側(cè)限應(yīng)力狀態(tài)下非飽和膨潤土的變形特性

孫文靜, 孫德安, 閆 威

(上海大學土木工程系,上海 200072)

經(jīng)過多年的研究,對于高水平放射性核廢料(高放廢物)的最終處置,普遍接受的可行性方案是深層地質(zhì)處置,即將高放廢物深埋在距地表約 500～1 000 m的地質(zhì)體中[1],使其與人類生存環(huán)境充分、徹底、可靠地隔離.借鑒國外成熟的技術(shù)和經(jīng)驗,我國采用多重工程屏障系統(tǒng) (包括廢物固化體、廢物容器及其外包裝和緩沖/回填材料)和適宜的圍巖地質(zhì)體共同作用,確保高放廢物與生物圈的安全隔離.膨潤土由于具有較高的膨脹性、極低的滲透性和優(yōu)良的核素吸附等性能而被世界各國選作緩沖/回填材料的基質(zhì)材料[2-3].

國內(nèi)外學者在膨潤土的力學性質(zhì)方面做了大量有意義的研究,劉泉聲等[4]研究了砂-膨潤土混合物膨脹力的影響因素.徐永福等[5]用壓縮儀完成了膨潤土及其與砂混合物的一系列膨脹變形試驗.葉為民等[6]對不同密實度的壓密膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)隨吸力變化的特征進行了研究.H.Komine等[7]對膨潤土的膨脹變形特性進行了試驗研究.C.Hoffmann等[8]通過試驗研究得出影響砂-膨潤土混合物的水力-力學特性的控制性因素.

深層地質(zhì)處置中,非飽和膨潤土處在側(cè)限應(yīng)力狀態(tài),在豎向荷載作用下產(chǎn)生變形,并對周圍土體/巖體產(chǎn)生力的作用.因此,對側(cè)限應(yīng)力狀態(tài)下非飽和膨潤土變形特性的研究及對膨潤土產(chǎn)生的側(cè)向應(yīng)力的變化規(guī)律的研究,是地下核廢料地質(zhì)處置中非常有意義的基礎(chǔ)性研究[9].

本工作采用能夠測量側(cè)向應(yīng)力的單向壓縮試驗,研究了非飽和膨潤土在側(cè)限條件下,由豎向荷載作用引起的變形,分析了土樣壓縮過程中含水量ω、孔隙比 e、飽和度 Sr、側(cè)向與豎向總應(yīng)力之比σh/σv的變化規(guī)律,為進一步研究非飽和膨潤土浸水膨脹特性及預(yù)測非飽和膨潤土的膨脹壓力奠定了試驗基礎(chǔ).

1 試驗概況

1.1 試驗所用材料

試驗所用膨潤土 Kunigel-V1-Na-Bentonite為鈉基膨潤土,是目前國際上用于核廢物地質(zhì)處置的膨潤土中較有代表性的一種,產(chǎn)于日本.原生土樣的物理力學指標詳見表 1[3].該膨潤土的主要礦物成分為蒙脫石、石英、方解石、長石等.由于膨潤土具有極為活潑的陽離子交換性,為避免試驗用水溶液與試樣發(fā)生離子交換而影響試樣的水力-力學特性,本試驗采用去離子水.

表1 Kun igel-V1鈉基膨潤土的基本物理指標Table 1 Physical index of Kun igel-V1-Na benton ite

1.2 試驗儀器

試驗所用固結(jié)試驗儀如圖 1所示.該儀器的側(cè)向壓力測定腔用橡皮膜與土樣隔開,膜內(nèi)充滿脫氣水,由壓力傳感器測定側(cè)向壓力.豎向加壓裝置通過杠桿用砝碼加壓,杠桿比例為 1∶10.試驗儀與能夠測量側(cè)向應(yīng)力和豎向位移的數(shù)據(jù)采集儀相連,試驗過程中能夠準確地測量側(cè)向壓力與試樣的豎向變形.

