微電場(chǎng)效應(yīng)對(duì)土體滲透的影響范文

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《桂林理工大學(xué)學(xué)報(bào)》2016年第四期

摘要:

利用蒸餾水和不同電解質(zhì)離子濃度的孔隙液對(duì)飽和人工土進(jìn)行滲透試驗(yàn)，研究不同礦物成分及離子濃度的極細(xì)顆粒土滲流的微電場(chǎng)效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn):相同固結(jié)壓力時(shí)，孔隙液濃度n越大，固結(jié)排水速度越快，滲流的微電場(chǎng)效應(yīng)越明顯，且孔隙液濃度在中段時(shí)，土樣滲透系數(shù)的增長(zhǎng)速度較快。粘土礦物成分含量的變化也會(huì)導(dǎo)致顆粒表面微電場(chǎng)的改變:高嶺土含量較高時(shí)，顆粒之間存在自由水而出現(xiàn)“滲孔”，孔隙液濃度增大導(dǎo)致滲透性顯著提高;反之，膨潤(rùn)土含量較高時(shí)，孔隙液濃度對(duì)滲透性的影響不明顯。

關(guān)鍵詞:

人工土;微電場(chǎng)效應(yīng);滲透特性;微觀機(jī)理

飽和軟土的滲透性受到礦物成分、孔隙尺度分布、孔隙水的離子成分和濃度等諸多因素影響［1］，而沿海發(fā)達(dá)地區(qū)的海相淤泥中富含強(qiáng)親水性的微小粘粒、有機(jī)質(zhì)、膠體物質(zhì)和濃度極高的低價(jià)電解質(zhì)離子。大量微小的粘粒具有很大的比表面積，可形成表面電位幾百mV的微電場(chǎng)［2］，并通過(guò)顆粒－水－電解質(zhì)系統(tǒng)的作用形成粘滯性的結(jié)合水膜而改變土體的滲透性質(zhì)，同時(shí)結(jié)合水膜厚度變化將改變土顆粒之間的潤(rùn)滑性質(zhì)，從而改變土體的抗剪強(qiáng)度［3］。巖土工程界將由于顆粒表面微電場(chǎng)改變而引起粘土宏觀強(qiáng)度特性和滲透特性改變的現(xiàn)象稱為“微電場(chǎng)效應(yīng)”。相關(guān)工程實(shí)踐表明［4－6］，現(xiàn)有滲流固結(jié)理論在計(jì)算低滲透性飽和軟土?xí)r得到的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)結(jié)果存在嚴(yán)重偏差，因此，可以認(rèn)為極細(xì)顆粒粘土滲流的“微電場(chǎng)效應(yīng)”是導(dǎo)致淤泥土地基加固效果出現(xiàn)異常的重要因素［6－7］。由于人工土成分明確且比表面積和表面電荷密度等微觀參數(shù)易于確定，適于研究微電場(chǎng)變化對(duì)土體滲透特性的影響。本文采用蒸餾水和不同電解質(zhì)離子濃度的孔隙液對(duì)人工土進(jìn)行滲透試驗(yàn)，研究不同礦物成分及離子濃度下的極細(xì)顆粒土滲流的微電場(chǎng)效應(yīng)。

1軟土滲流的微電場(chǎng)效應(yīng)試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)本試驗(yàn)用土為按一定比例制備的高嶺土與膨潤(rùn)土的混合土，采用擊樣法制樣，控制試樣直徑61.8mm、高20mm、孔隙比1.64左右，試驗(yàn)前經(jīng)抽氣飽和處理，試樣主要物理性質(zhì)參數(shù)如表1所示。同時(shí)，為分析微電場(chǎng)效應(yīng)對(duì)試樣滲流特性的影響，采用乙二醇乙醚吸附法(即EGME法)［8］和乙酸銨交換法［9－10］測(cè)試試樣的總比表面積和陽(yáng)離子交換量(CEC)，而后換算顆粒表面電荷進(jìn)而求出顆粒表面電荷密度，具體測(cè)試方法詳見(jiàn)文獻(xiàn)［7］。利用滲流固結(jié)法測(cè)試各級(jí)孔隙液濃度下人工土的滲透特性，控制固結(jié)壓力為200kPa，孔隙液溶質(zhì)為分析純級(jí)氯化鈉顆粒，試驗(yàn)取各級(jí)孔隙液下兩個(gè)相同試樣滲透系數(shù)的均值作為該成分試樣的滲透系數(shù)。

