飽和粘土的一維熱固結(jié)特性試驗研究

劉京鑠，范金星，劉亞軍

(湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 水利工程系， 長沙 410131)

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飽和粘土的一維熱固結(jié)特性試驗研究

劉京鑠，范金星，劉亞軍

(湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 水利工程系， 長沙 410131)

考慮溫度對飽和粘性土的力學(xué)特性的影響，通過室內(nèi)試驗，研究了飽和粘土在不同溫度作用下的固結(jié)效應(yīng)；分析了溫度引起的孔隙水壓力以及滲透性差異性.試驗表明,溫度對土顆粒的膨脹作用和孔隙比的收縮作用影響較小.高溫作用下發(fā)生的熱膨脹在一定程度上阻礙了變形的發(fā)生，50 ℃條件下壓縮指數(shù)較10 ℃條件下有減小的趨勢.隨著溫度的升高，固結(jié)屈服應(yīng)力均隨之減小.溫度越高，水溶液的粘度越低，越容易被排出，其滲透系數(shù)越大，超靜孔隙水壓的消散越快，所以50 ℃時的超靜孔隙水壓較10 ℃時小.滲透系數(shù)隨著孔隙比的升高而升高.粒徑較大的試樣的滲透系數(shù)大于粒徑較小的試樣的滲透系數(shù).

飽和粘土；溫度；熱固結(jié)；孔隙水壓；滲透性

0　引　言

自從Terzaghi創(chuàng)立一維固結(jié)理論以來，國內(nèi)外學(xué)者將其進行了一系列的推廣，豐富了固結(jié)理論，卻較少涉及溫度的影響.溫度作為影響巖土材料固結(jié)-蠕變特性的主要因素之一[1,2]，對巖土工程變形的影響不可忽視.溫度場只能作為蠕變的影響因素, 而非直接因素，力為主導(dǎo)因素，最終蠕變的發(fā)生必然為熱力耦合過程，該過程的發(fā)生取決于骨架本體和結(jié)構(gòu)整體[3]的熱力學(xué)特性.

近年來，考慮溫度對土體工程性質(zhì)的影響成為巖土工程領(lǐng)域的一個重要研究方向，它在熱能貯存、地?zé)豳Y源開發(fā)、核廢料處置、供熱管道設(shè)計等領(lǐng)域有重要的實用價值.Campanella等[4]在各向等壓固結(jié)條件下進行了不同溫度下的固結(jié)試驗，對熱效應(yīng)所產(chǎn)生的孔隙水壓等進行了研究.Hueckel等[5]對不同超固結(jié)狀態(tài)的粘性土進行了不同溫度條件和溫度、荷載循環(huán)三軸固結(jié)試驗.Hüpers等[6]研究了粘土的熱固結(jié)特性及其孔隙水壓力的演化機理.還有一些學(xué)者研究了考慮溫度影響的本構(gòu)模型[7-9].本文通過室內(nèi)試驗，研究飽和粘土在不同溫度荷載作用下的固結(jié)效應(yīng)， 進一步分析溫度引起的孔隙水壓、孔隙比和滲透性的差異性.

1　試驗概況

本文采用兩種土料在同樣的試驗條件下進行對比研究，根據(jù)《土的分類標(biāo)準(zhǔn)》(GBJ145-90)將其定為粘土，其物理性質(zhì)指標(biāo)及粒徑級配累計曲線分別如表1和圖1所示.

試驗采用的熱固結(jié)試驗裝置進行試驗如圖2所示.筒狀電熱板嵌入恒溫水域容器側(cè)壁內(nèi)，其電熱板與溫度控制器相連.溫度傳感器安裝在底部，輸出端與溫度控制器連接，以此來控制水域溫度的變化.水域溫度可控制在0～100 ℃范圍內(nèi)，試驗時可根據(jù)試樣所要模擬的溫度荷載大小以及變化過程來確定.試樣內(nèi)的孔隙水壓由位于試樣底部的孔隙水壓力傳感器來測量.該數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)還能實時監(jiān)測試樣的滲透系數(shù).

將土樣加入一定量的水充分混合攪拌均勻形成初始含水率為2倍液限的粘流體，然后采用質(zhì)量控制法將泥漿注入的固結(jié)儀中成型，試樣直徑6 cm，高2 cm.

圖1　兩種土的顆粒級配曲線

土料編號比重自然含水率/%液限含水率/%塑限含水率/%塑性指數(shù)C-12.76747.6712249C-22.61045.5623626

考慮到工程實際，試驗溫度采用10 ℃和50 ℃.以溫度為變量，在反壓和固結(jié)壓力保持恒定的情況下，分別在水域溫度10 ℃和50 ℃的條件下進行等溫固結(jié)試驗，測得不同溫度條件下的超靜孔隙水壓、孔隙比和滲透系數(shù).C.W.W.NG[10]證明，在60 ℃以下各傳感器的精度不會受到溫度的影響.

