1、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
2、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
3、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
4、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
5、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（19
6、98），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
7、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
8、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
9、.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)，C
10、a2+(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
11、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
12、.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
13、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
14、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
15、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
16、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