劉 力， 萬 旭 升*， 王 智 猛， 邱 恩 喜， 龔 富 茂， 鐘 昌 茂， 吳 松 波

( 1.西南石油大學(xué) 土木工程與測繪學(xué)院， 四川 成都 610500；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 四川 成都 610031 )

0 引 言

特殊土在工程建設(shè)中比較常見，其特有的性質(zhì)和危害給工程建設(shè)帶來了不少困難.鹽漬土作為一種特殊土，是指易溶鹽含量大于0.3%，并具有溶陷、鹽脹和腐蝕等工程特性的巖土，它在我國分布范圍很廣，尤其是西北干旱地區(qū)[1].鹽漬土的鹽脹融沉引發(fā)的基礎(chǔ)工程問題嚴(yán)重制約了該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展.土的滲透性是土體評(píng)價(jià)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，滲透系數(shù)則是衡量土體滲透性能的一項(xiàng)重要指標(biāo).研究鹽漬土的滲透系數(shù)對防治和改良其病害有著重要的意義.

土體滲透系數(shù)的影響因素有很多，王雙等[2]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究了碎石土級(jí)配特征對滲透系數(shù)的影響，而Shafiee[3]、朱崇輝等[4]研究了混合黏土的級(jí)配對滲透系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)顆粒的圓度越差，滲透系數(shù)越大.邵龍?zhí)兜萚5]提出了一種滲透系數(shù)的測量方法并給出了經(jīng)驗(yàn)預(yù)測公式.Zhou等[6]、鄧友生等[7]、孫大松等[8]通過室內(nèi)試驗(yàn)，得出了滲透系數(shù)與干容重、土顆粒大小和所受固結(jié)壓力的關(guān)系，并推導(dǎo)了非飽和土滲透系數(shù)的理論表達(dá)式.然而，滲透系數(shù)的測定非常依賴于儀器設(shè)備，由不同儀器設(shè)備測量而得到的結(jié)果區(qū)別較大，目前還沒有建立鹽漬土滲透系數(shù)理論模型.在土的滲透改良研究方面，張登武等[9]發(fā)現(xiàn)硫酸鹽水泥、石灰和粉煤灰不同比例的配合對鹽漬土的改良效果比單獨(dú)使用其中任何一種好，所以對其進(jìn)行了凍融試驗(yàn)和滲透試驗(yàn).用混合料改良后，鹽漬土的滲透性很小.米海珍等[10]研究了石灰土、二灰土和水泥土3種改良土的滲透性能，得出了防滲土料摻入料的最佳配比.隨著納米材料的興起，很多學(xué)者都嘗試?yán)眉{米材料進(jìn)行改性研究，Ren等[11]、Rong等[12]、陳學(xué)軍等[13]通過一系列試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)新型納米材料可以改變土體的物理性質(zhì)，納米材料(納米二氧化硅、納米碳酸鈣)可以提高黏土的單軸抗壓強(qiáng)度和液塑限，減小其平均孔徑，提高水泥抗壓抗折強(qiáng)度并影響紅黏土黏聚力、內(nèi)摩擦角和抗剪強(qiáng)度，從而改變材料的強(qiáng)度特性.雖然微納米材料在很多工程領(lǐng)域都有了應(yīng)用成功的經(jīng)驗(yàn)，但關(guān)于其對鹽漬土滲透性能影響的研究并不多見.

本文針對鹽漬土滲透模型不健全及滲透特性改良方面存在的問題，通過建立顆粒級(jí)配曲線與孔徑分布的關(guān)系，借助土水特征曲線建立滲透系數(shù)計(jì)算模型.并通過室內(nèi)滲透試驗(yàn)，研究添加微納米材料(納米二氧化硅、納米碳酸鈣和相變材料)后硫酸鈉鹽漬土滲透性能.進(jìn)一步探究鹽漬土中溶液遷移機(jī)理和滲透特性改良機(jī)理，以期為鹽漬土地區(qū)工程實(shí)踐提供一定的參考依據(jù).

1 理論研究模型

從微觀孔隙角度出發(fā)，將土水特征曲線作為反映土體孔隙通道的間接指標(biāo)，陶高梁等[14]建立了飽和土的滲透模型：

(1)

式中：ks為飽和土的滲透系數(shù)；ρw、g為水的密度和重力加速度(各取1 000 kg/m3、9.8 m/s2)；σ為表面張力，25 ℃時(shí)取0.072 N/m；α為接觸角(飽和土可取α=0°)；τ為孔隙通道實(shí)際長度與土樣長度的比值，即迂曲度，可視為常數(shù)2[15]；μ為水的黏度，25 ℃時(shí)取0.893 7×10-3Pa·s；ψm為基質(zhì)吸力(kPa)，其表達(dá)式為

ψm=2σcosα/r

(2)

其中r為孔隙半徑；θmax、θmin分別為最大(飽和)和最小體積含水率.

