高压实膨润土膨胀渗透各向异性研究_曹帅.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202208030开放科学（资源服务）标识码（OSID）高压实膨润土膨胀渗透各向异性研究曹 帅，毛耀建，陈 宝（同济大学土木工程学院，上海200092）摘要：采用自主设计的膨胀渗透各向异性试验系统，对平行压实方向与垂直压实方向的高庙子膨润土试样开展膨胀力试验与饱和渗透试验，研究初始干密度对两个方向的膨胀、渗透各向异性影响规律，并从膨润土的膨胀机理和压实效应分析膨胀力各向异性机理。结果表明：平行压实方向与垂直压实方向膨胀力均随干密度增加而呈指数增长；单向压实的膨润土试样膨胀力具有各向异性特征，膨胀力在垂直压实方向始终小于平行压实方向，膨胀力各向异性系数随干密度增加而降低，且当干密度超过 1.5 g/cm3时，膨胀力各向异性系数降低明显；在垂直压实方向上膨润土渗透系数略高于平行压实方向，但两者差异不大，表明单向压实作用对膨润土渗透各向异性特征影响不明显。关键词：膨润土；压实效应；膨胀力；渗透系数；各向异性中图分类号：TU43文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)01 0007 06 0 引言Pusch（1978）最早提出了将高压实膨润土作为缓冲/回填材料。为确保缓冲/回填材料的缓冲密闭性，膨润土块通常被压实至一定干密度状态，以确保其膨胀力能到达设计要求1-2。高压实膨润土块的膨胀特性已有不少研究成果，然而这些试验研究大多局限于探讨膨润土块在平行压实方向上的相关特性，即在评估膨润土的膨胀特性时，膨润土块被认为是各向同性的2，这不能客观全面地反映膨润土真实特性。地质处置库中使用的高压实膨润土块通常是通过单向压实制成的3-4，在单向压实的过程中，活塞与模具的约束使得膨润土块各向受力不均，压实方向的应力大于周边模具约束的应力。而膨润土中的主要矿物成分蒙脱石具有非常高的纵横比5，单向压缩作用下膨润土骨架变形示意，见图 1。图1单向压缩作用下膨润土骨架变形示意 在较大的三向应力作用下，土颗粒间片层结构被破坏，联结方式可能发生变化，颗粒排列的方向和力的方向垂直，土颗粒和组构单元的排列呈现出明显的方向性。在单向压实作用下，土体产生了各向异性的微观结构，这种微观结构上的变化可能使得膨润土的膨胀、渗透特性产生各向异性。已有学者针对高压实膨润土块的膨胀、渗透各向异性特征进行研究，胡畔等6利用自主设计膨胀仪研究掺砂膨润土的膨胀力随时间的发展规律和两向膨胀力的关系，膨润土/砂混合物的最大膨胀力随着混合物的初始干密度和膨润土含量增大而增大，垂直压实方向膨胀力小于平行压实方向膨胀力，膨胀力各向异性随着干密度增大不断增强；Lee J O 等7利用恒体积膨胀装置研究钙基膨润土的两向膨胀力与干密度关系，垂直压实方向的膨胀力大于平行压实方向膨胀力，干密度超过一定值时，两者之间的差异更为明显；孙发鑫、汪龙等4，8利用改进的三向胀缩仪研究膨润土/砂混合物的三向膨胀力与干密度、含砂率的关系，混合料的膨胀力存在各向异性，垂直压实方向膨胀力小于平行压实方向膨胀力；秦冰等9利用改进的三向胀缩仪研究高庙子钠基膨润土的三向膨胀力特性与干密度、初始吸力的关系，膨润土的膨胀力在垂直压实方向上小于平行压实方向，两者之比随干密度增大而减小并趋于稳定；陈永贵等10利用自主研制的膨胀力测试仪器研究圆饼状高庙子膨润土试样初始干密 收稿日期：2022 09 27基金项目：国家自然科学基金项目：在围岩裂缝与缓冲材料交界处地下水对膨润土的侵蚀作用研究（41372270）；内蒙古自治区交通运输厅建设科技项目（NJ-2015-13）作者简介：曹帅（1998），男，山东济宁人。硕士研究生，研究方向：岩土工程。E-mail：。曹 帅，等：高压实膨润土膨胀渗透各向异性研究 7 度、初始吸力和尺寸效应对其膨胀力各向异性特征的影响，随着试样初始干密度增加，膨胀力各向异性愈加显著，且试样尺寸对膨胀力有明显影响，膨胀力各向异性随试样高度增加逐渐减弱。Kawaragi C 等11利 用 CT 技 术 研 究 饱 和Wyoming 膨润土的微观结构与水力渗透的联系，通过变水头法分别测定平行和垂直层理方向取样的膨润土渗透系数，得到平行和垂直层理方向的渗透系数分别为 1.121012、1.591012 m/s，平行层理方 向 渗 透 性 略 小 于 垂 直 层 理 方 向；Suzuki S等12对压实膨润土的渗透各向异性研究表明，蒙脱石含量越高，膨润土试样在垂直压实方向的渗透系数远大于平行压实方向的渗透系数。