非飽和壓實膨脹土滲透特性的試驗研究

1、第32卷第7期 巖 土 力 學 V ol.32 No. 7 2011年7月 Rock and Soil Mechanics Jul. 2011收稿日期:2010-05-17基金項目:國家自然科學基金項目(No. 50878051,No. 40374047;江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃資助項目。 第一作者簡介:崔穎,男,1981年生,博士研究生,主要從事非飽和土結構特性方面的研究。E-mail: ying_cui文章編號:1000-7598 (2011 07-2007-06非飽和壓實膨脹土滲透特性的試驗研究崔 穎,繆林昌(東南大學 巖土工程研究所,南京 210096摘 要:壓實膨脹黏土常用于

2、防止填埋場中固體廢物產(chǎn)生二次污染,或作為核廢料處置庫通道隔絕層,這主要取決于壓實膨脹黏土襯墊層或隔離層的防滲特性,而這種壓實膨脹黏土層通常又呈現(xiàn)出非飽和特性。基于GDS 非飽和土三軸試驗系統(tǒng),開發(fā)拓展其試驗功能,研究直接測量壓實膨脹黏土的水滲透系數(shù)的試驗方法,同時結合電鏡掃描試驗,從微觀角度定量分析壓實膨脹黏土滲透過程中產(chǎn)生的微觀、宏觀變化特征。結果表明,壓實膨脹黏土在滲透過程中產(chǎn)生的體積變形主要是由于土孔隙中氣體被壓縮、孔隙微結構發(fā)生變化的結果;壓實膨脹黏土水滲透系數(shù)受吸力、圍壓、干密度、飽和度等因素控制。 關 鍵 詞:壓實膨脹黏土;非飽和土;滲透特性;微結構 中圖分類號:TU 411 文獻

3、標識碼:ATesting study of permeability characteristics of unsaturatedcompacted expansive soilsCUI Ying ,MIAO Lin-chang(Institute of Geotechnical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China Abstract: Compacted expansive clay is widely used as impermeable material of liner in the garbage land

4、fill and prevention fill of nuclear waste material treatment. The permeability characteristics of expansive clay will effect on anti-seepage effect of liner cushion clay. Due to the difficulty of measuring permeability coefficient directly, the parameter is also evaluated by indirect method which is

5、 hard to truly explain permeability characteristics of unsaturated soil and phenomenon of migration of water. This paper discusses measuring permeability coefficient directly by GDS system and quantitatively analyses the influence of structure by permeability test and the SEM test which show the mic

6、ro and macro-structure characteristics in the permeability process. The results show that the volume deformation of unsaturated expansive soil in permeation process is due to pore air is compressed and changes in pore structure. The pore water permeability coefficient of unsaturated expansive soil i

7、s controlled by suction, cell pressure, dry density and degree of saturation of soil samples.Key words: compacted expansive soil; unsaturated soil; permeability characteristics; microstructure1 引 言隨著城市化快速發(fā)展,生活垃圾的處理與處置已成為環(huán)衛(wèi)部門及市政管理工程中的一項重要的民生工程,現(xiàn)行推廣的衛(wèi)生填埋場設計中采用填埋場襯墊層設計,其目的是防止出現(xiàn)二次污染。另一方面,新型能源核電的開發(fā)利用所面臨的

8、核廢料處置也成為一項新的環(huán)境保護重大課題,國際流行處理方法是對核廢料處置庫采用通道隔離層設計以杜絕核廢料泄露。這兩類工程中的隔離層填料均采用壓實膨脹黏土,因此,壓實膨脹黏土層的滲透特性尤為關鍵。通常情況下壓實膨脹黏土層具有非飽和特性,其滲透特性有別于一般的飽和黏土。對于作為隔離襯墊材料的壓實膨脹土滲透性能的研究,對確保相關工程的設計、施工和安全運營十分重要。眾所周知,土體內(nèi)部水分遷移滲透是一個非常復雜的物理過程,影響因素有很多,尤其是非飽和土滲透,它既有水滲透又有氣滲透問題,滲透過程中涉及到土樣結構的變化和體積變形,因此,直接測量必須同時控制氣壓和水頭差,難度較大。國內(nèi)外不少學者一直致力于這方

