冻结粉质粘土声学特性与物理力学性质试验研究
摘 要：文章针对粉质黏土，运用四种不同的无机盐溶液，探讨了水土化学作用对土体渗透特性的影响。试验结果表明：随着无机盐溶液浓度的增大，颗粒表面的双电层被压缩，土颗粒间形成较大的架空孔隙，增大了土体的孔隙率，土体的渗透性增强。
关键词：粉质黏土；无机盐溶液；渗透性
前言
土的渗透性作为对土体的主要性质之一，对人类生产生活的影响是多方面的。例如，雨水可通过土体入渗以补充地下水，同时也可能将地表的污染带入到地下水中污染地下环境；工程建设活动的安全性也与土的渗透性密切相关，溃坝、垮坝、滑坡、隧道开挖中的失稳等均由土的渗透破环引起，据不完全统计，由于渗流破坏造成的堤坝病险约占54%。由此可见，探究土体的渗透性，不仅有助于我们采取有效的措施制止环境污染的扩散，而且能够帮助我们更好地控制建设活动领域的安全性，保护人民的生命及财产安全。
目前，国内外诸多学者开展了水土化学作用对土体渗透特性影响的试验研究。邓友生等[1]针对含盐黏土和砂土，通过室内试验探讨了不同含盐量和不同盐类黏土和砂土的渗透性；刘磊等[2]对土工合成衬垫的化学-渗透特性进行了讨论，发觉CaCl2溶液可使土工合成衬垫的渗透系数变大且其影响明显大于蒸馏水；Studds[3]通过研究盐溶液对膨润土-砂的混合土工程特性的影响发现，随着盐溶液浓度的提高，膨润土的水力传导率变大，且混合土中膨润土含量越高，土样的水力传导率越大。
上述文献大多探讨了黏土或者砂土的水力学特性，且使用的化学溶液较为单一，没有形成强烈的对比。本文主要针对粉质黏土研究中的不足，探讨了四种无机盐溶液对其渗透性的影响。
1 试验
1.1 试验材料
本次室内试验所采用的土体取自桂林市朝阳乡葛家村，取土深度为3m。其基本的物理性质指标如下：土粒相对密度为2.72，液限为27.6%，塑限为16.5%，塑性指数为11.1，细砂含量占23.53%，粉粒占42.69%，黏粒占30.21%。
本试验选用氯化钠、氯化钾、氯化钙和氯化镁分别调配成0.01 mol/L，0.05mol/L，0.1mol/L，1mol/L，2mol/L的溶液及去离子水来进行粉质黏土渗透特性的测试试验，分析无机盐溶液对土体渗透特性的影响。
1.2 试验过程
将低温烘干的粉质黏土加入一定量的去离子水调配并控制其含水率在12%±1%，随后利用千斤顶将其压制成干密度为1.7g/cm3的环刀样，采用抽气饱和法对压制好的环刀样分别使用去离子水或者预先调配好的浓度为0.01mol/L，0.05mol/L，0.1mol/L，1mol/L，2mol/L的四种不同的无机盐溶液进行饱和，为了使土体颗粒与溶液能够充分反应，须将环刀样密封静置饱和一个月后再进行变水头渗透试验。
1.3 试验结果与分析
如图1所示，反映了水化学环境的改变对粉质黏土在标准温度20℃下的渗透系数k20的影响。其中，每测得一种浓度下某种溶液的稳定渗透系数k20后便更换新的土样，以测得孔隙溶液浓度及组分的改变对粉质黏土渗透特性的影响。由图可以看出，1.7g/cm3干密度的粉质黏土饱和样在去离子水中的渗透系数k20为1×10-5cm/s，而被化学溶液侵蚀过的粉质黏土样的渗透系数k20明显大于去离子水饱和土样的渗透系数，且随着化学溶液浓度的增大，土样的渗透系数k20有不同程度的增大，当离子浓度在0～0.1mol/L的范围内时，k20的变化率最大，随着化学溶液的浓度逐步提高至2mol/L，土样的渗透系数k20逐步趋于稳定，但MgCl2溶液饱和土样的k20的变化率仍然增大。简而言之，相同浓度下不同组分的化学溶液对粉质黏土渗透系数的影响从大到小依次为：MgCl2溶液>CaCl2溶液>NaCl溶液>KCl溶液，换言之，在相同浓度下，同价阳离子半径较小的化学溶液使得粉质黏土渗透系数k20增大的较为明显，即渗透性提高的更为明显，且随着阳离子价位的增高，土样的渗透性增大的幅度更大。
粘土颗粒遇水后形成扩散双电层，当孔隙溶液为去离子水时，此时扩散层中的结合水数量最多，而在水化学条件发生改变的过程中，孔隙溶液的浓度增大，土颗粒表面的双电层被压缩，相当于土颗粒自身大小的减少，土颗粒之间相互接触后形成较大的架空孔隙，造成土体孔隙比的增大，当承受一定的附加应力后，土颗粒更容易发生滑移、塌陷，孔隙更易被压缩，此过程中土体孔隙的变化较大，且架空孔隙的增多，增大了土体的孔隙率，让更多的重力水可以通过，使得土体的渗透能力变大，渗透系数k20增大。
2 结论
（1）化学溶液会对粉质黏土的渗透性产生影响，并且这种影响与溶液的离子成分及浓度有关。相同浓度下不同组分的化学溶液对粉质黏土渗透系数的影响从大到小依次为：MgCl2溶液>CaCl2溶液>NaCl溶液>KCl溶液。
（2）隨着孔隙溶液的浓度的增大，颗粒表面的双电层被压缩，土颗粒间形成较大的架空孔隙，增大了土体的孔隙率，致使土体渗透系数k20均变大。
参考文献
[1]邓友生，何平，周成林，等.含盐土渗透系数变化特征的试验研究[J].冰川冻土，2006，28（5）：772-775.
[2]刘磊，薛强，赵颖，等.溶质入渗土工合成衬垫的化学-渗透特性研究[J].岩土力学，2012，33（10）：3025-3029.
[3]Studds P.G.Stewart D.I. Cousens T.W. The effects of salt solutions on the properties of bentonite- sand mixtures [J].Clay Minerals，1998，33：651-660.
作者简介：张芹（1990-），女，汉族，硕士研究生，主要研究方向：环境岩土工程。