考慮到鹽漬土中含有鹽分，土體中不僅存在基質(zhì)勢，還會(huì)存在溶質(zhì)勢.當(dāng)含鹽量較高時(shí)，溶質(zhì)勢不可忽視，所以將式(2)中ψm項(xiàng)修正為土水勢ψ，其表達(dá)式為

ψ=ψm+ψs

(3)

ψs為溶質(zhì)勢，在常溫條件下，假定鹽分充分溶解到孔隙水中，則溶質(zhì)勢可表示為[16]

ψs=ρwRTlnaw/Mw

(4)

其中R為氣體常數(shù)，取8.314 J/(mol·K)；T為溫度(K)；Mw為水的摩爾質(zhì)量，取18 g/mol；aw為鹽溶液中的水分活度[17-21].故飽和土的滲透模型可修正為

(5)

土體中孔隙分布特征是決定其滲透性的關(guān)鍵.利用分形理論研究多孔介質(zhì)孔隙分布是一種好方法，但是對于土體而言，更簡潔有效的方法是從粒度分布的角度去研究孔隙分布，采用孔徑、含水量與粒度分布的關(guān)系[22]：

(6)

式中：ri為第i個(gè)粒度組所對應(yīng)的孔隙半徑；e為土體孔隙比；γ為尺度參數(shù)，取1.4[22]；Ri為第i個(gè)粒度組的平均粒徑；ni為第i個(gè)粒度組的顆粒數(shù)量，可用下式計(jì)算：

(7)

其中wi為顆粒曲線中第i個(gè)粒度組含量，ds為土粒相對密實(shí)度.對顆粒級(jí)配曲線劃分微段，可建立wi與Ri的關(guān)系，具體如圖1所示.

圖1 土顆粒粒徑分布曲線劃分

(8)

式中：θi為小于第i個(gè)粒度組尺寸的累積體積含水率；Φ為土體孔隙率；Sw為飽和含水量測量值與孔隙率理論值的比值，取1.

對于特定孔隙半徑ri而言，其土水勢可由下式計(jì)算：

(9)

為了建立含水量與土水勢的關(guān)系，首先通過顆粒級(jí)配曲線建立不同粒徑與其對應(yīng)含水量之間的關(guān)系，然后基于孔徑與粒徑的半經(jīng)驗(yàn)公式建立不同孔徑與對應(yīng)含水量的關(guān)系，進(jìn)而得到土水特征曲線.具體步驟如圖2所示.

圖2 變量關(guān)系圖

2 試驗(yàn)與方法

2.1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)用土取自甘肅蘭州地區(qū)，取土深度為0.5～1.0 m，土性為粉質(zhì)黏土，土樣基本物理性質(zhì)見表1，土樣粒度分布如圖3所示.摻加的微納米材料為納米二氧化硅、納米碳酸鈣和相變材料，3種材料外形均為白色粉末，粒徑分別為(30±10) nm、40～80 nm和1～50 μm.納米二氧化硅比表面積150～300 m2/g，含量≥99.5%，堆積密度0.057 g/cm3.納米碳酸鈣主含量>97%，pH 8.0～11.0，沉降體積>2.4 mL/g.相變材料為保溫材料，主要成分為改性芯材、甲苯二異氰酸酯、聚乙二醇，相變熱165 J/g.本次試驗(yàn)采用人工配制硫酸鈉鹽漬土，以消除試驗(yàn)差異并控制土樣含鹽量.試驗(yàn)用土經(jīng)過脫鹽、烘干、碾碎和過篩，最后進(jìn)行密封保存.

表1 土樣基本物理性質(zhì)

圖3 土樣顆粒級(jí)配曲線

本次試驗(yàn)采用變水頭滲透試驗(yàn)方法，試驗(yàn)裝置為TST-55型滲透儀，如圖4所示.滲透容器由環(huán)刀、透水石、套環(huán)、上蓋和下蓋組成，環(huán)刀內(nèi)徑61.8 mm、高40 mm，透水石的滲透系數(shù)大于0.001 cm/s；變水頭裝置由滲透容器、變水頭管、供水瓶、進(jìn)水管等組成，變水頭管內(nèi)徑6.6 mm、長2.0 m，滿足《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[23]的要求.

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)土樣設(shè)置含鹽量為0、1%、2%、3%和4%，由此探尋含鹽量對土樣滲透性的影響規(guī)律.

