黏土滲透性溫度效應(yīng)試驗(yàn)

何 俊,胡曉瑾,顏 興,萬 娟

(湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,湖北 武漢 430068)

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黏土滲透性溫度效應(yīng)試驗(yàn)

何 俊,胡曉瑾,顏 興,萬 娟

(湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,湖北 武漢 430068)

采用改造的GDS全自動環(huán)境巖土滲透儀(柔性壁)和南55滲透儀(硬性壁)開展?jié)B透試驗(yàn),研究溫度和試驗(yàn)方法對黏土滲透系數(shù)的影響。結(jié)果表明:黏土的滲透系數(shù)隨溫度的升高而增大,滲透系數(shù)對數(shù)值與溫度線性正相關(guān),當(dāng)溫度從20℃升高至70℃時(shí),柔性壁和硬性壁滲透試驗(yàn)結(jié)果增幅分別為5.5倍和2.7倍。由于兩種滲透試驗(yàn)中試樣尺寸和制樣方法等差異,柔性壁滲透試驗(yàn)所得滲透系數(shù)大于相應(yīng)干密度下硬性壁滲透試驗(yàn)結(jié)果。僅考慮流體黏滯系數(shù)和密度隨溫度的變化(即假設(shè)固有滲透率為定值)時(shí),滲透系數(shù)估算值隨溫度的變化規(guī)律與實(shí)測結(jié)果一致,滲透系數(shù)隨溫度的變化主要由流體物理性質(zhì)的變化引起;但滲透系數(shù)估算值與實(shí)測值有一定差異,固有滲透率并不是定值。柔性壁滲透試驗(yàn)55 kPa圍壓下所得固有滲透率隨溫度的升高而顯著增大,滲透系數(shù)估算值小于實(shí)測值;而硬性壁滲透試驗(yàn)所得固有滲透率隨溫度的升高略有降低,滲透系數(shù)估算值與實(shí)測值相差不大。

溫度效應(yīng);滲透系數(shù);固有滲透率;柔性壁滲透試驗(yàn);硬性壁滲透試驗(yàn)

壓實(shí)黏土是垃圾填埋場、工業(yè)固體廢棄物堆場中常用的防滲襯墊材料,首先必須滿足低滲透性要求。在垃圾填埋場中,由于有機(jī)物降解產(chǎn)生的熱能,填埋場內(nèi)襯墊系統(tǒng)的溫度一般為50～60℃,最高可達(dá)90℃以上,持續(xù)時(shí)間可超過10 a[1]。因此,壓實(shí)黏土襯墊可能長期處于高溫環(huán)境中,其滲透性能與常溫相比可能存在差異。國外學(xué)者對高溫影響下襯墊系統(tǒng)性能開展的研究表明,高溫對土工膜的老化[2]、膨潤土防水毯的水化膨脹及滲透性[3-5]、黏土襯墊中干燥裂隙的擴(kuò)展[6]等都有重要影響。近年來,對黏土工程性質(zhì)的溫度效應(yīng)研究受到越來越多的國內(nèi)學(xué)者的重視,在熱島效應(yīng)問題[7]、核廢料處置與貯存時(shí)壓實(shí)膨潤土等材料性質(zhì)的溫度效應(yīng)[8]、土體熱固結(jié)或非等溫固結(jié)問題[9]等方面取得了一定的成果。然而,由于黏土滲透性溫度效應(yīng)的復(fù)雜性,仍有很多問題沒有研究清楚,主要表現(xiàn)在黏土滲透性隨溫度變化的機(jī)理和測試方法的影響兩個(gè)方面。

一般認(rèn)為,滲透系數(shù)可以表示為[10]

(1)

式中:k為滲透系數(shù),m/s;K為固有滲透率,m2;ρ為流體密度,kg/m3;μ為流體黏滯系數(shù),Pa·s;η為動力黏滯系數(shù),m2/s;g為重力加速度,9.81 m/s2。當(dāng)假定土的固有滲透率為定值時(shí),滲透系數(shù)就只與動力黏滯系數(shù)有關(guān),據(jù)此可進(jìn)行滲透系數(shù)的溫度修正。我國SL 237—1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》中將20℃作為標(biāo)準(zhǔn)溫度,即要將滲透試驗(yàn)結(jié)果換算到標(biāo)準(zhǔn)溫度下的值:

