不同顆粒級配透明黏土的固結(jié)與滲透特性

武亞軍， 李俊鵬， 姜海波， 孔綱強

(1.上海大學(xué) 土木工程系, 上海 200444； 2.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室, 江蘇 南京 210098)

天然土體對可見光不透明，模型試驗過程中很難直接觀測到土體內(nèi)部變形和位移路徑.人工合成的透明土具有與天然土體相似的物理力學(xué)特性，將人工合成的透明土結(jié)合光學(xué)觀測技術(shù)和圖像處理技術(shù)可以深入研究土體內(nèi)部位移場與滲流場的變化規(guī)律[1-2].Yuan等[3]開展了三維透明土模型試驗，得到了樁-土復(fù)合地基在外荷載作用下的三維位移場.Wang等[4]采用透明土進(jìn)行模型試驗，研究了基坑降水過程中防滲墻和抽油井的耦合效應(yīng).Zhao等[5]對有樁帽和無樁帽的單樁分別進(jìn)行了一系列的室內(nèi)小型透明土模型試驗，研究了樁帽效應(yīng)、樁徑效應(yīng)和樁長效應(yīng).Sui等[6]通過透明土試驗來觀察水位下降過程中邊坡的破壞過程，利用PIV技術(shù)對透明土顆粒位移進(jìn)行了測量，并使用有機(jī)染料來跟蹤斜坡內(nèi)液體的流動路徑.

以上這些研究都集中在模擬砂性土的特性方面，關(guān)于透明黏土及與之相關(guān)的研究主要包括:Iskander等[7]利用無定形硅粉和具有相應(yīng)折射率的孔隙流體制配并研究出了物理力學(xué)性質(zhì)與普通黏土相似的透明黏土.Liu[8]進(jìn)行了固結(jié)不排水剪切試驗，發(fā)現(xiàn)透明土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征與典型黏土相似.宮全美等[9]采用白礦油和十二烷混合液與無定形硅粉制配成透明土以模擬黏性土，驗證了透明黏土應(yīng)用于模型試驗研究的可行性.姜海波等[10]開展了超軟土真空預(yù)壓透明土模型試驗，結(jié)合可視化技術(shù)研究了塑料排水板周圍的土樁的形成機(jī)理.

事實上，透明黏土的性質(zhì)與其顆粒組成密切相關(guān)，顆粒級配往往決定了變形、滲透、強度等物理力學(xué)特性[11].然而，目前已有研究多集中在對某一種透明黏土的綜合特性以及采用已經(jīng)制配好的透明黏土進(jìn)行一些特定的試驗研究方面，往往忽略了顆粒級配對透明黏土性質(zhì)的影響.為了探明顆粒級配對透明黏土性質(zhì)，特別是固結(jié)與滲透特性的影響，采用更合適的透明黏土開展相關(guān)研究，本文對6種不同粒徑分布下的無定形硅粉類透明黏土進(jìn)行了室內(nèi)土工試驗，圍繞其粒徑分布、壓縮固結(jié)和滲透特性等展開對比分析，探討顆粒級配對透明黏土性質(zhì)的影響.

1 透明土的制配與試驗方案

1.1 透明土的制配

將5#白礦物油和正十二烷混合均勻制配孔隙液體，用阿貝折射儀測定混合液體的折射率，并調(diào)試兩種液體比例，保證混合液與無定形硅石粉末的折射率相匹配.將質(zhì)量比為1∶7的無定形硅粉與孔隙液體攪拌混合至均勻黏稠狀，然后置于密封桶中進(jìn)行抽真空，去除試樣中產(chǎn)生的氣泡，使之達(dá)到飽和狀態(tài)；為了使試樣在自重作用下充分固液分離，將除氣后的試樣靜置48 h，之后吸走上清液，取余下部分作為試驗土樣.