圖4 TST-55型滲透儀

再取高含鹽量(3%)土樣，分別摻加不同含量(1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%)的納米二氧化硅、納米碳酸鈣和相變材料.文中涉及含量的數(shù)據(jù)均為質(zhì)量分?jǐn)?shù).

制樣時(shí)，控制土樣含水量為18.5%，首先按計(jì)算數(shù)據(jù)配制硫酸鈉鹽溶液，需要摻加摻料時(shí)，先將稱量好的土和摻料充分混合后，再均勻地噴入鹽溶液，將鹽溶液和土樣充分拌和，裝入密封袋并放置于25 ℃恒溫箱中穩(wěn)定24 h，進(jìn)一步使鹽溶液和土樣均勻混合.裝樣時(shí)取試樣干密度為1.6 g/cm3.記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，需要同時(shí)記錄時(shí)間、水柱高度和出水溫度，當(dāng)水柱下降一定高度(大于10 cm)后再次記錄.最后改變水柱高度，對同一試樣重復(fù)5次試驗(yàn)，以便計(jì)算得出滲透系數(shù)平均值，減小試驗(yàn)誤差.其余具體試驗(yàn)方法和步驟均按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行.試驗(yàn)裝置簡圖如圖5所示.

圖5 試驗(yàn)裝置簡圖

試驗(yàn)過程中鹽溶液不斷填充孔隙進(jìn)而發(fā)生滲流，故在計(jì)算過程中可認(rèn)為土樣是飽和的.不同含鹽量土樣對應(yīng)鹽溶液濃度見表2.

由于土樣孔隙在滲流過程中不斷填充，可近似認(rèn)為有水流流出時(shí)為飽和狀態(tài)，可根據(jù)式(1)～(4)計(jì)算鹽漬土滲透系數(shù).

表2 不同含鹽量土樣對應(yīng)鹽溶液濃度

處理數(shù)據(jù)時(shí)按變水頭滲透系數(shù)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算[18].

(10)

式中：a、A分別為變水頭管和土樣的斷面面積(cm2)；2.3為ln和lg的變換因數(shù)；L為滲徑，即試樣高度(cm)；t1、t2分別為測讀水頭的起始和終止時(shí)間(s)；H1、H2分別為起始和終止水頭.

按照式(10)計(jì)算得出滲透系數(shù)，進(jìn)行溫度校正后對3個(gè)在允許誤差值范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)取平均值，作為一個(gè)試樣在標(biāo)準(zhǔn)水溫(20 ℃)下的滲透系數(shù).

2.3 顆粒級(jí)配劃分方法

R2=0.999 6

(11)

為了獲取高精度，需要土顆粒級(jí)配曲線擬合函數(shù)，對土顆粒粒徑取對數(shù)之后再按間隔0.065分組，即

lgRi-1=lgRi-0.065

(12)

對土顆粒粒徑取對數(shù)后再進(jìn)行均勻分組，所得土顆粒含量分布與試驗(yàn)值非常接近，如圖6所示.

圖6 土顆粒含量擬合曲線

3 結(jié)果與分析

3.1 土水勢影響因素

修正后土水勢、溶質(zhì)勢與水分活度的關(guān)系如圖7所示.由圖7(a)可知，溶質(zhì)勢隨著水分活度增大而增大；由圖7(b)可知，土水勢隨著含水量增加而降低，當(dāng)土體含水量較低時(shí)，溶質(zhì)勢對土水勢的影響較小，當(dāng)土體趨于飽和時(shí)，溶質(zhì)勢對土水勢的影響較明顯.

(a) 溶質(zhì)勢與水分活度的關(guān)系

(b) 不同水分活度土水勢與含水量的關(guān)系

3.2 滲透系數(shù)與含鹽量的關(guān)系

試驗(yàn)測試并計(jì)算得出最終滲透系數(shù)，取其平均值的數(shù)據(jù)點(diǎn)繪制成圖，從圖8中可以看出，在同一干密度下，隨著含鹽量的增加，鹽漬土的滲透系數(shù)呈減小趨勢，與鄧友生等[7]所得結(jié)論保持一致.

試驗(yàn)中蘭州粉質(zhì)黏土滲透系數(shù)首先隨著含鹽量的增加大幅度降低，當(dāng)含鹽量大于2%后，其滲透系數(shù)隨著含鹽量的變化很小.通過計(jì)算值與試驗(yàn)值對比可知，本文修正的計(jì)算模型可較好地計(jì)算硫酸鈉鹽漬土滲透系數(shù).土樣滲透系數(shù)隨含鹽量增加而減小，是因?yàn)榱蛩徕c鹽的存在降低了鹽漬土土水勢，而當(dāng)含鹽量較高時(shí)，鹽分達(dá)到飽和狀態(tài)致使其水分活度基本不變.但是高含鹽量硫酸鈉鹽漬土中部分鹽晶體的析出會(huì)造成土中孔隙減小，致使?jié)B透系數(shù)微弱減小從而降低了土體滲透特性.

