1 引言
砂样的渗透性代表了水在砂样孔隙中渗透流动情况的好坏，是评价砂石地基稳定性的重要指标，渗透性同时影响土体内部排水固结速率，对工程的排水措施及安全评估等方面有着显著影响。目前对于砂样渗透性的研究，多集中在水力条件和砂样自身性质如粒径级配、初始含水率、初始密度等对砂样的渗透性影响上[1-5]，并设计有多种试验装置进行测定。
而有外荷载作用下的砂土渗透过程往往会与正常稳定下的砂样渗透过程有较大区别，Huang等[6]设计了非饱和土三轴渗透仪，可用于测定不同固结压力下试样的渗透系数；Tomlinson等[7]以及Chang等[8]通过改良渗透仪研究了应力状态对砂土渗透变形的影响；师旭超等[9]研制了一种渗透固结试验装置，用于探究饱和软粘土在外荷载作用下的渗透特性问题；蒋中明[10]利用大直径渗透变形仪加载系统，研究了铅直应力大小对含黏粒粗粒土渗透变形特性及临界水力梯度的影响；付宏渊等[11]研制了有压渗透仪，得出了荷载以及压实度与土体渗透系数的相互关系。以上研究大多集中于静力荷载作用下的试样的渗透性改变问题，研究对象也多集中于软粘土。
砂石颗粒间由于通常不存在黏聚力，因此荷载对其渗透过程影响相较于粉土、粘土更加显著。我国南方梅雨季节降水频繁，由于施工现场通常地势较低洼，使得地基区域土质含水率普遍较高，甚至在基坑等位置出现积水。而在建筑、水利等实际工程中，砂土地基通常会受到夯实、碾压、构造物施工[12-14]等动态外力荷载连续作用，因此在施工处理过程中，砂土地基的渗透性也会随着外荷载的作用而产生极大变化，进而影响砂土地基的稳定性。在岛屿建设过程中，大陆架及近海平原属于高富水区域，砂样受到连续武器冲击后，自身渗透性改变对其地基的进一步失稳作用也值得关注。因此通过试验探究动态荷载下，砂样渗透系数的改变情况，对进一步研究冲击时沿海岛屿地基稳定性分析、砂面沉降计算等具有重要的理论与工程实际意义。
因此，本文针对无黏性砂的渗透特点，研制了可用于研究连续冲击荷载环境下砂样渗透性特性的试验装置，并进行了多组不同孔隙比砂样的动态和静态渗流试验。
2 装置结构组成
2.1 试验原理
相比于静力荷载对砂样渗透性的影响，瞬时动态外荷载作用时，砂土往往因内部水分无法及时排出，而引起砂样有效应力发生明显变化。根据文献[15]的研究，按照有效应力原理，砂样中所受到的总应力可分为有效应力和孔隙水压力两个部分承担，即:
σ=σ′+u
(1)
式中:σ为砂样总应力；σ′为砂样有效应力；u为砂样孔隙水压力。
因此由式(1)可知，砂样在受外荷载时，其有效应力σ与孔隙水压力u的改变量相等，即：
Δσ′=Δu
(2)
假设渗流试验符合达西定律，则砂样的渗透系数k为
(3)
式中: v为砂样断面平均渗流速度；q为单位时间内试样的渗流出水量；A为试样的横截面积；i等于水头差ΔH与渗流路径l的比值，其中ΔH等于孔压的变化值Δu与水的重度γw之比，l为渗流通过的试样高度。因此，结合式(2)，渗透系数k可进一步表示为
(4)
由式(4)可以看出,砂样的渗透系数受砂样的高度和有效应力的共同影响，而不同位置处的砂样上覆高度又会影响其有效应力变化，因此砂样的渗透系数与其有效应力改变量密切相关，即与所施加的外荷载有关。
冲击荷载下的动态渗流装置如图1所示，该装置由供水系统、装置主体以及冲击加载系统组成，可用于模拟饱和砂样在冲击荷载作用时的渗流状态。其中供水系统可向装置内的试样提供恒定压力水流；装置主体用于模拟砂样在侧限条件下的渗流过程；冲击加载系统可向装置主体底部施加冲击荷载。
2.2 供水系统
供水装置包括供水水泵、流量计、针形阀、管道，可保证向装置主体内通入稳定水流。
1) 水泵：试验过程中设定水泵的供水压力不变，保证水泵在固定时间内的出水量稳定。为防止水流量过大，在水泵出水口处向外安装多个排水管道，试验管道与其中一排水管道相连接，即可获得试验需要量程范围内的出水量。
2) 针形阀：选用的针型阀具有安装拆卸方便、连接紧固、耐压能力高、密封性能良好等优点，可以控制压力水流向装置主体的施加情况。
图1 渗流试验装置图
Fig.1 Seepage test device