(2)

式中:kT、k20分別為試驗(yàn)溫度和標(biāo)準(zhǔn)溫度時(shí)的滲透系數(shù);ηT、η20分別為試驗(yàn)溫度和標(biāo)準(zhǔn)溫度時(shí)的動力黏滯系數(shù)。然而,溫度對黏土滲透性的影響不僅與孔隙水的動力黏滯系數(shù)有關(guān),還可能與土的礦物成分、微觀結(jié)構(gòu)及溶液中離子濃度和種類有關(guān)。邵玉嫻等[7]認(rèn)為,溫度升高時(shí)產(chǎn)生的吸附結(jié)合水量的變化是導(dǎo)致滲透系數(shù)增大的主要原因。Abuel-Naga等[11]研究了軟黏土在高溫下的工程性質(zhì),發(fā)現(xiàn)用公式(2)估算的滲透系數(shù)與實(shí)測值有很好的一致性。Cho等[5]對飽和鈣基膨潤土的研究發(fā)現(xiàn),滲透系數(shù)隨溫度的變化主要由水黏滯系數(shù)的變化引起;而Ye等[8]對壓實(shí)高廟子膨潤土的研究則表明,僅考慮水黏滯性變化的滲透系數(shù)理論估算值與實(shí)測值存在一定差異,且溫度越高,實(shí)測值超出估算值越明顯?？梢钥闯?滲透系數(shù)與溫度的關(guān)系是否符合公式(2)還有待于深入研究。

考慮溫度的滲透系數(shù)研究方法主要有間接方法(根據(jù)土體孔隙水體積變化或固結(jié)壓縮曲線得到)和直接方法(包括硬性壁滲透試驗(yàn)和柔性壁滲透試驗(yàn))兩種。白冰等[9]認(rèn)為,由于溫度升高時(shí)產(chǎn)生熱固結(jié)導(dǎo)致黏性土的孔隙比發(fā)生變化,故根據(jù)等溫固結(jié)試驗(yàn)來間接確定黏性土滲透系數(shù)的方法值得商榷。Delage等[12]對Boom黏土滲透性的溫度效應(yīng)研究也發(fā)現(xiàn),利用固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果反推滲透系數(shù)產(chǎn)生的誤差較大。因此,更多的學(xué)者采用硬性壁滲透試驗(yàn)方法進(jìn)行研究,如Morin等[13]在剛性固結(jié)環(huán)內(nèi)對海洋沉積物進(jìn)行了不同溫度下的常水頭滲透試驗(yàn);邵玉嫻等[7]采用南55滲透儀對三種黏性土進(jìn)行了不同溫度下的變水頭滲透試驗(yàn);Cho等[5，8]采用硬性壁滲透試驗(yàn)方法研究了不同溫度下壓實(shí)膨潤土的滲透性,試驗(yàn)土樣的干密度保持不變。在柔性壁滲透試驗(yàn)方面,Abuel-Naga等[11]采用柔性壁滲透儀對軟黏土進(jìn)行了不同溫度下的常水頭滲透試驗(yàn)。柔性壁滲透試驗(yàn)和硬性壁滲透試驗(yàn)在試樣尺寸、制樣方法、側(cè)壁滲透和滲透過程中孔隙比的變化等方面均存在不同,目前對于不同溫度條件下兩種試驗(yàn)方法差異的研究還不多。

本文以填埋場中常用的黏土襯墊材料為研究對象,在GDS全自動環(huán)境巖土滲透儀(柔性壁)和南55滲透儀(硬性壁)基礎(chǔ)上增加溫度控制設(shè)備,開展不同溫度條件下黏土的滲透試驗(yàn),研究黏土襯墊滲透性能隨溫度的變化規(guī)律及機(jī)理,探討兩種試驗(yàn)方法的差異,以期為揭示溫度作用下黏土的滲透性能提供參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土樣選自武漢市長山口垃圾填埋場附近,其液限和塑限分別為39.7%和25.3%,為低液限黏土。采用標(biāo)準(zhǔn)普氏擊實(shí)試驗(yàn)方法,得到該黏土的最優(yōu)含水率為23.0%,最大干密度為1.61 g/cm3。其比表面積為31.94 m2/g,主要黏土礦物為高嶺石和伊利石。

