考慮不同礦物成分影響的黏土滲透性試驗研究

摘" 要：黏土的礦物成分占比對其滲透性有顯著的影響，該文制備不同配合比的高嶺土、伊利土、蒙脫石及綠泥石的重塑黏土土樣，開展一系列室內一維固結試驗，其結果表明，高嶺土與伊利土混合土樣的滲透指數(shù)Ck在2種礦物混合時隨伊利土含量的增加變化幅度較小，滲透系數(shù)隨伊利土含量的增加而增大;高嶺土、伊利土與蒙脫石混合土樣的Ck隨蒙脫石含量的增加而增大，滲透系數(shù)隨蒙脫石含量的增加有減小的趨勢;高嶺土、伊利土與綠泥石混合土樣的滲透指數(shù)Ck隨綠泥石含量的增加而略有增大，滲透系數(shù)隨綠泥石含量的增加而增大;高嶺土、伊利土、蒙脫石及綠泥石四者混合土樣的Ck隨蒙脫石+綠泥石含量的增加而增大，滲透系數(shù)隨蒙脫石+綠泥石含量的增加略有增加，且蒙脫石的作用占主導地位。該研究可應用于預測工程地基中黏土的滲透系數(shù)。

關鍵詞：高嶺土;伊利土;蒙脫石;綠泥石;滲透系數(shù)

中圖分類號：U455.6" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）18-0074-06

Abstract： In order to investigate the influence of minerals on the hydraulic conductivity of clay， the artificial mixtures with different weight proportions of clay minerals （i.e.， Kaolinite， Illite， Montmorillonite and Chlorite） are made. Experimental results of Oedometer tests indicate that， The permeability index Ck of the mixture of Kaolinite and Illite changes little with the increase of Illite content when the two minerals are mixed. The permeability coefficient increases with the increase of Illite content. The Ck of Kaolinite， Illite and montmorillonite mixed soil increases with the increase of montmorillonite content， and the permeability coefficient decreases with the increase of montmorillonite content. The permeability index Ck of Kaolinite， Illite and chlorite mixed soil increases slightly with the increase of chlorite content， and the permeability coefficient increases with the increase of chlorite content. The Ck of Kaolinite， Illite， montmorillonite and chlorite increases with the increase of montmorillonite + chlorite content， and the permeability coefficient increases slightly with the increase of montmorillonite + chlorite content， and the effect of montmorillonite is dominant. This study can be applied to predict the permeability coefficient of clay in engineering foundation.

Keywords： Kaolinite; Illite; montmorillonite; chlorite; permeability coefficient

軟黏土在我國境內分布廣泛，其滲透性對工程的長期穩(wěn)定性有著不可忽略的影響。張先偉等[1]統(tǒng)計了我國黏土的特性受礦物成分的影響。同時，礦物成分對黏土的滲透性質也有著很重要的影響[2-3]。Yin等[4-8]統(tǒng)計法國、芬蘭、幾內亞海灣等不同海外地區(qū)的黏土成分，認為黏土礦物成分占比對其滲透特性有著較大的影響。

Tiwari等[9]和Konrad等[10]分析了不同比例的高嶺土和粉砂混合物的滲透特性，發(fā)現(xiàn)在同一孔隙比下滲透系數(shù)隨高嶺土含量的增加而減小;謝康和等[11]通過對蕭山軟黏土的固結滲透試驗，研究滲透系數(shù)與有效應力的相互關系;Yeo等[12]和Sivapullaiah等[13]指出軟黏土的滲透系數(shù)和膨潤土的含量有關;Benson等[14]分析了13種壓實黏土的滲透特性，總結出了黏土礦物含量、初始飽和度、塑性指數(shù)和滲透系數(shù)之間的回歸關系。Horpibulsuk等[15]對比了Bangkok黏土與標準高嶺土等材料的滲透性。

本文通過配比不同礦物含量的重塑黏土試樣，開展室內一維固結滲透試驗，研究不同的礦物成分對軟黏土滲透性的影響。

1" 固結滲透試驗

1.1" 試驗材料及方法

試驗用的軟黏土由不同配合比的高嶺土（Kaolinite）、伊利土（Illite）、蒙脫石（Montmorillonite）和綠泥石（Chlorite）所制備，其中高嶺土的最小粒徑0.36 μm，最大粒徑12.2 μm，平均粒徑為1.5 μm;伊利土的最小粒徑0.36 μm，最大粒徑103.2 μm，平均粒徑為15.2 μm;蒙脫石的最小粒徑0.36 μm，最大粒徑48.3 μm，平均粒徑10.1 μm;綠泥石的最小粒徑0.36 μm，最大粒徑48.3 μm，平均粒徑5.6 μm。其基本物理力學性質見表1。

根據(jù)SL 237—1999《土工試驗規(guī)程》 [16]，黏土試樣的半徑為3.09 cm，試樣高度為2 cm，試樣飽和后開展一維固結試驗，其加載順序為25-50-100-200-100-25-100-200-400-800 kPa，每級荷載持續(xù)時間為1 d。