圖8 含鹽量對鹽漬土滲透系數(shù)的影響

3.3 微納米材料對鹽漬土滲透系數(shù)的影響分析

微納米材料對鹽漬土滲透系數(shù)影響如圖9所示.納米二氧化硅和相變材料可以降低鹽漬土的滲透系數(shù)，并隨著摻量增加，滲透系數(shù)降低更多，摻加相變材料的鹽漬土其滲透系數(shù)變化幅度較大.低摻量時(shí)，摻加相變材料的鹽漬土與無摻加土樣的滲透系數(shù)相差范圍很小，而摻加納米二氧化硅后的土樣滲透系數(shù)則比無摻加時(shí)明顯減小.當(dāng)摻量大于2.5%時(shí)，摻加兩種材料后的滲透系數(shù)相差不大，均比無摻加時(shí)有明顯減小.摻料為納米碳酸鈣時(shí)，隨摻量增加，土樣滲透系數(shù)總體呈上升趨勢，摻量為1.0%時(shí)，其滲透系數(shù)比無摻加時(shí)有微量減小，其余摻量對土樣滲透系數(shù)均為增加作用.

圖9 各摻料對3%含鹽量鹽漬土滲透系數(shù)的影響

摻加納米材料后，相當(dāng)于降低了土樣的初始含水量，在摻料適量添加后，納米材料形成團(tuán)聚體，起到較好的填充作用，如圖10所示.由于納米二氧化硅堆積密度較小，隨著其摻量增加，土樣密度減小，從而滲透系數(shù)變小減緩.納米碳酸鈣作為親水材料在用量增大后，表面活化劑的浸潤和增塑作用更加顯著，加大了納米粒子的流動(dòng)分散[24]，而且納米碳酸鈣納米級(jí)的較細(xì)粒徑，表面能高，具有較強(qiáng)的吸附作用，變相減小了試樣含鹽量，使得試樣的滲透系數(shù)增大；隨著滲流進(jìn)行，在吸附作用影響下含鹽量增大，使得試樣滲透系數(shù)減小.當(dāng)相變材料的摻量較低時(shí)，相變材料會(huì)釋放熱量，在一定程度上影響土樣內(nèi)部溫度從而減小水的黏滯系數(shù)，使?jié)B透系數(shù)增大.作為疏水材料的相變材料，在大量添加后起到了較好的填充作用，有效降低了滲透系數(shù).

(a) 未添加納米材料

(b) 添加納米材料

但是，當(dāng)土體含水量較低時(shí)，溶質(zhì)勢對土水勢的影響較小，故在非飽和土滲透系數(shù)的計(jì)算中可忽略溶液的影響.本研究中未考慮環(huán)境溫度變化對硫酸鈉鹽漬土滲透特性的影響，對硫酸鈉鹽漬土而言，在溫度降低時(shí)會(huì)生成十水硫酸鈉晶體引發(fā)土體鹽脹，故鹽脹變形引發(fā)的孔隙變化對土體滲透特性的影響會(huì)在以后的工作中繼續(xù)探究.

4 結(jié) 論

(1)隨著土體趨于飽和，溶質(zhì)勢對土水勢的影響越來越大，故針對飽和鹽漬土滲透系數(shù)進(jìn)行土水勢修正極為必要；推導(dǎo)得到的飽和鹽漬土滲透系數(shù)計(jì)算模型的計(jì)算值與試驗(yàn)值接近，該模型符合飽和硫酸鈉鹽漬土滲透系數(shù)的變化規(guī)律.

(2)當(dāng)含鹽量在4%以內(nèi)時(shí)，硫酸鈉鹽漬土中土水勢隨著含鹽量的增加而逐漸減小.同樣，滲透系數(shù)隨著含鹽量的增加逐漸減小，當(dāng)含鹽量大于2%后，滲透系數(shù)變化很小.

(3)對于高含鹽量硫酸鈉鹽漬土，摻加納米二氧化硅和相變材料可以降低滲透系數(shù)，隨摻量增加滲透系數(shù)減小更多.當(dāng)納米碳酸鈣摻量大于1%后，滲透系數(shù)隨著其含量的增加而大幅度增加.硫酸鈉鹽漬土滲透系數(shù)隨著相變材料的增加先增大后減小，當(dāng)摻量大于2.5%后變化很小.