分散性粘土抗渗性主要影响因素及影响规律试验研究_齐奇.pdf

分散性粘土抗渗性主要影响因素及影响规律试验研究齐 奇（辽宁省河库管理服务中心，辽宁 沈阳 110003）摘 要分散性粘土具有特殊的性质，工程应用时须进行可行性论证并采取恰当的处理措施。基于此，文中通过室内试验的方式，探讨了粘度、孔隙度和干密度对分散性粘土的抗渗性影响，为相关理论研究和工程建设维护提供有益的支持和借鉴。关键词分散性粘土；抗渗性；试验研究中图分类号 S156文献标识码B文章编号 10020624（2023）040040030 引 言分散性粘土是一种在含盐量较低的水或纯净水中，由于离子之间的相互排斥力大于其相互吸引力，从而导致土体颗粒分散的粘性土1。分散性粘土在世界各地均有分布，主要是坡积、洪积、湖湘沉积和黄土状沉积，一般位于地势较为平坦的洪泛平原上或起伏变化较小的平坦斜坡上2。在我国，分散性粘土主要分布在东北、华北和西北地区。一般来说，分散性粘土中含有较多的钠离子，具有较低耐冲蚀性、抗剪强度和抗渗性，是造成水利工程破坏的重要因素3。利用分散性粘土修筑的堤坝主要破坏形式有两种：一是雨水的含盐量较低，堤坝表面受到雨水侵蚀破坏；二是没有设置合适的出口反滤，造成突然出现的管涌破坏。因此，深入研究分散性粘土的抗渗性影响因素及其变化规律，并采取适当的工程措施，可以预防此类事故的发生。1 试验材料和方法1.1 试验目的鉴于自然界中的土样成分比较复杂，其分散性特征难以有效控制，因此，试验研究中采用掺入碳酸钠的方式获得不同分散性特征的土样，对不同粘度、孔隙度和干密度条件下土样的抗渗性进行测试，比较其抗渗性方面的差异，为相关理论研究和工程设计提供必要的依据。1.2 土样制备自然界中的分散性粘土中含盐成分及含量并不确定，成分复杂多变，对其分散性程度的控制存在较大的难度，同时相关因素的影响规律也难以探索和确定，基于此，此次研究采用室内人工配置的方式获得分散性粘土4。为了研究土样粘性对试验结果的影响，自然土样采集自不同地区，粘粒含量分别为 72%，53%和 31%，分别代表土体的高粘度、中粘度、低粘度。根据相关研究，粘性土在高钠、强碱环境下具有易分散性特征。在钠离子化合物中，氢氧化钠的碱性过强，掺入剂量小，不容易控制。相对而言，碳酸钠呈弱碱性，掺入量的控制比较容易5。因此，研究中采用碳酸钠作为分散剂进行分散性粘土的配制。在配制过程中按照重量百分比控制其掺入量，分别选取0%，0.05%，0.10%和0.50%等4水利科研东北水利水电2023年第4期 40DOI:10.14124/ki.dbslsd22-1097.2023.04.007种不同的掺入量配制出无分散性、过渡性、分散性和高分散性分散程度不同的分散性粘土6。分散性粘土的配制步骤：1）将取得自然土样过2 mm筛，筛去影响试样内部结构的较大颗粒7；2）配制一定的含水率，以便于土样的搅拌和土样与盐分能够充分交换和吸附；3）按照土样的重量比例称取经过研磨和干燥的碳酸钠；4）将碳酸钠掺入土样并拌合均匀，然后在室内静置7 d；5）在盐分吸附完成之后的土样中加入纯水，使其浸泡在纯水中，然后在自然条件下风干；6）将风干后的土样再次研磨过筛，配置一定的含水率并拌合均匀。1.3 试验方法此次试验装置的结构示意图如图1所示。其中，透明有机玻璃筒由上、下盖和筒身组成；进水管为外径5 mm的软管；出气管为内径6 mm的透明有机玻璃管；储水缸为直径500 mm的透明有机玻璃缸。在试验过程中，首先取出有机玻璃筒，在内壁涂抹一层凡士林，并在内壁中间装好密封圈。取出需要试验的土样，小心放入有机玻璃筒内壁中，并保证与密封圈无缝隙接触；再取一个密封圈，涂上凡士林并套在环刀的刀口上，然后做好密封工作，保证试验中水不会从环刀和筒壁之间的缝隙中流出；在环刀试样上面均匀铺上一层厚15 mm的砂子；拧上上盖，在其内壁的进水口部位粘上一层海绵，在出气孔部位用绷带粘上一层纱网，保证试验中筒内的细砂不会从气孔中冲出；将装配好的有机玻璃筒利用橡皮带装到试验用水平架上，并调整姿态，保持筒身水平；在上盖的进水孔上套上进水管并夹上止水夹，在出气孔上套上出气管；打开止水夹开始试验，在试验过程中做好试验数据的记录。