非饱和压实膨胀土渗透特性的试验研究

1、第32卷第7期 岩 土 力 学 V ol.32 No. 7 2011年7月 Rock and Soil Mechanics Jul. 2011收稿日期:2010-05-17基金项目:国家自然科学基金项目(No. 50878051,No. 40374047;江苏省普通高校研究生科研创新计划资助项目。 第一作者简介:崔颖,男,1981年生,博士研究生,主要从事非饱和土结构特性方面的研究。E-mail: ying_cui文章编号:1000-7598 (2011 07-2007-06非饱和压实膨胀土渗透特性的试验研究崔 颖,缪林昌(东南大学 岩土工程研究所,南京 210096摘 要:压实膨胀黏土常用于

2、防止填埋场中固体废物产生二次污染,或作为核废料处置库通道隔绝层,这主要取决于压实膨胀黏土衬垫层或隔离层的防渗特性,而这种压实膨胀黏土层通常又呈现出非饱和特性。基于GDS 非饱和土三轴试验系统,开发拓展其试验功能,研究直接测量压实膨胀黏土的水渗透系数的试验方法,同时结合电镜扫描试验,从微观角度定量分析压实膨胀黏土渗透过程中产生的微观、宏观变化特征。结果表明,压实膨胀黏土在渗透过程中产生的体积变形主要是由于土孔隙中气体被压缩、孔隙微结构发生变化的结果;压实膨胀黏土水渗透系数受吸力、围压、干密度、饱和度等因素控制。 关 键 词:压实膨胀黏土;非饱和土;渗透特性;微结构 中图分类号:TU 411 文献

3、标识码: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 言随着城市化快速发展,生活垃圾的处理与处置已成为环卫部门及市政管理工程中的一项重要的民生工程,现行推广的卫生填埋场设计中采用填埋场衬垫层设计,其目的是防止出现二次污染。另一方面,新型能源核电的开发利用所面临的

8、核废料处置也成为一项新的环境保护重大课题,国际流行处理方法是对核废料处置库采用通道隔离层设计以杜绝核废料泄露。这两类工程中的隔离层填料均采用压实膨胀黏土,因此,压实膨胀黏土层的渗透特性尤为关键。通常情况下压实膨胀黏土层具有非饱和特性,其渗透特性有别于一般的饱和黏土。对于作为隔离衬垫材料的压实膨胀土渗透性能的研究,对确保相关工程的设计、施工和安全运营十分重要。众所周知,土体内部水分迁移渗透是一个非常复杂的物理过程,影响因素有很多,尤其是非饱和土渗透,它既有水渗透又有气渗透问题,渗透过程中涉及到土样结构的变化和体积变形,因此,直接测量必须同时控制气压和水头差,难度较大。国内外不少学者一直致力于这方

9、面的研究。Hillel 1认为,非饱和土的渗透系数最好能直接测量得出,但岩 土 力 学 2011年由于渗透系数直接测量存在很多困难,试验设备和试验方法都需要革新,通常都采用间接法2-6推求。 此外,在试验测定非饱和土渗透系数工作方面,Huang 7、李永乐等8均进行了有益的尝试。但由于试验设备不完善,如何在压实膨胀黏土渗透测量中控制水渗透和气渗透均没有统一标准,因此,如何描述压实膨胀黏土渗透过程中产生的结构变化都有待深入研究。本文基于这一点,针对压实膨胀土在不同应力状态以及渗透力作用下的水渗透特性展开相关研究,研究基于GDS 非饱和土三轴试验系统进行开发拓展其试验功能,并进行压实膨胀黏土水渗透

10、系数的直接测量,同时结合电镜扫描技术进行压实膨胀黏土水渗透特性的定量分析。2 渗透系数的测量考虑到压实膨胀黏土的非饱和特点、孔隙中水相与气相分布形态和工作的应力状态9,开展压实膨胀黏土渗透试验研究。由于非饱和土的特殊性,简单沿用饱和土通水方法测量非饱和土的水渗透系数,将改变土的结构与饱和度,从而使渗透性发生变化和差异。已有的研究成果表明,非饱和压实膨胀黏土的水渗透系数与饱和度、密度、吸力、围压等物理力学状态参数有关3,因此,试验过程中需要控制土体中的孔隙水压力w u 和孔隙气压力a u ,建立单独水气循环,才能准确测量压实膨胀黏土的水渗透系数。目前,测量非饱和土水渗透系数的方法主要有稳态试验法