圖1 靜止側(cè)壓力系數(shù)固結(jié)儀Fig.1 Consolidation apparatus with lateral stress being measured

1.3 試驗方法

1.3.1 調(diào)土

首先用噴霧器將水均勻地噴撒在干膨潤土粉末上,使土樣達到目標含水量 w0,調(diào)制過程中充分攪拌,避免土樣產(chǎn)生結(jié)塊現(xiàn)象.將調(diào)好的土樣密封放置24 h以上,使土樣含水量均勻.

1.3.2 制樣

在環(huán)刀(環(huán)刀內(nèi)環(huán)截面面積 30 cm2,高度 4 cm)上固定內(nèi)徑相同的圓箍 (高度為 1 cm)形成組合體.將調(diào)好的土樣分 4層先后填入該組合體內(nèi),逐層擊實,每層土樣重量大致相等,每層擊實次數(shù)相同 (擊實次數(shù)取決于試驗所需的初始孔隙比 e0).取下圓箍,用切土刀切除高出環(huán)刀部分的土樣,整平,制成截面積為 30 cm2,高為 4 cm的圓柱體試樣.

1.3.3 裝樣

在試樣上下兩端放置透氣不透水的膜,保證試驗過程中試樣含水量不變.將試樣壓入加壓容器內(nèi),調(diào)整好儀器,調(diào)節(jié)側(cè)向水壓力,使其等于外部大氣壓.此時將數(shù)據(jù)采集儀上側(cè)向壓力顯示的數(shù)值置 0,作為試驗初始狀態(tài).

1.3.4 加載

對試樣施加 12.5 kPa的豎向應(yīng)力,待試樣壓縮變形穩(wěn)定后,測定試樣在該級豎向荷載作用下產(chǎn)生的側(cè)向應(yīng)力σh與豎向位移,再施加下一級荷載.

2 試驗結(jié)果與分析

進行 5次膨潤土擊實樣的壓縮回彈試驗,試驗中豎向荷載應(yīng)力路徑分別如下：No.1試驗為先加載豎向應(yīng)力至 550 kPa,然后卸載至 200 kPa,最后再加載至 900 kPa;No.2,No.3試驗為加載試驗,最大豎向應(yīng)力分別為 900,1 000 kPa;No.4試驗中先加載豎向應(yīng)力至 700 kPa,然后卸載至 25 kPa;No.5試驗中先加載豎向應(yīng)力至 800 kPa,然后卸載至 100 kPa,最后加載至1 000 kPa.試樣的物理參數(shù)指標詳見表2～表 3.

表2 試樣的初始狀態(tài)Table 2 In itial state of spec imens

表3 試驗結(jié)束后試樣的狀態(tài)Table 3 Final state of spec imens

由表 2可知：No.1,No.2,No.3中試樣初始含水量相近,初始干密度依次升高;No.4,No.5中試樣初始含水量相近.試驗過程中,由于試樣上下兩端放置了透氣不透水的膜,因此試驗前后試樣的含水量相近.試樣在試驗過程中含水量不變,如表 2～表 3所示.

圖2(a)為 5次試驗的 e-logσv曲線 (忽略中間卸載過程),圖 2(b)為 No.1,No.4和 No.5這 3次含有卸載過程的試驗中完整的 e-logσv曲線,由圖 2可得到以下結(jié)論：

(1)試樣在壓縮過程中產(chǎn)生了由彈性狀態(tài)向彈塑性狀態(tài)的過渡,折點后 e-logσv曲線的斜率 (即壓縮指數(shù) Cc)明顯大于折點前的斜率 (即膨脹指數(shù)Cs).對于具有相同初始含水量的試驗,e-logσv曲線產(chǎn)生折點的豎向應(yīng)力 (屈服應(yīng)力)隨初始干密度的增大而增大.如圖 2(a)所示,No.1,No.2,No.3中試樣初始含水量相近,初始干密度依次增大.壓縮試驗過程中,由彈性狀態(tài)到彈塑性狀態(tài)過渡的折點處的豎向應(yīng)力逐漸增大,約為 100,200和 300 kPa.No.4和No.5中試樣初始含水量相近,No.4的試樣的初始干密度比 No.5的小,其屈服應(yīng)力分別約為 80和200 kPa.