1.2 試驗方案

制配土樣時選用不同粒徑的無定形硅粉，包括:0.075，0.020，0.005，0.003，0.001 mm.同時，為了完善透明土的顆粒級配，添加0.4～0.8，0.2～0.4 和0.1～0.2 mm的熔融石英砂.熔融石英砂的折射率與無定形硅粉基本一致，因此，兩者可以混合用于制配透明土樣.通過調(diào)整各粒徑無定形硅粉和熔融石英砂的質(zhì)量占比，獲得6種不同級配的土樣，分別命名為土樣A，B，C，D，E，F(xiàn).

為定量描述各級配土樣內(nèi)的粒組分布情況，將粒徑大于0.075 mm，0.075～0.005 mm和小于0.005 mm的顆粒含量列于表1.將三個粒組內(nèi)的顆粒分別稱為砂粒、粉粒和黏粒，將粉粒和黏粒的質(zhì)量比稱為粉黏比，6組透明土樣 (A～F) 不同粒徑的占比見表1.

表1 無定形硅粉顆粒基本指標(biāo)

不同級配的透明土樣的粒徑分布曲線如圖1所示.由于制作工藝限制，無定形硅粉的顆粒粒徑并不是定值，其實際粒徑的波動范圍可能較大.因此，本文以實際測定的顆粒分布情況為準(zhǔn). 為突出各個土樣粒徑分布特征之間的主要區(qū)別，將6 個土樣分為:組1 (土樣A，B，C)和組2 (土樣D，E，F(xiàn)).組1透明土樣的砂粒含量基本一致，粉黏比不同.組2透明土樣的粉黏比相同，砂粒含量不同.

圖1 組1和組2的粒徑分布曲線

2 試驗結(jié)果分析

透明土試樣制配完成后，按照《土工試驗規(guī)程》(SL237—1999)[12]進(jìn)行滲透試驗和標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗，并對各項試驗結(jié)果進(jìn)行分析.

2.1 滲透特性分析

圖2為各級配透明土試樣滲透系數(shù)k與孔隙比e之間的半對數(shù)關(guān)系曲線.由圖2可知，滲透系數(shù)k和孔隙比e的關(guān)系近似線性.隨著孔隙比的減小，各級配透明土的滲透系數(shù)k均降低，數(shù)值在10-4～10-7cm/s內(nèi)變化.隨著黏粒含量的增加，在骨架顆粒周圍的黏粒逐漸聚集，骨架顆粒排列變得緊密.土樣的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，微孔隙通道增多，大孔隙通道相對減少.透明土樣的粉黏比越大，滲透系數(shù)越大；砂粒含量越高，滲透系數(shù)越大，與天然土體的規(guī)律基本一致[13].事實上，透明土內(nèi)孔隙液體的運動黏滯度要高于自然界中的水，但試驗結(jié)果表明透明土的滲透系數(shù)較同等孔隙比下的天然黏土高1～2個數(shù)量級[14].本文認(rèn)為造成這種現(xiàn)象的原因主要是透明土中不存在類似天然黏性土中的結(jié)合水膜.

圖2 滲透系數(shù)隨孔隙比的變化曲線

天然黏土的黏土顆粒表面帶有一定的電荷，同時自然界的水中含有各種水化離子和水分子.由于靜電作用力，在黏土顆粒表面會形成吸附水膜，吸附水膜的存在會減小土體中的孔隙的有效半徑，該部分吸著水的存在會降低土體的滲透性.而本文中透明黏土的孔隙液體為白礦物油和正十二烷的混合液體，是由非極性子溶液組成的油脂，其內(nèi)無電子活性或電子活性很小.同時，模擬土顆粒的無定形硅粉顆粒表面不帶電荷，顆粒表面也就沒有類似天然黏性土中結(jié)合水膜的存在.因此，相同孔隙比下，透明土具有比天然黏性土更大的滲透系數(shù).