11、和非稳态试验法10,均基于Dacy 定律。由于非饱和土孔隙中同时含有孔隙气和孔隙水,气水交界面存在张力作用,张力的大小不仅与土样中的基质吸力有关,还受制于孔隙孔径大小,使得非饱和土中的渗流变得复杂,因此,水渗透系数不是一个常数,局部气水分布状态的改变对非饱和土的渗透性产生较大的影响。准确测定压实膨胀黏土的水渗透系数,须保持土样中吸力稳定,避免渗流改变土样中的吸力大小,同时又要维持一定的水头差。基于以上特点,在GDS 非饱和土三轴试验系统中增设水力梯度控制装置,如图1所示,以便于进行非饱和土水渗透系数的直接测量。试验首先进行吸力平衡,使土样达到控制状态下的气水平衡,再施加一定的水力梯度,使水从非

12、饱和土样顶部渗流向土样底部,模拟稳态测试。在试验过程中,观测试样体积变化和排水量。试验结果利用Klute 10的稳态法进行非饱和土水渗透系数的计算分析。Klute 法的水渗透系数表达式为t w w3w 4d Q k At h h =(1式中:t d 为张力计设置的距离;Q 为渗透流量;A 为渗透断面面积;t 为渗透时间;w3h 、w 4h 为相对应的水头。图1 GDS 渗透试验装置示意图Fig.1 Sketch of layout of permeability test system GDS3 试验方法3.1 试样制备压实膨胀黏土渗透试验的土样选用广西膨胀土(是弱膨胀土,土的基本物理参数见表

13、1。制备过程中控制预设干密度,初始含水率(饱和度,试样分5层击实,直径为3.91 cm ,高度为8 cm 。表1 广西膨胀土的基本参数Table 1 Basic parameters of Guangxi expansive soils颜色土粒相对密度塑限 /%液限 /%塑性 指数自由膨 胀率 /%黏粒 (<0.005 mm含量/%棕黄色2.7030.3 61.4 31.1 3545 45.93.2 试验精度控制为保证试验的有效性,必须满足以下条件: 除围压外,试样顶部气压、水压以及底部水压要能够实现分别控制,以满足控制吸力状态的气水平衡,形成稳定渗流状态的要求;传感器要对体变、排水进行

14、精确测量,精度要达到1 mm 3;气压、孔隙水压力和围压的精度误差小于1 kPa ;渗流的水力梯度要控制。 3.3 试验方法非饱和土渗透试验过程包括3个阶段:固结阶段、吸力平衡阶段和渗透阶段。试样在设定围压下进行固结,待固结稳定后,根据轴平移原理,分别控制试样顶部气压与底部水压,气压与水压之差即为所需的吸力值,在预设围压下维持土样内部吸力2008第7期 崔 颖等:非饱和压实膨胀土渗透特性的试验研究平衡,再进行渗透试验。试验采用水头差控制,即施加于试样上、下面水压力差值为压力水头值(其大小由试验具体情况而定,当试样进水量与出水量相等(即达到稳态流动时,通过试样流出的水即为渗流量。考虑到试样顶部与

15、底部均设有给定的水压力,取在试样顶部以及底部的基质吸力的平均值为土样内部的吸力。整个试验过程中保持净围压、吸力和水头差不变,同时观测试样的体积变形、渗透的水量,从而测得压实膨胀黏土在所设定围压和吸力下的水渗透系数。4 试验结果分析4.1 渗透水头差对渗流的影响图2为给定吸力和净围压的条件下试样在不同的水头差下得到的渗透速度与水头差的关系曲线。图2 渗透速度与渗透水头差关系曲线 (吸力s =50 kPa ,初始饱和度S r =50% Fig.2 Permeability velocity versus head difference (suction s =50 kPa, initital de

