[科普中国]-饱和粘土

简介基本特点

尽管不同学者对粘土矿物的内涵有着不同的理解，但总体上说，粘土矿物是一类颗粒细小(粒径一般小于)、具有层状结构的水铝或水镁硅酸盐矿物。一般包括伊利石族、高岭石族、蒙脱石族、叶腊石族及滑石族等，常见的粘土矿物化学组成成分见下表所示。

固结压力的影响无论垂直面还是水平面，土颗粒多呈椭球状。对于原状土样，水平面、垂直面的形状系数比多在1.2之间。但随着固结压力的增大，水平面的形状变化不显著，仍以1.5-2.0之间居多；但较圆的颗粒逐渐被压扁，取而代之的是形成狭长且扁的颗粒。统计结果表明其不显著，这可能是由于在加载过程中，水平面上的颗粒发生转动促使水平面形成较圆滑的颗粒。对于垂直面，这种现象表现得较为明显，即随着固结压力的增大，颗粒越来越呈现椭球状，由初始的系数比1.0-2.0变化到2.5-3.0，且当荷载为800 kPa时，狭长而扁的颗粒数量急剧增多。土团粒被压扁，这种现象也和前面各向异性特性表现出很好的一致性。

随着固结压力的增大，垂直面和水平面颗粒的平面面积在逐渐减小，颗粒的等效直径逐渐减小。这说明在压缩工程中，较大的颗粒(集合体)逐渐压扁，甚至压碎或集合体之间的联结断裂形成很多较小的颗粒。1

饱和粘土的渗透特性在饱和粘土的固结理论和渗流计算中, 一般都沿用达西（Darcy）渗透定律,即渗透速度。与水力比降落间呈直线关系, 以下式表达:

式中, k—渗透系数但是达西定律是以干净砂子的渗透试验成果为依据而建立起来的经验关系对于饱和粘性土, 特别是在小水力比降下, 其渗透规律是否同样遵守达西定律, 长期以来虽有许多人做过研究, 但所得结论却各不相同归纳起来, 大致有以下几种意见:

1.遵守达西定律, v-i关系为通过原点的直线,如图a。有人还认为所报导的偏离达西定律的试验成果中, 有些可能是试验误差所带来的虚假现象.

2.偏离达西定律, 并存在一界限比降, 在水力比降小于该界限值时不发生渗透, 如图b, 该界限比降称为起始比降。

3.偏离达西定律, 但不存在起始比降, 在小比降时v-i呈曲线关系, 如图c, 并建议用另外的经验公式代替达西定律的表达式.

已有人将后两种非达西的渗透规律用于固结理论和砂井设计等方面, 得出和古典固结理论极不相同的结果同时, 土体强度和渗流理论也都与其渗透特性密切相关因此, 饱和粘土渗透特性的研究在土力学中理应占有相应位置, 但土力学工作者研究这一课题的却甚少.

我们认为饱和粘土在小比降下非达西渗透现象的原因是多方面的, 有试验误差引起的虚假现象, 也有粘土中渗透水流的固有属性, 如土中水的非牛顿性状、水土体系中的电动现象、渗透过程中土孔隙体积和尺寸的变化等.为了更好地研究饱和粘土的渗透特性, 有必要研制一种能排除各种试验误差造成的影响, 使试验成果更能反映粘土渗透固有属性的渗透仪器这种仪器应能满足如下基本要求.

1.整个系统应该是密闭的, 使测流、测压都不受蒸发的影响

2.能保持常水头, 并能在小比降下进行试验及取得稳定可靠的试验成果。

3.能在土样内施加倒压力, 以保证其完全饱和。

4.土样与盛土环间应密切贴合, 不能有接缝漏水, 并便于在试验过程中随时检查。

5.应在恒温条件下进行试验, 以避免因温度变化而造成的影响

参照已有的粘土渗透试验设备 , 相关学者在1965年设计和制造了一种粘土渗透试验装置见图, 它能满足以上要求, 使用效果良好该试验装置是由渗透仪容器、上下游平水盘、测流与测压管以及施加孔隙压力的设备等四部分组成的。2

深厚饱和粘土的物理性质特征粘土的状态(1) 埋深因素：埋深越深，正常情况粘土所受的重力就越大，则固结程度越高，就越易成为半固结或坚硬状态。

(2) 沉积年代因素：在华东地区新生界地层一般统称为松散层。近期研究认为深厚松散层一般由二个地质年代的沉积物构成即上第三系地层和第四系地层。淮北矿区朱仙庄矿井田松散层平均厚度为245m。其中，第二系地层厚96.94-156.9m.，由钙质粘十，粉质粘七，砂层和砂砾层组成。第四系地层厚120-145m,由粘士，粉质粘土和砂层组成根据文献,鲁西南地区上第二系硬粘土,深埋大于169m，是典型的超固结、裂隙性和膨胀性硬粘。一般而言，土的沉降年代越久，固结程度越高，则越易形成半固结或坚硬状态。然而从土工试验结果如右图，在液性指数随沉积年代长久而下降的大趋势卜，第三、第四系地层的分界面并不与粘上的半固结或坚硬状态的分界面一致。表明粘土的状态还受其他因素的影响。

3） 松散含水层孔隙水压力的影响。深厚松散层一般是由以粘土、砂质粘土为主组成的隔水层(组)与以砂层、砂砾层为主的含水层(组)交互积沉构成的这些含水层最上面的含水层一般受人气降水的影响为潜水含水层下面的含水层为承压含水层，有些受大气降水的影响，水位变化。有的则长期保持稳定。3

粘土的密度深部与浅部粘土的工程类型没有明显的区别。枯土主要是CL和CH类型.黏土深部与浅部在状态上有十分明显的差异。主要代表指数是液性指数，随埋深增大而减小。在深部枯土的液性指数逐渐小于“0"。据此，将黏土分为浅部粘上、中深粘十和深部粘土。这也是深部枯土具有固结变形小，离层现象，集中水平变形和裂隙的基本原因。为深 人 细 致地研究深部土，建议对IL小于零的粘土状态进一步定义为弱半固结土和强半固结土。提出了深部粘土可固结厚度的概念，并给出了计算公式认 识 到 粘士的密度有随埋深增大的趋势通过 对 深 部粘土物理性质的基础研究，为进一步研究深部粘十的力学比质、渗透、固结、采动影响变形特证和环境工程效应打下良好的基础。3