2 试验结果与分析2.1 粘 度土体中的水化物、有机质及无机物等均可以被土粒胶结，将其统称为胶结物。其中，土体中的粘粒发挥着十分重要的作用，粘粒较多的土体的粘度较大、抗冲蚀性强、离散可能性相对较低，因此，粘粒应该是可分散性土抗渗性的重要影响因素8。基于此，此次试验中对不同粘性、不同分散性粘土土样进行抗渗性试验，结果见表1。从表1可以看出，在土样粘度相同的情况下，渗透系数随着土样分散性的增强呈现出不断减小的变化特点。由此可见，土样的分散性越高，渗透系数越小，抗渗性越强。究其原因，主要是土样的分散性增大时，土颗粒会逐级破碎成粒径更小的土颗粒，而试验中土样的松散状态被约束，颗粒之间可以紧密贴合，造成渗透试验中水流的过流通道缩小，土体的渗透性变差。从不同粘度土样的试验结果对比来看，在土样分散性相同的条件下，土样的粘度越大，渗透系数越小。同时，随着土样分散性的上升，渗透系数的差距也在逐渐缩小。由此可见，粘度对土样渗透系数存在显著影响，但是土样的分散性越高影响越小，在高分散性土样中粘度的影响并不明显。表1 不同粘度分散性土样渗透系数试验结果2.2 孔隙度孔隙度和渗透介质的渗透特征具有密切关系。一般来说，孔隙度越大，渗透通道越通畅，渗透系数就越大。试验中利用核磁测定不同土样的孔隙度，并对渗透系数进行试验测定，然后对两者之间的关系进行拟合，结果见表2。由表2可以看出，随着土样分散性的增加和孔隙度的减小，土体内部的孔隙数量和孔径均会减小，造成水流的渗流土样粘度高粘度中粘度低粘度无分散性3.708.7915.93过渡性3.507.9213.87分散性2.133.535.64高分散性0.760.871.0310-7cm/s121171098654321图1 试验装置结构示意图1下盖；2有机玻璃筒柱；3出水孔；4止水夹；5出气孔；6止水夹；7出气管；8上盖；9进水孔；10止水夹；11出水管；12储水玻璃缸2023年第4期东北水利水电水利科研 41收稿日期 2022-07-22通道明显受阻，渗透系数减小。从曲线的变化特征来看，在孔隙度增长的过程中，土样的渗透系数增大，且增长的速率也明显增大。究其原因，主要是孔隙数量和尺寸增大的过程中，临近的小孔隙会逐渐联通，造成内部孔隙的进一步扩展，直至出现宏观可见的裂隙时，土体就可能发生管涌破坏。2.3 初始干密度采用不同压实度的方式对土样的干密度进行调节，获得1.60，1.65和1.70 g/cm3等3种土样干密度试件进行试验，获得不同方案试件的渗透系数，结果见表3。由表3可以看出，在不同的土样分散程度下，土样的渗透系数与初始干密度之间存在明显的关系，即土样的干密度越大，其渗透系数就越小；土样的分散性越小，干密度的影响就越大。究其原因，主要是分散性不强的土样，其初始干密度决定了其内部的孔隙数量和大小，干密度越大，土样就越紧密，渗流就越弱。对于分散性土样，虽然提高其初始干密度可以在一定程度上减少内部孔隙，但是其分散性会造成孔隙的重新排列，在没有外界约束时会离散移动，造成干密度对渗透性影响的减小。由此可见，渗透性不仅受土样干密度的影响，分散性的影响作用也十分明显。表3 不同干密度土样渗透系数试验结果3 结 语此次研究通过室内试验的方式，探讨了分散性粘土的渗透性影响因素及影响规律，并获得了相关的变化规律。从实验结果来看，分散性是影响渗透系数值的主要因素。在工程建设中如果条件允许，可以适当提高土体分散性来降低渗透系数。因此，在经过恰当的处理措施后，分散性粘土完全可用作土坝心墙等防渗材料的，具有巨大的工程应用前景。当然，粘性土分散程度主要由土体本身和所处的介质环境决定，外界环境主要指使土体分散的水，水中的元素、离子组成将会对土体分散性产生明显的影响。因此，在后续探究中，可使用不同的液体对土体进行冲刷试验，以探究液体成分对土分散性的影响。