圖2 孔隙比與垂直應(yīng)力關(guān)系圖Fig.2 Relation between void ratio and vertical stress

(2)No.1,No.4和 No.5試驗都經(jīng)歷了卸載過程,卸載時 e-logσv曲線的斜率 (即膨脹指數(shù) Cs)大致相等,這與試樣的初始含水量或飽和度以及初始密度關(guān)系不大,其值約為 0.035.

(3)No.1,No.2,No.3試樣初始含水量分別為19.3%,19.2%和 18.3%,可認為三者具有相同的初始含水量;No.4,No.5的初始含水量分別為 29. 7%,28.6%,也可認為二者具有相同的初始含水量.由圖2(a)可知,對于初始含水量相同的試驗,在高應(yīng)力范圍內(nèi)的 e-logσv曲線非常接近.也就是說,高應(yīng)力范圍內(nèi)的壓縮曲線與試樣的初始密度關(guān)系不大,而主要取決于試樣的含水量.由表 3可知,No. 1,No.2和 No.3試樣最終的飽和度接近,說明試樣的吸力較接近;同樣,No.4和No.5中試樣最終的飽和度接近,試樣的吸力也較為接近.在等吸力條件下,Alonso等[10]認為土體孔隙比與應(yīng)力的關(guān)系可表示為直線.因此,在較高的豎向應(yīng)力范圍內(nèi),相同含水量的擊實膨潤土試樣吸力趨于相等,相應(yīng)的 elogσv曲線趨于一致;同時,含水量較小一組 (No.1, No.2和No.3)的 e-logσv曲線的斜率小于含水量較大一組(No.4和 No.5),即含水量較小的試樣剛度要大于含水量較大的試樣.這主要是因為含水量較小的試樣,飽和度較低,相應(yīng)的土樣吸力較高,在相同的豎向荷載作用下,土樣不容易發(fā)生豎向壓縮變形,試樣的剛度較大.

每次試驗需要 2～3周,為了防止試樣水分蒸發(fā),試樣上下端放置有透氣不透水的膜.從表 1～表2中試驗前后的含水量可知,試驗過程中試樣中的水分基本沒有蒸發(fā).因此,可從試樣的含水量和豎向位移計算得到每級荷載下的飽和度 Sr.

圖3(a)為試驗過程中 5個試樣飽和度與垂直應(yīng)力的關(guān)系曲線 (忽略中間卸載過程),圖 3(b)為No.1,No.4和No.5這 3次含有卸載過程的試驗中完整的 Sr-logσv圖.由圖 3可得到以下結(jié)論：

(1)在 5次試驗中,加載段的飽和度隨豎向荷載的增大而增大,且試樣初始含水量越高,飽和度增長越快.No.1與No.4試驗中試樣的初始干密度相近,No.3與No.5試驗中試樣的初始干密度相近,但因No.4,No.5的初始含水量較高,其飽和度變化趨勢高于初始含水量較低的No.1和No.3.這主要是因為試樣含水量較高,相應(yīng)的土樣的吸力較小,在相同的凈豎向荷載作用下,土樣比較容易發(fā)生豎向壓縮變形,飽和度增大的幅度較大.

(2)飽和度的變化也反應(yīng)了試樣在壓縮過程中由彈性狀態(tài)到彈塑性狀態(tài)的變化過程,這與圖 2中的 e-logσv曲線一致.例如,No.4試驗在σv=80 kPa時,飽和度曲線的斜率發(fā)生較大變化,而在此處,elogσv平面上曲線的斜率也發(fā)生較大變化.

(3)初始含水量一致的試樣在壓縮試驗結(jié)束后的飽和度趨于一致.

(4)No.1,No.4和No.5試驗包括卸載過程.在3次試驗的卸載段,試樣飽和度均呈減小趨勢,這是因為卸載過程中試樣孔隙體積變大.

