2022 年 9 月 灌溉排水學(xué)報 第 41 卷 第 9 期 Sep 2022 Journal of Irrigation and Drainage No 9 Vol 41 85 文章編號 1672 3317 2022 09 0085 08 添加膨潤土對土壤滲透性及微觀結(jié)構(gòu)影響的研究 薛萬來 1 2 李法虎 2 劉 曄 3 李彬瑜 4 黃炳彬 1 1 北京市水科學(xué)技術(shù)研究院 北京 100048 2 中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院 北京 100083 3 河北工程大學(xué) 河北 邯鄲 056000 4 中國電建集團 北京勘測設(shè)計研究院有限公司 北京 100024 摘 要 目的 研究膨潤土摻量對砂土滲透性的影響 為永定河構(gòu)建生態(tài)水面提供理論依據(jù) 方法 通過室內(nèi) 土柱試驗 設(shè)置 了膨潤土添加比例分別為 3 6 9 12 和 15 的 5 個不同水平 系統(tǒng)探究 不同膨潤土添加量 對土壤滲透性及微觀結(jié)構(gòu)的影響 結(jié)果 當膨潤土摻量從 6 增加到 15 時 改良砂土的滲透系數(shù)從 10 5 cm s 降 低至 10 7 cm s 表明膨潤土摻量對改良砂土滲透性有顯著影響 對不同膨潤土摻量的試樣進行微觀機理分析可知 隨著膨潤土摻量的增多 土樣結(jié)構(gòu)逐漸由顆粒結(jié)構(gòu)體轉(zhuǎn)變?yōu)閳F粒體 從而導(dǎo)致土體的滲透系數(shù)減小 且大孔隙的面 積百分比與改良砂土滲透系數(shù)對數(shù)正相關(guān) 擬合度 R2為 0 89 隨著膨潤土摻量的增加 內(nèi)部孔隙面積分布的定向性 有較好的改善 從而降低滲透系數(shù) 從微觀層面二維平面與三維空間所求的孔隙比 e 與滲透系數(shù)對數(shù)呈線性回歸關(guān) 系 擬合度 R2分別為 0 98 和 0 96 其結(jié)果與宏觀規(guī)律一致 結(jié)論 添加膨潤土可改善土體孔隙面積 改變土體平 均 孔徑 顯著降低砂土滲透系數(shù) 關(guān) 鍵 詞 孔隙特征 砂土 滲透性 微觀結(jié)構(gòu) 電鏡掃描 中圖分類號 TU411 文獻標志碼 A doi 10 13522 ki ggps 2021125 OSID 薛萬來 李法虎 劉曄 等 添加膨潤土對土壤滲透性及微觀結(jié)構(gòu)影響的研究 J 灌溉排水學(xué)報 2022 41 9 85 92 XUE Wanlai LI Fahu LIU Ye et al Mixing Soil with Bentonite to Amend Its Microstructure and Permeability J Journal of Irrigation and Drainage 2022 41 9 85 92 0 引 言 1 研究意義 滲透性是土的重要工程性質(zhì)之一 1 多數(shù)學(xué)者在宏觀層次研究土的滲透性 而宏觀規(guī)律性 還需歸因于微觀層次的機理分析 土的微觀結(jié)構(gòu)是結(jié) 構(gòu)單元體和孔隙之間接觸和聯(lián)結(jié)關(guān)系的總稱 2 因而 土的滲透性很大程度上受到其微觀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響 研究進展 近年來 基于掃描電鏡與圖形分析 軟件對土體微觀結(jié)構(gòu)進行分析是當前巖土工程研究 中最有效 最直接的方法 3 目前 葉為民等 4 對上 海軟土的研究表明 滲透特征的各向異性取決于微觀 孔隙的各向異性 牛文杰等 5 通過對膨潤土的微觀孔 隙率 平均顆粒直徑等進行定量分析 提出了考慮微 