1.2 柔性壁滲透試驗(yàn)

柔性壁滲透試驗(yàn)采用GDS全自動環(huán)境巖土滲透儀。為控制溫度,對該滲透儀圍壓室進(jìn)行改造:將銅管繞成螺旋狀安裝到圍壓室內(nèi)部,銅管經(jīng)PVC管連接到恒溫水浴,恒溫水通過PVC管和螺旋銅管循環(huán)流動,從而使壓力室中的水和土樣處于恒溫狀態(tài)。圍壓室頂端連接溫度傳感器監(jiān)控其溫度。圍壓室用珍珠棉鍍鋁隔熱膜包裹,以減小熱量散失。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1(a)所示。

圖1 控制溫度的滲透儀試驗(yàn)裝置

滲透儀可選用恒定水頭和恒定流速兩種模式,本文采用恒定水頭模式,上游和下游壓力分別設(shè)為50 kPa和0 kPa。設(shè)定圍壓為55 kPa,試驗(yàn)溫度為室溫至70℃。試驗(yàn)時(shí),取過篩烘干土,控制含水率為最優(yōu)含水率+2.0%(即25.0%),壓實(shí)度大于96%(選用干密度為1.57 g/cm3),分3層擊實(shí),土樣直徑和高度分別為70 mm和140 mm,抽真空飽和。裝樣后,先通過水浴控制圍壓室和土樣的溫度達(dá)到設(shè)定溫度,此時(shí)圍壓室及上下游均與大氣連通;接著施加圍壓固結(jié)24 h;然后施加上下游壓力,按照室溫、20℃、35℃、50℃和70℃的順序進(jìn)行滲透試驗(yàn)。

1.3 硬性壁滲透試驗(yàn)

硬性壁滲透試驗(yàn)采用南55滲透儀。為考慮不同溫度的影響,將滲透儀的水槽改成水浴(圖1(b))。為使進(jìn)入土樣中的水溫達(dá)到設(shè)定溫度,水浴中的水管需具有良好的導(dǎo)熱性能和足夠的長度。選擇白色PVC管進(jìn)行測試,發(fā)現(xiàn)在60 min內(nèi)管中的水溫能與水浴中的溫度達(dá)到平衡(見圖2,其中水浴溫度設(shè)置為50℃,由于測量時(shí)受環(huán)境溫度影響,測試溫度低于實(shí)際溫度)。本次試驗(yàn)土樣及水頭條件下,測管內(nèi)水位最大下降值不超過10 cm/h,選用1 m長的PVC管浸入水浴中將測管與土樣連接,其長度足夠使進(jìn)入土樣中的水的溫度與水浴中的溫度平衡。

圖2 PVC管內(nèi)水溫與浸泡時(shí)間的關(guān)系

硬性壁滲透試驗(yàn)采用靜壓法制樣,直徑和高度分別為61.8 mm和40 mm,土樣干密度選為1.60 g/cm3,其制備及飽和方法與柔性壁滲透試驗(yàn)相同。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 滲透系數(shù)與時(shí)間的關(guān)系

圖3為兩種試驗(yàn)方法得到的滲透系數(shù)與時(shí)間的關(guān)系曲線。可以看出,GDS柔性壁滲透試驗(yàn)中,由于圍壓的作用使土樣逐漸趨于密實(shí),根據(jù)上下游流量得到的滲透系數(shù)均隨時(shí)間逐漸減小,上游與下游滲透系數(shù)的比值逐漸趨于1。該結(jié)果與文獻(xiàn)[11]得到的結(jié)果相同。由于GDS柔性壁滲透試驗(yàn)結(jié)果與時(shí)間有關(guān),選定滿足上下游滲透系數(shù)比值接近1、平均滲透系數(shù)隨時(shí)間變化趨于穩(wěn)定時(shí)的值進(jìn)行分析。南55硬性壁滲透試驗(yàn)過程中土樣的干密度保持不變,滲透系數(shù)并沒有表現(xiàn)出隨時(shí)間逐漸減小的趨勢,故取均值分析。

