[科普中國]-飽和粘土

簡介基本特點

盡管不同學(xué)者對粘土礦物的內(nèi)涵有著不同的理解，但總體上說，粘土礦物是一類顆粒細(xì)小(粒徑一般小于)、具有層狀結(jié)構(gòu)的水鋁或水鎂硅酸鹽礦物。一般包括伊利石族、高嶺石族、蒙脫石族、葉臘石族及滑石族等，常見的粘土礦物化學(xué)組成成分見下表所示。

固結(jié)壓力的影響無論垂直面還是水平面，土顆粒多呈橢球狀。對于原狀土樣，水平面、垂直面的形狀系數(shù)比多在1.2之間。但隨著固結(jié)壓力的增大，水平面的形狀變化不顯著，仍以1.5-2.0之間居多；但較圓的顆粒逐漸被壓扁，取而代之的是形成狹長且扁的顆粒。統(tǒng)計結(jié)果表明其不顯著，這可能是由于在加載過程中，水平面上的顆粒發(fā)生轉(zhuǎn)動促使水平面形成較圓滑的顆粒。對于垂直面，這種現(xiàn)象表現(xiàn)得較為明顯，即隨著固結(jié)壓力的增大，顆粒越來越呈現(xiàn)橢球狀，由初始的系數(shù)比1.0-2.0變化到2.5-3.0，且當(dāng)荷載為800 kPa時，狹長而扁的顆粒數(shù)量急劇增多。土團粒被壓扁，這種現(xiàn)象也和前面各向異性特性表現(xiàn)出很好的一致性。

隨著固結(jié)壓力的增大，垂直面和水平面顆粒的平面面積在逐漸減小，顆粒的等效直徑逐漸減小。這說明在壓縮工程中，較大的顆粒(集合體)逐漸壓扁，甚至壓碎或集合體之間的聯(lián)結(jié)斷裂形成很多較小的顆粒。1

飽和粘土的滲透特性在飽和粘土的固結(jié)理論和滲流計算中, 一般都沿用達西（Darcy）滲透定律,即滲透速度。與水力比降落間呈直線關(guān)系, 以下式表達:

式中, k—滲透系數(shù)但是達西定律是以干凈砂子的滲透試驗成果為依據(jù)而建立起來的經(jīng)驗關(guān)系對于飽和粘性土, 特別是在小水力比降下, 其滲透規(guī)律是否同樣遵守達西定律, 長期以來雖有許多人做過研究, 但所得結(jié)論卻各不相同歸納起來, 大致有以下幾種意見:

1.遵守達西定律, v-i關(guān)系為通過原點的直線,如圖a。有人還認(rèn)為所報導(dǎo)的偏離達西定律的試驗成果中, 有些可能是試驗誤差所帶來的虛假現(xiàn)象.

2.偏離達西定律, 并存在一界限比降, 在水力比降小于該界限值時不發(fā)生滲透, 如圖b, 該界限比降稱為起始比降。

3.偏離達西定律, 但不存在起始比降, 在小比降時v-i呈曲線關(guān)系, 如圖c, 并建議用另外的經(jīng)驗公式代替達西定律的表達式.

已有人將后兩種非達西的滲透規(guī)律用于固結(jié)理論和砂井設(shè)計等方面, 得出和古典固結(jié)理論極不相同的結(jié)果同時, 土體強度和滲流理論也都與其滲透特性密切相關(guān)因此, 飽和粘土滲透特性的研究在土力學(xué)中理應(yīng)占有相應(yīng)位置, 但土力學(xué)工作者研究這一課題的卻甚少.

我們認(rèn)為飽和粘土在小比降下非達西滲透現(xiàn)象的原因是多方面的, 有試驗誤差引起的虛假現(xiàn)象, 也有粘土中滲透水流的固有屬性, 如土中水的非牛頓性狀、水土體系中的電動現(xiàn)象、滲透過程中土孔隙體積和尺寸的變化等.為了更好地研究飽和粘土的滲透特性, 有必要研制一種能排除各種試驗誤差造成的影響, 使試驗成果更能反映粘土滲透固有屬性的滲透儀器這種儀器應(yīng)能滿足如下基本要求.

