微電場效應對土體滲透特性的影響

周 暉,房營光,梁健偉,谷任國

(1.華南理工大學 土木與交通學院,廣州 510641;2.中國能源建設集團 廣東省電力設計研究院有限公司,廣州 510663)

微電場效應對土體滲透特性的影響

周 暉1,房營光1,梁健偉2,谷任國1

(1.華南理工大學 土木與交通學院,廣州 510641;2.中國能源建設集團 廣東省電力設計研究院有限公司,廣州 510663)

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。

人工土;微電場效應;滲透特性;微觀機理

0 引 言

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61.8 mm、高20 mm、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200 kPa,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。

表1 人工土試樣的物理性質

表2 試樣的總比表面積和陽離子交換量測試結果

圖1 人工土試樣的關系曲線

表3 人工土試樣的滲流固結試驗結果

Table3Seepageconsolidationtestresultsofartificialsoilsamples

編號成分孔隙液濃度n/(mol·L-1)平均固結系數Cv/(10-5cm2·s-1)平均滲透系數kz或kvi/(10-9cm·s-1)編號成分孔隙液濃度n/(mol·L-1)平均固結系數Cv/(10-5cm2·s-1)平均滲透系數kz或kvi/(10-9cm·s-1)Y-1100%膨潤土01.273.3Y-1150%高嶺土+50%膨潤土04.3920.9Y-28.3×10-32.216.1Y-128.3×10-35.5728.8Y-38.3×10-21.667.9Y-138.3×10-210.3571.2Y-48.3×10-13.5017.1Y-145.0×10-153.75405.6Y-52.04.6924.2Y-158.3×10-156.25456.8Y-633.3%高嶺土+66.7%膨潤土03.1212.5Y-1633.3%高嶺土+66.7%膨潤土04.9033.1Y-78.3×10-33.8718.9Y-178.3×10-39.1057.3Y-88.3×10-24.0029.6Y-188.3×10-237.68304.5Y-95.0×10-120.96145.3Y-195.0×10-1185.351680.5Y-108.3×10-122.51165.8Y-208.3×10-1200.831850.4

注：i=1,2,3,4。

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、

圖2 人工土試樣的關系曲線

圖3 粘土顆粒擴散雙電層離子分布模型

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

表4 各人工土樣在不同孔隙液濃度下的顆粒表面電位與中面電位

試樣成分濃度n/(mol·L-1)8.3×10-38.3×10-28.3×10-1100%膨潤土1.842.395.1833.3%高嶺土+66.7%膨潤土1.512.3713.2650%高嶺土+50%膨潤土1.383.4121.8666.7%高嶺土+33.3%膨潤土1.739.2055.90

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。

[1]周暉. 珠江三角洲軟土顯微結構與滲流固結機理研究[D]. 廣州:華南理工大學,2013.

[2]MitchellJK，SogaK.FundamentalsofSoilBehavior[M]. 3rded.NewYork:JohnWiley&Sons,Inc., 2005.

[3]梁健偉,房營光,陳松. 含鹽量對極細顆粒黏土強度影響的試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2009, 28(S2): 3821-3829.

[4]AbduljauwadSN,Al-AmoudiOSB.Geotechnicalbehaviorofsalinesebkhasoils[J].Geotechnique, 1995, 45(3): 425-445.

[5]谷任國,房營光. 極細顆粒黏土滲流離子效應的試驗研究[J]. 巖土力學, 2009, 30(6): 1595-1598,1603.

[6]谷任國,房營光. 極細顆粒黏土滲流的微電場效應試驗分析[J]. 長江科學院院報, 2009, 26(6): 21-23.

[7]梁健偉. 軟土變形和滲流特性的試驗研究與微細觀參數分析[D]. 廣州:華南理工大學,2010.

[8]ShchukinED,PertsovAV,AmelinaEA,etal.ColloidandSurfaceChemistry[M].UK:ElsevierScienceLtd, 2001.

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[10]NY/T295—1995,中性土壤陽離子交換量和交換性鹽基的測定[S].

[11]梁健偉,房營光,谷任國. 極細顆粒黏土滲流的微電場效應分析[J]. 巖土力學, 2010, 31(10): 3043-3050.

Micro-electric field effect on the soil permeability characteristics

ZHOU Hui1,FANG Ying-guang1,LIANG Jian-wei2,GU Ren-guo1

(1.School of Civil Engineering and Transportation,South China University of Technology,Guangzhou 510641,China;2.Guangdong Electric Power Design Institute,Guangzhou 510663,China)

Through the test on the permeability of the saturated artificial soil with distilled water and different electrolyte ion concentrations,the micro electric field effect of the very fine particles with different mineral compositions and ionic concentrations is studied.It’s found that under the same consolidation pressure,the pore concentrationnis larger and consolidated drain is faster, and the micro seepage field effect is more obvious. When the concentration of pore solution is in the middle,the permeability coefficient of the soil sample grows faster.Clay mineral composition changes lead to the electric field changes of the tiny particles on the surface.The high content of kaolin leads to the free water in the particles,and ‘seep holes’appear.The increasing of pore solution concentration improved permeability significantly.Conversely,when the bentonite content is higher,the pore solution concentration effect on the permeability is not obvious.

artificial soil;micro-electric field effect;permeability characteristics;microscopic mechanism

1674-9057(2015)04-0845-05

10.3969/j.issn.1674-9057.2015.04.025

2015-05-28

國家自然科學基金青年科學基金項目(51208211);亞熱帶建筑科學國家重點實驗項目(2013ZC18)

周 暉(1979—),女,博士,副教授,研究方向:軟土顯微結構及工程特性,zhouhuianhui@126.com。

周暉, 房營光, 梁健偉, 等. 微電場效應對土體滲透特性的影響[J]. 桂林理工大學學報， 2015, 35(4): 845-849.

TU411.4

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