1-伺服作動器；2-軸向載荷傳感器；3-反壓控制系統(tǒng)；4-孔隙水壓力傳感器；5-驅(qū)動裝置；6-應(yīng)變放大器；7-穩(wěn)壓器；8-驅(qū)動電路板；9-PC；10-恒溫水域容器； 11-筒狀電熱板；12-溫度傳感器；13-溫度控制器

圖2熱固結(jié)試驗裝置

相應(yīng)溫度條件下的有效豎向應(yīng)力通過下式計算得到：

σ'=σ-2△u/3

(1)

式中，σ′為有效豎向應(yīng)力(kPa)；σ為總應(yīng)力(kPa)；ue為超靜孔隙水壓(kPa).

實驗的具體操作步驟如下：(1)按照操作規(guī)程將試樣安裝到固結(jié)儀中，安裝好各種輔助設(shè)備；(2)調(diào)節(jié)恒溫水域容器內(nèi)水的溫度至設(shè)定值；(3)施加反壓100 kPa飽和并進行等溫水循環(huán)6 h，以保證試樣有足夠長的時間達到設(shè)定溫度值；(4)待試樣溫度穩(wěn)定后，打開排水閥門讓試樣在固結(jié)壓力100 kPa作用下排水固結(jié)，直至孔隙水壓力消散至穩(wěn)定.

2　一維熱固結(jié)控制方程

按動量、質(zhì)量和能量三個方面的守衡條件，可給出如下完全耦合的張量表達式[13]：

Gui,jj+(λ+G)uk,ki=αpi'+βTi'

(2)

(3)

(4)

式中，符號“′”表示求導(dǎo)數(shù)；變量上的一點表示對時間求導(dǎo)數(shù)；u為位移；p為孔隙水壓；T為溫度；εkk表示體積應(yīng)變；λ和G為Lame常數(shù)；α為Biot水力耦合系數(shù)；β為熱膨脹因子；K為滲透系數(shù)；γw為水的重度；αp為介質(zhì)的總壓縮系數(shù)；αm為熱膨脹系數(shù)；θ為熱傳導(dǎo)系數(shù)；qw為滲透流量；T0為參考溫度；Qw為水源；Qh為熱源；mw為水的內(nèi)熱容；m為總內(nèi)熱容.

對于一維情形，上述控制方程可改寫為[11]：

(5)

(6)

(7)

3　試驗結(jié)果及分析

3.1溫度對顆粒膨脹的影響

體積為Vw的孔隙水的熱膨脹量Vw的表達式：

△Vw=αwVw△T

(8)

溫度對土顆粒引起的熱膨脹量可以通過土顆粒和水的比重來間接反映.比重增量可以通過下式計算得到：

(9)

3.2溫度對壓縮性的影響

圖3為2種土的固結(jié)曲線.可以看出，溫度對孔隙比的影響較小.與上一節(jié)的結(jié)論一致.L.G. Eriksson[13]認(rèn)為隨著溫度的升高，固結(jié)曲線向左發(fā)生偏移，固結(jié)屈服應(yīng)力也隨之減小.該現(xiàn)象在C-1粘土的固結(jié)后期不明顯，在C-1粘土的固結(jié)后期和C-1粘土的固結(jié)全過程觀察到了該現(xiàn)象.這可能是不同的粘土材料引起的.兩種溫度下C-1粘土與C-2粘土的固結(jié)曲線均有相交或部分重疊的現(xiàn)象，表明50 ℃條件下壓縮指數(shù)較10 ℃條件下有減小的趨勢，這是因為高溫作用下，土顆粒與孔隙水發(fā)生膨脹，一定程度上阻礙了變形的發(fā)生.但隨著固結(jié)的進行，該現(xiàn)象逐漸減弱.這可以解釋為增強的滲透性和熱膨脹綜合作用的結(jié)果.

圖3　固結(jié)曲線

為進一步研究溫度對固結(jié)屈服應(yīng)力的影響，對其進行歸一化處理.圖4為歸一化處理后的固結(jié)屈服應(yīng)力，并用式(10)[14]進行擬合.從圖中可以看出，隨著溫度的升高，固結(jié)屈服應(yīng)力均隨之減小.在溫度載荷作用下，粘土均呈現(xiàn)出粘性特征，但溫度對粘性特征的影響程度隨粘土材料的不同而不盡相同.

(10)

式中，σc′(T)為溫度T條件下的固結(jié)屈服應(yīng)力(kPa)；σc′(T0)為初始溫度T0條件下的固結(jié)屈服應(yīng)力(kPa)；γ為材料參數(shù)(無量綱)，γ是熱膨脹因子β的函數(shù).

