雜色黏土滲透試驗(yàn)及滲透系數(shù)影響因素灰色關(guān)聯(lián)分析

喬少南 王家鼎 王 飛 張登飛

(西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安710000)

在實(shí)際工程中常遇到顏色迥異的第三系黏土,工程界將此類黏土統(tǒng)稱為雜色黏土.例如,山西某盆地邊緣丘陵地帶,廣泛分布有紫褐、灰綠、灰褐等顏色的黏土,如圖1所示為在鐵路沿線開(kāi)挖護(hù)坡灰綠色與褐色互層黏土裸露地表.該雜色黏土是由河湖相沉積而成,顆粒分布均勻致密、滲透性極弱,為較好的隔水層；開(kāi)挖暴露后不久便會(huì)發(fā)生風(fēng)化剝落,長(zhǎng)久的干濕循環(huán)作用,發(fā)生軟化.因其特殊的工程性質(zhì),雜色黏土與砂層不整合接觸面附近發(fā)生滑坡.在鐵路修建工程中,如圖2所示,灰褐色黏土在護(hù)坡作用下,仍舊發(fā)生二次滑塌.

圖1灰綠色與褐色黏土

圖2灰褐色黏土裸露引發(fā)二次滑塌

該雜色黏土屬于硬質(zhì)黏土,目前對(duì)硬質(zhì)黏土已取得了較為豐富的研究.如陳留鳳,彭華[1]通過(guò)硬黏土的干濕循環(huán)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)循環(huán)次數(shù)對(duì)硬黏土的土水特征曲線有影響,但對(duì)基質(zhì)吸力變化梯度的影響不明顯；卞夏,丁建文,史劍[2]在考慮超固結(jié)比的影響下,基于硬黏土應(yīng)力靈敏度與重塑孔隙指數(shù)呈線性關(guān)系,提出了屈服后硬黏土的壓縮變形模型；劉銳,鄭洪波[3]通過(guò)對(duì)硬黏土進(jìn)行系統(tǒng)的粒度分析,推斷該硬質(zhì)黏土沉積環(huán)境為河湖相.滲透系數(shù)是黏土的一項(xiàng)重要參數(shù)指標(biāo),與分層沉積土中地下水狀態(tài)及邊坡穩(wěn)定性等密切相關(guān).

本文針對(duì)某鐵路建設(shè)遇到的工程問(wèn)題,在工程現(xiàn)場(chǎng)采取雜色黏土土樣,進(jìn)行了室內(nèi)土工試驗(yàn)、礦物X-衍射與電鏡掃描試驗(yàn).利用灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)雜色黏土的礦物成份、自由膨脹率、孔隙比等進(jìn)行關(guān)聯(lián)度分析,探究影響雜色硬質(zhì)黏土滲透性的主次因素,分析其影響機(jī)制,為工程建設(shè)提供參考.

1 試驗(yàn)方案與方法

1.1 試樣制備

雜色硬黏土取自山西某鐵路沿線,利用鉆機(jī)取樣,取樣深度如圖3所示.為了避免運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生擾動(dòng),將鉆機(jī)取出的樣品先用保鮮膜及鐵皮包裹后,再用液體蠟密封至PVC管內(nèi),裝至木箱運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室；拆除樣品時(shí),先將外部固體蠟用高溫吹風(fēng)機(jī)熔化,然后將PVC管、鐵皮拆除,拆除過(guò)程中盡量避免人為擾動(dòng).依據(jù)GB/T 50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》,按沉積方向?qū)ν翗酉髑谐芍睆綖?1.8 mm高度為40 mm 的環(huán)刀試樣.選定紫褐、灰綠、灰褐、灰黑、棕褐、褐黃6種顏色黏土,每種顏色削切3個(gè)環(huán)刀試樣,設(shè)為一組,共計(jì)6組,進(jìn)行滲透試驗(yàn)；同時(shí)將這6種顏色的黏土放入烘箱烘干后碾碎,用0.075 mm細(xì)篩篩出的土顆粒進(jìn)行X-Ray衍射試驗(yàn)；另將土樣自然風(fēng)干后,沿豎直和水平方向削成1 cm3的小方塊,進(jìn)行掃描電鏡實(shí)驗(yàn).