圖3 滲透系數(shù)與時(shí)間的關(guān)系

2.2 滲透系數(shù)與溫度的關(guān)系

圖4為柔性壁和硬性壁滲透試驗(yàn)得到的滲透系數(shù)與溫度的關(guān)系。由于高溫不太容易控制,比如發(fā)生乳膠膜及橡皮圈變軟或破裂、水浴中水分蒸發(fā)較快等現(xiàn)象,故不是所有情況下都得到70℃的試驗(yàn)結(jié)果。

圖4 滲透系數(shù)與溫度的關(guān)系

a. 兩種試驗(yàn)方法所得的結(jié)果具有相同的規(guī)律,即黏土的滲透系數(shù)隨著溫度的升高均表現(xiàn)出增大的趨勢。從20℃到70℃,柔性壁滲透試驗(yàn)所得結(jié)果的最大增幅為5.5倍,硬性壁滲透試驗(yàn)所得結(jié)果的最大增幅為2.7倍。

b. 滲透系數(shù)的對數(shù)值與溫度呈較好的線性正相關(guān)關(guān)系。柔性壁滲透試驗(yàn)所得斜率大于硬性壁滲透試驗(yàn)結(jié)果(分別為0.035和0.017)。

c. 柔性壁滲透試驗(yàn)土樣的初始干密度約為1.57 g/cm3,在55 kPa圍壓下土樣發(fā)生固結(jié)壓縮,滲透試驗(yàn)完成后土樣干密度約為1.60 g/cm3,與硬性壁滲透試驗(yàn)中干密度為1.60 g/cm3的土樣相當(dāng)。柔性壁滲透試驗(yàn)結(jié)果顯著大于硬性壁滲透試驗(yàn)結(jié)果,在13～70℃范圍內(nèi),柔性壁滲透試驗(yàn)結(jié)果約為相應(yīng)溫度下硬性壁滲透試驗(yàn)結(jié)果的13～26倍。

2.3 固有滲透率與溫度的關(guān)系

根據(jù)試驗(yàn)所得滲透系數(shù),由式(1)可計(jì)算出固有滲透率(即K=kη/g),其與溫度的關(guān)系見圖5,其中不同溫度下流體密度及黏滯系數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[4]選用或線性插值確定(見表1)。固有滲透率是表征土本身傳導(dǎo)流體能力的參數(shù),其大小與界面物理化學(xué)性質(zhì)、孔隙特性、顆粒大小及排列方式等因素有關(guān),而與流體性質(zhì)無關(guān)?？梢钥闯?當(dāng)溫度變化時(shí),固有滲透率并不是一個(gè)常數(shù),固有滲透率的對數(shù)值與溫度之間有較好的線性相關(guān)性,與Ye等[8]的試驗(yàn)結(jié)果一致。柔性壁滲透試驗(yàn)所得固有滲透率隨溫度增大而顯著增大,硬性壁滲透試驗(yàn)所得固有滲透率隨溫度的升高略有減小。

圖5 固有滲透率與溫度的關(guān)系

表1 試驗(yàn)溫度下水的性質(zhì)參數(shù)[4]

3 討 論

3.1 滲透系數(shù)及固有滲透率的溫度效應(yīng)機(jī)理

黏土滲透系數(shù)隨溫度的變化可能受流體的物理性質(zhì)、土顆粒與流體之間的物理化學(xué)作用、孔隙結(jié)構(gòu)與尺寸等三方面因素的影響。

3.1.1 流體的物理性質(zhì)

3.1.2 土顆粒與流體之間的物理化學(xué)作用

當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí),土顆粒與流體之間的物理化學(xué)作用可能導(dǎo)致的擴(kuò)散雙電層的厚度隨之變化。有研究認(rèn)為溫度的改變對雙電層的厚度以及吸附水量沒有顯著的影響[14];但也有學(xué)者認(rèn)為當(dāng)溫度升高時(shí)部分吸附結(jié)合水變?yōu)樽杂伤?吸附結(jié)合水量減小,導(dǎo)致吸附雙電層厚度變小,流動通道變大,從而導(dǎo)致滲透系數(shù)變化大于估算值、固有滲透率隨溫度的升高而增大[15]。邵玉嫻等[7]對3種黏性土的吸附結(jié)合水試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)溫度從5℃增大至50℃時(shí),吸附結(jié)合水量減小3.78%～10.01%。本文采用與文獻(xiàn)[7]相同的容量瓶法進(jìn)行測量,利用水浴控制溫度,測量出吸附結(jié)合水量與溫度的關(guān)系如圖6所示。可以看出,吸附結(jié)合水量隨溫度的升高而減小,當(dāng)溫度從20℃增大至70℃時(shí),吸附結(jié)合水量從4.76%減小至3.83%。

