添加膨潤土對土壤滲透性及微觀結(jié)構(gòu)影響的研究

薛萬來，李法虎，劉 曄，李彬瑜，黃炳彬

（1.北京市水科學(xué)技術(shù)研究院，北京 100048；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，北京 100083；3.河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056000；4.中國電建集團(tuán) 北京勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100024）

添加膨潤土對土壤滲透性及微觀結(jié)構(gòu)影響的研究

薛萬來1,2，李法虎2*，劉 曄3，李彬瑜4，黃炳彬1

（1.北京市水科學(xué)技術(shù)研究院，北京 100048；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，北京 100083；3.河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056000；4.中國電建集團(tuán) 北京勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100024）

【目的】研究膨潤土摻量對砂土滲透性的影響，為永定河構(gòu)建生態(tài)水面提供理論依據(jù)?！痉椒ā客ㄟ^室內(nèi)土柱試驗(yàn)，設(shè)置了膨潤土添加比例分別為3%、6%、9%、12%和15%的5 個不同水平，系統(tǒng)探究不同膨潤土添加量對土壤滲透性及微觀結(jié)構(gòu)的影響?！窘Y(jié)果】當(dāng)膨潤土摻量從6%增加到15%時，改良砂土的滲透系數(shù)從10-5cm/s 降低至10-7cm/s，表明膨潤土摻量對改良砂土滲透性有顯著影響；對不同膨潤土摻量的試樣進(jìn)行微觀機(jī)理分析可知，隨著膨潤土摻量的增多，土樣結(jié)構(gòu)逐漸由顆粒結(jié)構(gòu)體轉(zhuǎn)變?yōu)閳F(tuán)粒體，從而導(dǎo)致土體的滲透系數(shù)減小，且大孔隙的面積百分比與改良砂土滲透系數(shù)對數(shù)正相關(guān)，擬合度R2為0.89；隨著膨潤土摻量的增加，內(nèi)部孔隙面積分布的定向性有較好的改善，從而降低滲透系數(shù)；從微觀層面二維平面與三維空間所求的孔隙比e 與滲透系數(shù)對數(shù)呈線性回歸關(guān)系，擬合度R2分別為0.98 和0.96，其結(jié)果與宏觀規(guī)律一致?！窘Y(jié)論】添加膨潤土可改善土體孔隙面積，改變土體平均孔徑，顯著降低砂土滲透系數(shù)。

孔隙特征；砂土；滲透性；微觀結(jié)構(gòu)；電鏡掃描

0 引 言

【研究意義】滲透性是土的重要工程性質(zhì)之一[1]。多數(shù)學(xué)者在宏觀層次研究土的滲透性，而宏觀規(guī)律性還需歸因于微觀層次的機(jī)理分析。土的微觀結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)單元體和孔隙之間接觸和聯(lián)結(jié)關(guān)系的總稱[2]，因而土的滲透性很大程度上受到其微觀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響。

【研究進(jìn)展】近年來，基于掃描電鏡與圖形分析軟件對土體微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析是當(dāng)前巖土工程研究中最有效、最直接的方法[3]。目前，葉為民等[4]對上海軟土的研究表明，滲透特征的各向異性取決于微觀孔隙的各向異性；牛文杰等[5]通過對膨潤土的微觀孔隙率、平均顆粒直徑等進(jìn)行定量分析，提出了考慮微觀結(jié)構(gòu)效應(yīng)的非飽和滲透系數(shù)計(jì)算公式；高發(fā)亮等[6]通過電鏡掃描圖片的定性分析，從微觀角度解釋了不同土質(zhì)滲透性差異的本質(zhì)；楊博等[1]認(rèn)為，改性黃土滲透系數(shù)與微觀有效孔隙顯著相關(guān)；隋軍等[7]從微觀的定性及定量上分析得出，大、中孔隙的數(shù)量與黃土滲透系數(shù)有密切關(guān)系；姜彤等[8]應(yīng)用蒸汽平衡法和掃描電子顯微鏡對膨潤土持水特性和微觀進(jìn)行了定性分析；Takai 等[9]采用柔性壁滲透儀，研究分析了不同配比制成的膨潤土-水泥-土試樣滲透試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)固化時間顯著影響試樣滲透系數(shù)；Sakai 等[10]分析了孔隙大小、數(shù)量和分布特征等材料結(jié)構(gòu)特征與滲透性關(guān)系?！厩腥朦c(diǎn)】上述研究多數(shù)從滲透系數(shù)與孔隙結(jié)構(gòu)相關(guān)關(guān)系揭示滲透系數(shù)變化特征，并通過微觀孔隙結(jié)構(gòu)定性方面入手揭示滲透系數(shù)變化的原因，但從微觀結(jié)構(gòu)定量方面研究較少，尤其關(guān)于孔隙定向排列特征以及孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)對滲透系數(shù)變化影響的研究有待進(jìn)一步深入。

