生渗透变形的临界水力梯度继续增加，但相对增量不大。当试验荷载增加到0.9MPa后，试件渗透变形的临界水力梯度又大幅增加，其值达到了5.33，较无应力状态下的砂砾石土产生临界水力梯度值增加323%。由此可见，可以看出应力大小对其砂砾石土渗透变形的临界水力梯度有重大影响：土体应力状态越高，试样发生渗透变形的临界水力梯度就越大。
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。其原因是应力较低时，土体的密实度相对较低，粗细颗粒间接触不紧密。从作用在土体骨架上的应力通过颗粒接触传递的本质角度分析，颗粒级配相同，初始密度相同条件下的试件，在施加荷载为0.1MPa、0.3MPa、0.6MPa、0.9MPa后，试件产生了一定程度的压缩变形，其孔隙率分别为0.27、0.27、0.26和0.24。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，从而增加对细颗粒移动的约束作用，细颗粒在渗流作用下，其“逃逸”难度越大。从这一角度看，这就是砂砾石土试件在应力状态较低时，颗粒密实度状态变化不大（孔隙率变化相对较小），其渗透变形的临界水力梯度增加值相对较小的直接原因。
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