圖6 吸附結(jié)合水量及水膜厚度與溫度的關(guān)系

對于干密度為1.60 g/cm3的土樣,其飽和含水率約為26.8%。若假設(shè)土顆粒和孔隙為均勻分布,根據(jù)含水率和比表面積可以推求出總水膜厚度約為8.39 nm。根據(jù)吸附結(jié)合水量也可計(jì)算出吸附結(jié)合水膜的厚度,總水膜厚度與吸附結(jié)合水膜厚度之差即為滲透結(jié)合水及自由水(即水流動的通道)的厚度(圖6)。可以看出,當(dāng)溫度從20℃增大至70℃時(shí),水流動通道的水膜厚度從6.90 nm增大至7.19 nm,這表明,在土顆粒與孔隙均勻分布的假設(shè)條件下,由于吸附結(jié)合水量的變化導(dǎo)致水流動通道隨溫度的升高而增大,此時(shí)固有滲透率應(yīng)隨溫度的升高而增大,滲透系數(shù)實(shí)測值應(yīng)大于估算值。但本文測試結(jié)果并不完全是這樣。另外,文獻(xiàn)[7]中3種黏性土的硬性壁滲透試驗(yàn)結(jié)果見圖7，可以看出,土樣2的固有滲透率隨溫度的升高而增大,可以用結(jié)合水膜厚度的變化來解釋;而土樣1和土樣3的固有滲透率卻隨溫度的升高而減小。因此,從本文試驗(yàn)結(jié)果和文獻(xiàn)[7]都可以得出,單從擴(kuò)散雙電層和吸附結(jié)合水膜厚度的變化還不能完全解釋以上滲透系數(shù)和固有滲透率隨溫度的變化規(guī)律;而且以上結(jié)合水膜厚度的計(jì)算是在土顆粒和孔隙均勻分布的假設(shè)條件下得到的,還需從孔隙分布的不均勻性來考慮。

圖7 固有滲透率與溫度的關(guān)系[7]

3.1.3 孔隙結(jié)構(gòu)與尺寸

眾所周知,黏性土顆粒具有團(tuán)聚現(xiàn)象,其孔隙尺寸分布是不均勻的,存在粒間和粒內(nèi)兩種類型的孔隙,孔隙結(jié)構(gòu)和尺寸可能受到溫度的影響。Gee等[16]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)溫度升高時(shí),黏土結(jié)合水的粒間黏性剪切阻力減小,可能導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的破壞,因此粒間孔隙度將減小。葉為民等[17]對高壓實(shí)膨潤土-砂混合物微觀結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)溫度為20℃時(shí),土樣孔徑分布為雙峰結(jié)構(gòu),即存在大孔隙(粒間孔隙)和小孔隙(粒內(nèi)孔隙);當(dāng)溫度為60℃時(shí),土樣大孔隙消失,只存在小孔隙。Abuel-Naga等[3]對膨潤土防水毯滲透性能的溫度效應(yīng)研究表明,當(dāng)溫度升高時(shí),原有顆粒狀膨潤土發(fā)生分解,形成更多由凝膠態(tài)蒙脫石所占據(jù)的粒間孔隙和尺寸更小的粒間孔隙。雖然本文土樣的主要黏土礦物不是蒙脫石,但在飽和狀態(tài)下仍有部分分散的伊利石和高嶺石顆粒占據(jù)粒間孔隙;當(dāng)溫度升高時(shí),可能發(fā)生分散的黏土顆粒占據(jù)粒間孔隙以及粒間孔隙減小的現(xiàn)象,由此導(dǎo)致固有滲透率隨溫度的升高而減小。