圖3雜色黏土取樣深度

1.2 變水頭滲透試驗(yàn)

滲透是液體在多孔介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象,通過(guò)滲透系數(shù)這一指標(biāo)進(jìn)行表示.由于雜色黏土為較細(xì)顆粒的土,故采用變水頭滲透試驗(yàn)進(jìn)行滲透系數(shù)的測(cè)定[4],試驗(yàn)裝置主要組成如圖4所示,滲透系數(shù)計(jì)算確定方法見(jiàn)式(1).

圖4變水頭滲透試驗(yàn)儀器

式中:k為滲透系數(shù)(cm/s)；a為變水頭管截面積(cm2)；L為滲徑,等 于 試樣高度(cm)；h1為開(kāi)始 時(shí)水頭(cm)；h2為終止時(shí)水頭(cm)；A為試樣的斷面積(cm2)；t為時(shí)間(s).

由于室內(nèi)試驗(yàn)并非在標(biāo)準(zhǔn)溫度下進(jìn)行,故需對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行校正,見(jiàn)式(2):

1.3 X衍射與電鏡掃描試驗(yàn)

在西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室分別進(jìn)行X 衍射與電鏡掃描試驗(yàn).利用X 射線對(duì)這6種黏土的0.075 mm顆粒進(jìn)行衍射,得到衍射圖譜.由于每種礦物的元素、基團(tuán)、結(jié)構(gòu)等有所不同,表現(xiàn)在圖譜中峰值數(shù)目、角度、形狀等有所差異.根據(jù)已知礦物X 射線衍射圖進(jìn)行對(duì)比分析,確定礦物成分；根據(jù)每種礦物衍射強(qiáng)度數(shù)據(jù)分析計(jì)算,確定每種礦物含量.將1 cm3的樣品置于載物臺(tái)上并鍍金膜,在捷克FEI公司生產(chǎn)的FEI Quanta 400 FEG環(huán)境掃描電子顯微系統(tǒng)下進(jìn)行掃描.

1.4 灰色關(guān)聯(lián)分析法

對(duì)雜色黏土進(jìn)行X-衍射、電鏡掃描等需要耗費(fèi)大量財(cái)力、物力且試驗(yàn)結(jié)果數(shù)量有限,因此選擇灰色關(guān)聯(lián)分析法研究各個(gè)因素對(duì)滲透系數(shù)的影響.灰色關(guān)聯(lián)分析是灰色系統(tǒng)理論中十分活躍的一個(gè)分支,基本思想是根據(jù)序列曲線幾何形狀的相似程度來(lái)判斷不同序列之間聯(lián)系是否緊密.本文選擇鄧聚龍教授提出的灰色關(guān)聯(lián)分析模型進(jìn)行分析[5].其基本方法如下:

設(shè)X0為主序列X0={X0(k)|k=1,2,…,n},Xi為比較序列Xi={Xi(k)|k=1,2,…,n}(i=1,2,…,m)(m為比較因子).分別對(duì)上述序列進(jìn)行區(qū)間像處理,見(jiàn)式(3):

根據(jù)式(6)計(jì)算各個(gè)序列中每個(gè)因子的關(guān)聯(lián)系數(shù)

式中:Δmax為主數(shù)列的因子與所有比較序列對(duì)應(yīng)因子差值的最大絕對(duì)值,由式(7)求得.

式中:Δmin為主數(shù)列因子與所有比較序列對(duì)應(yīng)因子差值的最小絕對(duì)值,由式(8)求得.

