無機(jī)鹽溶液對粉質(zhì)黏土滲透特性的影響研究

摘 要：文章針對粉質(zhì)黏土，運(yùn)用四種不同的無機(jī)鹽溶液，探討了水土化學(xué)作用對土體滲透特性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著無機(jī)鹽溶液濃度的增大，顆粒表面的雙電層被壓縮，土顆粒間形成較大的架空孔隙，增大了土體的孔隙率，土體的滲透性增強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：粉質(zhì)黏土；無機(jī)鹽溶液；滲透性

前言

土的滲透性作為對土體的主要性質(zhì)之一，對人類生產(chǎn)生活的影響是多方面的。例如，雨水可通過土體入滲以補(bǔ)充地下水，同時(shí)也可能將地表的污染帶入到地下水中污染地下環(huán)境；工程建設(shè)活動(dòng)的安全性也與土的滲透性密切相關(guān)，潰壩、垮壩、滑坡、隧道開挖中的失穩(wěn)等均由土的滲透破環(huán)引起，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，由于滲流破壞造成的堤壩病險(xiǎn)約占54%。由此可見，探究土體的滲透性，不僅有助于我們采取有效的措施制止環(huán)境污染的擴(kuò)散，而且能夠幫助我們更好地控制建設(shè)活動(dòng)領(lǐng)域的安全性，保護(hù)人民的生命及財(cái)產(chǎn)安全。

目前，國內(nèi)外諸多學(xué)者開展了水土化學(xué)作用對土體滲透特性影響的試驗(yàn)研究。鄧友生等[1]針對含鹽黏土和砂土，通過室內(nèi)試驗(yàn)探討了不同含鹽量和不同鹽類黏土和砂土的滲透性；劉磊等[2]對土工合成襯墊的化學(xué)-滲透特性進(jìn)行了討論，發(fā)覺CaCl2溶液可使土工合成襯墊的滲透系數(shù)變大且其影響明顯大于蒸餾水；Studds[3]通過研究鹽溶液對膨潤土-砂的混合土工程特性的影響發(fā)現(xiàn)，隨著鹽溶液濃度的提高，膨潤土的水力傳導(dǎo)率變大，且混合土中膨潤土含量越高，土樣的水力傳導(dǎo)率越大。

上述文獻(xiàn)大多探討了黏土或者砂土的水力學(xué)特性，且使用的化學(xué)溶液較為單一，沒有形成強(qiáng)烈的對比。本文主要針對粉質(zhì)黏土研究中的不足，探討了四種無機(jī)鹽溶液對其滲透性的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

本次室內(nèi)試驗(yàn)所采用的土體取自桂林市朝陽鄉(xiāng)葛家村，取土深度為3m。其基本的物理性質(zhì)指標(biāo)如下：土粒相對密度為2.72，液限為27.6%，塑限為16.5%，塑性指數(shù)為11.1，細(xì)砂含量占23.53%，粉粒占42.69%，黏粒占30.21%。

本試驗(yàn)選用氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣和氯化鎂分別調(diào)配成0.01 mol/L，0.05mol/L，0.1mol/L，1mol/L，2mol/L的溶液及去離子水來進(jìn)行粉質(zhì)黏土滲透特性的測試試驗(yàn)，分析無機(jī)鹽溶液對土體滲透特性的影響。

1.2 試驗(yàn)過程

將低溫烘干的粉質(zhì)黏土加入一定量的去離子水調(diào)配并控制其含水率在12%±1%，隨后利用千斤頂將其壓制成干密度為1.7g/cm3的環(huán)刀樣，采用抽氣飽和法對壓制好的環(huán)刀樣分別使用去離子水或者預(yù)先調(diào)配好的濃度為0.01mol/L，0.05mol/L，0.1mol/L，1mol/L，2mol/L的四種不同的無機(jī)鹽溶液進(jìn)行飽和，為了使土體顆粒與溶液能夠充分反應(yīng)，須將環(huán)刀樣密封靜置飽和一個(gè)月后再進(jìn)行變水頭滲透試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