【擬解決的關(guān)鍵問題】基于此，本試驗(yàn)以永定河斷流區(qū)表層砂土為研究對象，采用膨潤土對砂土進(jìn)行改良處理使其達(dá)到預(yù)期的滲透性，并基于電鏡掃描觀測和滲透試驗(yàn)，研究改良砂土滲透性及其微觀結(jié)構(gòu)變化關(guān)系，旨在為永定河（北京段）實(shí)現(xiàn)“控制滲漏、構(gòu)建生態(tài)水面”的目標(biāo)要求提供支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)用砂土取自永定河下游立垡村，砂土物理指標(biāo)經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)測定后見表1，改良砂土所用膨潤土性能指標(biāo)見表2。試驗(yàn)裝置由內(nèi)徑為10 cm、高50 cm的土柱和內(nèi)徑為5 cm 的馬氏瓶供水系統(tǒng)組成。

表1 砂土物理指標(biāo)Table 1 Physical properties of the sandy soil

表2 膨潤土性能指標(biāo)Table 2 Physical properties of the Bentonite

1.2 試驗(yàn)方案與方法

本次試驗(yàn)設(shè)置土層高度為20 cm，膨潤土的摻量設(shè)置為0%、3%、6%、9%、12%和15%，膨潤土和砂土混合后干密度設(shè)置為1.35、1.40、1.45、1.50 g/cm3和1.55 g/cm3，每組做3 份平行對照。在恒定水頭40 cm 下記錄馬氏瓶水面刻度。入滲相對穩(wěn)定時結(jié)束試驗(yàn)，然后進(jìn)行電鏡掃描試驗(yàn)。

微觀掃描試驗(yàn)采用環(huán)境掃描電子顯微鏡（SEM）采集土體的微觀結(jié)構(gòu)圖像。將土樣置于105 ℃烘箱內(nèi)8 h 烘至恒質(zhì)量后，切出1 個20 mm×10 mm×10 mm的長方體，再將試樣掰斷，露出新鮮表面以備觀測。采用Image-pro Plus 圖像處理軟件對土體微觀結(jié)構(gòu)的SEM 圖像進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 滲透試驗(yàn)結(jié)果

不同膨潤土摻量的滲透系數(shù)見表3。由于砂土結(jié)構(gòu)松散且黏聚力較小，膨潤土摻量為0%時，水流立即滲入試樣底部，滲透系數(shù)均值為8.13×10-5cm/s；摻量小于6%時，改性砂土的滲透系數(shù)從10-5cm/s 降低至10-6cm/s，變化幅度較小。摻量從6%增加到15%時，改良砂土的滲透系數(shù)從10-5cm/s 降低至10-7cm/s，滲透系數(shù)變化較大。結(jié)合SEM 圖像（圖1）可以看出，隨著膨潤土摻量的增多，越來越多的細(xì)顆粒填充到砂土顆粒的孔隙中，并不斷地吸附到砂土的骨架顆粒上，從而使砂土滲透系數(shù)降低。當(dāng)膨潤土摻量小于6%時，滲透系數(shù)保持在（5.29×10-5～8.67×10-5）cm/s之間，改良砂土的滲透性差異較小；當(dāng)膨潤土摻量大于6%時，滲透系數(shù)幾乎均在同一量級內(nèi)變化。因此，膨潤土的摻入要比增加干密度對砂土滲透系數(shù)的影響大，并且隨著膨潤土的摻入可以明顯降低砂土的滲透系數(shù)。

表3 改良砂土的滲透系數(shù)Table 3 The permeability coefficient of modified sandy soil cm/s

