初始含水率對(duì)膨潤(rùn)土膨脹特性的影響

劉宇翼，蘇運(yùn)河，從衛(wèi)民，佘躍心，楊琴

初始含水率對(duì)膨潤(rùn)土膨脹特性的影響

劉宇翼1，2，蘇運(yùn)河2，從衛(wèi)民3，佘躍心2，楊琴2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州221008;2.淮陰工學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇淮安223001;3.淮安市建設(shè)工程施工圖審查處，江蘇淮安223001)

為了獲得初始含水率對(duì)膨潤(rùn)土膨脹特性的影響規(guī)律，進(jìn)行了不同初始含水率條件下無(wú)荷膨脹率、有荷膨脹率和膨脹力室內(nèi)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:中等膨脹勢(shì)膨潤(rùn)土在吸水飽和過(guò)程中無(wú)荷膨脹率、有荷膨脹率逐漸增大，且經(jīng)歷快速膨脹期、緩慢膨脹期和膨脹穩(wěn)定期3個(gè)階段。初始含水率越小，快速膨脹期歷時(shí)越短，膨脹速率越快。隨著初始含水率的增加，膨潤(rùn)土的無(wú)荷膨脹率、有荷膨脹率和膨脹力均呈減小趨勢(shì)，且無(wú)荷膨脹率、有荷膨脹率線性遞減，而膨脹力與初始含水率呈現(xiàn)良好負(fù)指數(shù)關(guān)系。

膨潤(rùn)土;初始含水率;無(wú)荷膨脹率;有荷膨脹率;膨脹力

0 引言

發(fā)展核電是中國(guó)滿足電力需求、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、保障能源安全、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的重要舉措，也是減少環(huán)境污染、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的有效途徑，具有巨大的戰(zhàn)略意義。目前，中國(guó)在運(yùn)核電機(jī)組數(shù)達(dá)34臺(tái)，僅次于美國(guó)、法國(guó)和俄羅斯，位列全球第4。此外，中國(guó)在建核電機(jī)組20臺(tái)，穩(wěn)居世界首位，占全球在建核電機(jī)組數(shù)的40%，是世界上核電發(fā)展最快的國(guó)家［1］。核電高速發(fā)展的同時(shí)也產(chǎn)生了大量核廢物，如果處置不當(dāng)，對(duì)自然環(huán)境和人類社會(huì)將產(chǎn)生巨大的破壞作用，因此，核廢物處置成為國(guó)際社會(huì)高度關(guān)注的重要課題。深地質(zhì)處置被國(guó)際上公認(rèn)為是處置核廢物最有效可行的方法。在中國(guó)，深地質(zhì)處置技術(shù)通常采用多重工程屏障系統(tǒng)(包括廢物固化體、廢物容器、外包裝、緩沖材料)和適宜的地質(zhì)體共同作用來(lái)確保核廢物與生物圈的安全隔離［2］。大量研究表明:膨潤(rùn)土具有極低的滲透性和優(yōu)良的核素吸附等性能，是理想的核廢物處置庫(kù)緩沖回填材料［3－6］。

膨潤(rùn)土的諸多特性中，脹縮性是最明顯、最基本的特征。當(dāng)膨潤(rùn)土遭遇地下水滲透，其含水率便會(huì)增大從而引起膨脹變形，而膨脹或收縮所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力會(huì)使得裂隙產(chǎn)生并擴(kuò)展，導(dǎo)致核廢料處置的工程屏障遭到破壞。因此，研究膨潤(rùn)土的脹縮特性對(duì)核廢物深地質(zhì)處置的安全性具有重要意義。文獻(xiàn)［7］通過(guò)對(duì)干密度為1.40～1.51 g/cm3的多組高廟子膨潤(rùn)土的膨脹力試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)膨潤(rùn)土樣品的壓實(shí)密度與壓制壓力和蒙脫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)，膨脹力與樣品壓實(shí)密度和蒙脫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)，樣品在荷載作用下膨脹變形明顯減小。文獻(xiàn)［8］研究了4種類型膨潤(rùn)土的膨脹變形，發(fā)現(xiàn)膨潤(rùn)土的最大膨脹變形與膨潤(rùn)土的初始干密度有關(guān)。文獻(xiàn)［9］在高廟子鈉基膨潤(rùn)土中分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、10%、20%、30%、40%和50%的石英砂，形成混合型緩沖回填材料，當(dāng)初始含水率較大時(shí)，材料最大膨脹力隨初始含水率的增大略有降低。摻砂率一定時(shí)，材料最大膨脹力隨初始干密度指數(shù)增長(zhǎng)，并得到了高廟子鈉基膨潤(rùn)土-石英砂混合型緩沖回填材料最大膨脹力歸一化模型。文獻(xiàn)［10－11］從膨脹率、膨脹力和蒙脫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)等方面對(duì)砂-膨潤(rùn)土膨脹特性及其影響因素進(jìn)行了研究。