觀結(jié)構(gòu)效應(yīng)的非飽和滲透系數(shù)計算公式 高發(fā)亮等 6 通過電鏡掃描圖片的定性分析 從微觀角度解釋了不 同土質(zhì)滲透性差異的本質(zhì) 楊博等 1 認為 改性黃土 滲透系數(shù)與微觀有效孔隙顯著相關(guān) 隋軍等 7 從微觀 的定性及定量上分析得出 大 中孔隙的數(shù)量與黃土 滲透系數(shù)有密切關(guān)系 姜彤等 8 應(yīng)用蒸汽平衡法和掃 描電子顯微鏡對膨潤土持水特性和微觀進行了定性 收稿日期 2021 04 06 基金項目 國家科技重大專項 2018ZX07101005 03 作者簡介 薛萬來 1989 男 江蘇淮安人 高級工程師 博士 主要 從事水土環(huán)境工程研究 E mail xuewanlai 通 信 作者 李法虎 1963 男 河南新鄉(xiāng)人 教授 博士 主要從事水 土工程研究 E mail lifahu 分析 Takai 等 9 采用柔性壁滲透儀 研究分析了 不 同配比制成的膨潤土 水泥 土試樣滲透試驗 發(fā)現(xiàn)固 化時間顯著影響試樣滲透系數(shù) Sakai 等 10 分析了孔 隙大小 數(shù)量和分布特征等材料結(jié)構(gòu)特征與滲透性關(guān) 系 切入點 上述研究多數(shù)從滲透系數(shù)與孔隙結(jié)構(gòu) 相關(guān)關(guān)系揭示滲透系數(shù)變化特征 并通過微觀孔隙結(jié) 構(gòu)定性方面入手揭示滲透系數(shù)變化的原因 但從微觀 結(jié)構(gòu)定量方面研究較少 尤其關(guān)于孔隙定向排列特征 以及孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)對滲透系數(shù)變化影響的研究有待 進一步深入 擬解決的關(guān)鍵問題 基于此 本試驗以永定河 斷流區(qū)表層砂土為研究對象 采用膨潤土對砂土進行 改良處理使其達到預(yù)期的滲透性 并基于電鏡掃描觀 測和滲透試驗 研究改良砂土滲透性及其微觀結(jié)構(gòu)變 化關(guān)系 旨在為永定河 北京段 實現(xiàn) 控制滲漏 構(gòu)建生態(tài)水面 的目標要求提供支撐 1 材料與方法 1 1 試驗材料及設(shè)備 試驗 用砂土取自永定河下游立垡村 砂土物理指 標經(jīng)室內(nèi)試驗測定后見表 1 改良砂土所用膨潤土性 能指標見表 2 試驗裝置由內(nèi)徑為 10 cm 高 50 cm 的土柱和內(nèi)徑為 5 cm 的馬氏瓶供水系統(tǒng)組成 灌溉排水學(xué)報 86 表 1 砂土物理指標 Table 1 Physical properties of the sandy soil 粒徑 mm 土粒比重 G S 堆積密度 g cm 3 緊密密度 g cm 3 滲透系數(shù) cm s 1 0 5 0 25 0 25 0 075 0 075 0 005 0 005 6 5 62 6 28 6 2 3 2 668 1 35 1 55 8 67 10 5 表 2 膨潤土性能指標 Table 2 Physical properties of the Bentonite 項目 吸藍量 g 100 g 1 膠質(zhì)價 mL 15 g 1 膨脹倍數(shù) 含水 率 質(zhì)量標準 18 30 500 15 10 1 2 試驗方案與方法 本次試驗設(shè)置土層高度為 20 cm 膨潤土的摻量 設(shè)置為 0 3 6 9 12 和 15 膨潤土和 砂土混合后干密度設(shè)置為 1 35 1 40 1 45 1 50 g cm3 和 1 55 g cm3 每組做 3 份平行對照 在恒定水頭 40 cm 下記錄馬氏瓶水面刻度 入滲相對穩(wěn)定時結(jié)束試 驗 然后進行電鏡掃描試驗 