16、gree of saturation S r =50%试验表明:在给定吸力及净围压的条件下,试样的渗透流量(渗透速度与作用在非饱和土上的水头差(为施加于试样顶部以及底部水压力差值呈正比,两者呈线性关系,而水渗透系数是常数,这与饱和土的渗透规律一致,这也验证和说明Dacy 定律同样适用于非饱和土。4.2 不同应力状态下渗透引起的体积变形图3给出了不同应力状态下压实膨胀黏土试样在渗透过程中的体积应变。可以看出:随净围压增大,试样的体积应变逐渐增大,宏观表现为试样的体积收缩,这种体积变化是由于试样在不同应力状态下所引起的变形,不同于一般情况下饱和粉细砂的渗透下的变形,它主要是土样孔隙中的气体被压缩,

17、孔隙微结构发生变化的结果。关于非饱和土的渗透过程中孔隙结构的变化,将在4.4节中进行讨论。(a 吸力为25 kPa(b 吸力为50 kPa(c 吸力为80 kPa(d 吸力为120 kPa图3 压实膨胀土渗透体变曲线( d =1.48 g/cm 3,初始饱和度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渗透时间/h体积应变/% 3 -u a =100 kPa 3 -u a =200 kPa 3 -u a =300 kPa0.00.20.40.60.81.01.2020406080100体积应变/%渗透时间/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体积应变/%渗透时间/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体积应

19、变/%渗透时间/h 3 -u a =100 kPa 3 -u a =200 kPa 3 -u a =300 kPa0 2 4 6 8 101214020406080100水头差/kPa渗透速度/(10-11 m /s 净围压100 kPa 净围压200 kPa 净围压300 kPa2009岩 土 力 学 2011年4.3 不同净围压下的渗透系数 图4揭示了渗透系数与不同净围压、吸力之间的关系。试验表明,非饱和压实膨胀土的水渗透系数随净围压的增加而增大,随吸力的增加而减小,这是因为孔隙水是不可压缩的,而孔隙气明显压缩,随着围压增大,孔隙中的气体被压缩,孔隙中气体体积随围压增大而减小,孔隙水所占体

20、积比增大,土样的饱和度增大,因此,孔隙水的渗透系数提高;当吸力增加时,部分孔隙水在吸力平衡阶段因吸力增大而从孔隙中被挤出和排出,孔隙中气体所占的体积增大,气体的流通性更好,土样的饱和度就减小,这样水渗透系数就相应减小(相对的孔隙气渗透系数随饱和度降低而增加,这一结论与文献11是一致的。根据试验结果对同一净围压下水渗透系数与吸力呈线性关系进行拟合得到线性表达式为w s k au b =+ (2 式中:w k 为非饱和压实膨胀土的水渗透系数;a 、 b 均为与净围压有关的参数,它们与净围压也呈线性关系,具有3a 0.000 4(0.061a u =,b = 0.0283(a 7.44u +。这表明

21、,非饱和压实膨胀黏土的水渗透系数随应力状态和饱和度的变化而变化的,因此,在设计填埋场的衬垫层时需要考虑压实膨胀黏土层的密度、初始含水率、上覆荷载、厚度等,预计填埋场中渗滤液渗漏通过衬垫层的击穿时间,以便采取相应的对策,保护填埋场不发生二次污染。 图4 不同吸力下水渗透系数与净围压的关系图 (d =1.48 g/cm 3,初始饱和度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 电镜扫描结果为了准确地描述和分析非饱和压实膨胀黏土的渗透特征现象,对渗透试验的试样进行电镜扫描分析,图5为部分试样的电镜扫描照片,其放大倍数为5 000。(a 初始土样(b 净围压为100 kPa ,吸力为50 kPa(c 净围压为200 kPa ,吸力为50 kPa(d 净围压为300 kPa ,吸力为50 kPa图5 压实膨胀土的电镜扫描照片(d =1.48 g/cm 3,初始饱和度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为定量分析非饱和土样内部结构的变化,笔者利用Matlab 软件对电镜扫描照片进行图像处理分析,图6为电镜扫描图像经二值化处理后的结果。二值化数值定义孔隙为0,土颗粒数值为1,统计出:数值为0,代表孔隙的所有像素面积0S ;数值为1,代表土颗粒的所有像素面积1S 。因此,可得到土样平面状态下的孔隙比为01/S S ,为减少计算统计误0 30 60901201503691215渗透系数/(10-9 c m /s 吸力/kPa2010第7期崔颖等:非饱和压实膨胀土渗透特性的试验研究差,