2.3 装置主体
该部分由试样筒、钢箍、法兰盘、螺纹杆支架、过滤盒以及排水管等组成。
1) 试样筒：该部分装置主要用于承载试验试样，其管内径10 cm，高26 cm，采用透明有机玻璃管，可方便观察试验过程中砂粒间的滑移方式和砂样内部的结构改变。试样筒侧壁开有一排上下间隔为5 cm的螺纹孔，用于安装孔隙水压力传感器，可实时检测不同高度处砂样的孔隙水压力值变化，也可连接排水管，以测量试验过程中渗流出水量。
2) 法兰盘：法兰盘结构示意图如图2所示。
图2 法兰盘结构示意图
Fig.2 Flange structure
试样筒底部与法兰盘通过螺母进行固定。为向试样提供自下而上的渗透水流，在法兰盘侧壁设有连接头与供水装置相连接，因此为了防止试样筒底部漏水，保证装置的整体密封性，法兰盘上表面开设有一道O型槽，用于放置O型橡胶密封圈，同时在法兰盘上表面涂抹一定量的凡士林。
3) 过滤盒：为防止细砂流失，在试样筒内安装有过滤盒，其过滤孔径为0.075 mm，可使水流均匀流过上部砂面，从而增加试验精度。
4) 钢箍：冲击试验过程中，在试样筒上部通过安装钢箍将试样筒与螺纹杆支架固定为一体，可保证冲击状态下试样筒上部结构稳定，减少因为试样筒晃动而对试样造成的干扰。
2.4 冲击加载装置
在试验过程中，采用气锤改进装置进行加载。气锤的内部结构如图3所示，其高度为32 cm，冲击头部的直径为 7 cm，气锤通过固定螺栓与装置底座相连接。当相连接的气泵工作时，大量气体从进气口进入气锤内部，推动震芯向上压缩压簧，进而推动冲击头部向上进行冲击。为防止冲击系统卡死，在冲击头部安装有由缓冲弹簧和冲击铜帽的缓冲装置。冲击头部旁有排气口，在震芯上升时排除多余气体，保证气锤内外大气压相等。
图3 冲击装置内部结构示意图
Fig.3 Internal structure diagram of impact device
冲击装置所能提供的冲击荷载峰值大小为0.3～1 MPa，间隔频率在0.2～2 Hz，通过调节时间继电器和气泵出气量来控制冲击荷载的间隔频率和大小，从而模拟不同荷载下无黏性砂土的渗流状态。以间隔频率为0.25 Hz，峰值大小为0.3 MPa的冲击荷载为例，在试样筒底部测试到的多次冲击压力典型波形如图4所示。
图4 多次冲击压力波形图
Fig.4 Chart of impact pressure over time
3 冲击渗透特性试验
3.1 试样制备
选用砂样为粒径在0.15～5 mm的石英砂颗粒，具体级配曲线如图5所示，各项物理指标如表1所示。砂样试验原料拍摄照片如图6所示，取1.18～2.36 mm的试样进行电镜扫描分析，电镜扫描图如图7，可发现所选用试验材料与实际工程所用砂样形状一致。
图5 试样颗粒级配曲线
Fig.5 Particle size distribution of sample
表1 试样的物理指标
Table 1 Physical indexes of sample
土类最大孔隙比emax最小孔隙比emin比重Gs石英砂0.5320.2932.65土类d10/mm d60/mm不均匀系数Cu曲率系数Cc石英砂0.31.551.5
注：dx为在粒径分布曲线上小于该粒径的土含量占总质量的x%的粒径，单位mm
图6 试样照片
Fig.6 Sample image
图7 试样扫描电镜图
Fig.7 Scanning electron microscope appearance of samples
为保证砂样装样均匀，对砂样进行分层装样。首先，将每层预先确定质量的砂样通过长颈漏斗倾倒，漏斗下方出口保持在高出试样筒内砂面1～2 cm的位置处，放开锥形塞使砂样缓慢且均匀分布地落入试样筒中，而后将砂面抚平。每层砂样装样结束后，在试样筒内壁旁，放置一层薄薄的彩色砂，以便在试验过程中观察不同高度砂层的厚度和变形。用橡胶锤轻轻敲打试样筒，根据砂样所需密度调整砂样至所需高度，为了保证整体装样均匀，防止底层砂样被过度压实，首先将下层压实至高于所需厚度，之后根据彩色砂的位置，调整每层试样的高度大约一致为止。图8所示为制备后的试样。