1.2試驗(yàn)結(jié)果及分析人工土試樣的總比表面積和陽(yáng)離子交換量測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。圖1為各濃度孔隙液下，人工土試樣滲流固結(jié)試驗(yàn)(σ=200kPa)得到的壓縮量與時(shí)間關(guān)系曲線(即槡d－t曲線)，用時(shí)間平方根法求出相應(yīng)的固結(jié)系數(shù)進(jìn)而求出滲透系數(shù)及均值。其中，將濃度n=0mol/L(即蒸餾水)試樣的平均滲透系數(shù)記作kz，其余濃度試樣的平均滲透系數(shù)按其濃度從小到大的順序依次記為kv1、kv2、kv3和kv4，如表3所示。圖2即為各人工試樣kv/kz值隨孔隙液濃度n變化的關(guān)系曲線。由人工土的滲流固結(jié)試驗(yàn)表明，極細(xì)顆粒粘土的滲流特性受孔隙液濃度的影響較顯著，表現(xiàn)為:(1)在相同固結(jié)壓力下(σ=200kPa，圖1)，人工土的固結(jié)變形時(shí)程曲線形態(tài)與孔隙液濃度n密切相關(guān)，即n越大曲線越陡，壓縮穩(wěn)定所需時(shí)間越短，固結(jié)排水速度越快;反之，曲線越緩則固結(jié)排水速度越慢。(2)由表2、圖2可知，各土樣的滲透系數(shù)均隨n增大而增大，且曲線呈現(xiàn)兩端平緩中間陡峭態(tài)勢(shì)，表明n越大則滲流的微電場(chǎng)效應(yīng)越明顯，且孔隙液濃度在中間段(如n=0.1～1mol/L)時(shí)，土樣滲透系數(shù)的增速較快。kv/kz值的增幅隨著膨潤(rùn)土相對(duì)含量的增加而減小，在n=8.3×10－1mol/L下，各土樣的kv/kz值分別為5.2(100%膨潤(rùn)土)、13.3(66.7%膨潤(rùn)土)、21.9(50%膨潤(rùn)土)和55.9(33.3%膨潤(rùn)土)。

2微電場(chǎng)效應(yīng)的微觀機(jī)理分析

2.1微孔滲流的影響分析由圖3所示的Gouy-Chapman粘土顆粒擴(kuò)散雙電層離子分布模型可知，土顆粒表面所帶負(fù)電荷形成的微電場(chǎng)吸附孔隙溶液中的陽(yáng)離子在固液界面處匯集，形成定向排列的強(qiáng)結(jié)合水層(離子吸附層)和弱結(jié)合水層(擴(kuò)散層)，可以根據(jù)顆粒表面電荷密度σ、孔隙液濃度n等實(shí)測(cè)參數(shù)與一系列常數(shù)如Faraday常數(shù)、水介電常數(shù)、Boltzmann常數(shù)、電子電荷、絕對(duì)溫度、離子化合價(jià)等換算出某級(jí)孔隙液濃度下對(duì)應(yīng)的顆粒表面電位ψ0［11］，換算結(jié)果見(jiàn)表4。可知，隨孔隙液離子濃度的增加顆粒表面電位減小，微電場(chǎng)減弱致使結(jié)合水膜厚度變薄，粒間孔隙的等效直徑變大，孔隙中自由水的流動(dòng)阻力減小從而導(dǎo)致滲透系數(shù)增大。由于結(jié)合水膜厚度改變只對(duì)微小孔隙的等效滲流直徑的變化影響較大，對(duì)大孔隙土體幾乎無(wú)影響，因此稱為微孔隙滲流的微電場(chǎng)效應(yīng)。