圖4　歸一化固結(jié)屈服應(yīng)力

通過上式可以反分析得到兩種粘土的材料參數(shù)γ：γc-1=0.2442，γc-2=0.1194.從圖4可以看出，材料參數(shù)γ越大，相同溫度下的歸一化的固結(jié)屈服應(yīng)力越小，減小速率越快.

3.3溫度對滲透系數(shù)的影響

固體顆粒與孔隙水熱膨脹特性的差異導(dǎo)致了孔隙水壓力的產(chǎn)生[15].圖5為2種土在等溫固結(jié)過程中，土樣內(nèi)超靜孔隙水壓隨有效豎向應(yīng)力的變化過程.從圖中可以看出，50 ℃時的超靜孔隙水壓較10 ℃時小.對C-1粘土，溫度分別為10 ℃和50 ℃時，超靜孔隙水壓峰值分別為108.962 kPa和47.1698 kPa，50 ℃時減小了56.7%.對C-2粘土，溫度分別為10 ℃和50 ℃時，超靜孔隙水壓峰值分別為433.216 kPa和141.519 kPa，50 ℃時減小了67.3%.

這是因為溫度的改變引起了滲透系數(shù)的改變.溫度的升高促進了滲透性(見圖6)，孔隙水的加速排出，加快了超靜孔隙水壓的消散.在滲透系數(shù)對數(shù)坐標(biāo)下，10 ℃和50 ℃條件下的孔隙比隨滲透系數(shù)的變化曲線近乎平行發(fā)展，表明兩溫度下的滲透系數(shù)的比值保持不變.

滲透系數(shù)的表達式為：

K=kρg/η

(11)

式中，K為滲透系數(shù)；k為孔隙介質(zhì)的滲透率，它只與固體骨架的性質(zhì)有關(guān)，η為粘度；ρ為流體密度；g為重力加速度.

從式(11)可以看出，溫度對滲透系數(shù)的作用是通過粘度的改變反映的.溫度與粘度成反比例關(guān)系.兩種溫度下水的粘度之比為η10/η50=2.38.從圖7可以看出，兩種粘土C-1和C-2在兩種溫度下的滲透系數(shù)的比值K50/K10在2.38～2.42之間浮動，均與粘度的比值2.38非常接近.

圖5　超靜孔隙水壓隨有效豎向應(yīng)力的變化曲線

圖6　孔隙比隨有滲透系數(shù)的變化曲線

圖7　兩種溫度下的滲透系數(shù)的比值

粘度是流體粘滯性的一種量度，是流體流動力對其內(nèi)部摩擦現(xiàn)象的一種表示.流體的粘度越大，則表示流體流動時產(chǎn)生上述內(nèi)摩擦力越大，流體的流動性越差.溫度越高，水溶液的粘度越低，越容易被排出，超靜孔隙水壓的消散越快.

另一方面，溫度荷載作用下，吸附在土顆粒周圍的水分子被激化，使水分子游離出吸附水膜，從而減小了水膜的厚度，孔隙水流通的通道變大，滲透性進一步增強.所以50 ℃時的超靜孔隙水壓比10 ℃時的小.

3.4孔隙率對滲透系數(shù)的影響

進一步比較圖6可知：

(1)滲透系數(shù)隨著孔隙比的升高而升高.隨著孔隙比的升高說明單位體積內(nèi)所包含的孔隙體積升高，孔隙水流通的通道變大，故滲流系數(shù)增大.

(2)相同溫度下，C-2的滲透系數(shù)小于C-1的滲透系數(shù).這是由于C-2的粒徑較C-1更小.在孔隙比一定的條件下，即土體內(nèi)部所包含的孔隙體積相同，粒徑增大導(dǎo)致土顆粒間孔隙尺寸增大， 總的孔隙體積相同， 平均孔隙直徑增大，則相應(yīng)孔隙數(shù)量減少.平均孔隙直徑的增大，使得流體通過的斷面增大；孔隙數(shù)量的減少，則使得流體繞流的路程縮短，水頭損失降低，滲透系數(shù)增大[16].

4　結(jié)　論

(1)溫度對土顆粒的膨脹作用和孔隙比的收縮作用影響較小.

(2)50 ℃條件下壓縮指數(shù)較10 ℃條件下有減小的趨勢，這是因為高溫作用下發(fā)生熱膨脹，一定程度上阻礙了變形的發(fā)生.但滲透性的增強使得該現(xiàn)象逐漸減弱.

(3)隨著溫度的升高，固結(jié)屈服應(yīng)力均隨之減小.通過反分析得到了兩種粘土的材料參數(shù)γ.材料參數(shù)γ越大，相同溫度下的歸一化的固結(jié)屈服應(yīng)力越小.

(4)50 ℃時的超靜孔隙水壓較10 ℃時小.這是因為溫度的改變引起了滲透系數(shù)的改變.溫度越高，其滲透系數(shù)越大.溫度越高，水溶液的粘度越低，越容易被排出，超靜孔隙水壓的消散越快.