9、面的研究。Hillel 1認為,非飽和土的滲透系數(shù)最好能直接測量得出,但巖 土 力 學 2011年由于滲透系數(shù)直接測量存在很多困難,試驗設備和試驗方法都需要革新,通常都采用間接法2-6推求。 此外,在試驗測定非飽和土滲透系數(shù)工作方面,Huang 7、李永樂等8均進行了有益的嘗試。但由于試驗設備不完善,如何在壓實膨脹黏土滲透測量中控制水滲透和氣滲透均沒有統(tǒng)一標準,因此,如何描述壓實膨脹黏土滲透過程中產(chǎn)生的結構變化都有待深入研究。本文基于這一點,針對壓實膨脹土在不同應力狀態(tài)以及滲透力作用下的水滲透特性展開相關研究,研究基于GDS 非飽和土三軸試驗系統(tǒng)進行開發(fā)拓展其試驗功能,并進行壓實膨脹黏土水滲透

10、系數(shù)的直接測量,同時結合電鏡掃描技術進行壓實膨脹黏土水滲透特性的定量分析。2 滲透系數(shù)的測量考慮到壓實膨脹黏土的非飽和特點、孔隙中水相與氣相分布形態(tài)和工作的應力狀態(tài)9,開展壓實膨脹黏土滲透試驗研究。由于非飽和土的特殊性,簡單沿用飽和土通水方法測量非飽和土的水滲透系數(shù),將改變土的結構與飽和度,從而使?jié)B透性發(fā)生變化和差異。已有的研究成果表明,非飽和壓實膨脹黏土的水滲透系數(shù)與飽和度、密度、吸力、圍壓等物理力學狀態(tài)參數(shù)有關3,因此,試驗過程中需要控制土體中的孔隙水壓力w u 和孔隙氣壓力a u ,建立單獨水氣循環(huán),才能準確測量壓實膨脹黏土的水滲透系數(shù)。目前,測量非飽和土水滲透系數(shù)的方法主要有穩(wěn)態(tài)試驗法

11、和非穩(wěn)態(tài)試驗法10,均基于Dacy 定律。由于非飽和土孔隙中同時含有孔隙氣和孔隙水,氣水交界面存在張力作用,張力的大小不僅與土樣中的基質(zhì)吸力有關,還受制于孔隙孔徑大小,使得非飽和土中的滲流變得復雜,因此,水滲透系數(shù)不是一個常數(shù),局部氣水分布狀態(tài)的改變對非飽和土的滲透性產(chǎn)生較大的影響。準確測定壓實膨脹黏土的水滲透系數(shù),須保持土樣中吸力穩(wěn)定,避免滲流改變土樣中的吸力大小,同時又要維持一定的水頭差?；谝陨咸攸c,在GDS 非飽和土三軸試驗系統(tǒng)中增設水力梯度控制裝置,如圖1所示,以便于進行非飽和土水滲透系數(shù)的直接測量。試驗首先進行吸力平衡,使土樣達到控制狀態(tài)下的氣水平衡,再施加一定的水力梯度,使水從非

12、飽和土樣頂部滲流向土樣底部,模擬穩(wěn)態(tài)測試。在試驗過程中,觀測試樣體積變化和排水量。試驗結果利用Klute 10的穩(wěn)態(tài)法進行非飽和土水滲透系數(shù)的計算分析。Klute 法的水滲透系數(shù)表達式為t w w3w 4d Q k At h h =(1式中:t d 為張力計設置的距離;Q 為滲透流量;A 為滲透斷面面積;t 為滲透時間;w3h 、w 4h 為相對應的水頭。圖1 GDS 滲透試驗裝置示意圖Fig.1 Sketch of layout of permeability test system GDS3 試驗方法3.1 試樣制備壓實膨脹黏土滲透試驗的土樣選用廣西膨脹土(是弱膨脹土,土的基本物理參數(shù)見表

13、1。制備過程中控制預設干密度,初始含水率(飽和度,試樣分5層擊實,直徑為3.91 cm ,高度為8 cm 。表1 廣西膨脹土的基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of Guangxi expansive soils顏色土粒相對密度塑限 /%液限 /%塑性 指數(shù)自由膨 脹率 /%黏粒 (<0.005 mm含量/%棕黃色2.7030.3 61.4 31.1 3545 45.93.2 試驗精度控制為保證試驗的有效性,必須滿足以下條件: 除圍壓外,試樣頂部氣壓、水壓以及底部水壓要能夠?qū)崿F(xiàn)分別控制,以滿足控制吸力狀態(tài)的氣水平衡,形成穩(wěn)定滲流狀態(tài)的要求;傳感器要對體變、排水進行