微觀掃描試驗采用環(huán)境掃描電子顯微鏡 SEM 采集土體的微觀結(jié)構(gòu)圖像 將土樣置于 105 烘箱內(nèi) 8 h 烘至恒質(zhì)量 后 切出 1 個 20 mm 10 mm 10 mm 的長方體 再將試樣掰斷 露出新鮮表面以備觀測 采用 Image pro Plus 圖像處理軟件對土體微觀結(jié)構(gòu)的 SEM 圖像進行分析 2 結(jié)果與分析 2 1 滲透試驗結(jié)果 不同膨潤土摻量的滲透系數(shù)見表 3 由于砂土結(jié) 構(gòu)松散且黏聚力較小 膨潤土摻量為 0 時 水流立 即滲入試樣底部 滲透系數(shù)均值為 8 13 10 5 cm s 摻 量小于 6 時 改性砂土的滲透系數(shù)從 10 5 cm s 降低 至 10 6 cm s 變化幅度較小 摻量從 6 增加到 15 時 改良砂土的滲透系數(shù)從 10 5 cm s降低至 10 7 cm s 滲透系數(shù)變化較大 結(jié)合 SEM 圖像 圖 1 可以看 出 隨著膨潤土摻量的增多 越來越多的細顆粒填充 到砂土顆粒的孔隙中 并不斷地吸附到砂土的骨架顆 粒上 從而使砂土滲透系數(shù)降低 當膨潤土摻量小于 6 時 滲透系數(shù)保持在 5 29 10 5 8 67 10 5 cm s 之間 改良砂土的滲透性差異較小 當膨潤土摻量大 于 6 時 滲透系數(shù)幾乎均在同一量級內(nèi)變化 因此 膨潤土的摻入要比增加干密度對砂土滲透系數(shù)的影 響大 并且隨著膨潤土的摻入可以明顯降低砂土的滲 透系數(shù) 表 3 改良砂土的滲透系數(shù) Table 3 The permeability coefficient of modified sandy soil cm s 密度 g cm 3 膨潤土摻量 0 3 6 9 12 15 1 35 8 67 10 5 6 96 10 5 3 47 10 5 6 33 10 6 4 01 10 6 6 47 10 7 1 40 8 59 10 5 7 21 10 5 1 52 10 5 6 48 10 6 4 97 10 6 5 93 10 7 1 45 8 68 10 5 6 83 10 5 9 63 10 6 5 12 10 6 3 64 10 6 5 43 10 7 1 50 7 43 10 5 6 51 10 5 9 45 10 6 4 50 10 6 2 77 10 6 4 63 10 7 1 55 7 32 10 5 5 29 10 5 7 32 10 6 3 88 10 6 1 58 10 6 1 77 10 7 2 2 試樣微觀結(jié)構(gòu)特征 改良砂土的滲透系數(shù)受膨潤土摻量影響較大 故 下文只對不同膨潤土摻量的試樣進行微觀機理分析 對膨潤土摻量為 0 的砂土試樣圖片進行觀察分析可 知 圖 1 a 試樣的骨架顆粒形態(tài)為粒狀 孔隙 以架空孔隙為主 孔隙粗大且排列疏松 有較好的連 通性 土壤顆粒單元體接觸面積較小 多為點接觸 圖 1 b 圖 1 c 圖 1 d 分別是膨潤土摻量 為 3 9 15 的改性砂土掃描電鏡的典型圖片 圖 1 b 中 土體細孔隙慢慢被填充 大孔隙數(shù)量 減少 粗骨架慢慢絮凝 逐漸變成凝絮體 圖 1 c 中 孔隙變化較大 土體幾乎粘連 連接較緊密 開 始呈 面 面 結(jié)構(gòu) 表面不平整且多為凝絮體 結(jié) 構(gòu)面互相牽制 圖 1 d 中 孔隙幾乎不可見 土 體黏 結(jié)較好 結(jié)構(gòu)面較穩(wěn)定且趨向整體型 表面較平 滑 出現(xiàn)小顆粒體 土體物理力學(xué)性能逐漸穩(wěn)定 由 上述圖像可以看出 同純砂土試樣相比 隨著膨潤土 摻量的增多 孔隙的數(shù)量與大小都呈減小趨勢 膠結(jié) 物將孔隙填充 砂土中的架空孔隙隨之減少 使得孔 隙類型由架空孔隙逐漸過渡到鑲嵌孔隙 