微电场效应对土体渗透特性的影响

周 晖,房营光,梁健伟,谷任国

(1.华南理工大学 土木与交通学院,广州 510641;2.中国能源建设集团 广东省电力设计研究院有限公司,广州 510663)

微电场效应对土体渗透特性的影响

周 晖1,房营光1,梁健伟2,谷任国1

(1.华南理工大学 土木与交通学院,广州 510641;2.中国能源建设集团 广东省电力设计研究院有限公司,广州 510663)

利用蒸馏水和不同电解质离子浓度的孔隙液对饱和人工土进行渗透试验,研究不同矿物成分及离子浓度的极细颗粒土渗流的微电场效应。研究发现:相同固结压力时,孔隙液浓度n越大,固结排水速度越快,渗流的微电场效应越明显，且孔隙液浓度在中段时,土样渗透系数的增长速度较快。粘土矿物成分含量的变化也会导致颗粒表面微电场的改变：高岭土含量较高时,颗粒之间存在自由水而出现“渗孔”,孔隙液浓度增大导致渗透性显著提高;反之,膨润土含量较高时,孔隙液浓度对渗透性的影响不明显。

人工土;微电场效应;渗透特性;微观机理

0 引 言

饱和软土的渗透性受到矿物成分、孔隙尺度分布、孔隙水的离子成分和浓度等诸多因素影响[1],而沿海发达地区的海相淤泥中富含强亲水性的微小粘粒、有机质、胶体物质和浓度极高的低价电解质离子。大量微小的粘粒具有很大的比表面积,可形成表面电位几百mV的微电场[2],并通过颗粒-水-电解质系统的作用形成粘滞性的结合水膜而改变土体的渗透性质,同时结合水膜厚度变化将改变土颗粒之间的润滑性质,从而改变土体的抗剪强度[3]。岩土工程界将由于颗粒表面微电场改变而引起粘土宏观强度特性和渗透特性改变的现象称为“微电场效应”。相关工程实践表明[4-6],现有渗流固结理论在计算低渗透性饱和软土时得到的预测值与实测结果存在严重偏差,因此,可以认为极细颗粒粘土渗流的“微电场效应”是导致淤泥土地基加固效果出现异常的重要因素[6-7]。

由于人工土成分明确且比表面积和表面电荷密度等微观参数易于确定,适于研究微电场变化对土体渗透特性的影响。本文采用蒸馏水和不同电解质离子浓度的孔隙液对人工土进行渗透试验,研究不同矿物成分及离子浓度下的极细颗粒土渗流的微电场效应。

1 软土渗流的微电场效应试验

1.1 试验设计

本试验用土为按一定比例制备的高岭土与膨润土的混合土,采用击样法制样,控制试样直径61.8 mm、高20 mm、孔隙比1.64左右,试验前经抽气饱和处理,试样主要物理性质参数如表1所示。

同时,为分析微电场效应对试样渗流特性的影响,采用乙二醇乙醚吸附法(即EGME法)[8]和乙酸铵交换法[9-10]测试试样的总比表面积和阳离子交换量(CEC),而后换算颗粒表面电荷进而求出颗粒表面电荷密度,具体测试方法详见文献[7]。

利用渗流固结法测试各级孔隙液浓度下人工土的渗透特性,控制固结压力为200 kPa,孔隙液溶质为分析纯级氯化钠颗粒,试验取各级孔隙液下两个相同试样渗透系数的均值作为该成分试样的渗透系数。

1.2 试验结果及分析

人工土试样的总比表面积和阳离子交换量测试结果见表2。

表1 人工土试样的物理性质

表2 试样的总比表面积和阳离子交换量测试结果

图1 人工土试样的关系曲线

表3 人工土试样的渗流固结试验结果

Table3Seepageconsolidationtestresultsofartificialsoilsamples

编号成分孔隙液浓度n/(mol·L-1)平均固结系数Cv/(10-5cm2·s-1)平均渗透系数kz或kvi/(10-9cm·s-1)编号成分孔隙液浓度n/(mol·L-1)平均固结系数Cv/(10-5cm2·s-1)平均渗透系数kz或kvi/(10-9cm·s-1)Y-1100%膨润土01.273.3Y-1150%高岭土+50%膨润土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%高岭土+66.7%膨润土03.1212.5Y-1633.3%高岭土+66.7%膨润土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 微电场效应的微观机理分析

