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《桂林理工大學學報》2016年第四期

摘要:

利用蒸餾水和不同電解質離子濃度的孔隙液對飽和人工土進行滲透試驗，研究不同礦物成分及離子濃度的極細顆粒土滲流的微電場效應。研究發現:相同固結壓力時，孔隙液濃度n越大，固結排水速度越快，滲流的微電場效應越明顯，且孔隙液濃度在中段時，土樣滲透系數的增長速度較快。粘土礦物成分含量的變化也會導致顆粒表面微電場的改變:高嶺土含量較高時，顆粒之間存在自由水而出現“滲孔”，孔隙液濃度增大導致滲透性顯著提高;反之，膨潤土含量較高時，孔隙液濃度對滲透性的影響不明顯。

關鍵詞:

人工土;微電場效應;滲透特性;微觀機理

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］，而沿海發達地區的海相淤泥中富含強親水性的微小粘粒、有機質、膠體物質和濃度極高的低價電解質離子。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［2］，并通過顆粒－水－電解質系統的作用形成粘滯性的結合水膜而改變土體的滲透性質，同時結合水膜厚度變化將改變土顆粒之間的潤滑性質，從而改變土體的抗剪強度［3］。巖土工程界將由于顆粒表面微電場改變而引起粘土宏觀強度特性和滲透特性改變的現象稱為“微電場效應”。相關工程實踐表明［4－6］，現有滲流固結理論在計算低滲透性飽和軟土時得到的預測值與實測結果存在嚴重偏差，因此，可以認為極細顆粒粘土滲流的“微電場效應”是導致淤泥土地基加固效果出現異常的重要因素［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易于確定，適于研究微電場變化對土體滲透特性的影響。本文采用蒸餾水和不同電解質離子濃度的孔隙液對人工土進行滲透試驗，研究不同礦物成分及離子濃度下的極細顆粒土滲流的微電場效應。

1軟土滲流的微電場效應試驗

1.1試驗設計本試驗用土為按一定比例制備的高嶺土與膨潤土的混合土，采用擊樣法制樣，控制試樣直徑61.8mm、高20mm、孔隙比1.64左右，試驗前經抽氣飽和處理，試樣主要物理性質參數如表1所示。同時，為分析微電場效應對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］測試試樣的總比表面積和陽離子交換量(CEC)，而后換算顆粒表面電荷進而求出顆粒表面電荷密度，具體測試方法詳見文獻［7］。利用滲流固結法測試各級孔隙液濃度下人工土的滲透特性，控制固結壓力為200kPa，孔隙液溶質為分析純級氯化鈉顆粒，試驗取各級孔隙液下兩個相同試樣滲透系數的均值作為該成分試樣的滲透系數。

1.2試驗結果及分析人工土試樣的總比表面積和陽離子交換量測試結果見表2。圖1為各濃度孔隙液下，人工土試樣滲流固結試驗(σ=200kPa)得到的壓縮量與時間關系曲線(即槡d－t曲線)，用時間平方根法求出相應的固結系數進而求出滲透系數及均值。其中，將濃度n=0mol/L(即蒸餾水)試樣的平均滲透系數記作kz，其余濃度試樣的平均滲透系數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變化的關系曲線。由人工土的滲流固結試驗表明，極細顆粒粘土的滲流特性受孔隙液濃度的影響較顯著，表現為:(1)在相同固結壓力下(σ=200kPa，圖1)，人工土的固結變形時程曲線形態與孔隙液濃度n密切相關，即n越大曲線越陡，壓縮穩定所需時間越短，固結排水速度越快;反之，曲線越緩則固結排水速度越慢。(2)由表2、圖2可知，各土樣的滲透系數均隨n增大而增大，且曲線呈現兩端平緩中間陡峭態勢，表明n越大則滲流的微電場效應越明顯，且孔隙液濃度在中間段(如n=0.1～1mol/L)時，土樣滲透系數的增速較快。kv/kz值的增幅隨著膨潤土相對含量的增加而減小，在n=8.3×10－1mol/L下，各土樣的kv/kz值分別為5.2(100%膨潤土)、13.3(66.7%膨潤土)、21.9(50%膨潤土)和55.9(33.3%膨潤土)。

2微電場效應的微觀機理分析

2.1微孔滲流的影響分析由圖3所示的Gouy-Chapman粘土顆粒擴散雙電層離子分布模型可知，土顆粒表面所帶負電荷形成的微電場吸附孔隙溶液中的陽離子在固液界面處匯集，形成定向排列的強結合水層(離子吸附層)和弱結合水層(擴散層)，可以根據顆粒表面電荷密度σ、孔隙液濃度n等實測參數與一系列常數如Faraday常數、水介電常數、Boltzmann常數、電子電荷、絕對溫度、離子化合價等換算出某級孔隙液濃度下對應的顆粒表面電位ψ0［11］，換算結果見表4。可知，隨孔隙液離子濃度的增加顆粒表面電位減小，微電場減弱致使結合水膜厚度變薄，粒間孔隙的等效直徑變大，孔隙中自由水的流動阻力減小從而導致滲透系數增大。由于結合水膜厚度改變只對微小孔隙的等效滲流直徑的變化影響較大，對大孔隙土體幾乎無影響，因此稱為微孔隙滲流的微電場效應。

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

3結論

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

作者：周暉 房營光 梁健偉 谷任國 單位：華南理工大學 土木與交通學院 中國能源建設集團 廣東省電力設計研究院有限公司