圖1為伊利土單一礦物土樣的室內固結滲透試驗結果。滲透系數(shù)的測定是建立在固結實驗（圖1）的基礎之上，故應首先計算固結系數(shù)Cv，Cv根據(jù)Taylor法來計算，由公式（1）來計算得

式中：γw為水的容重;mv為土樣的體積系數(shù)。因此，對應于每一級荷載和相應的孔隙比，可量取土體的滲透系數(shù)，從而建立滲透系數(shù)和孔隙比的關系。對于其他土樣，可應用相同的方法建立此關系。

1.2" 試驗方案

本文根據(jù)高嶺土（K）、伊利土（I）、蒙脫石（M）和綠泥石（C）的不同配比制備了各混合礦物土樣如下四類，①K+I;②K+I+M;③K+I+C;④K+I+M+C，其詳細配比見表2—表5。

K+I+M：其中對于K+I，I又分別占K+I的20%、40%、80%，共15個試驗。

K+I+C：其中對于K+I，I又分別占K+I的20%、40%、80%，共15個試驗。

K+I+M+C：其中K又占K+I的40%;對于M+C，C又分別占M+C的20%、40%、80%，共15個試驗。

2" 試驗結果分析

2.1" 單一礦物的滲透性

圖2為4種單一礦物的滲透系數(shù)隨孔隙比的變化規(guī)律。為此我們定義Δe/Δlog（k）（即圖中直線的斜率）為滲透指數(shù)Ck，Ck的大小表明滲透系數(shù)隨孔隙比變化的快慢。圖中趨勢線的斜率是以e為底的自然對數(shù)ln計算的結果。

從圖2上我們可以看出滲透系數(shù)隨孔隙比的變化而變化，而單一礦物黏土的初始孔隙比隨礦物種類的不同而有所變化，為了能夠正確地評價黏土礦物的滲透系數(shù)的大小，因此我們選擇在孔隙比eref=1時的滲透系數(shù)k為參考滲透系數(shù)kref，用kref的大小來評價礦物黏土滲透性的強弱。kref的值根據(jù)Berry等[17]所提出的公式（3）來計算

式中：k為孔隙比e所對應滲透系數(shù);k0初始孔隙比e0對應的滲透系數(shù);Ck為滲透指數(shù)，其與kref的換算關系見表6。

根據(jù)參考滲透系數(shù)kref的大小我們可以判斷出在同一孔隙比下（eref=1）高嶺土的滲透系數(shù)最小，其次是蒙脫石，最大的為綠泥石。

2.2" 混合礦物土樣的滲透性

2.2.1" 高嶺土+伊利土

高嶺土+伊利土（K+I）混合土樣的滲透系數(shù)變化規(guī)律如圖3所示。圖4為高嶺土+伊利土混合土樣的滲透指數(shù)Ck（圖4-a）和滲透系數(shù)（圖4-b）隨伊利土含量變化曲線。

圖4（a）表明Ck在2種礦物混合時隨伊利土含量的增加變化幅度較小，可能是因為高嶺土和伊利土本身的滲透指數(shù)差別不大，而在混合之后就顯現(xiàn)不出比較明顯的變化。

而圖4（b）表明滲透系數(shù)隨伊利土含量的增加而增大，由于2種單一礦物的粒徑大小有差距，伊利土顆粒的粒徑大，高嶺土顆粒的粒徑小，在混合時高嶺土的顆粒填充了伊利土顆粒之間的空隙，導致了混合后的土樣內部的空隙隨伊利土含量的增加而變大，相應的滲透系數(shù)也將會隨著增大。

2.2.2" 高嶺土+伊利土+蒙脫石

圖5為不同伊利土含量下的高嶺土+伊利土+蒙脫石混合土樣的滲透系數(shù)隨孔隙比含量變化曲線。圖6為滲透指數(shù)Ck（圖6-a）和滲透系數(shù)（圖6-b）隨蒙脫石含量變化曲線。

從圖6（a）可以看出Ck與蒙脫石含量的關系。由于蒙脫石具有膨脹性，蒙脫石吸水會發(fā)生膨脹而導致空隙減小，在滲透指數(shù)方面占主導地位，因而在同一蒙脫石含量下表現(xiàn)出來的都是蒙脫石滲透指數(shù)的性質，滲透指數(shù)不會隨伊利土含量的變化而發(fā)生比較明顯的變化。圖6（b）顯示了重塑黏土樣的滲透系數(shù)會隨蒙脫石含量的增加而減小。

2.2.3 高嶺土+伊利土+綠泥石

圖7為不同伊利土含量下K+I+C混合土樣的滲透系數(shù)隨孔隙比含量變化曲線。

圖8為高嶺土+伊利土+綠泥石混合土樣在不同伊利土含量下的滲透指數(shù)Ck（圖8-a）和滲透系數(shù)（圖8-b）隨綠泥石含量變化曲線。

根據(jù)圖8（a）可知高嶺土、伊利土、綠泥石的滲透指數(shù)相差并不是很大，因而混合之后不會表現(xiàn)出大的變化。圖8（b）的滲透系數(shù)隨綠泥石含量的增加而變大。因為在孔隙比e=1的情況下綠泥石的滲透系數(shù)遠大于高嶺土和伊利土的滲透系數(shù)，相較之下高嶺土和伊利土的滲透系數(shù)基本可以忽略不計，所以混合土樣的滲透系數(shù)會隨著綠泥石含量的增加而快速增大。