固有滲透率隨溫度表現(xiàn)出增大或減小的規(guī)律,是粒間孔隙尺寸效應(yīng)和結(jié)合水膜厚度效應(yīng)的共同作用的表現(xiàn)。當(dāng)結(jié)合水膜厚度效應(yīng)更顯著時(shí),固有滲透率隨溫度的升高而增大;而當(dāng)粒間孔隙尺寸效應(yīng)更顯著時(shí),固有滲透率隨溫度的升高而減小。當(dāng)土樣成分和結(jié)構(gòu)不相同時(shí),兩種效應(yīng)的強(qiáng)弱不同,因此文獻(xiàn)[7]及本文硬性壁滲透試驗(yàn)所得固有滲透率隨溫度的升高而表現(xiàn)出增大或減小的趨勢。

3.2 兩種試驗(yàn)方法比較

由圖4可知,相同干密度下柔性壁滲透試驗(yàn)所得滲透系數(shù)大于硬性壁滲透試驗(yàn)的結(jié)果。造成這種差異的原因首先是土樣尺寸和制樣方法的不同，柔性壁滲透試驗(yàn)土樣尺寸為直徑70 mm、高度140 mm,采用分層擊實(shí)方法制樣； 硬性壁滲透試驗(yàn)土樣尺寸為直徑61.8 mm、高度40 mm,采用靜壓法制樣。滲透系數(shù)的大小受到試樣尺寸的影響,例如Rayhani等[18-19]對直徑100 mm、高度116 mm和直徑300 mm、高度150 mm兩種尺寸的土樣進(jìn)行柔性壁滲透試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),大尺寸土樣滲透系數(shù)大于小尺寸土樣滲透系數(shù),二者的比值為2.0～3.6;Omidi等[20]比較了直徑分別為101.6 mm和430 mm土樣的硬性壁滲透試驗(yàn)結(jié)果后發(fā)現(xiàn),后者為前者的8.3～39.3倍。另外,相對于靜壓法制樣,分層擊實(shí)制樣更容易造成不均勻及制樣裂隙等現(xiàn)象,在低圍壓下這些現(xiàn)象不能完全消除,從而導(dǎo)致柔性壁滲透試驗(yàn)所得滲透系數(shù)大于相應(yīng)條件下硬性壁滲透試驗(yàn)結(jié)果。

通常認(rèn)為,硬性壁滲透試驗(yàn)可能存在側(cè)壁滲漏現(xiàn)象,而柔性壁滲透試驗(yàn)可以較好地解決這個(gè)問題,在土樣狀態(tài)相同的情況下,硬性壁滲透試驗(yàn)結(jié)果大于柔性壁滲透試驗(yàn)結(jié)果。本文可能受到土樣尺寸和制樣方法的影響,沒有發(fā)現(xiàn)側(cè)壁滲漏引起的滲透系數(shù)變大現(xiàn)象。

對于硬性壁滲透試驗(yàn),固有滲透率隨溫度的升高而略有減小(圖5(b)),主要是由于粒間孔隙尺寸效應(yīng)超過了結(jié)合水膜厚度效應(yīng)造成的。

而對于55 kPa圍壓下的柔性壁滲透試驗(yàn),試樣在制樣過程產(chǎn)生的不均勻現(xiàn)象仍存在,土樣中除了粒內(nèi)孔隙和粒間孔隙外,還可能存在更大尺寸的孔隙或裂隙。這種孔隙或裂隙在實(shí)際施工中是常常會遇到的,并往往在滲透過程中起主導(dǎo)作用。由于大孔隙或裂隙的存在,粒間孔隙尺寸效應(yīng)不顯著,從而導(dǎo)致滲透系數(shù)實(shí)測值大于估算值、固有滲透率隨溫度的升高而增大(圖4(a)和圖5(a))。