14、精確測量,精度要達到1 mm 3;氣壓、孔隙水壓力和圍壓的精度誤差小于1 kPa ;滲流的水力梯度要控制。 3.3 試驗方法非飽和土滲透試驗過程包括3個階段:固結階段、吸力平衡階段和滲透階段。試樣在設定圍壓下進行固結,待固結穩(wěn)定后,根據(jù)軸平移原理,分別控制試樣頂部氣壓與底部水壓,氣壓與水壓之差即為所需的吸力值,在預設圍壓下維持土樣內(nèi)部吸力2008第7期 崔 穎等:非飽和壓實膨脹土滲透特性的試驗研究平衡,再進行滲透試驗。試驗采用水頭差控制,即施加于試樣上、下面水壓力差值為壓力水頭值(其大小由試驗具體情況而定,當試樣進水量與出水量相等(即達到穩(wěn)態(tài)流動時,通過試樣流出的水即為滲流量?？紤]到試樣頂部與

15、底部均設有給定的水壓力,取在試樣頂部以及底部的基質(zhì)吸力的平均值為土樣內(nèi)部的吸力。整個試驗過程中保持凈圍壓、吸力和水頭差不變,同時觀測試樣的體積變形、滲透的水量,從而測得壓實膨脹黏土在所設定圍壓和吸力下的水滲透系數(shù)。4 試驗結果分析4.1 滲透水頭差對滲流的影響圖2為給定吸力和凈圍壓的條件下試樣在不同的水頭差下得到的滲透速度與水頭差的關系曲線。圖2 滲透速度與滲透水頭差關系曲線 (吸力s =50 kPa ,初始飽和度S r =50% Fig.2 Permeability velocity versus head difference (suction s =50 kPa, initital de

16、gree of saturation S r =50%試驗表明:在給定吸力及凈圍壓的條件下,試樣的滲透流量(滲透速度與作用在非飽和土上的水頭差(為施加于試樣頂部以及底部水壓力差值呈正比,兩者呈線性關系,而水滲透系數(shù)是常數(shù),這與飽和土的滲透規(guī)律一致,這也驗證和說明Dacy 定律同樣適用于非飽和土。4.2 不同應力狀態(tài)下滲透引起的體積變形圖3給出了不同應力狀態(tài)下壓實膨脹黏土試樣在滲透過程中的體積應變?？梢钥闯?隨凈圍壓增大,試樣的體積應變逐漸增大,宏觀表現(xiàn)為試樣的體積收縮,這種體積變化是由于試樣在不同應力狀態(tài)下所引起的變形,不同于一般情況下飽和粉細砂的滲透下的變形,它主要是土樣孔隙中的氣體被壓縮,

17、孔隙微結構發(fā)生變化的結果。關于非飽和土的滲透過程中孔隙結構的變化,將在4.4節(jié)中進行討論。(a 吸力為25 kPa(b 吸力為50 kPa(c 吸力為80 kPa(d 吸力為120 kPa圖3 壓實膨脹土滲透體變曲線( d =1.48 g/cm 3,初始飽和度S r =50%Fig.3 Permeability volume change curves of compactedexpansive soils ( d =1.48 g/cm 3, inititaldegree of saturation S r =50%0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0020406

18、0 80 100 120滲透時間/h體積應變/% 3 -u a =100 kPa 3 -u a =200 kPa 3 -u a =300 kPa0.00.20.40.60.81.01.2020406080100體積應變/%滲透時間/h 3 -u a =100 kPa 3 -u a =200 kPa 3 -u a =300 kPa00.20.40.60.81.01.21.4050100 150 200體積應變/%滲透時間/h 3 -u a =100 kPa 3 -u a =200 kPa 3 -u a =300 kPa0.00.20.40.60.81.01.21.41.6050100150體積應

19、變/%滲透時間/h 3 -u a =100 kPa 3 -u a =200 kPa 3 -u a =300 kPa0 2 4 6 8 101214020406080100水頭差/kPa滲透速度/(10-11 m /s 凈圍壓100 kPa 凈圍壓200 kPa 凈圍壓300 kPa2009巖 土 力 學 2011年4.3 不同凈圍壓下的滲透系數(shù) 圖4揭示了滲透系數(shù)與不同凈圍壓、吸力之間的關系。試驗表明,非飽和壓實膨脹土的水滲透系數(shù)隨凈圍壓的增加而增大,隨吸力的增加而減小,這是因為孔隙水是不可壓縮的,而孔隙氣明顯壓縮,隨著圍壓增大,孔隙中的氣體被壓縮,孔隙中氣體體積隨圍壓增大而減小,孔隙水所占體