透明黏土的滲透系數(shù)比相同孔隙比下的天然黏土在數(shù)值上高1～2個數(shù)量級，但滲透系數(shù)隨孔隙比的變化規(guī)律與天然土體的試驗結(jié)果基本一致[13].黏粒含量越高，滲透系數(shù)越??；砂粒含量越高，滲透系數(shù)越大.試驗結(jié)果表明選用透明黏土研究天然黏土內(nèi)部滲透規(guī)律是可行的，同時可大大縮短滲透試驗時間.

2.2 壓縮固結(jié)特性分析

圖3和圖4分別為6組土樣的e-p和e-lgp曲線，反映孔隙比e隨荷載p的變化情況.各級配土樣的e-p曲線都是上凹的平滑曲線，且在加載的初期對所施加的荷載較為敏感，表明無定形硅粉類透明土類似于欠固結(jié)土.

將計算得出的各級配透明土樣的壓縮指標(biāo)列于表2.6組透明黏土的壓縮模量Es1-2(100～200 kPa 壓力級別下的壓縮模量) 的變化范圍為1.054～2.256 MPa.回彈指數(shù)Cr的變化范圍分別為0.038～0.088，壓縮指數(shù)Cc的變化范圍為0.212～0.507.Cr/Cc的變化范圍為0.15～0.18，與文獻(xiàn)[15]得到的天然黏性土Cr/Cc值范圍0.02～0.2比較接近.按照壓縮性指標(biāo)劃分標(biāo)準(zhǔn)[16]，本文制配的各級配下的透明土均屬于高壓縮性黏土.

2.2.1 壓縮模量變化規(guī)律

各透明土樣不同壓力級別范圍內(nèi)的壓縮模量Es與荷載p的關(guān)系曲線如圖5所示.由圖5可知，透明黏土的壓縮模量隨著荷載由0 kPa 增到 800 kPa而逐漸增大，這種變化規(guī)律與上海重塑黏土[17]一致.

圖3 組1和組2的土樣壓縮e-p曲線

圖4 組1和組2的土樣壓縮e-lg p曲線

表2 不同級配透明黏土的壓縮性指標(biāo)

當(dāng)土體中的砂粒含量相同時，粉黏比會對土體的壓縮性產(chǎn)生較大影響.為了直觀地反映土體壓縮模量隨粉黏比的變化規(guī)律，將壓縮模量Es1-2與粉黏比關(guān)系曲線繪于圖6.由圖6可知，無定形硅粉類透明土 (土樣A，B，C) 的粉黏比對其壓縮模量有較大影響，隨著粉黏比的增大，土體的壓縮模量逐漸增大.總體來說，透明黏土的壓縮性隨著粉黏比的增大而降低.

當(dāng)粉黏比相同時，砂粒含量也會對土體的壓縮性產(chǎn)生較大影響，將壓縮模量Es1-2與砂粒含量關(guān)系曲線繪于圖7.由圖7可知，無定形硅粉透明土 (土樣D，E，F(xiàn)) 的砂粒含量對其壓縮模量有明顯影響.隨著砂粒含量的增加，土體的壓縮模量逐漸增大.總體來說，透明黏土的壓縮性隨砂粒含量的增加而降低，說明砂粒在土體中具有一定的骨架作用.隨著砂粒含量的增多，土體的壓縮性降低，這一規(guī)律與天然土體基本一致[18-19].

2.2.2 固結(jié)系數(shù)變化規(guī)律

固結(jié)系數(shù)的大小能夠直觀反映土體的固結(jié)快慢程度，因此，準(zhǔn)確測定固結(jié)系數(shù)對于預(yù)測土層的排水固結(jié)速率和固結(jié)度有重要意義.本文采用時間平方根法計算得各級配土樣在各級荷載下的固結(jié)系數(shù).荷載由小到大取5個等級，分別為50，100，200，400，800 kPa.為了研究固結(jié)系數(shù)隨應(yīng)力水平的變化規(guī)律，這里給出了各個土樣固結(jié)系數(shù)Cv隨荷載p的變化曲線，如圖8所示.