綜上所述，現(xiàn)有研究對(duì)象主要集中在砂-膨潤(rùn)土混合物，研究方向主要集中在膨脹力，研究因子主要針對(duì)干密度和摻砂率。而初始含水率對(duì)膨潤(rùn)土膨脹性能的影響規(guī)律研究還比較少。因此，本文針對(duì)中等膨脹勢(shì)的膨潤(rùn)土，通過(guò)室內(nèi)膨脹性試驗(yàn)，分析了不同初始含水率條件下膨脹率和膨脹力的變化規(guī)律，以期為核廢物深地質(zhì)處置工程屏障材料的選擇、設(shè)計(jì)及加工提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)用土

試驗(yàn)用土為內(nèi)蒙古高廟子鈣基膨潤(rùn)土，呈灰白色。參照GB/T 50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［12］的規(guī)定，采用激光粒度儀進(jìn)行顆粒級(jí)配試驗(yàn)，采用液塑限聯(lián)合測(cè)定儀測(cè)試液限和塑限，得到的膨潤(rùn)土基本物理性質(zhì)見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn):該膨潤(rùn)土液限較大，塑性指數(shù)很高，且顆粒粒徑主要集中于5～75 μm。

表1 膨潤(rùn)土的基本物理性質(zhì)

采用自由膨脹率測(cè)定儀對(duì)試驗(yàn)所用膨潤(rùn)土進(jìn)行自由膨脹率試驗(yàn)，共開(kāi)展了2組平行試驗(yàn)。測(cè)得自由膨脹率分別為87.8%和89.2%，平均自由膨脹率為88.5%，根據(jù)GB 50112—2013《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》［13］，綜合判定試驗(yàn)所用膨潤(rùn)土為中等膨脹潛勢(shì)。

按照GB/T 50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［12］的要求，對(duì)試驗(yàn)所用膨潤(rùn)土進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)，測(cè)得最佳含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為27.0%，最大干密度為1.48 g/cm3。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試樣制備

土樣制備時(shí)，按照初始含水率配制土樣，并將其置于保濕缸內(nèi)燜料24 h，然后采用自制壓樣器制樣［14］。壓樣器示意圖見(jiàn)圖1。該壓樣器采用對(duì)半式，通過(guò)螺栓組件連接，取樣時(shí)只需擰開(kāi)螺栓組件，拿開(kāi)壓樣活塞和導(dǎo)筒，便可輕易獲得標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀試樣，并且能保證重塑膨潤(rùn)土環(huán)刀試樣的高度、平整度、均勻度以及同批試樣的一致性達(dá)到試驗(yàn)精度要求，從而提高試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

2.2 初始含水率測(cè)定

根據(jù)試樣制作的可行性和易操作性，將試驗(yàn)膨潤(rùn)土的初始

含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)設(shè)計(jì)成5種，分別為21%、24%、27%、

30%和36%。

由于試樣制備時(shí)的天氣不確定性、加水不均勻性以及其他

人為因素，試樣的最終含水率還需通過(guò)進(jìn)一步測(cè)試確定。為此，采用烘干法對(duì)各組試驗(yàn)用土的含水率測(cè)定2次，獲得其最終初始含水率w0。A組，w0=21.3%;B組，w0=24.3%;C組，w0=27.0%;D組，w0= 30.0%;E組，w0=35.6%。