2.2 試樣微觀結(jié)構(gòu)特征

改良砂土的滲透系數(shù)受膨潤土摻量影響較大，故下文只對不同膨潤土摻量的試樣進(jìn)行微觀機(jī)理分析。對膨潤土摻量為0%的砂土試樣圖片進(jìn)行觀察分析可知（圖1（a）），試樣的骨架顆粒形態(tài)為粒狀，孔隙以架空孔隙為主，孔隙粗大且排列疏松，有較好的連通性；土壤顆粒單元體接觸面積較小，多為點(diǎn)接觸。圖1（b）、圖1（c）、圖1（d）分別是膨潤土摻量為3%、9%、15%的改性砂土掃描電鏡的典型圖片。圖1（b）中，土體細(xì)孔隙慢慢被填充，大孔隙數(shù)量減少，粗骨架慢慢絮凝，逐漸變成凝絮體；圖1（c）中，孔隙變化較大，土體幾乎粘連，連接較緊密，開始呈“面-面”結(jié)構(gòu)，表面不平整且多為凝絮體，結(jié)構(gòu)面互相牽制；圖1（d）中，孔隙幾乎不可見，土體黏結(jié)較好，結(jié)構(gòu)面較穩(wěn)定且趨向整體型，表面較平滑，出現(xiàn)小顆粒體，土體物理力學(xué)性能逐漸穩(wěn)定。由上述圖像可以看出，同純砂土試樣相比，隨著膨潤土摻量的增多，孔隙的數(shù)量與大小都呈減小趨勢，膠結(jié)物將孔隙填充，砂土中的架空孔隙隨之減少，使得孔隙類型由架空孔隙逐漸過渡到鑲嵌孔隙，骨架土顆粒的接觸方式由點(diǎn)接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槊娼佑|，從而導(dǎo)致土體的滲透系數(shù)減小[11]。

圖1 膨潤土改良砂土掃描電鏡圖片（×500）Fig.1 SEM image of bentonite-modified sandy soil

2.3 試樣微觀結(jié)構(gòu)定量分析

本文依據(jù)參考文獻(xiàn)[12]提出的孔隙劃分標(biāo)準(zhǔn)（見表4），應(yīng)用Image-pro Plus 軟件，并選取孔隙平均孔徑D、孔隙面積S、孔隙面積比A 作為孔隙形態(tài)特征參數(shù)，選取定向角（R），對干密度為1.5 g/cm3下6 種膨潤土摻量試樣放大500 倍微觀掃描圖像進(jìn)行定量分析。

表4 孔隙分類Table 4 Classification of soil pores based on diameters

圖2 為膨潤土摻量與孔隙面積比和平均孔徑的關(guān)系。由圖2 可知，隨著膨潤土摻量的增加，改良砂土的微觀孔隙形態(tài)特征發(fā)生了變化，平均孔徑從10.8 μm 降到了4.01 μm，孔隙面積比從37.78%降到了29.68%；當(dāng)摻量小于6%時，不同處理平均孔徑與孔隙面積比變幅較大，平均孔徑下降49.26%，孔隙面積下降13.85%，這與上文所述摻量較少時膨潤土顆粒在滲流作用下容易被沖走的結(jié)果一致。膨潤土摻量改變砂土的滲透特性主要是通過改變土體孔隙面積和土體平均孔徑，說明團(tuán)粒內(nèi)孔隙直徑隨著膨潤土含量的增多而逐漸變小，這也驗(yàn)證了2.2 節(jié)中不同處理下砂土微觀孔隙結(jié)構(gòu)的變化現(xiàn)象。圖3 為孔隙面積百分比與膨潤土摻量關(guān)系圖。由圖3 可知，隨著膨潤土摻量的增大，微觀大孔隙面積百分比從31.27%降至13.76%，而中小孔隙面積百分比增加，但微孔隙面積百分比保持在0.2%左右。從微觀角度分析可得，隨著膨潤土摻量增加，膨潤土細(xì)顆粒優(yōu)先填充砂土顆粒中的大孔隙，將其分割成直徑較小的中小微孔隙，導(dǎo)致中小孔隙面積百分比增加。由于微孔隙所占面積整體較小，故在圖3 中微孔隙面積比未有明顯增加。圖4 為大孔隙面積百分比與滲透系數(shù)對數(shù)的關(guān)系圖。由圖可知，大孔隙的面積百分比與改良砂土滲透系數(shù)對數(shù)之間有很好的線性關(guān)系。由以上分析可知，膨潤土添加填充了砂土顆粒間的大中孔隙。隨著膨潤土摻量的增加，砂土中的大孔隙數(shù)量不斷減小，由31.27%降至13.76%；另一方面，膨潤土附著在砂土顆粒表面，導(dǎo)致砂土顆粒表面和邊緣粗糙不清，增大了土體的比表面積，將砂土中的多數(shù)大孔隙轉(zhuǎn)化為比表面積更大的中小孔隙[11]。