图8 制备后的砂样图
Fig.8 Prepared sand samples
本试验采用水头饱和的方式对砂样进行饱和，试验开始前，将脱氧水从砂样底部缓慢注入砂样内直至从顶部排水管溢出，而后将砂样中的稳定水流保持24 h，以确保砂样充分饱和。
试验中在试样筒侧壁安装如图9所示的微型孔隙水压力传感器，用于测量试验过程中不同高度位置处砂样的孔隙水压力值变化。传感器直径为6 mm，采用此种较小的直径可以有效降低对试样筒侧壁的影响；传感器量程为0～500 kPa，精度为0.1%FS；在传感器表面安装透水石，防止砂粒与传感器直接接触产生误差，同时确保砂样中水的自由流通，提高试验的准确性。
图9 孔隙水压力传感器图
Fig.9 Picture of pore water pressure sensor
3.2 试验步骤
首先进行简单渗流试验，在无荷载环境下，调整水泵压力使试验中水流流速保持稳定，打开针形阀向砂样底部通入恒定水流。试验中通过调整排水管出水速度使试样筒水位高度保持不变，将不同位置处的传感器孔压值转换为该位置处的水头高度，同时测定该试验一定时间内排水管的渗流出水量Q1，进而计算静态环境下的渗透系数k1。
冲击荷载下的渗流试验，简单渗流试验步骤完成后继续保持恒定水流流速，调节气泵和继电器，使冲击装置开始施加由下向上的冲击荷载。记录冲击稳定后不同位置处的传感器孔压值，并将其转换为水头高度，测定冲击稳定后一定时间内排水管的渗流出水量Q2，计算得此时渗透系数为冲击荷载下的渗透系数k2。
整个试验过程中水温控制在20 ℃。为保证试验结果的可重复性，每组试样分别进行4～5次试验。
3.3 渗透系数计算
由于冲击稳定后的试样孔压变化微小，因此采用常水头渗透系数公式进行计算。2种试验条件下均分别用标定好的量杯每50 s测量一次试样筒上部排水管的渗流出水量，连续测量3次。当连续两次数据差值不超过5%时，取3次渗流出水量的平均值进行计算。按照土工试验规程[16]，渗透系数k的计算公式为
(5)
式(5)中，t为渗透时间；Q为试样在t时间内的渗流出水量；L为两传感器之间的试样高度;ΔH为两传感器位置处的水头差，通过传感器测得的孔压数据计算获得。
3.4 不同孔隙比试样渗透特性试验结果与分析
为探究相同冲击荷载对不同孔隙比饱和砂样的渗透性影响，按照式(6)，通过控制干密度ρd的大小来制备五组具有多个不同孔隙比e的石英砂试样。
(6)
式中: ρw为水的密度(g/cm3)；Gs为比重。
每组试样试验过程中的水流流速保持在0.4 L/min，所用冲击荷载峰值稳定在0.5 MPa，间隔频率保持为0.25 Hz。试验结束后，获得相应的参数，按式(5)计算不同孔隙比e饱和砂样冲击荷载施加之前的静态渗透系数k1和冲击稳定状态下的渗透系数k2。在所得的试验结果中选取3组在允许误差范围以内的数值(相互之间差值不大于1×10-3 cm/s)，求其平均值，具体的研究结果如表2和图10所示。
表2 不同孔隙比e饱和石英砂的渗透系数
Table 2 Permeability coefficient of saturated quartz sands with different pore ratios
试样编号干密度ρ/(g·cm3)孔隙比e静态渗透系数k1/(cm·s-1)动态渗透系数k2/(cm·s-1)11.7350.5270.080 00.070 021.7600.5050.077 30.066 831.7930.4780.073 60.063 141.8350.4440.068 00.060 751.8620.4230.065 50.059 3
图10 孔隙比e与饱和砂样渗透系数k关系曲线
Fig.10 Comparative diagram of the relationship between porosity ratio and permeability of saturated sand samples