20、積比增大,土樣的飽和度增大,因此,孔隙水的滲透系數(shù)提高;當吸力增加時,部分孔隙水在吸力平衡階段因吸力增大而從孔隙中被擠出和排出,孔隙中氣體所占的體積增大,氣體的流通性更好,土樣的飽和度就減小,這樣水滲透系數(shù)就相應減小(相對的孔隙氣滲透系數(shù)隨飽和度降低而增加,這一結論與文獻11是一致的。根據(jù)試驗結果對同一凈圍壓下水滲透系數(shù)與吸力呈線性關系進行擬合得到線性表達式為w s k au b =+ (2 式中:w k 為非飽和壓實膨脹土的水滲透系數(shù);a 、 b 均為與凈圍壓有關的參數(shù),它們與凈圍壓也呈線性關系,具有3a 0.000 4(0.061a u =,b = 0.0283(a 7.44u +。這表明

21、,非飽和壓實膨脹黏土的水滲透系數(shù)隨應力狀態(tài)和飽和度的變化而變化的,因此,在設計填埋場的襯墊層時需要考慮壓實膨脹黏土層的密度、初始含水率、上覆荷載、厚度等,預計填埋場中滲濾液滲漏通過襯墊層的擊穿時間,以便采取相應的對策,保護填埋場不發(fā)生二次污染。 圖4 不同吸力下水滲透系數(shù)與凈圍壓的關系圖 (d =1.48 g/cm 3,初始飽和度S r =50%Fig.4 Relationships of permeability coefficient versus net confining pressure (d = 1.48 g/cm 3, initital degree ofsaturation S

22、 r =50%4.4 電鏡掃描結果為了準確地描述和分析非飽和壓實膨脹黏土的滲透特征現(xiàn)象,對滲透試驗的試樣進行電鏡掃描分析,圖5為部分試樣的電鏡掃描照片,其放大倍數(shù)為5 000。(a 初始土樣(b 凈圍壓為100 kPa ,吸力為50 kPa(c 凈圍壓為200 kPa ,吸力為50 kPa(d 凈圍壓為300 kPa ,吸力為50 kPa圖5 壓實膨脹土的電鏡掃描照片(d =1.48 g/cm 3,初始飽和度S r =50%, 放大5 000倍Fig.5 Microscope pictures of compacted expansive soils( d =1.48 g/cm 3, init

23、ital degree of saturationS r = 50%, magnification is 5 000為定量分析非飽和土樣內(nèi)部結構的變化,筆者利用Matlab 軟件對電鏡掃描照片進行圖像處理分析,圖6為電鏡掃描圖像經(jīng)二值化處理后的結果。二值化數(shù)值定義孔隙為0,土顆粒數(shù)值為1,統(tǒng)計出:數(shù)值為0,代表孔隙的所有像素面積0S ;數(shù)值為1,代表土顆粒的所有像素面積1S 。因此,可得到土樣平面狀態(tài)下的孔隙比為01/S S ,為減少計算統(tǒng)計誤0 30 60901201503691215滲透系數(shù)/(10-9 c m /s 吸力/kPa2010第7期崔穎等:非飽和壓實膨脹土滲透特性的試驗研究差,

24、本文對每個試樣各取3組電鏡掃描照片進行統(tǒng)計分析取其計算平均值。王寶軍等12曾進行計算比較分析,證明土樣平面孔隙比與三維立體孔隙比較接近,可被工程應用接納。通過滲透試驗所得到的試樣排水體變等數(shù)據(jù)可以反算出土樣的孔隙比,基于以上分析,將試驗中非飽和土樣的平面狀態(tài)孔隙比以及滲透試驗數(shù)據(jù)反算的孔隙比數(shù)值統(tǒng)計列于表2。 (a 初始土樣 (b 凈圍壓為100 kPa,吸力為50 kPa (c 凈圍壓為200 kPa,吸力為50 kPa (d 凈圍壓為300 kPa,吸力為50 kPa圖6 二值化處理后的電鏡掃描照片(d =1.48 g/cm3,初始飽和度S r =50%,放大5 000倍Fig.6 Pic

25、tures of binary image ( d =1.48 g/cm3, initital degree of saturation S r =50%, magnification is 5 000表2 孔隙比圖像處理值與滲透試驗計算值對比表(d =1.48 g/cm3,初始飽和度S r =50%,放大5 000倍 Table 2 Void rate from SEM versus during permeability test ( d =1.48 g/cm3, initital degree of saturation S r =50%,magnification is 5 000滲透