骨架土顆粒 的接觸方式由點接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槊娼佑| 從而導(dǎo)致土體的 滲透系數(shù)減小 11 SEM 圖 像 二值化圖像 a 摻量 0 密度 1 5 g cm3 薛萬來 等 添加膨潤土對土壤滲透性及微觀結(jié)構(gòu)影響的研究 87 SEM 圖 像 二值化圖像 b 摻量 3 密度 1 5 g cm3 SEM 圖 像 二值化圖像 c 摻量 9 密度 1 5 g cm3 SEM 圖 像 二值化圖像 d 摻量 15 密度 1 5 g cm3 圖 1 膨潤土改良砂土掃描電鏡圖片 500 Fig 1 SEM image of bentonite modified sandy soil 2 3 試樣微觀結(jié)構(gòu)定量分析 本文依據(jù)參考文獻 12 提出的孔隙劃分標準 見表 4 應(yīng)用 Image pro Plus 軟件 并選取孔隙平均孔徑 D 孔隙面積 S 孔隙面積比 A 作為孔隙形態(tài)特征參數(shù) 選取定向角 R 對干密度為 1 5 g cm3下 6 種膨潤 土摻量試樣放大 500 倍微觀掃描圖像進行定量分析 表 4 孔隙分類 Table 4 Classification of soil pores based on diameters 孔隙類別 直徑 m 孔隙類別 直徑 m 微孔隙 0 2 中孔隙 8 32 小孔隙 2 8 大孔隙 32 圖 2 為膨潤土摻量與孔隙面積比和平均孔徑的 關(guān)系 由圖 2 可知 隨著膨潤土摻量的增加 改良砂 土的微觀孔隙形態(tài)特征發(fā)生了變化 平均孔徑從 10 8 m 降到了 4 01 m 孔隙面積比從 37 78 降到了 29 68 當摻量小于 6 時 不同處理平均孔徑與孔 隙面積比變幅較大 平均孔徑下降 49 26 孔隙面 積下降 13 85 這與上文所述摻量較少時膨潤土顆 粒在滲流作用下容易被沖走的結(jié)果一致 膨潤土摻量 改變砂土的滲透特性主要是通過改變土體孔隙面積 和土體平均孔徑 說明團粒內(nèi)孔隙直徑隨著膨潤土含 量的增多而逐漸變小 這也驗證了 2 2 節(jié)中不同處理 下砂土微觀孔隙結(jié)構(gòu)的變化 現(xiàn)象 圖 3 為孔隙面積百 分比與膨潤土摻量關(guān)系圖 由圖 3 可知 隨著膨潤土 摻量的增大 微觀大孔隙面積百分比從 31 27 降至 13 76 而中小孔隙面積百分比增加 但微孔隙面積 百分比保持在 0 2 左右 從微觀角度分析可得 隨 著膨潤土摻量增加 膨潤土細顆粒優(yōu)先填充砂土顆粒 中的大孔隙 將其分割成直徑較小的中小微孔隙 導(dǎo) 致中小孔隙面積百分比增加 由于微孔隙所占面積整 體較小 故在圖 3 中微孔隙面積比未有明顯增加 圖 4 為大孔隙面積百分比與滲透系數(shù)對數(shù)的關(guān)系圖 由 圖可知 大孔隙的面積百分比與改良砂土滲透系數(shù)對 數(shù)之間有很好的線性關(guān)系 由以上分析可知 膨潤土 添加填充了砂土顆粒間的大中孔隙 隨著膨潤土摻量 的增加 砂土中的大孔隙數(shù)量不斷減小 由 31 27 灌溉排水學(xué)報 88 降至 13 76 另一方面 膨潤土附著在砂土顆粒表 面 導(dǎo)致砂土顆粒表面和邊緣粗糙不清 增大了土體 的比表面積 將砂土中的多數(shù)大孔隙轉(zhuǎn)化為比表面積 更大的中小孔隙 11 圖 2 膨潤土摻量與孔隙面積比和平均孔徑關(guān)系 Fig 2 Ratio of pore area and pore diameter to bentonite addition 圖 3 孔隙面積百分比與膨潤土摻量關(guān)系 Fig 3 Ratio of pore area vs bentonite addition 圖 4 