圖2 膨潤土摻量與孔隙面積比和平均孔徑關(guān)系Fig.2 Ratio of pore area and pore diameter to bentonite addition

圖3 孔隙面積百分比與膨潤土摻量關(guān)系?Fig.3 Ratio of pore area vs bentonite addition

圖4 大孔隙面積百分比與滲透系數(shù)對數(shù)關(guān)系Fig.4 Ratio of macropore area vs Logarithm of permeability coefficient

2.4 孔隙定向分布特征

孔隙在特定方向上的分布，可以用方向角（R）表示，單元體在 0°～360°內(nèi)鏡像對稱[12]。故可將0°～180°劃分成18 等分，由方向角統(tǒng)計(jì)計(jì)算出0°～180°內(nèi)每個分區(qū)中的孔隙累計(jì)面積，以面積百分比為半徑，畫出孔隙分布玫瑰圖（圖5）。

結(jié)果表明，原狀土與膨潤土摻量為3%改良砂土的孔隙面積分布表現(xiàn)出一定的定向性，主要在80°～100°之間，這可能與干密度有關(guān)。本試驗(yàn)采用落錘法控制干密度，垂向作用力致使孔隙發(fā)生橫向排列，使得孔隙長豎軸之間的夾角趨于垂直，因此孔隙面積分布多集中在90°附近。隨著膨潤土摻量的增加，孔隙面積分布的這種定向性有所緩解，80°～100°內(nèi)孔隙面積所占百分比減小，20°～40°和150°附近的孔隙面積比增加。總體來看，隨著膨潤土摻量的增加，可以很好地改善改性砂土內(nèi)部孔隙面積分布的定向性，從而降低改良砂土的滲透系數(shù)。

圖5 孔隙分布玫瑰圖Fig.5 Rose diagrams of pore distribution

2.5 孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)與滲透系數(shù)的關(guān)系

能產(chǎn)生滲流的孔隙為有效孔隙，由有效孔隙計(jì)算得到的孔隙比為有效孔隙比。楊博等[1]研究滲透系數(shù)與微觀孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系時，將微觀大、中孔隙面積之和與總孔隙面積之比定義為微觀層面的孔隙率nf，從而將傳統(tǒng)的孔隙比修正為微觀層面的有效孔隙比ef。但依據(jù)雷祥義[12]提出的孔隙劃分標(biāo)準(zhǔn)（見表4），其中“微觀大、中孔隙”的直徑均大于8 μm。本文依據(jù)楊博等人的研究思路，將本研究試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合（見表5），得到微觀層面有效孔隙比ef與滲透系數(shù)對數(shù)lgk 的關(guān)系（見圖6）。由圖6 可知，擬合度R2為0.79，表明lgk 與ef間的線性關(guān)系不顯著。其原因可能是楊博等忽略了微小孔隙對滲流的影響作用。這表明，對于改良砂土，微小孔隙對滲流的影響不可忽略。

表5 不同方法的孔隙比Table 5 Void ratio computation by different methods

圖6 滲透系數(shù)對數(shù)與孔隙比的關(guān)系Fig.6 Logarithm of permeability coefficient vs void ratio

黨發(fā)寧等[14]認(rèn)為弱結(jié)合水占據(jù)的孔隙為無效孔隙。崔德山等[15]研究表明，黏土的弱結(jié)合水膜厚度為0.12 μm 左右。而周健等[16]建議，大于2 倍弱結(jié)合水膜厚度的孔隙才為有效孔隙。因此，本研究以直徑大于0.24 μm 的孔隙為微觀有效孔隙。為了對應(yīng)宏觀孔隙參數(shù)，將孔隙理想化為圓形，定義微觀孔隙參數(shù)如下：

微觀平面有效孔隙率η2：

式中：A效為微觀有效孔隙面積；A視域?yàn)橐曈蚩偯娣e。

微觀平面有效孔隙比e2：

式中：η2為微觀平面孔隙率。

Lambe 等[17]研究結(jié)果顯示，宏觀孔隙比與滲透系數(shù)的對數(shù)值之間有很好的線性關(guān)系，類比可得到滲透系數(shù)k 和微觀孔隙比e2之間的關(guān)系式：

式中：α 和β 均為常數(shù)。

基于上述計(jì)算公式與方法，可得干密度為1.5 g/cm3時不同膨潤土摻量改良砂土滲透系數(shù)的對數(shù)與平面孔隙比e2之間的擬合關(guān)系如圖7 所示。與圖6相比，圖7 數(shù)據(jù)規(guī)律性較好，擬合度R2為0.98，表明精確定義后的微觀平面孔隙比與滲透系數(shù)對數(shù)之間有更好的線性關(guān)系。