式中:ε 為分辨系數(shù),由式(6)可知,ε 越大,則最大值Δmax對(duì)關(guān)聯(lián)系數(shù)影響越大,反之,ε越小,最大值Δmax對(duì)關(guān)聯(lián)系數(shù)影響越小.一般令ε=0.5,但是根據(jù)呂鋒[6]對(duì)灰色關(guān)聯(lián)度的分辨系數(shù)的研究和有關(guān)定理證明,對(duì)于系統(tǒng)因子受到強(qiáng)干擾或者出現(xiàn)異常大值時(shí),可以將ε 取的小一些,以減弱上述因素的影響；對(duì)于觀測(cè)序列規(guī)律性強(qiáng)、離亂性弱的情況下,可以將ε取相對(duì)大一些.分辨系數(shù)ε 取值規(guī)則如下:

設(shè)Δv為所有差值絕對(duì)值的均值,見(jiàn)式(9):

ΔX與ε 的取值有關(guān),見(jiàn)式(10):

ε 的取值為:

當(dāng)Δmax＞3Δv時(shí),ΔX≤ε＜1.5ΔX；

當(dāng)Δmax≤3Δv時(shí),1.5ΔX≤ε≤2ΔX.

這樣取值既考慮系統(tǒng)整體性,又可以避免異常值的影響,同時(shí)使取值更具客觀性、靈活性和智能性.在滲透系數(shù)關(guān)聯(lián)度分析中,根據(jù)計(jì)算選擇ε=0.3更符合實(shí)際情況.

由于求取的關(guān)聯(lián)系數(shù)只表示的是比較因子的樣品數(shù)據(jù)與主行為樣品數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)程度,并不代表整體數(shù)列之間的關(guān)聯(lián)度且不便于比較,故利用關(guān)聯(lián)系數(shù)的平均值作集中化分析處理得到一個(gè)較有代表性的關(guān)聯(lián)度,見(jiàn)式(11):

2 試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算分析

2.1 雜色黏土試驗(yàn)結(jié)果分析

每種顏色取3個(gè)試樣,求取這3個(gè)試樣滲透系數(shù)平均值,獲得6組顏色黏土滲透系數(shù),同時(shí)測(cè)得黏土天然含水率及飽和含水率；利用X 射線求得每組顏色礦物含量,其中每組顏色黏土做礦物分析時(shí),原則上用兩個(gè)試樣礦物含量求取平均值作為該組顏色礦物含量分析結(jié)果,若兩組試樣礦物含量相差大,再進(jìn)行第3個(gè)試樣礦物分析,獲得較為可靠的分析結(jié)果,試驗(yàn)處理結(jié)果見(jiàn)表1.

從表中的試驗(yàn)結(jié)果可以看出,該地區(qū)與其它地區(qū)黏土明顯不同.如廣西武鳴紅黏土及桂林紅黏土,其礦物成分以高嶺石為主,含量在56%～74%之間,含少量三水鋁石、針鐵礦等,武寧地區(qū)黏土不含石英,桂林含少量石英[7]；成都黏土主要由風(fēng)塵堆積物形成,具有裂隙性和脹縮性,石英平均含量為37.5%,黏土礦物以高嶺石為主,其次伊利石和蒙脫石[8]；上海地區(qū)沉積淤泥質(zhì)黏土,黏土礦物以水云母、蒙脫石為主,天然含水量高,孔隙比大,礦物聯(lián)結(jié)弱,結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定[9].山西武鄉(xiāng)地區(qū)雜色黏土滲透系數(shù)差異較大,紫褐與灰綠色滲透系數(shù)與褐黃色相差3個(gè)數(shù)量級(jí)；紫褐色與灰綠色膨脹性較大,其他顏色基本無(wú)膨脹性；孔隙比在45%～68%之間,較為密實(shí),天然含水率高；黏土礦物以蒙脫石為主,其次為伊利石,不含高嶺石；石英礦物含量最多,其次是黏土礦物,其原因可能是在某一時(shí)期,該地層河湖相沉積的砂質(zhì)泥巖裸露地表,硅酸鹽礦物風(fēng)化形成黏土、石英等礦物,后經(jīng)黃土覆蓋,風(fēng)化作用減弱,石英與黏土礦物等在沉積作用下形成透水性差、結(jié)構(gòu)致密的的雜色黏土；灰黑色含鐵礦物較多,其它顏色含量較少,個(gè)別顏色含有白云石.總體來(lái)說(shuō)山西武鄉(xiāng)黏土不同顏色礦物含量、工程性質(zhì)有所差異.