4 結(jié) 論

a. 當(dāng)溫度一定時(shí),柔性壁滲透試驗(yàn)中,由于圍壓的作用導(dǎo)致孔隙水排出,土樣被壓密,滲透系數(shù)隨時(shí)間逐漸減小并趨于穩(wěn)定;硬性壁滲透試驗(yàn)中土樣干密度保持不變,所得滲透系數(shù)沒有表現(xiàn)出隨時(shí)間逐漸減小的趨勢。

b. 對于本文所采用的黏土,柔性壁和硬性壁滲透試驗(yàn)所得的滲透系數(shù)均隨溫度的升高而增大,從20℃到70℃,兩種試驗(yàn)方法所得結(jié)果的最大增幅分別為5.5倍和2.7倍。滲透系數(shù)的對數(shù)值與溫度線性正相關(guān)。由于兩種滲透試驗(yàn)中試樣尺寸和制樣方法等方面的差異,柔性壁滲透試驗(yàn)所得滲透系數(shù)大于相應(yīng)干密度下硬性壁滲透試驗(yàn)結(jié)果。

c. 僅考慮流體的黏滯系數(shù)和密度隨溫度的變化(即SL237—1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》中規(guī)定的方法——假設(shè)固有滲透率為定值)時(shí),估算的滲透系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律與實(shí)測結(jié)果一致,表明滲透系數(shù)隨溫度的變化主要是由流體物理性質(zhì)的變化引起的。但滲透系數(shù)估算值與實(shí)測值有一定差異,尤其是柔性壁滲透試驗(yàn)55 kPa圍壓下估算值顯著小于實(shí)測值。

d. 柔性壁滲透試驗(yàn)55 kPa圍壓下所得固有滲透率隨溫度的升高而顯著增大,硬性壁滲透試驗(yàn)所得固有滲透率隨溫度升高而略有減小。由于結(jié)合水量和水膜厚度隨溫度的升高而減小,且孔隙分布的不均勻性及粒間孔隙尺寸隨溫度發(fā)生變化,導(dǎo)致固有滲透率隨溫度表現(xiàn)出增大或減小的趨勢。

[1] BOUAZZA A,NAHLAWI H,ALYWARD M.In-situ temperature monitoring in an organic waste landfill cell[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2011,137(12):1286-1289.

[2] JAFARI N H,STARK T D,ROWE R K.Service life of HDPE geomembranes subjected to elevated temperatures[J].Journal of Hazardous,Toxic,and Radioactive Waste,2014,18(1):16-26.

[3] ABUEL-NAGA H M,BOUAZZA A,GATES W.Impact of bentonite form on the thermal evolution of the hydraulic conductivity of geosynthetic clay liners[J].Geotechnique,2013,3(2):26-30.

[4] BARCLAY A,RAYHANI M T.Effect of temperature on hydration of geosynthetic clay liners in landfills[J].Waste Management and Research,2013,31(3):265-272.

[5] CHO W J,LEE J O,CHUN K S.The temperature effects on hydraulic conductivity of compacted bentonite[J].Applied Clay Science,1999,14:47-58.

[6] SOUTHEN J M,ROWE R K.Modeling of thermally induced desiccation of geosynthetic clay liners[J].Geotextiles and Geomembranes,2005,23:425-442.

[7] 邵玉嫻,施斌,劉春，等.黏性土水理性質(zhì)溫度效應(yīng)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2011,33(10):1576-1582.(SHAO Yuxian,SHI Bin,LIU Chun,et al.Temperature effect on hydro-physical properties of clayey soils[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2011,33(10):1576-1582.(in Chinese))

[8] YE W M,WAN M,CHEN B,et al.Temperature effects on the swelling pressure and saturated hydraulic conductivity of the compacted GMZ01 bentonite [J].Environmental Earth Sciences,2013,68:281-288.

[9] 白冰,趙成剛.溫度對黏性土介質(zhì)力學(xué)特性的影響[J].巖土力學(xué),2003,24(4):533-537.(BAI Bin,ZHAO Chenggang.Temperature effects on mechanical characteristics of clay soils[J].Rock and Soil Mechanics,2003,24(4):533-537.(in Chinese))

[10] BEAR J.Dynamics of fluids in porous media [M].New York：American Elsevier，1972.

[11] ABUEL-NAGA H M,BERGADO D T,RAMANA G V,et al.Experimental evaluation of engineering behaviour of soft Bangkok clay under elevated temperature[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2006,132(7):902-910.

[12] DELAGE P,SULTAN N,CUI Y J.On the thermal consolidation of Boom clay[J].Canadian Geotechnical Journal,2000,37(4):343-354.