2.2礦物成分的影響分析對(duì)表4中不同礦物成分人工土樣的表面電位ψ0比較后可以發(fā)現(xiàn):粘土礦物成分含量的變化也會(huì)導(dǎo)致顆粒表面微電場(chǎng)的改變，從而影響其宏觀滲流特性。在不同孔隙液濃度時(shí)，粘土礦物成分對(duì)微電場(chǎng)效應(yīng)的影響程度不同，從而對(duì)滲透特性的影響也不同。現(xiàn)將各濃度下混合土樣的kv/kz值列于表5(土樣的kv與kz具體值見(jiàn)表3)。可見(jiàn)，隨著孔隙液濃度的提高，各土樣的滲透系數(shù)比值增長(zhǎng)。其中，膨潤(rùn)土含量較高時(shí)，土樣的kv/kz值相對(duì)較小，反之，高嶺土含量較高時(shí)，kv/kz值較大，kv/kz值越大則說(shuō)明微電場(chǎng)效應(yīng)越明顯。可以從兩種粘土礦物表面吸附的結(jié)合水含量角度進(jìn)行分析，由于膨潤(rùn)土具有內(nèi)、外比表面，其理論總比表面積接近800m2/g(內(nèi)比表面積占80%以上)，而高嶺土的總比表面積為10～20m2/g［2］，可以認(rèn)為比表面積越大其表面帶電現(xiàn)象越明顯，吸附的結(jié)合水膜越厚。當(dāng)孔隙液濃度改變時(shí)，粘土顆粒表面吸附結(jié)合水膜的能力也相應(yīng)發(fā)生改變。當(dāng)土樣中高嶺土含量較高時(shí)，土樣整體孔隙較大，比表面積較小，吸附的結(jié)合水膜厚度較小，顆粒間存在自由水而出現(xiàn)“滲孔”，孔隙液濃度增大使得“滲孔”擴(kuò)大從而導(dǎo)致土樣的滲透性顯著提高;反之，當(dāng)土樣的膨潤(rùn)土含量較高時(shí)，土樣整體孔隙較小，具有更大的比表面積，可以吸附較厚的結(jié)合水膜而相互重疊，自由水含量較少，當(dāng)孔隙液濃度增大也不致出現(xiàn)自由水“滲孔”，因而濃度變化對(duì)滲透性的影響不明顯。

3結(jié)論

通過(guò)極細(xì)顆粒人工土滲流的微電場(chǎng)效應(yīng)分析，得到如下主要結(jié)論:(1)相同固結(jié)壓力下，孔隙液濃度n越大，人工土的固結(jié)變形曲線越陡，固結(jié)排水速度越快，反之越慢。極細(xì)顆粒土樣的滲透性隨n增大，且濃度在中段(n=0.1～1mol/L)時(shí)，土樣滲透性的增速較快。當(dāng)孔隙液濃度增加到一定程度后，微電場(chǎng)效應(yīng)對(duì)土體滲流的影響減弱。(2)粘土礦物成分的變化也會(huì)導(dǎo)致顆粒表面微電場(chǎng)的改變:高嶺土含量較高時(shí)，顆粒之間存在自由水而出現(xiàn)“滲孔”，孔隙液濃度增大導(dǎo)致滲透性顯著提高;膨潤(rùn)土含量較高時(shí)，顆粒吸附較厚的結(jié)合水膜而相互重疊，不會(huì)出現(xiàn)自由水“滲孔”，孔隙液濃度變化對(duì)滲透性的影響不明顯。(3)孔隙液濃度增減引起極細(xì)顆粒人工土顆粒表面微電場(chǎng)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致滲流孔隙的等效直徑發(fā)生變化，宏觀表現(xiàn)為滲透系數(shù)或固結(jié)排水速度的增減。

作者：周暉 房營(yíng)光 梁健偉 谷任國(guó) 單位：華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院 中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán) 廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司