表1試驗(yàn)結(jié)果一覽表

2.2 雜色黏土滲透性的灰色關(guān)聯(lián)計(jì)算

本文選擇滲透系數(shù)作為主行為序列X0,由于滲透系數(shù)數(shù)量級(jí)較小,最小數(shù)量級(jí)為10-7,不同顏色滲透系數(shù)數(shù)量級(jí)差異較大,為此進(jìn)行對(duì)數(shù)處理[10],均為負(fù)值為方便比較再進(jìn)行絕對(duì)值處理如圖5所示.

圖5雜色黏土滲透系數(shù)曲線

另外選擇自由膨脹率、孔隙比、蒙脫石、伊利石、方解石、鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、石英、白云石和含鐵礦物在不同顏色黏土中的含量作為比較序列Xi,經(jīng)過(guò)公式(3)～(5),進(jìn)行規(guī)范化處理,所得結(jié)果分別如圖6所示.

圖6序列區(qū)間化處理

根據(jù)公式(6)～(11),分別計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度,結(jié)果見(jiàn)表2.

表2關(guān)聯(lián)系數(shù)及關(guān)聯(lián)度結(jié)果一覽表

3 雜色黏土滲透因素關(guān)聯(lián)分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,雜色黏土滲透性關(guān)聯(lián)度的排序從高到低:蒙脫石＞自由膨脹率＞鉀長(zhǎng)石＞斜長(zhǎng)石＞孔隙比＞石英＞含鐵礦物＞方解石＞白云石＞伊利石.分析如下:

1)滲透系數(shù)關(guān)聯(lián)度最大的是蒙脫石,這與蒙脫石結(jié)構(gòu)有關(guān).蒙脫石直徑較小,比表面積較大；其為層狀硅酸鹽礦物,呈負(fù)電性的晶片結(jié)構(gòu)；晶片表面負(fù)電荷吸引孔隙溶液中的陽(yáng)離子,在固-液接觸面聚集,另外晶體表面交換性離子吸附極性水分子[11].這些表面的離子、水分子形成帶有十至百毫伏電位的吸附層和擴(kuò)散層,如圖中電位ψ的大小變化曲線.電位ψ產(chǎn)生的微電場(chǎng)使水分子定向排列形成定向水膜,包圍在黏土顆粒表面.結(jié)合水膜黏度和密度很大,具有似固體性的黏滯性質(zhì)[12-13],自由水的流動(dòng)受限,影響雜色黏土的滲透性,如圖7所示.

圖7黏土顆粒擴(kuò)散雙電層離子分布

2)雜色黏土自由膨脹率與其滲透系數(shù)關(guān)聯(lián)度也較大.從自由膨脹率看,紫褐色為50.8%,灰綠色為65.5%,灰色褐色為14.5%,黑色為24%,棕褐色為8%,褐黃色為22%.根據(jù)公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范(JTJ013—95),當(dāng)自由膨脹率小于40%時(shí),不具膨脹性；40%～60%為弱膨脹性土；60%～90%之間為中膨脹性土；大于90%為強(qiáng)膨脹性土.故紫褐色為弱膨脹性土,灰綠色為中膨脹性土,其他顏色的土不具膨脹性.影響土的膨脹性最大的因素是黏土礦物中蒙脫石的含量[14],因蒙脫石晶層間在吸附水過(guò)程中,體積發(fā)生較大膨脹,堵塞孔隙,使得有效孔隙減少,自由水流動(dòng)通道減少,滲透性降低,從而表現(xiàn)出滲透系數(shù)較小.故黏土自由膨脹率與滲透系數(shù)呈負(fù)相關(guān).

3)影響雜色黏土滲透性另一因素是孔隙比.由于孔隙比只表征孔隙總體數(shù)量,無(wú)法體現(xiàn)孔隙的大小分布情況,所以結(jié)合掃描電鏡加以分析,如圖8所示.

圖8雜色黏土孔隙電鏡掃描圖

從圖8可看出,紫褐色以微孔為主,量測(cè)在0.6～5.8μm 之間；灰綠色以微孔、小孔為主,在0.5～7.3 μm 之間；棕褐、灰黑以中、小孔為主,量測(cè)在3.2～26.6μm 之間；灰褐色和褐黃孔隙數(shù)量較多,且褐黃砂質(zhì)含量較多.并且這些孔隙并不完全相互連通,孔隙可以分為孤立孔隙、聚集體間孔隙和聚集體內(nèi)的孔隙,如圖9所示.