目前，高压实膨润土各向异性试验所用试样几何形状分为立方体状试样、圆饼状试样两类，这两类装置均在试样的平行压实方向与垂直压实方向上设有压力传感器，在膨胀力试验中可同时采集两个方向上的膨胀力发展数据。然而，这两类试验装置均存在一定的局限性。对于立方体状试样试验装置来说，当试样尺寸过大时，土体难以完全饱和；尺寸过小，则对试验结果影响较大，尺寸效应明显。对于圆饼状试样试验装置来说，水化不均匀导致垂直压实方向上膨胀力数据采集点的数据代表性较差，不能反映试样整体膨胀情况。同时，由于两类试验装置均是在试样侧表面设有传感器，不利于开展渗透各向异性试验。此外，高庙子（GMZ）膨润土作为我国特有的高放废物处置库预选缓冲/回填材料，其黏土成分及特性与国外用作缓冲/回填材料的其他膨胀性黏土也有较大差别。本文拟采用从不同方向压实制备的方饼形试样开展试验，借助自主研制的方形渗压仪试验研究干密度对 GMZ 膨润土块膨胀与渗透各向异性的影响规律，获取膨胀力、渗透系数的各向异性参数；并从膨胀机理、压实效应等方面分析高压实 GMZ 膨润土的膨胀与渗透各向异性产生原因，为我国高放废物地质处置库的缓冲/回填材料制备和工程屏障安全设计施工提供有益的参考。1 试验材料与方法 1.1 试验材料及试样制备试验采用内蒙古高庙子（GMZ）钠基膨润土，主要矿物成分为蒙脱石、石英、方石英、长石，质量百分含量依次为 75.4%、11.7%、7.3%、4.3%。方饼形试样尺寸 50 mm50 mm，高 10 mm。较小的试样高度，有利于试样较快和充分完成水化饱和。GMZ 膨润土的矿物成分与物理化学性质13，见表 1。在实验室条件下为灰白色粉末状，初始含水率 10.5%。表1GMZ 膨润土的矿物成分与物理化学性质密度/（gcm3）液限/%塑限/%总比表面积/（m2g1）主要可交换离子容量/（mmol（100 g）1）主要矿物质量分数/%2.6627637570Na+(43.36)，Ca2+(29.14)，Mg2+(12.33)，K+(2.51)蒙脱石(75.40)，石英(11.70)，方石英(7.30)，长石(4.30)采用不同压制方法制备两种不同试样，即平行压实方向试样和垂直压实方向试样，见图 2。平行压实方向试样的压制为一次压实，模具底面尺寸50 mm50 mm，压实方向与底面垂直，成型试样高度 10 mm。（a）平行压实方向（b）垂直压实方向图2不同压实方向制备的膨润土试样 垂直压实方向试样分 5 层压制，模具底面尺寸为 10 mm50 mm，每层压制厚度 10 mm，成型试样总厚度 50 mm，见图 3。图3垂直压实方向试样放入方形渗压仪 1.2 试验装置采用自主研制由方形渗压仪、无纸记录仪、压力/体积控制器（PVC）组成的膨胀渗透各向异性试验系统，见图 4。方形渗压仪利用螺杆将侧壁、底座、顶板及荷载传感器、活塞连接为整体，内部形成可放置 50 mm50 mm10 mm 方饼形膨润土试样的空腔。路基工程 8 Subgrade Engineering2023 年第 1 期（总第 226 期）数据采集设备方形渗压仪持续注水设备螺母活塞透水石阀门顶板传感器护壁膨润土试样 a 膨胀渗透各向异性试验系统 b 方形渗压仪大样图4膨胀渗透各向异性试验系统 1.3 试验方案制备平行压实方向与垂直压实方向的两组膨润土试样，每组试样有 4 个，干密度分别控制为 1.4、1.5、1.6、1.7 g/cm3。利用膨胀渗透各向异性试验系统开展试验，以研究干密度对膨润土的膨胀力、渗透性及其各向异性特征的影响规律。膨胀力试验：首先将方饼形试样置于方形渗压仪腔内，试样与刚性侧壁紧密接触，确保在刚性边界的约束下膨胀变形被限制，试样底面和顶面各放置滤纸和透水石；然后放置活塞并调节螺栓，使得荷载传感器与活塞轻微接触；打开进水阀门，通过 PVC 将蒸馏水注入仪器中，排净仪器底部的空气后关闭排水阀门；最后设置 PVC 注水压力，膨胀力试验开始。当试样膨胀力稳定较长一段时间后，可认为试样已充分水化，膨胀力试验结束。渗透试验：膨胀力试验结束后，提升 PVC 注水压力至 1 MPa，并维持水头压力不变，记录单位时间内注水量的变化，待单位时间内注水量稳定后，计算试样的渗透系数，渗透试验结束。2 试验结果 2.1 膨胀力时程曲线平行压实方向的膨胀力发展时程曲线，见图 5。不同干密度的膨润土试样在水化后，膨胀力曲线表现出不同程度的“双峰”结构形态。