大孔隙面積百分比與滲透系數(shù)對數(shù)關(guān)系 Fig 4 Ratio of macropore area vs Logarithm of permeability coefficient 2 4 孔隙定向分布特征 孔隙在特定方向上的分布 可以用方向角 R 表示 單元體在 0 360 內(nèi)鏡像對稱 12 故可將 0 180 劃分成 18等分 由方向角統(tǒng)計計算出 0 180 內(nèi)每個分區(qū)中的孔隙累計面積 以面積百分比為半 徑 畫出孔隙分布玫瑰圖 圖 5 結(jié)果表明 原狀土與膨潤土摻量為 3 改良砂土 的孔隙面積分布表現(xiàn)出一定的定向性 主要在 80 100 之間 這可能與干密度有關(guān) 本試驗采用落 錘法控制干密度 垂向作用力致使孔隙發(fā)生橫向排 列 使得孔隙長豎軸之間的夾角趨于垂直 因此孔隙 面積分布多集中在 90 附近 隨著膨潤土摻量的增加 孔隙面積分布的這種定向性有所緩解 80 100 內(nèi)孔 隙面積所占百分比減小 20 40 和 150 附近的孔隙 面積比增加 總體來看 隨著膨潤土摻量的增加 可 以很好地改善改性砂土內(nèi)部孔隙面積分布的定向性 從而降低改良砂土的滲透系數(shù) a 摻量 0 孔隙定向分布玫瑰圖 b 摻量 3 孔隙定向分布玫瑰圖 c 摻量 9 孔隙定向分布玫瑰圖 d 摻量 15 孔隙定向分布玫瑰圖 圖 5 孔隙分布玫瑰圖 Fig 5 Rose diagrams of pore distribution 2 5 孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)與滲透系數(shù)的關(guān)系 能產(chǎn)生滲流的孔隙為有效孔隙 由有效孔隙計算 得到的孔隙比為有效孔隙比 楊博等 1 研究滲透系數(shù) 與微觀孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系時 將微觀大 中孔隙面積 之和與總孔隙面積之比定義為微觀層面的孔隙率 nf 從而將傳統(tǒng)的孔隙比修正為微觀層面的有效孔隙比 ef 但依據(jù)雷祥義 12 提出的孔隙劃分標準 見表 4 其中 微觀大 中孔隙 的直徑均大于 8 m 本文 依據(jù)楊博等人的研究思路 將本研究試驗結(jié)果進行擬 合 見表 5 得到微觀層面有效孔隙比 ef與滲透系 2 4 6 8 10 12 28 33 38 43 0 3 6 9 12 15 平均孔徑 D m 孔隙面積比 A 摻量 C 孔隙面積比A 平均孔徑D 0 10 20 30 40 0 3 6 9 12 15 孔隙面積比 A 摻量 C 大孔隙 中孔隙 小孔隙 微孔隙 y 0 123 6x 7 780 5 R2 0 89 6 5 6 0 5 5 5 0 4 5 4 0 3 5 12 17 22 27 32 lgk cm s 1 大孔隙面積百分比 lgk 線性擬合直線 薛萬來 等 添加膨潤土對土壤滲透性及微觀結(jié)構(gòu)影響的研究 89 數(shù)對數(shù) lgk 的關(guān)系 見圖 6 由圖 6 可知 擬合度 R2 為 0 79 表明 lgk 與 ef間的線性關(guān)系不顯著 其原 因可能是楊博等忽略了微小孔隙對滲流的影響作用 這表明 對于改良砂土 微小孔隙對滲流的影響不可 忽略 表 5 不同方法的孔隙比 Table 5 Void ratio computation by different methods 由參考文獻 算孔隙率 nf 由參考文獻 算孔隙比 ef 微觀平面 有效孔隙率 2 微觀平面 有效孔隙比 e2 三維 孔隙率 3 三維 孔隙比 e3 34 90 0 54 35 20 0 54 36 73 0 58 30 34 0 44 34 34 0 52 35 69 0 55 28 90 0 41 30 72 0 44 32 85 0 49 27 96 