圖9孔隙分類

孔隙中含有結(jié)合水、毛細(xì)水以及重力水,毛細(xì)水及重力水統(tǒng)稱為自由水.孤立孔隙的特點(diǎn)是數(shù)量較少,連通性差,因此對(duì)黏土的滲透性影響不大；聚集體顆粒之間的孔隙是滲流的主要通道,因此對(duì)滲透性的影響最大,其中心為自由水,邊緣為結(jié)合水.聚集體顆粒內(nèi)孔隙連通性較好,但與外部連通性較差,一般對(duì)滲透性影響不大,全部或部分為結(jié)合水,如圖10所示.

圖10黏土中的孔隙水

但當(dāng)外部水力梯度達(dá)到一定值時(shí),水力梯度產(chǎn)生的力克服了結(jié)合水中的黏滯力,使得結(jié)合水轉(zhuǎn)化為自由水,滲透系數(shù)略有增大[15],實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)同一種土在不同的水力梯度下滲透系數(shù)數(shù)量級(jí)沒(méi)有改變,但是數(shù)值大小有所差異,最終滲透性的變化趨于穩(wěn)定,見(jiàn)表3.

表3不同水力梯度灰綠色滲透系數(shù)

綜合孔隙比和掃描電鏡的分析可知,滲透系數(shù)較小的雜色黏土孔隙以微孔隙、小孔隙為主,且孔隙比小而密實(shí),如紫褐色、灰綠色；滲透系數(shù)較大的雜色黏土以中孔隙、小孔隙為主且孔隙比大而疏松,如棕褐色、褐黃色.孔隙比定性表示孔隙整體數(shù)量,因此它與滲透系數(shù)關(guān)聯(lián)度相對(duì)小些.

3)長(zhǎng)石類礦物與黏土礦物反應(yīng),生成金屬離子、石英等礦物,這種長(zhǎng)石溶解作用從泥質(zhì)砂巖風(fēng)化就已經(jīng)開(kāi)始,后在黃土沉積作用下進(jìn)行；這種物質(zhì)交換反應(yīng)對(duì)次生孔隙有顯著控制作用[16]；因此長(zhǎng)石類礦物含量與滲透系數(shù)關(guān)聯(lián)度實(shí)則是沉積環(huán)境對(duì)雜色黏土滲透性的影響.根據(jù)關(guān)聯(lián)度大小可以確定蒙脫石水理特性對(duì)雜色黏土滲透行的影響大于沉積環(huán)境對(duì)其的影響.

4 結(jié)論

本文利用灰色關(guān)聯(lián)計(jì)算出蒙脫石、長(zhǎng)石等礦物成分,自由膨脹率、孔隙比等參數(shù)與滲透系數(shù)的關(guān)聯(lián)度.

1)影響雜色黏土滲透性最大的是蒙脫石含量,與蒙脫石負(fù)電性晶片結(jié)構(gòu)密切相關(guān).

2)其次是自由膨脹率,根據(jù)各個(gè)顏色膨脹率大小發(fā)現(xiàn)紫褐色為弱膨脹性土,灰綠色為中膨脹性土,其他顏色的土不具膨脹性.主要是蒙脫石吸水膨脹,堵塞有效孔隙,從而滲透性降低.

3)孔隙比只定性表示孔隙整體數(shù)量,因此關(guān)聯(lián)度相對(duì)較小些.結(jié)合掃描電鏡分析了孔隙大小以及孔隙中的水對(duì)滲透性的影響.

4)長(zhǎng)石類礦物與黏土類礦物在黏土風(fēng)化、沉積過(guò)程中發(fā)生一系列反應(yīng),并對(duì)次生孔隙有顯著控制作用,其與滲透性的關(guān)聯(lián)實(shí)則是沉積環(huán)境對(duì)滲透性的影響.根據(jù)關(guān)聯(lián)度的大小可知,以蒙脫石黏粒含量為主的雜色黏土的水理特性對(duì)雜色黏土滲透性的影響大于沉積環(huán)境對(duì)其的影響.