新型透明土材料的GDS柔性壁滲透試驗(yàn)研究*

李 奕 王 清

(湖北工業(yè)大學(xué) 武漢 430068 )

前言

透明土具有模擬天然巖土的內(nèi)部滲流、觀測(cè)土體變形等優(yōu)點(diǎn)，針對(duì)于不同的天然土壤，不同類型的透明土材料被挖掘出來模擬不同類型的土壤。常用的透明土材料有:用于模擬砂土的熔融石英砂，硅膠；用于模擬黏土的無定型二氧化硅；用于模擬海洋沉積物的水晶珠(Aquabeads)；用于模擬臨海地區(qū)軟黏土的硅酸鎂鋰粉末(Laponite RD)。Laponite RD作為一種新型透明土材料，其化學(xué)物質(zhì)成分主要是硅酸鎂鋰。自然狀態(tài)下硅酸鎂鋰處于白色粉末狀，與水按照一定比例混合會(huì)形成透明狀的膠凝混合物。硅酸鎂鋰透明土常常被用于模擬海相軟黏土，這種材料最早被Alvarez和Mauricio[1]提出用于模擬地下水沉積物。Gidley 和 Gidley[2]以Laponite RD為原材料配制了透明土用于模擬海相軟黏土，并且對(duì)于土體中的流體運(yùn)動(dòng)路徑和滑移面進(jìn)行了觀察。 Wallace和Rutherford[3]經(jīng)過對(duì)Laponite RD的研究發(fā)現(xiàn)，這種材料的性能與Aquabeads的特性較為相似。Beemer和Aubeny[4]以此配制成的透明土研究了安裝拖拽錨的運(yùn)動(dòng)軌跡。

由于軟黏土基本物理特性與普通土壤的差異性，這決定了其位于地質(zhì)工程中的特殊地位。近年來，透明土被廣泛應(yīng)用于模擬試驗(yàn)研究[5-7]。但對(duì)于硅酸鎂鋰(Laponite RD)這種新型材料的研究仍然較少，其被作為模擬軟黏土的可行性研究還不夠，因此筆者以硅酸鎂鋰為基本材料制備了不同固液質(zhì)量比的透明軟黏土試樣，對(duì)其進(jìn)行GDS柔性壁滲透試驗(yàn)，對(duì)該種新型材料的滲透機(jī)理進(jìn)行了深入研究。

1 試驗(yàn)材料

圖1 硅酸鎂鋰(Laponite RD)粉末狀

試驗(yàn)基本材料為硅酸鎂鋰(Laponite RD)粉末狀，其實(shí)物圖如圖1所示。該種粉末又被稱為鋰皂石，化學(xué)式為Li2Mg2O9Si3。該種粉末在空氣中呈白色，具有明顯的觸變性和增稠性，并且該種白色粉末吸附能力較強(qiáng)，具有無毒、無刺激性氣味等特性。鋰皂石在自然界中較為稀缺，因此，通常情況下鋰皂石被分為人工合成鋰皂石和天然鋰皂石。本次試驗(yàn)采用的是人工合成鋰皂石，屬于一種片狀硅酸鹽。根據(jù)已有的文獻(xiàn)，該種材料的粉末顆粒屬于圓片類型，高度約為1 nm，直徑約為25 nm[3]。硅酸鎂鋰是以納米為單位的微小片狀結(jié)構(gòu)，與水混合后，形成層面和端面，層面帶負(fù)電荷，端面帶正電荷，且以Na+等陽離子為主，薄片端面的正電荷與另一薄片的層面負(fù)電荷就結(jié)合形成了三維空間形式的膠體結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)也被稱為卡片宮結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)的形成也使得混合膠凝體系的粘度增大，又因?yàn)榈唾|(zhì)量比下的硅酸鎂鋰RD粉能水形成良好透明效果的膠體。因此，這些獨(dú)特的物理特性使得硅酸鎂鋰(Laponite RD)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)當(dāng)中，如：增稠劑、膏體觸變劑、乳膠及油墨穩(wěn)定劑等。

2 試驗(yàn)方案及方法

2.1 試驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)擬制備固液質(zhì)量比為3%、4%、5%的環(huán)刀試樣進(jìn)行GDS柔性壁滲透試驗(yàn)，設(shè)置滲透壓力差分別為5 kPa、10 kPa、15 kPa，試驗(yàn)時(shí)長設(shè)置為12 h，擬得到不同壓力差和不同固液質(zhì)量比透明軟黏土的滲透系數(shù)變化圖。

2.2 試驗(yàn)方法

首先完成試樣的制備，準(zhǔn)備一定質(zhì)量的蒸餾水和硅酸鎂(Laponite RD)粉末，用攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌。充分?jǐn)嚢柰瓿珊?，進(jìn)行抽真空處理8 h，待抽真空后無明顯氣泡，將其靜置8 h。待其完全無氣泡，便制樣成功，如果氣泡含量依舊較多，則制樣失敗。配制完成的試樣如圖2所示，可以看出透過試樣，紙質(zhì)紋路依舊清晰，則此次制樣較為成功，之后用環(huán)刀法進(jìn)行取樣，裝樣。運(yùn)用GDS柔性壁滲透儀進(jìn)行壓差試驗(yàn)。

圖2 透明土試樣

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖3 不同質(zhì)量比在不同壓力差下的滲透系數(shù)對(duì)比圖

3.1 滲流實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

此次試驗(yàn)得到不同壓力差下的滲透系數(shù)變化圖如圖3所示。從圖3可以看出，處于前6 h區(qū)間段內(nèi)，3種不同質(zhì)量比試樣的滲透系數(shù)隨著時(shí)間的增加而減小，且變化幅度較大，質(zhì)量比為5%的試樣的滲透系數(shù)在前半段時(shí)間內(nèi)的變化幅度明顯小于其余兩種質(zhì)量比試樣滲透系數(shù)的變化幅度。處于第6～12 h內(nèi)，3種不同質(zhì)量比試樣的滲透系數(shù)隨著時(shí)間的增加而出現(xiàn)微小的變化，總體變化幅度均小于前半段時(shí)間段下滲透系數(shù)的變化幅度。當(dāng)滲透系數(shù)處于變化幅度明顯的階段時(shí)，質(zhì)量比為5%的試樣的滲透系數(shù)最??；質(zhì)量比為3%和4%，兩者的滲透系數(shù)較為接近。當(dāng)滲透系數(shù)變化趨于平穩(wěn)時(shí)，不同質(zhì)量比下試樣滲透系數(shù)的大小關(guān)系為：質(zhì)量比為5%的滲透系數(shù)最??；質(zhì)量比為4%的滲透系數(shù)次之；質(zhì)量比為3%的滲透系數(shù)最大，即試樣滲透系數(shù)隨著質(zhì)量比的減小而增大。

4 結(jié)論

通過上述試驗(yàn)及滲透系數(shù)變化結(jié)果分析，可以得到如下結(jié)論：

(1)進(jìn)行GDS柔性壁滲透試驗(yàn)的Laponite RD透明土試樣，滲透系數(shù)總體上隨著時(shí)間的增加而減小。

(2)當(dāng)透明土試樣的質(zhì)量比不同時(shí)，滲透系數(shù)隨著質(zhì)量比的增加而減小。

(3)在滲透試驗(yàn)的12 h試驗(yàn)周期里，滲透系數(shù)在前6 h變化較大，后6 h變化區(qū)域平穩(wěn)。位于平穩(wěn)階段的滲透系數(shù)大小與質(zhì)量比大小成反比。