水化初期膨胀力迅速增大，初始干密度越大，膨胀力曲线的初始段越陡。试验开始 20 小时内，所有试样膨胀力均到第一个峰值，但达到峰值时间不同。第一峰值时间与试样底部部分达到饱和所需时间有关，主要取决于渗透系数大小。一般初始干密度越大其渗透系数越小，所以干密度较大的试样需要更长时间达到第一峰值。随着水化过程的进行，膨润土内部孔隙结构在膨胀力作用下逐渐调整，膨胀力出现小范围回落；随着水化反应的继续，膨胀力再次增大并达到第二峰值，直至稳定；表明试样完全水化饱和，稳定后的最终膨胀力值即为膨润土的膨胀力。12347560204060100801.4 g/cm31.5 g/cm31.6 g/cm31.7 g/cm3膨胀力/MPa时间/h图5不同干密度膨润土平行压实方向膨胀力发展时程曲线 干密度较小的试样，膨胀力调整幅度较大，膨胀曲线的“双峰”结构更明显。初始干密度大小对膨润土平行压实方向的膨胀力影响非常显著，初始干密度从 1.4 g/cm3逐渐增加到 1.7 g/cm3时，膨胀力由 0.68 MPa 快速增长至 6.18 MPa。垂直压实方向的膨胀力发展时程曲线，见图 6。曲线也呈现出典型的“双峰”形态。干密度较小试样，曲线的“双峰”特征更明显。试样的初始干密度对垂直压实方向膨胀力稳定值的影响也十分明显，膨胀力随初始干密度增加而显著增长。123450204060801.4 g/cm31.5 g/cm31.6 g/cm31.7 g/cm3膨胀力/MPa时间/h图6不同干密度膨润土垂直压实方向膨胀力发展时程曲线 2.2 膨胀力与干密度关系前人研究认为，膨胀力随干密度增加而快速增长与指数增长方式较为接近，宜采用指数函数对两种情形下的膨胀力-干密度关系进行拟合，并提出膨胀力与初始干密度拟合公式4,8,9,14。最具代表性的学者孙发鑫等4提出的 2 种不同方向上的膨胀力与干密度拟合公式为=AeBx（1）P/=0.00003e7.1782d（2）P=0.00006e6.6420d（3）xdP/P式中：为膨润土膨胀力；为初始干密度；A、B为膨润土的膨胀特性掺砂，该值由膨润土性质决定；为试样的初始干密度，g/cm3；、分别为平行压实方向膨胀力和垂直压实方向膨胀力，MPa。膨胀力与干密度关系，见图 7。曹 帅，等：高压实膨润土膨胀渗透各向异性研究 9 10234756膨胀力/MPa1.41.51.61.7干密度/gcm3 平行压实方向垂直压实方向指数 平行压实方向 指数 垂直压实方向 图7膨胀力与干密度关系 利用指数函数对平行、垂直压实方向膨胀力与干密度关系进行拟合，均取得较好的拟合效果，表明 GMZ 膨润土在两个方向上的膨胀力均随干密度增加而迅速增大，与指数增长方式类似，增长规律与文献 9 结果一致。2.3 膨胀力的各向异性P/PP在相同干密度条件下，始终大于，表明单向压实作用会使膨润土试样在平行与垂直压实方向上的膨胀力存在各向异性。两方向上的膨胀力差值随着干密度的增加而不断增大。秦冰等9提出垂直与平行压实方向膨胀力之比的概念，用以描述膨胀力各向异性程度，Saba S 等2将该比值定义为各向异性系数P=PP/（4）按照式（4）对试验结果进行处理，得到不同初始干密度下高压实 GMZ 膨润土的膨胀力各向异性系数，见图 8。各试样的膨胀力各向异性系数均小于 1，表明膨胀力具有各向异性4,6,8,9。各向异性系数随干密度变化可分为两个阶段：低干密度时曲线较平缓，表明各向异性变化不明显；随着干密度线性增加，曲线斜率越来越陡，各向异性增长幅度越来越大，即高压实 GMZ 膨润土膨胀力在两个方向上的差异有逐渐增大的趋势。0.70.80.91.41.51.61.7干密度/gcm3 各向异性系数P图8膨胀力各向异性系数与干密度关系 2.4 渗透性与干密度关系根据饱和渗透试验中注入膨润土试样中的渗流体积量，可得到单位时间内的渗流流量随时间变化规律，试样在平行压实方向与垂直压实方向上的单位时间渗流量，见图 9、图 10。无论在平行还是垂直于压实方向，膨润土的干密度越大其流速就越低，单位时间内流经膨润土的水流量均随时间发展逐渐降低，最终逐渐趋于稳定。102030405060700204060801001.4 g/cm31.5 g/cm31.6 g/cm31.7 g/cm3Q/t/（1013 m3s1）时间/h图9不同干密度膨润土平行压实方向单位时间渗流量 102030405060700204060801001.4 g/cm31.5 g/cm31.6 g/cm31.7 g/cm3Q/t/（1013 m3s1）时间/h图10不同干密度膨润土垂直压实方向单位时间渗流量 根据最终达到稳定后的渗流数据，按常水头渗透公式计算得到不同干密度膨润土在两个不同方向上的饱和渗透系数，见图 11。