Page 105 - 水利学报2021年第52卷第5期

数量级。宏观渗透系数减小幅度越来越小的试验现象，主要是由于微观孔隙越来越难被进一步压
密，这也是土体“压硬性”的体现。
4.2 冻融次数的影响 图 5（a）为渗透系数随冻融次数的变化曲线（以 8.3 %含水率、30 %掺砾量的试

样为例）。可以看出，不同围压下渗透系数随冻融次数的增加基本表现出相似的规律，即：渗透系数
逐渐增加，且在第 1 ~ 2 次冻融作用后增幅最大，说明冻融对渗透性的影响主要发生在前几次冻融循
环，尤以首次最为显著。当冻融循环增至 7 ~ 10 次时，渗透系数基本增大到一个较为稳定的数值。此
外，通过比较同一围压下的试验曲线可知，冻融循环对渗透系数的影响在低围压下较为显著，随着
围压的增加，影响逐渐减弱，具体表现在：高围压下，首次冻融作用导致的渗透系数增大的幅度要
比低围压情况下更小一些。在冬季大坝心墙土料的填筑过程中，现场处于短时（多次冻融）、浅冻（低
围压）、封闭（无补水）工况，本文表明：即使仅遭遇 1 ~ 2 次的冻融过程，心墙料的渗透性能也将发生
大幅度劣化，对坝体后期渗透稳定造成潜在隐患。因此，实际施工时，应严格避免浅层填筑心墙料
遭遇低温冻融作用。此外，两河口心墙黏土的单向冻胀试验也建议 ［32］ ：当大坝现场日最低气温低
于-5 ℃时，应在夜间停工期间及时覆盖保温材料，以尽量避免已填土料发生冻结。
以上宏观渗透系数的演变规律本质上反映试样孔隙比随冻融循环次数的变化过程，如图 5（b）所
示，孔隙比随冻融次数的变化规律与渗透系数的变化趋势基本一致。低温作用下，试样中的孔隙水
冻结成孔隙冰，体积膨胀，冻胀力作用下土体内的部分孔隙被撑开，孔隙比增大。由于未经历冻融
的压实试样较为密实，因此首次冻融后孔隙比增大最为明显；多次反复冻融作用后，试样内部绝大
多数孔隙被撑开，此时孔隙水的冻胀不再能撑开更大的孔隙，孔隙比基本趋于保持不变，这反映在
宏观即表现为渗透系数随冻融次数的增加近似呈双曲线型增长的趋势。对比图 5（a）和图 5（b）可知，
即使在较高的围压水平下，无论是渗透系数还是孔隙比，在经历一定次数的冻融循环作用后，其数
值仍然比初始未冻融时要大，说明围压的作用可以削弱冻融作用对掺砾黏土内部孔隙结构的影响，
但不能消除这种影响，而掺砾黏土的内部孔隙结构则与下面要讨论的掺砾量的影响密切相关。

（cm · s -1 ）

渗透系数/

（a）渗透系数 （b）孔隙比
图 5 掺砾黏土渗透系数和孔隙比随冻融循环次数的变化规律
4.3 掺砾量的影响 图 6 为常温环境下（未经历冻融作用）不同掺砾量（0%、10%、30%、40%和 50%）
试样的渗透系数变化规律。从图 6 可以发现：随着掺砾量的增加，渗透系数先减小后增大，当掺砾量
约 30%时渗透系数减小到最小值。这与 Shafiee 等 ［13］ 和李方振等 ［26］ 发现的规律类似，这主要是因为掺
砾黏土的渗透特性是由黏土基质、砾石及土石界面三者相互作用的结果。一方面，砾石相对于黏土
基质的渗透系数极低，砾石的加入相当于减小试样的过水断面，延长了渗径，从而渗透系数随掺砾
量的增加而减小；另一方面，由于土石介质的高度弹性不匹配，使得土石界面成为渗透最薄弱的部
位，渗流过程中会在土石界面产生较大的渗透力，导致界面渗透性明显优于黏土基质。因此，虽然
砾石降低了试样的渗透性，但是土石界面的存在一定程度上却提高了试样的渗透性，在这两种作用
的共同影响下，试样在 30%掺砾量附近出现了渗透系数最小值。
由上述分析可知，第 1 次冻融循环对渗透系数的影响最大，下面重点比较第 0 和第 1 次冻融循环
的影响。图 7 为经历 0 次和 1 次冻融作用后不同掺砾量（10%、30%和 50%）试样的渗透系数变化规律

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