2.2.4" 高嶺土+伊利土+蒙脫石+綠泥石

圖9為不同伊利土含量下的高嶺土+伊利土+蒙脫石+綠泥石混合土樣的滲透系數(shù)隨孔隙比含量變化曲線。

圖10為高嶺土+伊利土+蒙脫石+綠泥石混合土樣在不同高嶺土+伊利土含量下的滲透指數(shù)Ck（圖10-a）和滲透系數(shù)（圖10-b）隨蒙脫石+綠泥石含量變化曲線。從圖10（a）可以看出Ck隨蒙脫石+綠泥石含量的增加而增大。從圖10（b）可以看出滲透系數(shù)隨蒙脫石+綠泥石含量的增加并未呈現(xiàn)出很好的規(guī)律。

3" 結論

本文分析了各黏土的基本組成對滲透性的影響，得出以下結論。

1）對于單礦物黏土，蒙脫石的滲透指數(shù)Ck值最大，綠泥石次之，高嶺土的最小;而滲透系數(shù)是高嶺土的最小，其次是蒙脫石，最大的為綠泥石。

2）對于高嶺土和伊利土的混合土樣，滲透系數(shù)隨伊利土含量的增加而增大。

3）對于高嶺土、伊利土和蒙脫石的混合土樣，伊利土的含量變化對滲透系數(shù)的影響較小。

4）對于高嶺土、伊利土和綠泥石的混合土樣，滲透系數(shù)隨綠泥石含量的增加而增大。

5）對于高嶺土、伊利土、蒙脫石和綠泥石的混合土樣，滲透系數(shù)隨蒙脫石+綠泥石含量的增加并未呈現(xiàn)出很好的規(guī)律。

參考文獻：

[1] 張先偉，王常明，李忠生，等.不同地區(qū)結構性黏土基本性質的對比研究[J].工程勘察，2010，38（5）：6-10.

[2] BENSON C H， ZHAI H， WANG X. Estimating hydraulic conductivity of compacted clay liners[J].Journal of Geotechnical Engineering， 1995， 121（9）：3.

[3] MISHRA A K， OHTSUBO M， LI L， et al. Controlling factors of the swelling of various bentonites and their correlations with the hydraulic conductivity of soil-bentonite mixtures[J].Applied Clayence， 2011， 52（1-2）：78-84.

[4] YIN Z Y， CHANG C S， KARSTUNEN M， et al. An anisotropic elastic viscoplastic model for soft soils [J]. International Journal of Solids and Structures， 2010，47（5）：665-677.

[5] YIN Z Y， CHANG C S， HICHER P Y， et al. Micromechanical analysis of kinematic hardening in natural clay [J]. International Journal of Plasticity， 2009，25（8）：1413-1435.

[6] KARSTUNEN M， YIN Z Y. Modelling time-dependent behaviour of Murro test embankment [J]. Géotechnique， 2010，60（10）：735-749.

[7] YIN Z Y， KARSTUNEN M， CHANG C S， et al. Modeling time-dependent behavior of soft sensitive clay [J]. ASCE Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering， 2011，137（11）：1103-1113.

[8] YIN Z Y， HATTAB M， HICHER P Y. Multiscale modeling of a sensitive marine clay[J]. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics， 2011，35（15）：1682-1702.

[9] TIWARI B， AJMERA B. Consolidation and Permeability of Clay Minerals—Expansive to Non-Expansive[C]//Geo-frontiers Congress， 2011：2414-2423.

[10] KONRAD J M， SAMSON M. Hydraulic conductivity of kaolinite-silt mixtures subjected to closed-system freezing and thaw consolidation[J].Canadian geotechnical journal， 2000.

[11] 謝康和，莊迎春，李西斌.蕭山飽和軟粘土的滲透性試驗研究[J].巖土工程學報，2005（5）：591-594.

[12] YEO S S， SHACKELFORD C D， EVANS J C. Consolidation and hydraulic conductivity of nine model soil-bentonite backfills[J]. Journal of geotechnical and geoenvironmental engineering， 2005（10）：131.

[13] SIVAPULLAIAH P， SRIDHARAN A， STALIN V. Hydraulic conductivity of bentonite-sand mixtures[J]. Canadian geotechnical journal， 2000，37（2）：406-413.

[14] BENSON C H， TRAST J M， Hydraulic conductivity of thirteen compacted clays[J]. Clays and clay minerals， 1995，43（6）：669-681.

[15] HORPIBULSUK S， YANGSUKKASEAM N， CHINKULKIJNIWAT A， et al. Hydraulic conductivity and permeability of Bangkok clay compared with kaolinite and bentonite[J]. Applied Clay Science， 2011，52（1-2）：150-159.

[16] 中華人民共和國水利部.土工試驗規(guī)程：SL 237—1999[S].1999.

[17] BERRY P， POSKITT T. The consolidation of peat[J]. Geotechnique， 1972，22（1）：27-52.