2.1 微孔渗流的影响分析

由图3所示的Gouy-Chapman粘土颗粒扩散双电层离子分布模型可知,土颗粒表面所带负电荷形成的微电场吸附孔隙溶液中的阳离子在固液界面处汇集,形成定向排列的强结合水层(离子吸附层)和弱结合水层(扩散层),可以根据颗粒表面电荷密度σ、孔隙液浓度n等实测参数与一系列常数如Faraday常数、水介电常数、Boltzmann常数、电子电荷、绝对温度、

图2 人工土试样的关系曲线

图3 粘土颗粒扩散双电层离子分布模型

离子化合价等换算出某级孔隙液浓度下对应的颗粒表面电位ψ0[11],换算结果见表4。

可知,随孔隙液离子浓度的增加颗粒表面电位减小,微电场减弱致使结合水膜厚度变薄,粒间孔隙的等效直径变大,孔隙中自由水的流动阻力减小从而导致渗透系数增大。由于结合水膜厚度改变只对微小孔隙的等效渗流直径的变化影响较大,对大孔隙土体几乎无影响,因此称为微孔隙渗流的微电场效应。

2.2 矿物成分的影响分析

表4 各人工土样在不同孔隙液浓度下的颗粒表面电位与中面电位

试样成分浓度n/(mol·L-1)8.3×10-38.3×10-28.3×10-1100%膨润土1.842.395.1833.3%高岭土+66.7%膨润土1.512.3713.2650%高岭土+50%膨润土1.383.4121.8666.7%高岭土+33.3%膨润土1.739.2055.90

3 结 论

通过极细颗粒人工土渗流的微电场效应分析,得到如下主要结论:

(1)相同固结压力下,孔隙液浓度n越大,人工土的固结变形曲线越陡,固结排水速度越快,反之越慢。极细颗粒土样的渗透性随n增大,且浓度在中段(n=0.1～1mol/L)时,土样渗透性的增速较快。当孔隙液浓度增加到一定程度后,微电场效应对土体渗流的影响减弱。

(2) 粘土矿物成分的变化也会导致颗粒表面微电场的改变：高岭土含量较高时,颗粒之间存在自由水而出现“渗孔”,孔隙液浓度增大导致渗透性显著提高;膨润土含量较高时,颗粒吸附较厚的结合水膜而相互重叠,不会出现自由水“渗孔”,孔隙液浓度变化对渗透性的影响不明显。

(3) 孔隙液浓度增减引起极细颗粒人工土颗粒表面微电场发生改变,从而导致渗流孔隙的等效直径发生变化,宏观表现为渗透系数或固结排水速度的增减。

[1]周晖. 珠江三角洲软土显微结构与渗流固结机理研究[D]. 广州:华南理工大学,2013.

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

[3]梁健伟,房营光,陈松. 含盐量对极细颗粒黏土强度影响的试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2009, 28(S2): 3821-3829.

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

[5]谷任国,房营光. 极细颗粒黏土渗流离子效应的试验研究[J]. 岩土力学, 2009, 30(6): 1595-1598,1603.

[6]谷任国,房营光. 极细颗粒黏土渗流的微电场效应试验分析[J]. 长江科学院院报, 2009, 26(6): 21-23.

[7]梁健伟. 软土变形和渗流特性的试验研究与微细观参数分析[D]. 广州:华南理工大学,2010.

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

[9]于天仁,季国亮,丁昌璞.可变电荷土壤的电化学[M]. 北京: 科学出版社, 1996.

[10]NY/T295—1995,中性土壤阳离子交换量和交换性盐基的测定[S].

[11]梁健伟,房营光,谷任国. 极细颗粒黏土渗流的微电场效应分析[J]. 岩土力学, 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

国家自然科学基金青年科学基金项目(51208211);亚热带建筑科学国家重点实验项目(2013ZC18)

周 晖(1979—),女,博士,副教授,研究方向:软土显微结构及工程特性,zhouhuianhui@126.com。

周晖, 房营光, 梁健伟, 等. 微电场效应对土体渗透特性的影响[J]. 桂林理工大学学报， 2015, 35(4): 845-849.

TU411.4

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