1.整個系統(tǒng)應(yīng)該是密閉的, 使測流、測壓都不受蒸發(fā)的影響

2.能保持常水頭, 并能在小比降下進行試驗及取得穩(wěn)定可靠的試驗成果。

3.能在土樣內(nèi)施加倒壓力, 以保證其完全飽和。

4.土樣與盛土環(huán)間應(yīng)密切貼合, 不能有接縫漏水, 并便于在試驗過程中隨時檢查。

5.應(yīng)在恒溫條件下進行試驗, 以避免因溫度變化而造成的影響

參照已有的粘土滲透試驗設(shè)備 , 相關(guān)學(xué)者在1965年設(shè)計和制造了一種粘土滲透試驗裝置見圖, 它能滿足以上要求, 使用效果良好該試驗裝置是由滲透儀容器、上下游平水盤、測流與測壓管以及施加孔隙壓力的設(shè)備等四部分組成的。2

深厚飽和粘土的物理性質(zhì)特征粘土的狀態(tài)(1) 埋深因素：埋深越深，正常情況粘土所受的重力就越大，則固結(jié)程度越高，就越易成為半固結(jié)或堅硬狀態(tài)。

(2) 沉積年代因素：在華東地區(qū)新生界地層一般統(tǒng)稱為松散層。近期研究認(rèn)為深厚松散層一般由二個地質(zhì)年代的沉積物構(gòu)成即上第三系地層和第四系地層?；幢钡V區(qū)朱仙莊礦井田松散層平均厚度為245m。其中，第二系地層厚96.94-156.9m.，由鈣質(zhì)粘十，粉質(zhì)粘七，砂層和砂礫層組成。第四系地層厚120-145m,由粘士，粉質(zhì)粘土和砂層組成根據(jù)文獻,魯西南地區(qū)上第二系硬粘土,深埋大于169m，是典型的超固結(jié)、裂隙性和膨脹性硬粘。一般而言，土的沉降年代越久，固結(jié)程度越高，則越易形成半固結(jié)或堅硬狀態(tài)。然而從土工試驗結(jié)果如右圖，在液性指數(shù)隨沉積年代長久而下降的大趨勢卜，第三、第四系地層的分界面并不與粘上的半固結(jié)或堅硬狀態(tài)的分界面一致。表明粘土的狀態(tài)還受其他因素的影響。

3） 松散含水層孔隙水壓力的影響。深厚松散層一般是由以粘土、砂質(zhì)粘土為主組成的隔水層(組)與以砂層、砂礫層為主的含水層(組)交互積沉構(gòu)成的這些含水層最上面的含水層一般受人氣降水的影響為潛水含水層下面的含水層為承壓含水層，有些受大氣降水的影響，水位變化。有的則長期保持穩(wěn)定。3

粘土的密度深部與淺部粘土的工程類型沒有明顯的區(qū)別?？萃林饕荂L和CH類型.黏土深部與淺部在狀態(tài)上有十分明顯的差異。主要代表指數(shù)是液性指數(shù)，隨埋深增大而減小。在深部枯土的液性指數(shù)逐漸小于“0"。據(jù)此，將黏土分為淺部粘上、中深粘十和深部粘土。這也是深部枯土具有固結(jié)變形小，離層現(xiàn)象，集中水平變形和裂隙的基本原因。為深 人 細(xì) 致地研究深部土，建議對IL小于零的粘土狀態(tài)進一步定義為弱半固結(jié)土和強半固結(jié)土。提出了深部粘土可固結(jié)厚度的概念，并給出了計算公式認(rèn) 識 到 粘士的密度有隨埋深增大的趨勢通過 對 深 部粘土物理性質(zhì)的基礎(chǔ)研究，為進一步研究深部粘十的力學(xué)比質(zhì)、滲透、固結(jié)、采動影響變形特證和環(huán)境工程效應(yīng)打下良好的基礎(chǔ)。3