(5)滲透系數(shù)隨著孔隙比的升高而升高.粒徑較大的試樣的滲透系數(shù)大于粒徑較小的試樣的滲透系數(shù).

[1] 周德培.流變力學(xué)原理及其在巖土工程中的應(yīng)用[M]. 成都:西南交通大學(xué)出版社,1995.

[2] 蘇鐘琴.非等溫條件下飽和粉質(zhì)粘土熱固結(jié)特性試驗研究[D]. 北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010.

[3] 李傳亮, 孔祥言, 徐獻芝, 等. 多孔介質(zhì)的雙重有效應(yīng)力[J] . 自然雜志,1999,21 (5) :288-292.

[4] CAMPANELLA R G, MITCHELL J K. Influence of Temperature Variation on Soil Behavior[J]. Journal of Soil Mechanics and Foundation Engineering Division, 1968, 94(3): 709-734.

[5] HUECKEL T, BALDI G. Thermoplasticity of Saturated Clays: Experimental Constitutive Study[J]. Journal of Geotechnical Engineering, 1990, 116(12): 1778-1795.

[6] HüPERS A, KOPF A J. The Thermal Influence on the Consolidation State of Underthrust Sediments From the Nankai Margin and Its Implications for Excess Pore Pressure[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2009, 286: 324-332.

[7] CUI Y J. A Thermome Chanical Model for Saturated Clays[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2002, 37(2): 607-620.

[8] ABUEL H M, BERGADO D T, BOUAZZA A, et al. Volume Change Behaviour of Saturated Clays Under Drained Heating Conditions: Experimental Results and Constitutive Modeling[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2007, 44(8): 942-956.

[9] 姚仰平, 萬征, 楊一帆, 等. 飽和粘土不排水剪切的熱破壞 [J]. 巖土力學(xué), 2011, 32(9): 2561-2569.

[10] NG C W W, ZHOU C. Cyclic Behaviour of an Unsaturated Silt at Various Suctions and Temperatures[J]. Géotechnique, 2014, 64(9): 709-720.

[11] 白冰. 巖土顆粒介質(zhì)非等溫一維熱固結(jié)特性研究[J]. 工程力學(xué)，2005， 22(5)： 186-191.

[12] Campanella R G, Mitchell J K. Influence of Temperature Variations on Soil Behavior[J]. Journal of Soil Mechanics & Foundations Div, 1968.94(3):709-734.[13] L.G. Eriksson. Temperature Effects on Consolidation Properties of Sulphide Clays [C]. Proceedings of the Twelfth International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Rotterdam: Balkema Publishers[A]. Taylor & Francis The Netherlands, 1989: 2087-2090.

[14] Laloui L, Cekerevac C. Thermo-plasticity of Clays: an Isotropic Yield Mechanism[J]. Computers and Geotechnics, 2003, 30(8): 649-660.

[15] CAMAMPANELLA R G, MITCHELL J K. Influence of Temperature Variation on Soil Behavior[J]. Journal of Soil Mechanics and Foundation Engineering Division, 1968,94(3): 709-734.

[16] 蘇立君, 張宜健, 王鐵行. 不同粒徑級砂土滲透特性試驗研究[J]. 巖土力學(xué), 2014, 35(5):1289-1294.

Experimental Study on One-dimensional Thermal Consolidation of Saturated Clays

LIU Jing-shuo, FAN Jin-xing, LIU Ya-jun

(Department of Hydraulic Engineering, Hunan Polytechnic of Water Resources and Electric Power, Changsha 410131, China)

Considering the effects of temperatures on the mechanical properties of the unsaturated cohesive soil, laboratory tests are conducted to investigate the consolidation effects of cohesive soils exposed to varying temperatures in the paper. The differences of pore hydraulic pressure and permeability caused by temperatures are analyzed. By laboratory tests, consolidation properties of two saturated clays under different temperatures are studied. Results show that the effect of temperature on the expansion of soil particles and the contraction of void ratio is small; the thermal expansion due to high temperature can affect the deformation to some extent. So the compression index at 50℃is smaller than that at 10℃. However, such an effect disappeared due to better permeability; the consolidation yield stress decreases with increasing temperature. Higher temperature leads to less excess pore water pressure due to higher permeability coefficient because the viscosity of pore water at higher temperatures becomes weaker; permeability coefficient increase with larger void ratio and grain size.

saturated clay; temperature; thermal consolidation; pore hydraulic pressure; permeability

湖南省教育廳科研資助項目(14C0746)，湖南省水利廳重大科研課題(湘財農(nóng)指[2010]29號,[2015]186號).

劉京鑠(1979-)，男，講師，博士研究生，研究方向：巖土工程.

TU411.5

A

1671-119X(2016)03-0086-05