微电场效应对土体渗透的影响范文

本站小编为你精心准备了微电场效应对土体渗透的影响参考范文，愿这些范文能点燃您思维的火花，激发您的写作灵感。欢迎深入阅读并收藏。

《桂林理工大学学报》2016年第四期

摘要:

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。

关键词:

人工土;微电场效应;渗透特性;微观机理

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61.8mm、高20mm、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200kPa，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。图1为各浓度孔隙液下，人工土试样渗流固结试验(σ=200kPa)得到的压缩量与时间关系曲线(即槡d－t曲线)，用时间平方根法求出相应的固结系数进而求出渗透系数及均值。其中，将浓度n=0mol/L(即蒸馏水)试样的平均渗透系数记作kz，其余浓度试样的平均渗透系数按其浓度从小到大的顺序依次记为kv1、kv2、kv3和kv4，如表3所示。图2即为各人工试样kv/kz值随孔隙液浓度n变化的关系曲线。由人工土的渗流固结试验表明，极细颗粒粘土的渗流特性受孔隙液浓度的影响较显著，表现为:(1)在相同固结压力下(σ=200kPa，图1)，人工土的固结变形时程曲线形态与孔隙液浓度n密切相关，即n越大曲线越陡，压缩稳定所需时间越短，固结排水速度越快;反之，曲线越缓则固结排水速度越慢。(2)由表2、图2可知，各土样的渗透系数均随n增大而增大，且曲线呈现两端平缓中间陡峭态势，表明n越大则渗流的微电场效应越明显，且孔隙液浓度在中间段(如n=0.1～1mol/L)时，土样渗透系数的增速较快。kv/kz值的增幅随着膨润土相对含量的增加而减小，在n=8.3×10－1mol/L下，各土样的kv/kz值分别为5.2(100%膨润土)、13.3(66.7%膨润土)、21.9(50%膨润土)和55.9(33.3%膨润土)。

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、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对表4中不同矿物成分人工土样的表面电位ψ0比较后可以发现: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，从而影响其宏观渗流特性。在不同孔隙液浓度时，粘土矿物成分对微电场效应的影响程度不同，从而对渗透特性的影响也不同。现将各浓度下混合土样的kv/kz值列于表5(土样的kv与kz具体值见表3)。可见，随着孔隙液浓度的提高，各土样的渗透系数比值增长。其中，膨润土含量较高时，土样的kv/kz值相对较小，反之，高岭土含量较高时，kv/kz值较大，kv/kz值越大则说明微电场效应越明显。可以从两种粘土矿物表面吸附的结合水含量角度进行分析，由于膨润土具有内、外比表面，其理论总比表面积接近800m2/g(内比表面积占80%以上)，而高岭土的总比表面积为10～20m2/g［2］，可以认为比表面积越大其表面带电现象越明显，吸附的结合水膜越厚。当孔隙液浓度改变时，粘土颗粒表面吸附结合水膜的能力也相应发生改变。当土样中高岭土含量较高时，土样整体孔隙较大，比表面积较小，吸附的结合水膜厚度较小，颗粒间存在自由水而出现“渗孔”，孔隙液浓度增大使得“渗孔”扩大从而导致土样的渗透性显著提高;反之，当土样的膨润土含量较高时，土样整体孔隙较小，具有更大的比表面积，可以吸附较厚的结合水膜而相互重叠，自由水含量较少，当孔隙液浓度增大也不致出现自由水“渗孔”，因而浓度变化对渗透性的影响不明显。

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。

作者：周晖 房营光 梁健伟 谷任国 单位：华南理工大学 土木与交通学院 中国能源建设集团 广东省电力设计研究院有限公司