圖4(a)是 5次試驗得到的側(cè)向總應(yīng)力σh與豎向總應(yīng)力σv關(guān)系圖 (忽略中間卸載過程),圖 4(b)為 No.1試驗完整的σh-σv曲線.由圖 4(a)可知,同樣的σv值下,初始含水量高的試樣的側(cè)向應(yīng)力也相應(yīng)較高.這是因為試樣含水量較高,吸力相應(yīng)較小,在豎向力作用下,較易產(chǎn)生豎向變形,則側(cè)向應(yīng)力會相應(yīng)變大.由圖 4(b)可知,同樣的σv值下,卸載過程中的σh值比加載過程時的要大,再加載過程中的σh值比卸載過程中的要小,而比加載過程中的要大.

圖3 試驗過程中飽和度與垂直應(yīng)力關(guān)系圖Fig.3 Relation between degree of saturation and vertical stress during testing

圖5為 5次試驗加載過程中σh/σv隨豎向應(yīng)力σv的變化圖.在裝樣時,固結(jié)儀中壓力室的橡皮膜與試樣接觸程度難以精確控制,這造成試驗開始時σh/σv的值較為分散.其中 No.1與 No.2為避免接觸不良,初期施加的側(cè)壓力偏大,致使豎向荷載較小時σh/σv值較大.隨著豎向荷載增大,σh/σv值有增大的趨勢,而No.4和No.5的σh/σv值增大趨勢較大,這與飽和度增加較大有關(guān).以下對此進一步說明.

側(cè)向壓力系數(shù) K0通常定義為有效側(cè)向應(yīng)力與有效豎向應(yīng)力之比,即[11]

圖4 σh-σv關(guān)系圖Fig.4 Relation between lateral and vertical stress

圖5 加載過程中σh/σv隨豎向應(yīng)力σv的變化Fig.5 Var iation inσh/σvwithσvduring loading

式中,σ′v為有效豎向應(yīng)力,σ′h為σ′v引起的有效側(cè)向應(yīng)力.

非飽和土的有效應(yīng)力σ′ij的表達式有幾種[12],此處采用下式：

式中,σij為總應(yīng)力張量,Sr為飽和度,s為吸力,ua為孔隙氣壓力,δij為克朗內(nèi)科 (Kronecker)符號.

本試驗中,氣壓 ua=0,將式 (2)代入式 (1),可得

經(jīng)換算可得

試驗過程中,飽和度 Sr隨σv的增大而增大,如圖 3所示.隨著飽和度逐漸增大,試樣的吸力 s逐漸減小,在試樣趨于飽和時,吸力降為 0.因此,雖然豎向應(yīng)力增大時飽和度 Sr增大,吸力 s減小[13],但s·Sr值的總體變化趨勢是減小的.同時,隨著吸力的減小,側(cè)向壓力系數(shù) K0的值是增大的[14].當試樣飽和,吸力降為 0時,K0值達到最大.由式 (4)可知,豎向應(yīng)力與側(cè)向應(yīng)力之比σh/σv隨豎向應(yīng)力σv的增大而增大.當σv增大時,若飽和度 Sr的增大明顯,σh/σv的值逐漸增大的趨勢也越明顯 (如 No.4和No.5試驗,見圖 5).

3 結(jié)束語

本工作通過在非飽和膨潤土壓縮試驗中對側(cè)向應(yīng)力的測量,研究了膨潤土在豎向荷載作用下的變形.通過比較 5次不同初始含水量和密度的擊實膨潤土樣的壓縮試驗結(jié)果,分析了土樣在壓縮回彈過程中的變形、飽和度和側(cè)向壓力的變化規(guī)律.相同初始含水量而初始干密度不同的試樣,在受較高壓力時具有相近的壓縮曲線,擊實膨潤土的膨脹指數(shù)不受初始含水量和初始干密度的影響.同時,根據(jù)非飽和土的側(cè)向壓力系數(shù) K0的定義,得出總側(cè)向應(yīng)力與總垂直應(yīng)力的比值σh/σv與垂直應(yīng)力、吸力、飽和度之間的關(guān)系.該壓縮試驗的研究為進一步研究非飽和膨潤土浸水膨脹特性及預(yù)測非飽和膨潤土對周圍結(jié)構(gòu)的膨脹壓力奠定了試驗基礎(chǔ).

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