[13] MORIN R,SILVA A J.The effects of high Pressure and high temperature on some physical properties of ocean sediments[J].Journal of Geophysical Research,1984,89(Bl):511-526.

[14] 蔡國慶,紀(jì)小彬.溫度對非飽和土土水特征曲線的影響研究進(jìn)展[J].水利水電科技進(jìn)展,2010,30(增刊1):161-165.(CAI Guoqing,JI Xiaobin.Research progress in temperature effects on soil-water characteristic curve of unsaturated soils [J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2010,30(Sup1):161-165.(in Chinese))

[15] VILLAR M V,LLORET A.Influence of temperature on the hydromechanical behaviour of a compacted bentonite[J]. Applied Clay Science,2004,26(1/2/3/4):337-350.

[16] GEE M L,MCGUIGGAN P M,ISRELECHVILI J.Liquids to solid like transition of molecularly thin films under shear[J].Journal of Chemical Physics,1990,93:1895-1906.

[17] 葉為民,申淼,王瓊.溫控高壓實(shí)膨潤土-砂混合物微觀結(jié)構(gòu)特征[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,31(3):321-324.(YE Weimin,SHEN Miao,WANG Qiong.Micro-structural characteristic of highly compacted san-bentonite mixtures at different temperatures[J].Journal of Jiamusi University (Natural Science Edition),2013,31(3):321-324.(in Chinese))

[18] RAYHANI M H T,YANFUL E K,FAKHER A.Desiccation-induced cracking and its effect on the hydraulic conductivity of clayey soils from Iran[J].Canada Geotechnical Journal,2007,44:276-283.

[19] RAYHANI M H T,YANFUL E K,FAKHER A.Physical modeling of desiccation cracking in plastic soils[J].Engineering Geology,2008,97:25-31.

[20] OMIDI G H,THOMAS J C,BROWN K W.Effect of desiccation cracking on the hydraulic conductivity of a compacted clay liner[J].Water,Air,and Soil Pollution,1996,89:91-103.

Experiments on temperature effect of hydraulic conductivity of compacted clay//

HE Jun, HU Xiaojin, YAN Xing, WAN Juan

(CollegeofCivilandArchitecturalEngineering,HubeiUniversityofTechnology,Wuhan430068,China)

The hydraulic conductivities of compacted clay at various temperatures were tested with different methods, the improved GDS full-automatic geoenvironmental permeameter (with a flexible wall) and Nan-55 permeameter (with a rigid wall). Results show that the hydraulic conductivity increased with temperature, and they were positively linearly related in a semi-logarithmic plane; the rates of increase of hydraulic conductivity from tests with a flexible wall and rigid wall were, respectively, up to 5.5 and 2.7 times higher at 70℃ than at 20℃. The hydraulic conductivity obtained from the GDS permeameter was larger than that obtained from the Nan-55 permeameter under the same dry density, due to different sample sizes and preparation methods in the two hydraulic tests. Assuming that the viscosity and density changed with temperature, while, the intrinsic permeability of compacted clay was invariable, the estimated hydraulic conductivity varying with temperature agreed with measured results, implying that the change in fluid properties contributed greatly to the increase of the hydraulic conductivity. However, there were certain differences between estimated and measured results of hydraulic conductivity, because the intrinsic permeability changed with temperature in real conditions. For the sample at a confining pressure of 55 kPa, the intrinsic permeability obtained from the GDS permeameter increased significantly with temperature, and the estimated hydraulic conductivity was larger than measured results; while, the intrinsic permeability obtained from the Nan-55 permeameter decreased slightly with the increase of temperature, and there was little difference between the estimated and measured results of hydraulic conductivity.

temperature effect; hydraulic conductivity; intrinsic permeability; flexible-wall hydraulic test; rigid-wall hydraulic test

湖北省自然科學(xué)基金(2014CFB606);湖北省高等學(xué)校優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃(T201605);國家自然科學(xué)基金(51608182)

何俊(1977—),女,教授,博士,主要從事環(huán)境巖土工程研究。E-mail:hjunas@163.com

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.03.009

TU521.3;TU502

A

1006-7647(2017)03-0055-06

2016-06-05 編輯：熊水斌)