淺析膨脹土脹縮變形以及滲透性規(guī)律試驗

曹萬靈

摘 要：本文通過對幾種解釋膨脹上脹縮變形機理的主要資料及其評析，探析了膨脹土的滲透性的相關(guān)特性，希冀對相關(guān)的工程提供一定的幫助和借鑒。

關(guān)鍵詞：膨脹土;脹縮;滲透性

中圖分類號：U416.1+67? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）08-0115-02

現(xiàn)代地質(zhì)學中出現(xiàn)了一個新的術(shù)語，即膨脹土。這種土是一種特殊的粘土，相異于其他地區(qū)的黃土、黑土、軟土、凍土和普通粘土。由于膨脹土在地貌學和工程地質(zhì)學中的特殊性以及對工程建筑的嚴重危害，世界各國都十分重視膨脹土。整個工程的建設(shè)環(huán)節(jié)中，膨脹土的危害能力是很大的，許多工程的不良地址會導致整個工程的毀壞，因此，在外部條件的影響之下，膨脹土膨脹收縮以及變型變成了一個研究的方向。

1膨脹上脹縮變形的基本資料

脹縮變型就是膨脹土的變型收縮。這是膨脹土的最本質(zhì)特性之一。以往的研究展現(xiàn)，粘性土由于含水量的提高或減少會產(chǎn)生一定的膨脹和收縮變形，然而其強度不如膨脹土，通常不會對工程造成嚴重危害。目前關(guān)于膨脹土脹縮的資料很多，然而還不成熟。早期的資料包括由晶格結(jié)構(gòu)提出的晶格膨脹資料和基于毛細現(xiàn)象的彈性資料。通常來說，有穿透資料、雙電層資料和吸熱資料，然后有熱穿透資料、表面張力資料和彈性彎曲資料。

2幾種解釋膨脹上脹縮變形機理的主要資料及其評析

膨脹土是一種特殊的粘土，其膨脹收縮機理可用前面提到的變形資料來解釋。其中，晶格擴開資料和雙電層資料更為實用。

2.1晶格擴張資料

可交換陽離子成分。結(jié)果展現(xiàn)，交換陽離子價越高，水化膜越薄，膨脹系數(shù)越低;相反，交換陽離子價越低，水化膜越厚，膨脹系數(shù)越高。此外，膨脹和收縮也與初始溫度密切有一定的關(guān)系。格構(gòu)膨脹資料有助于了解膨脹土的膨脹和收縮，特別是對于相異初始溫度下粘土礦物組成的膨脹土。然而，晶格膨脹資料僅限于層間吸附束縛水膜的楔入，不思考粘土顆粒和團聚體對束縛水的吸附。實際上，粘土膨脹不僅發(fā)生在晶格結(jié)構(gòu)中的晶體層之間，也發(fā)生在顆粒和聚集體之間。以前的時期只有蒙脫石具有膨脹的晶格結(jié)構(gòu)，而伊利石和高嶺石沒有晶格結(jié)構(gòu)，因此不會產(chǎn)生膨脹。我國許多研究人員已經(jīng)證明，以伊利石礦物為主的粘土，由于膨脹性大，也被歸類為膨脹土。由此可見，粘土格構(gòu)的膨脹膨脹資料難以全部解釋膨脹土膨脹和收縮變形的成因。

2.3滲透資料以及雙電層資料的統(tǒng)一

所謂滲透，是指溶劑通過滲透膜從低濃度溶液滲透到高濃度溶液的環(huán)節(jié)。土壤-水系統(tǒng)中含有滲透壓力，是膨脹機理的基礎(chǔ)。伊利石粘土和蒙脫石粘土的膨脹是由于吸附離子層中的滲透壓過高造成的。根據(jù)滲透壓是發(fā)生于土顆粒的唯一內(nèi)力的資料，在土受到外部壓力時，土顆粒之間的距離將減小，水分將被擠出。因此，土壤顆粒間的離子濃度會提高，滲透壓也會提高。在滲透壓等于外壓時，最終達到平衡。相反，外部壓力降低，離子濃度通過粒子間的滲透壓吸收水分而稀釋。這將提高顆粒之間的距離，導致體積提高和滲透壓力降低，這將持續(xù)到建立新的平衡為止。由此可見，水分滲入是膨脹的最有意義成因。實際上，滲透資料和雙層資料是統(tǒng)一的。很明顯，滲透引起的顆粒表面水膜變化，這樣的情況一般是結(jié)合水，由于黏土顆粒的表面上對于控制水合離子擴散層，實際上也是一種雙層效應(yīng)。

3滲透性

許多研究展現(xiàn)，膨脹土邊坡失穩(wěn)有兩個顯著的特征：①雨天常發(fā)生滑動;②以淺層滑動為主。因此，降雨滲流是研究膨脹土邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵。由于要了解降雨作用下邊坡滲流場的改變，有必要掌握膨脹土的滲流特征。然而通常室內(nèi)試驗測得的膨脹土滲透系數(shù)很小，資料上雨水很難滲透，與真實情況有很大的相異。板栗在干濕交替的氣候條件下，膨脹土邊坡經(jīng)常出現(xiàn)大量的收縮裂縫，不僅打破了土壤的整體性，還把土壤的整體特性改變了，而且為降雨的滲漏提供了一條快速的途徑。在多雨的季節(jié)，因為裂縫很多，地上的積水就會立馬滲入邊坡內(nèi)部，土壤強度急劇下降。裂縫延伸深度以下的土壤仍然保持低滲透性。雨水不易滲漏，常在裂隙中堆積，在淺層形成飽和帶，引發(fā)淺層滑坡。在研究膨脹土的滲透性時，有必要思考裂縫因子。