参 考 文 献1杨小川，苏安双，王远明，于沭，常俊德，李兆宇.分散性土改性效果干湿循环模型试验研究 J.水利水电技术，2019，50（2）：202-207.3樊恒辉，张路，杨秀娟，巨娟丽，陈涛，康顺祥.分散性土及工程应用的研究进展 J.水利与建筑工程学报，2019，17（3）：10-21.3史祥，樊恒辉，刘刚，李普，章润红.分散性土蠕变特性试验研究 J.岩土力学，2017，38（4）：1015-1022.4周嘉伟，于沭，苏安双，梁建辉，李兆宇，李炎隆.改性分散性土边坡稳定性离心模型试验 J.西北农林科技大学学报(自然科学版)，2020，48（7）：148-154.5李驰，史冠宇，武慧敏，王翠艳，高瑜.基于脲酶诱导碳酸钙沉积的微生物矿化技术在分散性土改良中应用的试验研究 J.岩土力学，2021，42（2）：333-342.6何俊，胡晓瑾，颜兴，万娟.黏土渗透性温度效应试验 J.水利水电科技进展，2017，37（3）：55-60.7朱秦，苏立君，刘振宇，杨世豪.颗粒迁移作用下宽级配土渗透性研究 J.岩土力学，2021，42（1）：125-134.8徐凝睿，樊恒辉，杨秀娟，余佳辉，张路.分散性土与非分散性土电阻率特性的对比试验 J.人民黄河，2018，40（6）：136-141.表2 不同土样孔隙度与渗透系数拟合曲线土样粘度高粘度中粘度低粘度拟合函数y8.310-15x2-1.510-10 x5.310-7y6.910-14x2-3.610-10 x2.510-7y2.110-14x2-2.210-10 x4.110-7R20.992 90.991 50.994 3土样粘度高粘度中粘度低粘度干密度/（gcm-3）1.601.651.701.601.651.701.601.651.70不同分散性土样渗透系数/（10-7cms-1）无分散性4.233.703.439.228.798.3816.9815.9315.35过渡性4.043.503.358.367.927.6614.4313.8713.46分散性2.382.132.083.713.533.425.875.645.42高分散性0.840.760.710.950.870.811.141.030.98水利科研东北水利水电2023年第4期 42Water Resources&Hydropower of NortheastNo.4 2023（Total No.465）Experimental study on main influencing factors and influencing lawsof impermeability of dispersed soilQI QiAbstractDispersive soil has special properties,so feasibility demonstration and appropriate treatment measures should be takenin engineering application.Based on this,the effects of viscosity,porosity and dry density on the impermeability of dispersed claywere discussed through laboratory tests,which provided useful support and reference for related theoretical research and engineeringconstruction and maintenance.Key wordsdispersed soil；impermeability；experimental studyInfluence of foundation modeling depth on stability evaluation resultsof