圖7 滲透系數(shù)對數(shù)與平面孔隙比的關(guān)系Fig.7 Logarithm of permeability coefficient vs void ratio after definition

前文所述對于土體微觀孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究均停留在二維定量分析階段，但通過電鏡掃描所得到的二維SEM 圖像中同樣包含有關(guān)土體結(jié)構(gòu)、顆粒大小、孔隙大小等大量三維信息。王寶軍等[18]利用地理信息系統(tǒng)（GIS）中的數(shù)字高程模型實(shí)現(xiàn)了顆粒表面的三維重建，并假設(shè)每個像素都以各自面積為底面積、各自的灰度值為高，類似于用積分方式計(jì)算顆粒與孔隙體積，從而在 ArcGIS 中利用三維分析模塊的3D-analysis 來計(jì)算其面積和體積。

本文將GIS 系統(tǒng)給出的孔隙體積V孔3和總體體積V總3的比值定義為微觀三維孔隙比e3，即：式中：V孔3為GIS 系統(tǒng)計(jì)算出的孔隙體積；V總3為GIS 系統(tǒng)計(jì)算出的總體體積。

基于上述計(jì)算公式與方法，可得干密度為1.5 g/cm3時不同膨潤土摻量改良砂土滲透系數(shù)對數(shù)與微觀三維孔隙比e3之間的擬合關(guān)系如圖8 所示，擬合度R2為0.96，表明由GIS 處理所得到的微觀三維孔隙比與滲透系數(shù)對數(shù)之間也有較好的線性關(guān)系。

圖8 三維孔隙比與滲透系數(shù)對數(shù)的關(guān)系Fig.8 Logarithm of permeability coefficient vs three dimensional void ratio

3 討 論

通過室內(nèi)試驗(yàn)，分析了在3%、6%、9%、12%和15%膨潤土添加比例條件下對土壤滲透特性變化的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)膨潤土的摻量從6%增加到15%時，改良砂土的滲透系數(shù)從10-5cm/s 降低至10-7cm/s，滲透系數(shù)變化較大，膨潤土摻量對改良砂土滲透系數(shù)有顯著影響，這與前人[20-22]研究結(jié)論一致，即隨著膨潤土摻量的增加，加入膨潤土后混合土的滲透系數(shù)明顯下降。不同處理試驗(yàn)的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征表明，膨潤土添加改變了土體的孔隙尺度分布和結(jié)構(gòu)特征。膨潤土微小顆粒通過填充和吸水膨脹致使砂土大孔隙急劇減少，同時膨潤土微細(xì)顆粒吸水膨脹的“擠壓”和細(xì)顆粒的“阻塞”使砂土孔隙連通性降低。本研究砂土中的大孔隙數(shù)量由 31.27%降至13.76%，同時平均孔徑由10.8 μm 降到了4.01 μm。土體孔隙尺度和孔隙結(jié)構(gòu)特征對土體的滲透性有著顯著的影響。摻入少量膨潤土致使砂土大孔隙明顯減少而土體滲透性大為降低，這與前人[23-24]的試驗(yàn)結(jié)果一致。

微觀結(jié)構(gòu)定量分析表明，隨著膨潤土摻量的增大，改良砂土中的大孔隙面積逐漸減小，中小孔隙占比升高。微觀大孔隙面積百分比從 31.27%降至13.76%，微觀中孔隙面積百分比由 2.69%增加至10.31%，本研究結(jié)果與部分學(xué)者[11,25-26]研究結(jié)論較為一致。本文在前人研究的基礎(chǔ)上重新定義了微觀孔隙參數(shù)，并比較了精確定義前后的微觀平面孔隙比與滲透系數(shù)對數(shù)之間線性關(guān)系的擬合度，結(jié)果表明后者的擬合度更高。因此，后續(xù)研究中可通過分析微觀三維孔隙比與滲透系數(shù)之關(guān)系，更精準(zhǔn)揭示改性材料添加對土壤滲透特性影響的原因。

4 結(jié) 論

1）膨潤土摻量的增加能顯著改變砂土的滲透性。摻入膨潤土后，在摻量小于6%時，改性砂土的滲透系數(shù)從10-5cm/s 降低至10-6cm/s，變化幅度較小。當(dāng)摻量從6%增加到15%時，滲透系數(shù)從10-5cm/s 降低至10-7cm/s，滲透系數(shù)變化較大。