如圖1所示，反映了水化學(xué)環(huán)境的改變對粉質(zhì)黏土在標(biāo)準(zhǔn)溫度20℃下的滲透系數(shù)k20的影響。其中，每測得一種濃度下某種溶液的穩(wěn)定滲透系數(shù)k20后便更換新的土樣，以測得孔隙溶液濃度及組分的改變對粉質(zhì)黏土滲透特性的影響。由圖可以看出，1.7g/cm3干密度的粉質(zhì)黏土飽和樣在去離子水中的滲透系數(shù)k20為1×10-5cm/s，而被化學(xué)溶液侵蝕過的粉質(zhì)黏土樣的滲透系數(shù)k20明顯大于去離子水飽和土樣的滲透系數(shù)，且隨著化學(xué)溶液濃度的增大，土樣的滲透系數(shù)k20有不同程度的增大，當(dāng)離子濃度在0～0.1mol/L的范圍內(nèi)時(shí)，k20的變化率最大，隨著化學(xué)溶液的濃度逐步提高至2mol/L，土樣的滲透系數(shù)k20逐步趨于穩(wěn)定，但MgCl2溶液飽和土樣的k20的變化率仍然增大。簡而言之，相同濃度下不同組分的化學(xué)溶液對粉質(zhì)黏土滲透系數(shù)的影響從大到小依次為：MgCl2溶液>CaCl2溶液>NaCl溶液>KCl溶液，換言之，在相同濃度下，同價(jià)陽離子半徑較小的化學(xué)溶液使得粉質(zhì)黏土滲透系數(shù)k20增大的較為明顯，即滲透性提高的更為明顯，且隨著陽離子價(jià)位的增高，土樣的滲透性增大的幅度更大。

粘土顆粒遇水后形成擴(kuò)散雙電層，當(dāng)孔隙溶液為去離子水時(shí)，此時(shí)擴(kuò)散層中的結(jié)合水?dāng)?shù)量最多，而在水化學(xué)條件發(fā)生改變的過程中，孔隙溶液的濃度增大，土顆粒表面的雙電層被壓縮，相當(dāng)于土顆粒自身大小的減少，土顆粒之間相互接觸后形成較大的架空孔隙，造成土體孔隙比的增大，當(dāng)承受一定的附加應(yīng)力后，土顆粒更容易發(fā)生滑移、塌陷，孔隙更易被壓縮，此過程中土體孔隙的變化較大，且架空孔隙的增多，增大了土體的孔隙率，讓更多的重力水可以通過，使得土體的滲透能力變大，滲透系數(shù)k20增大。

2 結(jié)論

（1）化學(xué)溶液會對粉質(zhì)黏土的滲透性產(chǎn)生影響，并且這種影響與溶液的離子成分及濃度有關(guān)。相同濃度下不同組分的化學(xué)溶液對粉質(zhì)黏土滲透系數(shù)的影響從大到小依次為：MgCl2溶液>CaCl2溶液>NaCl溶液>KCl溶液。

（2）隨著孔隙溶液的濃度的增大，顆粒表面的雙電層被壓縮，土顆粒間形成較大的架空孔隙，增大了土體的孔隙率，致使土體滲透系數(shù)k20均變大。

參考文獻(xiàn)

[1]鄧友生，何平，周成林，等.含鹽土滲透系數(shù)變化特征的試驗(yàn)研究[J].冰川凍土，2006，28（5）：772-775.

[2]劉磊，薛強(qiáng)，趙穎，等.溶質(zhì)入滲土工合成襯墊的化學(xué)-滲透特性研究[J].巖土力學(xué)，2012，33（10）：3025-3029.

[3]Studds P.G.Stewart D.I. Cousens T.W. The effects of salt solutions on the properties of bentonite- sand mixtures [J].Clay Minerals，1998，33：651-660.

作者簡介：張芹（1990-），女，漢族，碩士研究生，主要研究方向：環(huán)境巖土工程。