在相同干密度條件下，對(duì)上述5組不同初始含水率的膨潤(rùn)土土樣開(kāi)展無(wú)荷膨脹率試驗(yàn)、有荷膨脹率試驗(yàn)和膨脹力試驗(yàn)。無(wú)荷膨脹率試驗(yàn)在WZ-2型膨脹儀上進(jìn)行，有荷膨脹率試驗(yàn)和膨脹力試驗(yàn)在單杠桿固結(jié)儀上進(jìn)行。試驗(yàn)步驟嚴(yán)格遵照GB/T 50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［12］，每種土樣做2組平行試驗(yàn)。

圖1 壓樣器示意圖

3 膨潤(rùn)土膨脹特性與初始含水率的關(guān)系

3.1 無(wú)荷膨脹率與初始含水率的關(guān)系

無(wú)荷膨脹率時(shí)程曲線如圖2所示。由圖2可知:隨著膨潤(rùn)土吸水飽和，無(wú)荷膨脹率的變化大致可分為3個(gè)階段:(Ⅰ)快速膨脹期。該階段大約在膨潤(rùn)土吸水后20 h內(nèi)完成，且膨脹量較大，大約占最終膨脹量的60%～80%。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)初始含水率越大，快速膨脹期歷時(shí)越短，膨脹速率越快。(Ⅱ)緩慢膨脹期。該階段膨脹速率由快到慢，大約在25～50 h完成，且初始含水率越大，該階段歷時(shí)越長(zhǎng)。(Ⅲ)膨脹穩(wěn)定期。該階段由于膨潤(rùn)土吸水后產(chǎn)生膨脹，其密度隨之減小，土體間的空隙越來(lái)越大，土顆粒間的空隙要被水分完全充填需要很多時(shí)間，因此膨脹穩(wěn)定期歷時(shí)較長(zhǎng)，但膨脹量變化不大，無(wú)荷膨脹率時(shí)程曲線較平穩(wěn)。

此外，無(wú)荷膨脹率隨初始含水率的增大而減少，最終，5個(gè)試樣中最大無(wú)荷膨脹率達(dá)到65.81%，而最小無(wú)荷膨脹率僅為12.06%，可見(jiàn)初始含水率對(duì)無(wú)荷膨脹率的影響十分明顯。

無(wú)荷膨脹率與初始含水率的關(guān)系見(jiàn)圖3。通過(guò)回歸分析得到無(wú)荷膨脹率與初始含水率的擬合關(guān)系式為:

其中:δe為無(wú)荷膨脹率，%;w0為初始含水率，%。

根據(jù)擬合關(guān)系式和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到無(wú)荷膨脹率與初始含水率的相關(guān)系數(shù)R2=0.971 9，表明在干密度確定的前提下，無(wú)荷膨脹率與初始含水率呈良好線性關(guān)系。

圖2 無(wú)荷膨脹率時(shí)程曲線

圖3 無(wú)荷膨脹率與初始含水率的關(guān)系

3.2 有荷膨脹率與初始含水率的關(guān)系

各試樣有荷膨脹率試驗(yàn)的恒定荷載均為25 kPa，有荷膨脹率時(shí)程曲線見(jiàn)圖4。由圖4可知:有荷膨脹率隨時(shí)間非線性增加，同無(wú)荷膨脹率的變化規(guī)律類似，有荷膨脹率也經(jīng)歷了快速膨脹期、緩慢膨脹期和膨脹穩(wěn)定期3個(gè)階段。初始含水率越小，同一時(shí)刻有荷膨脹率越大，初始含水率w0=21.3%時(shí)，有荷膨脹率最終達(dá)到了9.60%;而w0=35.6%時(shí)，有荷膨脹率最終降至1.30%。25 kPa恒壓條件下，對(duì)同一試樣的最終無(wú)荷膨脹率和最終有荷膨脹率對(duì)比發(fā)現(xiàn)，w0分別為21.3%、24.3%、27.0%、30.0%和35.6%時(shí)，試樣的最終有荷膨脹率與最終無(wú)荷膨脹率比值分別為14.59%、15.34%、12.26%、9.67%和10.78%?？梢?jiàn)膨潤(rùn)土膨脹變形與上部荷載之間的基本規(guī)律為:上部荷載對(duì)膨潤(rùn)土的膨脹變形抑制作用十分明顯，且初始含水率較大時(shí)，上部荷載的抑制效果更為突出。