2）加入膨潤土使得砂土孔隙類型由架空孔隙逐漸過渡到鑲嵌孔隙，且能夠較好地改善內(nèi)部孔隙面積分布的定向性，將大孔隙填充分割成較小的中小孔隙。隨著膨潤土摻量的增大，微觀大孔隙面積百分比從31.27%降至13.76%，但微孔隙面積百分比保持在0.2%左右。大孔隙的面積百分比與滲透系數(shù)對數(shù)之間呈線性關(guān)系。膨潤土添加可改善改性砂土內(nèi)部孔隙面積分布的定向性，降低改良砂土的滲透系數(shù)。

3）根據(jù)微觀層面二維平面與三維空間所求得的孔隙比e 與滲透系數(shù)對數(shù)之間存在線性回歸關(guān)系。相比傳統(tǒng)孔隙劃分定義（微觀大、中孔隙的直徑均大于8 μm）而言，精確定義后（直徑大于0.24 μm）的微觀平面孔隙比與滲透系數(shù)對數(shù)之間有更好的線性關(guān)系，微觀三維孔隙比與滲透系數(shù)對數(shù)之間也有較好的線性關(guān)系。改性材料添加對土壤滲透性的后續(xù)研究可從微觀層面深入開展。

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Mixing Soil with Bentonite to Amend Its Microstructure and Permeability

XUE Wanlai1,2, LI Fahu2*, LIU Ye3, LI Binyu4, HUANG Bingbin1
(1. Beijing Water Science and Technology Institute, Beijing 100048, China; 2. College of Water Resources amp; Civil Engineering,China Agricultural University, Beijing 100083, China; 3. Hebei University of Engineering, Handan 056000, China;4. Powerchina Beijing Engineering Corporation Limited, Beijing 100024, China)

【Background and objective】Soil permeability is an important engineering parameter modulated by its microscopic structure. The southern section of Yongding River has been drying out of water for a long time with the riverbed deserted. To improve hydro-ecological properties of the riverbed, this paper studied the feasibility of amending the riverbed soil with bentonite. 【Method】 Sandy soil samples taken from the riverbed were amended with bentonite at ratios ranging from 3% to 15%. Following an incubation, each sample was scanned using the scanning electron microscope (SEM). Penetration test was conducted in a laboratory to measure the permeability,from which we analyzed the relationship between soil permeability and soil microstructure. 【Result】Amending the soil with bentonite at ratio of 6% to 15% reduced the soil permeability from 10-5cm/s to 10-7cm/s. Microstructure analysis of the samples amended with bentonite at different ratios showed that with the increase in bentonite content,the microstructure changed gradually from granular structure to agglomerate structure, resulting in a decrease in permeability. The aerial percentage of macropores was positively correlated with permeability. Increasing bentonite content improved the orientation of the pore area distribution, with the percentage of pore area within 80oto 100odecreasing and the ratio of pore area around 20oto 40oand 150oincreasing. These combined to reduce the soil permeability. Two- and three-dimensional analysis of the microscopic structure revealed that the pore ratio and the logarithm of the permeability were linearly correlated, with R2being 0.98 for 2D and 0.96 for 3D, respectively.【Conclusion】Adding bentonite to the sandy soils taken from the riverbed of Yongding river showed that the addition improved the pore area, changing the average pore diameter as a result. These combined to reduce soil permeability significantly.

pore characteristics; sandy soil; penetration; microstructure; SEM

TU411

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021125

OSID：

薛萬來, 李法虎, 劉曄, 等. 添加膨潤土對土壤滲透性及微觀結(jié)構(gòu)影響的研究[J]. 灌溉排水學(xué)報, 2022, 41(9): 85-92.

XUE Wanlai, LI Fahu, LIU Ye, et al. Mixing Soil with Bentonite to Amend Its Microstructure and Permeability[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(9): 85-92.

1672 - 3317（2022）09 - 0085 - 08

2021-04-06

國家科技重大專項(xiàng)（2018ZX07101005-03）

薛萬來（1989-），男，江蘇淮安人。高級工程師，博士，主要從事水土環(huán)境工程研究。E-mail: xuewanlai@126.com

李法虎（1963-），男，河南新鄉(xiāng)人。教授，博士，主要從事水土工程研究。E-mail: lifahu@cau.edu.cn

責(zé)任編輯：趙宇龍