饱和渗透系数均呈现出随着干密度增大而减小的规律，但平行压实方向小于垂直压实方向上的值。随着干密度的增加，两个方向上的渗透系数不断降低，在干密度超过1.6 g/cm3后，减小趋势变缓。主要原因为，对于干密度较大的试样，在制备压实过程中所经受的压实能也较大，土体中的孔隙率和孔隙孔径相应减小，这导致试样中水的渗流变得更为困难。2E134E136E138E131E121.2E121.4E121.6E121.41.51.61.7平行压实方向垂直压实方向干密度/gcm3 渗透系数/ms1 图11渗透系数与干密度关系 2.5 渗透各向异性相同干密度条件下，试样垂直压实方向始终略大于平行压实方向上的饱和渗透系数，但随着干密路基工程 10 Subgrade Engineering2023 年第 1 期（总第 226 期）k/度的增加，差值逐渐减小。表明单向压实膨润土的渗透性在平行与垂直压实方向间存在各向异性特征，且各向异性特征与试样干密度有关。如定义平行压实方向上的渗透系数为，垂直压实方向上的渗透系数为 k，参照膨胀力各向异性定义渗透性各向异性系数 kk=kk/（5）对试验结果进行计算可得到不同干密度膨润土的渗透性各向异性系数，见图 12。随着干密度的增加，膨润土渗透性各向异性系数呈现减小趋势，其量值始处在 1.20 附近。因膨润土饱和渗透系数很小，垂直压实方向与平行压实方向渗透性差别并不明显，因此可认为干密度对膨润土渗透性各向异性特征影响不大。1.11.21.31.41.51.61.7干密度/gcm3 各向异性系数k图12渗透各向异性与干密度关系 3 分析与讨论膨润土的膨胀和渗透等宏观特性与其微观结构密切相关。膨胀力各向异性本质上是蒙脱石片层的优势取向问题，试样中含有大量的蒙脱石片层和层叠体，每个片层或层叠体均具有一个取向，所有蒙脱石取向组成土体取向的集合，而土体表现出的膨胀各向异性实质上是这些土颗粒优势取向综合的结果，土颗粒的取向与土体压缩方式（即应力情况）有关15。在单向压缩的过程中，土体受到的各向异性应力会使多数蒙脱石片层偏向垂直于压实应力方向排列，而膨润土的膨胀以蒙脱石片层间距扩大为主，这种颗粒排列方式导致膨胀力表现出各向异性。低干密度试样，颗粒与颗粒之间存在较多的大孔隙与缝隙，颗粒片层多为松散堆积状，蒙脱石颗粒通过滑移旋转调整较为容易，片层的取向随机性较大，此时土体压缩以颗粒的滑移挤占孔隙调整为主，因而低干密度试样膨胀各向异性特征不明显。随着试样的干密度增加，土颗粒间密实度不断提高，试样中的大孔隙进一步压缩，孔隙不断被颗粒挤占，蒙脱石叠片滑移旋转调整逐渐变得困难，而试样所受到的压实应力迅速增大，迫使蒙脱石叠片沿垂直压实方向排列，叠片取向趋于一致，土体结构定向性较明显，试样的孔隙压缩逐渐以集合体内的层叠体间孔隙压缩为主，因而高密度膨润土试样的膨胀各向异性特征较低密度试样明显。张敏江、Prashant A、李文平等16-18在研究土体定向性后指出，土体所受的应力超过某一界限后，土颗粒方向性调整剧烈，土体定向性增长幅度明显。试验研究表明，GMZ 膨润土在干密度压缩至 1.51.6 g/cm3之间所对应的应力即为该界限。4 结语本文采用两种从不同方向压实制备的方饼形块状高压实 GMZ 膨润土试样，借助自主研制的方形渗压仪开展膨胀力试验与渗透试验，获取了膨胀力、渗透系数的各向异性参数及其与干密度的关系，并从膨胀机理、压实效应等方面分析了膨胀与渗透各向异性产生原因，得到结论：（1）平行压实方向与垂直压实方向膨胀力均随干密度增加而呈指数增长。（2）单向压实的膨润土试样其膨胀力具有各向异性特征，膨胀力在垂直压实方向始终小于平行压实方向，两者比值即膨胀力各向异性系数随干密度增加而降低，且当干密度超过 1.5 g/cm3时，膨胀力各向异性系数降低明显。（3）在垂直压实方向上的膨润土渗透系数略高于平行压实方向上的，但两者差异不大，表明单向压实作用对膨润土渗透各向异性特征影响不明显。参考文献(References)：1 SUN 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clays:comparison of bentonite曹 帅，等：高压实膨润土膨胀渗透各向异性研究 11 and purified calcium montmorillonite J.Applied Clay Science,2014,101:401 408.DOI:10.1016/j.clay.2014.08.015.6 胡畔,杨庆.