有荷膨脹率與初始含水率的關(guān)系見(jiàn)圖5，通過(guò)回歸分析得到有荷膨脹率與初始含水率的擬合關(guān)系式為:

其中:δep為有荷膨脹率，%;w0為初始含水率，%。

圖4 有荷膨脹率時(shí)程曲線

圖5 有荷膨脹率與初始含水率的關(guān)系

有荷膨脹率與初始含水率的相關(guān)系數(shù)R2=0.918 2，表明在干密度確定的前提下，有荷膨脹率與初始含水率呈近似線性關(guān)系。

3.3 膨脹力與初始含水率的關(guān)系

膨潤(rùn)土吸水膨脹時(shí)，由于限制了體積變化而在膨潤(rùn)土中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力便是膨脹力。采用加荷平衡法進(jìn)行膨脹力試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備與單軸固結(jié)儀相同，并用標(biāo)準(zhǔn)砂和盛砂桶代替砝碼和吊盤(pán)，以便加壓時(shí)精確、可控。膨脹力試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 膨脹力試驗(yàn)結(jié)果

由表2可以看出:隨著初始含水率的增大，膨脹力逐漸減少。當(dāng)初始含水率小于27.0%時(shí)，隨初始含水率的增加，膨脹力迅速降低;當(dāng)初始含水率大于27.0%時(shí)，隨初始含水率的增加，膨脹力緩慢降低。

將表2的數(shù)據(jù)繪圖并進(jìn)行擬合，膨脹力與初始含水率的關(guān)系見(jiàn)圖6，擬合公式為:

其中:P為膨脹力，kPa;w0為初始含水率，%。

圖6 膨脹力與初始含水率的關(guān)系

試驗(yàn)數(shù)據(jù)和擬合公式表明:膨脹力與初始含水率的相關(guān)系數(shù)R2=0.991 3，表明在干密度確定的前提下，膨脹力與初始含水率呈良好負(fù)指數(shù)關(guān)系。

4 結(jié)論

(1)膨潤(rùn)土在吸水飽和過(guò)程中，無(wú)荷膨脹率、有荷膨脹率均隨吸水過(guò)程逐漸增大，且經(jīng)歷快速膨脹期、緩慢膨脹期和膨脹穩(wěn)定期3個(gè)階段。

(2)初始含水率越小，同一時(shí)刻膨潤(rùn)土的無(wú)荷膨脹率和有荷膨脹率越大，且快速膨脹期歷時(shí)越短，膨脹速率越快。

(3)上部荷載對(duì)膨潤(rùn)土的膨脹變形抑制作用十分明顯，且初始含水率較大時(shí)，上部荷載的抑制效果更為突出。

(4)無(wú)荷膨脹率隨初始含水率的增加線性遞減，而有荷膨脹率與初始含水率也呈近似線性關(guān)系。

(5)隨著初始含水率的增大，膨潤(rùn)土膨脹力逐漸減少，兩者呈現(xiàn)良好負(fù)指數(shù)關(guān)系。當(dāng)初始含水率小于27.0%時(shí)，隨初始含水率的增加，膨脹力迅速降低;而初始含水率大于27.0%時(shí)，隨初始含水率的增加，膨脹力緩慢降低。

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TU411;TU443;TL942

A

1672－6871(2017)05－0051－04

10.15926/j.cnki.issn1672－6871.2017.05.011

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技計(jì)劃基金項(xiàng)目(2014－K3－030);江蘇省政策引導(dǎo)類計(jì)劃(產(chǎn)學(xué)研合作)基金項(xiàng)目(BY2016061－12);江蘇省建設(shè)系統(tǒng)科技基金項(xiàng)目(2014ZD05)

劉宇翼(1982－)，男，湖南邵陽(yáng)人，講師，博士，主要研究方向?yàn)樘厥馔凉こ烫匦约疤幹渭夹g(shù).

2016－11－22