0 39 29 49 0 42 31 49 0 46 24 49 0 32 28 96 0 41 29 16 0 41 24 07 0 32 26 68 0 36 27 57 0 38 圖 6 滲透系數(shù)對數(shù)與孔隙比的關(guān)系 Fig 6 Logarithm of permeability coefficient vs void ratio 黨發(fā)寧等 14 認為弱結(jié)合水占據(jù)的孔隙為無效孔 隙 崔德山等 15 研究表明 黏土的弱結(jié)合水膜厚度為 0 12 m左右 而周健等 16 建議 大于 2 倍弱結(jié)合水膜 厚度的孔隙才為有效孔隙 因此 本研究以直徑大于 0 24 m的孔隙為微觀有效孔隙 為了對應(yīng)宏觀孔隙參 數(shù) 將孔隙理想化為圓形 定義微觀孔隙參數(shù)如下 微觀平面有效孔隙率 2 2 A 效 A 視域 1 式中 A 效 為微觀有效孔隙面積 A 視域 為視域總面積 微觀平面有效孔隙比 e2 e2 2 1 2 2 式中 2 為微觀平面孔隙率 Lambe 等 17 研究結(jié)果顯示 宏觀孔隙比與滲透系 數(shù)的對數(shù)值之間有很好的線性關(guān)系 類比可得到滲透 系數(shù) k 和微觀孔隙比 e2 之間 的關(guān)系式 lgk e2 3 式中 和 均為常數(shù) 基于上述計算公式與方法 可得干密度為 1 5 g cm3 時 不同膨潤土摻量改良砂土滲透系數(shù)的對數(shù)與 平面孔隙比 e2 之間 的擬合關(guān)系如圖 7 所示 與圖 6 相比 圖 7 數(shù)據(jù)規(guī)律性較好 擬合度 R2 為 0 98 表 明精確定義后的微觀平面孔隙比與滲透系數(shù)對數(shù)之 間有更好的線性關(guān)系 圖 7 滲透系數(shù)對數(shù)與平面 孔隙比的關(guān)系 Fig 7 Logarithm of permeability coefficient vs void ratio after definition 前文所述對于土體微觀孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究均 停留在二維定量分析階段 但通過電鏡掃描所得到的 二維 SEM 圖像中同樣包含有關(guān)土體結(jié)構(gòu) 顆粒大小 孔隙大小等大量三維信息 王寶軍等 18 利用地理信息 系統(tǒng) GIS 中的數(shù)字高程模型實現(xiàn)了顆粒表面的三 維重建 并假設(shè)每個像素都以各自面積為底面積 各 自的灰度值為高 類似于用積分方式計算顆粒與孔隙 體積 從而在 ArcGIS 中利用三維分析模塊的 3D analysis 來計算其面積和體積 本文將 GIS 系統(tǒng)給出的孔隙體積 V 孔 3 和總體體 積 V 總 3 的比值定義為微觀三維孔隙比 e3 即 e3 V 孔 3 V 總 3 4 式中 V 孔 3 為 GIS 系統(tǒng)計算出的孔隙體積 V 總 3 為 GIS 系統(tǒng)計算出的總體體積 基于上述計算公式與方法 可得干密度為 1 5 g cm3 時 不同膨潤土摻量改良砂土滲透系數(shù)對數(shù)與微 觀三維孔隙比 e3 之間的擬合關(guān)系如圖 8 所示 擬合度 R2 為 0 96 表明由 GIS 處理所得到的微觀三維孔隙比 與滲透系數(shù)對數(shù)之間也有較好的線性關(guān)系 圖 8 三維孔隙比與滲透系數(shù)對數(shù)的關(guān)系 Fig 8 Logarithm of permeability coefficient vs three dimensional void ratio 3 討 論 通過室內(nèi)試驗 分析了在 3 6 9 12 和 15 膨潤土添加比例條件下對土壤滲透特性變化 lgk 9 100 