1) 由图10可知，在无荷载条件下,饱和砂样静态渗透系数k1大小在10-3 cm/s量级范围内，其值会随着其孔隙比的增大而显著增大，通过最小二乘法进行拟合得相关系数R2值为0.996 4，因此可认为砂样渗透系数与其孔隙比之间存在很高的线性相关度。从微观角度分析，对于颗粒级配相同的砂样，随着其孔隙比的增大，试样单位体积内所包含的孔隙也不断增多，平均孔隙直径不断增大，试验过程中的渗流通道也随之更加开阔，这使得渗流过程中的阻力不断减小，水流更容易在颗粒介质中流通。
2) 在外部荷载冲击下，砂样渗透系数也会随着其孔隙比的增大而增大，通过Origin软件进行拟合得到相关系数R2值为0.969。观察图10可发现，对于相同孔隙比的试样来说，在此种荷载下，其动态渗透系数k2小于静态渗透系数k1，但两者数值依旧保持在同一量级上。
另外，随着孔隙比的增大，2种渗透系数的差值会不断增大，即荷载对初始孔隙比大的土体渗透性影响更大，这一点与文献[11]中荷载对低压实度地基土渗透系数的影响极为明显得结论保持一致。
试验过程中施加的瞬时冲击荷载主要改变了砂样的内部孔隙结构，激发砂样中的孔隙水产生冲击动水压，这一压力会带动砂粒中的细颗粒随渗流路径运动，极易对砂粒间的孔隙进行填充。进而在冲击稳定阶段，试样中的水流通道减小且变得狭长，水流通过试样时的阻力加大，宏观上表现为试样受到荷载时渗透系数减小。对于初始孔隙比大的试样，初始状态下的粒间孔隙较多，更容易在荷载作用改变自身孔隙结构，因此荷载对孔隙比大的试样渗透性影响更加明显。
3.5 不同荷载作用下试样渗透特性试验结果与分析
为探究不同荷载作用下饱和砂样的渗透特性问题，按式(6)控制每组试样孔隙比e均为0.338来进行试验研究，试验所用水流流速为0.4 L/min，保持荷载间隔频率为 0.25 Hz，改变荷载大小进行冲击渗流试验。试验结束后，按式(5)计算不同大小荷载下砂样的渗透系数k，具体的研究结果如表3和图11所示。
表3 不同荷载下饱和石英砂的渗透系数
Table 3 Permeability coefficient of saturated quartz sand under different loads
试样编号孔隙比e荷载间隔频率/Hz荷载大小/MPa渗透系数k/(cm·s-1)1234560.338000.056 00.250.30.053 00.250.40.051 40.250.50.049 70.250.60.048 70.250.70.048 3
图11 荷载p与饱和砂样渗透系数k关系曲线
Fig.11Comparative diagram of the relationship between load and permeability of saturated sand samples
从图11可以看出，荷载间隔频率不变的情况下，砂样的渗透系数k会随着施加荷载的增大而呈指数减小，对数据进行拟合得此时相关系数R2值为0.995。
因为砂样初始级配和孔隙比均相同，所以当施加荷载越大时，砂样内部结构变形量将越大，从而导致砂样渗透系数的改变越明显。 但由于最大密实度的限制，荷载大小对砂样结构改变能力的增强会随其值的增大而逐渐减弱，砂样渗透系数减少量也会随之变化缓慢。因此，在施工过程中应该充分考虑荷载大小对砂土地基进行处理，避免施工中引起渗透性的大幅变动。
4 结论
本文研制了冲击荷载饱和砂土动态渗流装置，采用该装置开展了石英砂的冲击渗透特性试验，得到的主要结论如下：
1) 研制的试验装置可向渗流状态下的砂样提供峰值大小0.3～1 MPa，频率0.2～2 Hz的冲击荷载。利用该装置可模拟有侧限条件下无粘性砂的动态渗流状态，同时可测量不同高度位置砂样的孔压变化，进而计算砂样的渗透系数。
2) 对于具有相同级配的石英砂来说，砂样渗透系数会随孔隙比e的增大而呈线性增大；同一初始孔隙比砂样在冲击作用时的动态渗透系数k2小于静态渗透系数k1，并且随着孔隙比的增大，2种渗透系数差值逐渐增大；对于相同级配和相同初始孔隙比的砂样，保持荷载的间隔频率不变，砂样的渗透系数随着荷载大小的增加而呈指数衰减。
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