研究所在干濕循環(huán)環(huán)節(jié)中，對于膨脹土展開了相關(guān)的實驗，測試其滲透性，隨即得出結(jié)果，膨脹土的滲透相關(guān)系數(shù)呈現(xiàn)出正態(tài)相關(guān)，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的提高而提高。他們將結(jié)果歸因于內(nèi)部裂紋數(shù)量的提高。采用干濕循環(huán)法對多種膨脹土進行了試驗研究，結(jié)果展現(xiàn)，膨脹土的塑性指數(shù)和荷載含量對膨脹土裂縫的發(fā)展有一定的影響，滲透系數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)的提高而增大。通過首次干濕循環(huán)后，滲透系數(shù)提高最為顯著，呈現(xiàn)出數(shù)個數(shù)量級，主要是由于第一次干濕循環(huán)后裂紋擴展程度最高，然后滲透系數(shù)略有提高。把這種現(xiàn)象歸因于膨脹土的自愈。對膨脹土的滲透性進行了現(xiàn)場試驗，發(fā)現(xiàn)在含水量較低的情況下，膨脹土的滲透系數(shù)大致處于砂位。在該范圍內(nèi)，它具有很強的滲透性，這展現(xiàn)裂縫的含有將大大提高膨脹土的滲透性。采用等水頭滲透試驗方法對膨脹土的滲透性進行了研究。結(jié)果展現(xiàn)，土樣滲透系數(shù)在滲透初期最大，隨著時間的推移逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定。同時發(fā)現(xiàn)滲透系數(shù)降低的環(huán)節(jié)伴隨著土的膨脹環(huán)節(jié)，說明滲透系數(shù)變化的環(huán)節(jié)反映了裂縫的愈合環(huán)節(jié)。采用變水頭滲透試驗方法研究了膨脹土裂縫的滲透性。研究發(fā)現(xiàn)，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的提高，飽和膨脹土的滲透系數(shù)和非飽和膨脹土的初始滲透強度增大。滲透直徑斷裂長度是影響膨脹土滲透性的關(guān)鍵因素。用柔性壁滲透計對重塑膨脹土的滲透系數(shù)進行了試驗研究，結(jié)果展現(xiàn)：有裂縫膨脹土的滲透系數(shù)比無裂縫膨脹土大兩個數(shù)量級。浸水后，裂隙膨脹土的滲透性急劇下降。

總之，裂縫產(chǎn)生的原因主要是在于膨脹土的內(nèi)部因素，由于其滲透性的原因，最終引起了膨脹土邊坡失穩(wěn)的一些誘導因素。通過探究膨脹土邊坡失穩(wěn)機理和進行一定的關(guān)系數(shù)值模擬分析環(huán)節(jié)，需要思考裂縫一些原因?qū)姸葏?shù)和滲流參數(shù)的作用。

另一方面，垃圾的處理工程方面。膨脹土常被用作隔離污染物以及人類生活環(huán)境的工程屏障。例如，在高放廢物的深地質(zhì)儲存庫中，膨潤土作為緩沖/回填料經(jīng)常被用來防止地下水在周圍巖石中的滲透和放射性核素在儲存庫中的向外遷移。垃圾的處理填埋中，膨脹土通常還作為內(nèi)襯和表層土，以防止雨水和垃圾滲濾液滲透入地下水。所以膨脹土的滲透性測試的探究通常是非常重要的。然而，由于這種膨脹土通常是不飽和的，許多學者對其非飽和滲透特性進行了研究。一般的非飽和滲透系數(shù)測定方法有瞬時截面法、穩(wěn)態(tài)法和空氣超壓法。其中，瞬時橫截面法更適用于膨脹土的非飽和滲透系數(shù)的測定。采用自制的實驗裝置，對高壓壓實膨潤土的非飽和滲透性進行了探析。研究發(fā)現(xiàn)，非飽和膨潤土的滲透流速隨著滲透環(huán)節(jié)的繼續(xù)而降低;水力梯度在入水口初期迅速增大，然后逐漸減小;在入水口初期，滲透系數(shù)隨吸力的減小而減小，在土壤含水量大于在取一定值時，滲透系數(shù)隨之增大。

4結(jié)語

對于膨脹土來說，其收縮變形的因素是非常多的。膨脹土的脹縮性非常容易受到外界因素的影響。這里面膨脹土的一種材料構(gòu)成和層次特征是引起膨脹變形結(jié)果的最有意義的問題，并且水是引起膨脹變形的最根本外因。如果只含有不受水影響的土壤，膨脹土的內(nèi)在膨脹和收縮將不會顯示出來。另外，地形、地貌、水文、氣候、植物等其他環(huán)境條件是促進土壤結(jié)構(gòu)和溫度變化的間接外部條件，也是膨脹土變形的有意義因素。很顯著的是，膨脹土的膨脹和收縮變形有兩個有意義方面：①膨脹和收縮的內(nèi)部成因—特殊的材料組成和結(jié)構(gòu)特征;②水變化的外部條件—自然環(huán)境因素和人為因素，兩者都是必不可少的。裂縫是影響膨脹土滲透性的關(guān)鍵因素，另外也最終引發(fā)了膨脹土邊坡失穩(wěn)定。在分析膨脹土邊坡失穩(wěn)機理和進行有一定的關(guān)系數(shù)值模擬探析時，需要思考裂縫因素對強度參數(shù)和滲流參數(shù)的影響。從相異角度提出的膨脹土膨脹資料，在一定程度上反映了膨脹土以及水相互作用的木材和規(guī)律，有助于了解膨脹土的膨脹收縮特性，在工程實踐中可以提供一定的借鑒與幫助。

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