圖5 壓縮模量變化曲線

圖6 壓縮模量與粉黏比關(guān)系曲線

圖7 壓縮模量與砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系曲線

由圖8可知，透明土的固結(jié)系數(shù)隨應(yīng)力水平的增加總體呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，其中土樣A，B的固結(jié)系數(shù)隨應(yīng)力水平的提高持續(xù)下降，土樣C，D，E，F(xiàn)存在固結(jié)系數(shù)在較低應(yīng)力水平下稍有上升，之后持續(xù)下降的現(xiàn)象.本文關(guān)于無定形硅粉類透明土固結(jié)系數(shù)隨應(yīng)力水平變化規(guī)律與天然土體的試驗規(guī)律相似[20].總體看來，土體的粉黏比越小，固結(jié)系數(shù)越小.土樣A，B的固結(jié)系數(shù)數(shù)量級在10-2cm2·s-1，土樣C，D，E，F(xiàn)的固結(jié)系數(shù)數(shù)量級在10-1cm2·s-1.

太沙基一維固結(jié)理論中滲透系數(shù)與固結(jié)系數(shù)的關(guān)系公式為Cv=kEs/γw，式中，k為土體滲透系數(shù)，Es為土體的壓縮模量，γw為孔隙液體重度.透明土的壓縮模量與天然土體壓縮模量數(shù)值雖有差異，整體還是比較接近[15].但是透明土體的滲透系數(shù)較天然土體的滲透系數(shù)高1～2個數(shù)量級，固結(jié)系數(shù)的計算結(jié)果也表明，透明土的固結(jié)系數(shù)數(shù)量級在10-2～10-1cm2·s-1范圍內(nèi)，較天然土體大1～2個數(shù)量級.雖然數(shù)值不同，但考慮到透明黏土的固結(jié)系數(shù)隨荷載的變化規(guī)律與天然土體相似，故采用透明黏土進(jìn)行天然黏土固結(jié)規(guī)律研究是可行的.

圖8 固結(jié)系數(shù)隨荷載變化曲線

3 結(jié) 論

1) 透明黏土的滲透系數(shù)在10-4～10-7cm/s范圍內(nèi)變化，在數(shù)值上比天然黏土大.透明黏土的孔隙比與滲透系數(shù)的半對數(shù)關(guān)系呈現(xiàn)明顯的線性，曲線的變化規(guī)律與天然土體相似.同時，顆粒級配對透明土的滲透性有較大影響，粉黏比越大，土體的滲透系數(shù)越大.可以采用透明黏土定性研究天然黏土內(nèi)部滲流規(guī)律.

2) 按照壓縮性指標(biāo)的劃分依據(jù)，各級配透明土均屬于高壓縮性土.并且土體的粉黏比越大，壓縮模量越小，土體的壓縮性越高.砂粒含量越高，壓縮模量越大，土體壓縮性越低.

3) 透明黏土的固結(jié)系數(shù)隨應(yīng)力水平的提高大致呈逐漸下降的趨勢，某些級配下的土樣會出現(xiàn)在較小應(yīng)力水平下略微上升，之后持續(xù)下降的趨勢.透明黏土的Cv-p曲線的變化規(guī)律與天然土體相似.總體看來，土樣的粉黏比越小，固結(jié)系數(shù)越小.

4) 顆粒級配對透明土的滲透系數(shù)和固結(jié)系數(shù)有較大影響，土體的粉黏比越大，滲透系數(shù)越小，固結(jié)系數(shù)越大.透明黏土的滲透系數(shù)和固結(jié)系數(shù)在數(shù)值上比天然黏土要大，但是，透明黏土的e-lgk和Cv-p曲線的變化規(guī)律與天然土體相似，故可以采用透明黏土定性研究天然黏土內(nèi)部滲流規(guī)律和固結(jié)變化規(guī)律.