24、本文对每个试样各取3组电镜扫描照片进行统计分析取其计算平均值。王宝军等12曾进行计算比较分析,证明土样平面孔隙比与三维立体孔隙比较接近,可被工程应用接纳。通过渗透试验所得到的试样排水体变等数据可以反算出土样的孔隙比,基于以上分析,将试验中非饱和土样的平面状态孔隙比以及渗透试验数据反算的孔隙比数值统计列于表2。 (a 初始土样 (b 净围压为100 kPa,吸力为50 kPa (c 净围压为200 kPa,吸力为50 kPa (d 净围压为300 kPa,吸力为50 kPa图6 二值化处理后的电镜扫描照片(d =1.48 g/cm3,初始饱和度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 孔隙比图像处理值与渗透试验计算值对比表(d =1.48 g/cm3,初始饱和度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渗透

26、样孔隙比(吸力s =50 kPa 初始孔隙比净围压100 kPa净围压200 kPa 净围压300 kPa SEM计算值试验计算值SEM计算值试验计算值SEM计算值试验计算值SEM计算值试验计算值0.8190.8240.8010.8100.732 0.787 0.7010.758电镜扫描及相应的二值化数字计算分析表明:压实膨胀黏土试样渗透前其内部宏观孔隙较大,呈不均匀性,部分气泡阻塞渗透通道;经历不同应力状态下的渗透试验后,试样随着净围压的增大,其宏观孔隙逐渐变小,有趋于均匀的趋势,结构上显得更加“密实”。这种“密实”主要由于渗透过程中自由水渗流经过试样孔隙时,膨胀土团粒吸水使得土的双电离层的

27、厚度增加,将部分自由水转化为吸附水,从而使宏观孔隙逐渐变小的结果。从表2所列孔隙比数值对比可以看出:SEM照片处理计算的孔隙比与渗透试验反算的结果基本相当,误差小于7%,反映的变化趋势一致。这说明,非饱和土渗透过程不仅引起宏观的体积变形,其土样内部微观结构也发生了变化。4.5 干密度和饱和度对非饱和土渗透的影响图7为不同干密度试样在不同初始饱和度下测得的水渗透系数的结果。试验结果表明:非饱和压实膨胀土试样在初始饱和度一致的情况下水渗透系数随着试样的干密度增加而减小,在试样干密度相同的情况下水渗透系数随着饱和度的增加而增大。这主要是因为在饱和度相同时,干密度小的土样由于孔隙中的气体较多,所对应的

28、基质吸力较大,水渗透系数就小;干密度相同时,随土样的饱和增加,相应的吸力减小,水渗透系数增大。根据试验结果分析得到非饱和压实膨胀土的水渗透系数与其密度、饱和度的关系为d r(0.139 30.328 413w d(23.79942.854e10Sk+=+×,R2 =0.93 (3式中:wk为非饱和压实膨胀土的水渗透系数;d为非饱和压实膨胀土的干密度;rS为非饱和压实膨胀土的饱和度;R2为相关系数。20112012 - 岩 土 力 学 2011 年 10 6 10 7 渗透系数 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, 叶翠明, 赵书权, 等. 压应力对非饱和土渗透 系数的影响J. 上海交通大学学报, 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,

31、38(6: 982986. 6 孙大松, 刘鹏, 夏小和, 等. 非饱和土的渗透系数J. 水利学报, 2004, (3: 7175. SUN Da-song, LIU Peng, XIA Xiao-he, et al. Permeability coefficient of unsaturated soilsJ. Journal of Hydraulic Engineering, 2004, (3: 7175. 7 HUANG S Y, FREDLUND D G, BARBOUR S L. Measurement of the coefficient of permeability for d

32、eformable unsaturated soil using a triaxial permeameterJ. Canadian Geotechnical Journal, 1998, 35(3: 426432. 8 李永乐, 刘翠然, 刘海宁, 等. 非饱和土的渗透特性试 验研究J. 岩石力学和工程学报, 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, 陈愈炯. 非饱和土的水、气形态及其力学性质 的关系J. 水利学报, 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 殷宗泽. 土工原理M. 北京: 中国水利水电出版社, 2007. 12 王宝军, 施斌, 蔡奕, 等. 基于 GIS 的黏性土 SEM