膨润土加砂混合物膨胀特征试验研究 J.岩土力学,2012,33（2）:453 458.DOI:10.3969/j.issn.1000-7598.2012.02.022.HU P,YANG Q.Experimental study of swelling characteristics ofbentonite-sand mixture J.Rock and Soil Mechanics,2012,33（2）:453 458.DOI:10.3969/j.issn.1000-7598.2012.02.022.7 Lee J O,Lim J G,KANG I M,et al.Swelling pressures of compacted Ca-bentonite J.Engineering Geology,2012,129-130:20 26.DOI:10.1016/j.enggeo.2012.01.005.8 汪龙,方祥位,申春妮,等.膨润土-砂混合材料三向膨胀力试验研究 J.地下空间与工程学报,2015,11（4）:940 945.WANG L,FANG X W,SHEN C N,et al.Three-dimensional swellingpressure characteristic of bentonite-sand mixtures J.Chinese Journal ofUnderground Space and Engineering,2015,11（4）:940 945.9 秦冰,陈正汉,刘月妙,等.高庙子膨润土 GMZ001 三向膨胀力特性研究 J.岩土工程学报,2009,31（5）:756 763.DOI:10.3321/j.issn:1000-4548.2009.05.019.QIN B,CHEN Z H,LIU Y M,et al.Characteristics of 3D swellingpressure 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increases exponentially with the increase of dry density in both compaction directions,paralleland perpendicular.The swelling pressure of unidirectional compacted bentonite samples is anisotropic,and theswelling pressure in the perpendicular compaction direction is always smaller than that in the parallel compactiondirection.The anisotropy coefficient of swelling pressure decreases with the increase of dry density,and when thedry density exceeds 1.5 g/cm3,the anisotropy coefficient decreases remarkably.The permeability coefficient ofbentonite in the perpendicular compaction direction is slightly higher than that in the parallel compactiondirection,but the difference is little,which indicates that unidirectional compaction has no remarkable effect onthe permeability anisotropy of bentonite.Keywords:bentonite；compaction effect；swelling pressure；permeability；anisotropy路基工程 12 Subgrade Engineering2023 年第 1 期（总第 226 期）