焦浩然，魏松，童煜霄，陈清 （合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009）

1 引言

近年来，我国经济快速发展，基础设施逐步完善。水利工程、隧道工程以及高层建筑的基础工程不断增多。细粒土在自然界中分布面大、量广，是堤防、大坝、地基、边坡等建筑物的基本材料。诸多实际工程问题也随之而来，给国民的生命安全以及经济安全带来了挑战。所以，对细粒土渗透性的深入研究是十分有必要的。

《土工试验方法标准》（GB/T50123-2019）[1]中给出了两种室内测试土体渗透系数的方法，即常水头和变水头渗透试验，根据规范测得的渗透系数是符合安全标准的。但是，自然界中的细粒土常常是在复杂应力环境下发生渗流运动的，规范给出的测试方法没有考虑土体所处的应力环境。所以探究应力状态下细粒土的渗透性是符合实际情况的，可以更深入地探究细粒土渗透性规律。

目前国内外学者在该领域研究已经取得了一定的成果。基于以上几点介绍，本文将从室内试验以及数值模拟计算两个方面，对国内外近年来研究现状和进展进行综述，给日后学者的研究工作提供一定参考。

2 应力作用下细粒土渗透性试验研究

为了能够定量描述渗透系数与应力状态的关系，期望建立二者之间的关系式，Pandian N.S.等[2]对多种土样进行了固结渗透试验与讨论分析。研究团队认为，对于给定孔隙率的土样与其渗透系数之间相关性较强，讨论了应力状态与渗透系数的互换性，为渗透系数与应力状态之间关系式的确定提供了参考数据。Tomlinson S.S.等[3]在对管道的侵蚀机理进行研究时发现很多渗透试验忽略了围压，以及水力梯度的影响，设计研发了一种新型监测工具，可以用来监测水头、围压等因素对管道侵蚀的影响。研究表明应力状态对含无粘性砂土的渗透变形影响较大，可以推测土体受到应力作用发生渗透变形是影响其渗透性的重要因素。Guo Lin等[4]研究了循环荷载作用下的K0固结排水试验，研究表明外界环境或加载频率对于土样的孔隙水压力和内部结构都会有显著影响，由此可以推测外界环境或者加载频率的改变，使土样的内部结构发生改变，从而影响其渗透性。

国内对于该领域的研究工作并不少。朱建华等[5]利用土石坝黏土心墙的原状土进行了考虑应力状态下的渗透试验，文章论述了三轴压缩渗透试验能够比一般的渗透试验更贴合实际情况，而且这类试验可以根据实际情况对外界应力条件进行调整，实现不同情况下工况预测。这种试验思路对于该领域的研究起到了一定的导向作用。雷红军等[6]利用改进的三轴剪切装置进行了渗透试验，研究表明围压、渗透压以及渗流方向对土体渗透系数的影响占主导地位。在此基础上，蔺晓燕等[7]进行了常规变水头渗透试验和土样在不同压力作用下的固结-渗透对比试验，结果表明前者测得的渗透系数会比后者得到的数据大25～40倍。在实验技术手段不断的提升条件下，王刚等[8]在传统渗透实验的基础上进行了三轴渗透试验，观测了不同应力环境下、不同压实黏土的渗透系数变化情况和试样变形形态，详细论述了这一变化过程和原因，一定程度上揭示了引起黏土渗透性变化的机理。

3 数值模拟研究现状

随着计算机领域的快速发展，很多一线工作人员会利用一些软件对某些工程进行实例分析和判断。相较于室内试验，数值模拟在时间等方面有更大的优势，并且数值模拟计算可以随时改变条件对实际工程进行预测，做到工程灾害的合理预测与规避。考虑应力环境下土体渗透性研究，实际上是基于土体流固耦合理论，数值模拟可以在这一理论基础和设定的试验条件下进行分析。所以利用模拟软件来计算帮助分析是合理可行的。近年来许多学者通过这一手段得到了许多可供参考的结论。

张欣等[9]利用ABAQUS软件对某地水库稳定性进行了分析，计算结果表明了应力场通过改变土体的孔隙比从而改变渗透性，所以渗流场也会发生改变。应力场和渗流场相互影响，造成了应力环境下测得的土体渗透系数，与常规渗透试验得出的结果显著不同。他们根据这一结论模拟了水库水位周期变化的情况，并讨论了水位急剧上升对边坡稳定性的不利情况。在此基础上，Yang Bei Bei等[10]利用类似软件考虑到降雨条件下，边坡内部应力场与渗流场的变化关系。依据计算结果，文中阐述了边坡内部耦合的微观机理，土体的孔隙率和基质吸力之间的相互作用关系。无独有偶，张晓咏等[11]也利用相同的有限元计算软件计算了稳定渗流作用下边坡失稳情况，比较了流固耦合理论、传统的极限平衡法和Bishop法，通过与实际工程监测的数据进行比对，认为流固耦合理论能够更合理描述工程情况，得出的结果更具有参考价值。此外，刘娅均等[12]在探究基坑边坡稳定过程中，推导出了渗流微分方程，利用该方程做到了流固耦合和强度折减法相结合使用的计算。依据这种方法模拟了多种工况情况下的基坑边坡的稳定性，得出雨水强度对基坑稳定性影响最大。

本文提及ABAQUS软件在计算土体流固耦合方面，具有一定的可行性和适用性，许多学者在计算该类问题时，依托于其他模拟软件进行了尝试。施炳军等[13]利用Geo-Studio软件，结合极限平衡法，采用灰色关联度理论对降水过程中边坡的稳定性进行了数值计算分析，研究得出了边坡失稳的影响范围变化过程。依次从坡脚开始破坏，然后坡顶处出现破坏面，最后延伸到边坡内部直至完全破坏。郭建伟等[14]利用FLAC3D软件，对某项目的基坑开挖过程的安全性进行了研究，文献考虑了降水情况下，基坑在开挖过程中的应力场和渗流场的变化情况，发现了基坑周边地面的变形规律，讨论了各种影响因素变化对地面变形的影响程度，在一定程度上为实际工程提供了参考依据。郭磊等[15]利用FLAC3D软件在前人数值方法研究基础上进行了改进，建立了土体力学特性和流体运动规律的耦合模型。凭借建立该模型得出的计算结果，揭示了基坑开挖至既定深度后，土体内部渗流场尚未变化稳定的这一现象，合理推测了应力场也会随渗流场继续变化，从而影响支护结构的受力。研究成果为基坑支护提供了一定的技术支持。

4 结语

①本文从应力作用下细粒土的渗透性试验和数值模拟的研究两个方面，对研究方向进行了综述。目前该领域的研究工作已经取得了一定的成果。

②通过诸多试验发现了细粒土的渗透性，因为颗粒组成不同、土体受到外界应力环境不同等的规律，利用数值模拟对许多实际工程出现的边坡稳定、基坑渗漏等问题进行了分析，为实际工程提供了一定参考。

③目前为止，仍未建立一个统一公式来定量描述细粒土渗透系数和应力状态之间的关系式，该方面需要继续深入研究。

④在数值模拟方面，虽然能够得出一定符合实际情况的规律，但是计算结果与实际工程的监测值之间，往往还存在不小的偏差，也存在计算参数难于确定等问题。

⑤实际上，应力作用下细粒土渗透性研究，核心是流固耦合问题，特别是应力场存在对土体细观结构的影响，从而造成了渗透性能的变化，故本课题还待进一步研究。