26、樣孔隙比(吸力s =50 kPa 初始孔隙比凈圍壓100 kPa凈圍壓200 kPa 凈圍壓300 kPa SEM計算值試驗計算值SEM計算值試驗計算值SEM計算值試驗計算值SEM計算值試驗計算值0.8190.8240.8010.8100.732 0.787 0.7010.758電鏡掃描及相應的二值化數(shù)字計算分析表明:壓實膨脹黏土試樣滲透前其內(nèi)部宏觀孔隙較大,呈不均勻性,部分氣泡阻塞滲透通道;經(jīng)歷不同應力狀態(tài)下的滲透試驗后,試樣隨著凈圍壓的增大,其宏觀孔隙逐漸變小,有趨于均勻的趨勢,結構上顯得更加“密實”。這種“密實”主要由于滲透過程中自由水滲流經(jīng)過試樣孔隙時,膨脹土團粒吸水使得土的雙電離層的

27、厚度增加,將部分自由水轉化為吸附水,從而使宏觀孔隙逐漸變小的結果。從表2所列孔隙比數(shù)值對比可以看出:SEM照片處理計算的孔隙比與滲透試驗反算的結果基本相當,誤差小于7%,反映的變化趨勢一致。這說明,非飽和土滲透過程不僅引起宏觀的體積變形,其土樣內(nèi)部微觀結構也發(fā)生了變化。4.5 干密度和飽和度對非飽和土滲透的影響圖7為不同干密度試樣在不同初始飽和度下測得的水滲透系數(shù)的結果。試驗結果表明:非飽和壓實膨脹土試樣在初始飽和度一致的情況下水滲透系數(shù)隨著試樣的干密度增加而減小,在試樣干密度相同的情況下水滲透系數(shù)隨著飽和度的增加而增大。這主要是因為在飽和度相同時,干密度小的土樣由于孔隙中的氣體較多,所對應的

28、基質(zhì)吸力較大,水滲透系數(shù)就小;干密度相同時,隨土樣的飽和增加,相應的吸力減小,水滲透系數(shù)增大。根據(jù)試驗結果分析得到非飽和壓實膨脹土的水滲透系數(shù)與其密度、飽和度的關系為d r(0.139 30.328 413w d(23.79942.854e10Sk+=+×,R2 =0.93 (3式中:wk為非飽和壓實膨脹土的水滲透系數(shù);d為非飽和壓實膨脹土的干密度;rS為非飽和壓實膨脹土的飽和度;R2為相關系數(shù)。20112012 - 巖 土 力 學 2011 年 10 6 10 7 滲透系數(shù) kw /(cm/s - unsaturated soilsJ. Journal of Geotechnica

29、l and Geoenvironmental Engineering 1997, 123(12: 1118 1126. 4 HUANG S Y, BARBOUR S L, FREDLUND D G. Development and verification of a coefficient of permeability function for a deformable unsaturated soilJ. Sr = 50% Sr =60% Sr =70% Sr =80% Sr =90% Sr =100% 1.2 1.3 1.4 干密度 d /(g/cm3 1.5 1.6 10 8 - -

30、10 9 - Canadian Geotechnical Journal, 1998, 35(3: 411425. 5 徐永福, 葉翠明, 趙書權, 等. 壓應力對非飽和土滲透 系數(shù)的影響J. 上海交通大學學報, 2004, 38(6: 982 986. XU Yong-fu, YE Cui-ming, ZHAO Shu-quan, et al. Effect of compressive stress on hydraulic conductivity of unsaturated soilsJ. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2004,

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32、eformable unsaturated soil using a triaxial permeameterJ. Canadian Geotechnical Journal, 1998, 35(3: 426432. 8 李永樂, 劉翠然, 劉海寧, 等. 非飽和土的滲透特性試 驗研究J. 巖石力學和工程學報, 2004, 23(22: 3862 3865. LI Yong-le, LIU Cui-ran, LIU Hai-ning, et al. Testing study on permeability characteristics of unsaturated soilJ. Chine

33、se Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2004, 23(22: 38623865. 9 俞培基, 陳愈炯. 非飽和土的水、氣形態(tài)及其力學性質(zhì) 的關系J. 水利學報, 1965, 2(1: 1624. YU Pei-ji, CHEN Yu-jiong. The pore air-water configurations and their effects on the mechanical properties of partially saturated soilsJ. Journal of Hydraulic Engineering, 1965, 2(1: 1624. 10 KLUTE A. Laboratory measurement of hydraulic conductivity of unsaturated soilsC/Methods of Soil Analysis. Madison: American Society of Agronomy, 1965: 253261. 11 殷宗澤. 土工原理M. 北京: 中國水利水電出版社, 2007. 12 王寶軍, 施斌, 蔡奕, 等. 基于 GIS 的黏性土 SEM