6ef 8 767 2 R2 0 79 7 0 6 5 6 0 5 5 5 0 4 5 4 0 3 5 0 30 0 35 0 40 0 45 0 50 0 55 lgk cm s 1 由參考文獻計算的孔隙比 ef lgk 擬合直線 lgk 12 11e2 10 527 R2 0 98 7 0 6 5 6 0 5 5 5 0 4 5 4 0 3 5 0 35 0 4 0 45 0 5 0 55 lgk cm s 1 微觀平面孔隙比 e2 lgk 擬合直線 lgk 10 624e3 10 179 R2 0 96 7 0 6 5 6 0 5 5 5 0 4 5 4 0 3 5 0 35 0 4 0 45 0 5 0 55 0 6 lgk cm s 1 三維孔隙比 e3 lgk 擬合直線 灌溉排水學(xué)報 90 的影響 試驗結(jié)果表明 當膨潤土的摻量從 6 增加 到 15 時 改良砂土的滲透系數(shù)從 10 5 cm s 降低至 10 7 cm s 滲透系數(shù)變化較大 膨潤土摻量對改良砂 土滲透系數(shù)有顯著影響 這與 前人 20 22 研究結(jié)論一 致 即隨著膨潤土摻量的增加 加入膨潤土后混合土 的滲透系數(shù)明顯下降 不同處理試驗的微觀孔隙結(jié)構(gòu) 特征表明 膨潤土添加改變了土體的孔隙尺度分布和 結(jié)構(gòu)特征 膨潤土微小顆粒通過填充和吸水膨脹致使 砂土大孔隙急劇減少 同時膨潤土微細顆粒吸水膨脹 的 擠壓 和細顆粒的 阻塞 使砂土孔隙連通性降 低 本研究砂土中的大孔隙數(shù)量由 31 27 降至 13 76 同時平均孔徑由 10 8 m降到了 4 01 m 土體孔隙尺度和孔隙結(jié)構(gòu)特征對土體的滲透性有著 顯著的影響 摻入少量膨潤土致使砂土大孔隙明顯 減少而土體滲透性大為降低 這與前人 23 24 的試驗 結(jié)果一致 微觀結(jié)構(gòu)定量分析表明 隨著膨潤土摻量的增 大 改良砂土中的大孔隙面積逐漸減小 中小孔隙占 比升高 微觀大孔隙面積百分比從 31 27 降至 13 76 微觀中孔隙面積百分比由 2 69 增加至 10 31 本研究結(jié)果與部分學(xué)者 11 25 26 研究 結(jié)論較為 一致 本文在前人研究的基礎(chǔ)上重新定義了微觀孔隙 參數(shù) 并比較了精確定義前后的微觀平面孔隙比與滲 透系數(shù)對數(shù)之間線性關(guān)系的擬合度 結(jié)果表明后者的 擬合度更高 因此 后續(xù)研究中可通過分析微觀三維 孔隙比與滲透系數(shù)之關(guān)系 更精準揭示改性材 料添加 對土壤滲透特性影響的原因 4 結(jié) 論 1 膨潤土摻量的增加能顯著 改 變砂土的滲透性 摻入膨潤土后 在摻量小于 6 時 改性砂土的滲透 系數(shù)從 10 5 cm s 降低至 10 6 cm s 變化幅度較小 當 摻量從 6 增加到 15 時 滲透系數(shù)從 10 5 cm s 降低 至 10 7 cm s 滲透系數(shù)變化較大 2 加入膨潤土使得砂土孔隙類型由架空孔隙逐 漸過渡到鑲嵌孔隙 且能夠較好地改善內(nèi)部孔隙面積 分布的定向性 將大孔隙填充分割成較小的中小孔 隙 隨著膨潤土摻量的增大 微觀大孔隙面積百分比 從 31 27 降至 13 76 但微孔隙面積百分比保持在 0 2 左右 大孔隙的面積百分比與滲透系數(shù)對數(shù)之間 呈線性關(guān)系 膨潤土添加可改善改性砂土內(nèi)部孔隙面 積分布的定向性 降低改良砂土的滲透系數(shù) 3 根據(jù)微觀層面二維平面與三維空間所求得的 孔隙比 e 與滲透系數(shù)對數(shù)之間存在線性回歸關(guān)系 相 比傳統(tǒng)孔隙劃分定義 微觀大 中孔隙的直徑均大于 8 m 而言 精確定義后 直徑大于 0 24 m 的微 觀平面孔隙比與滲透系數(shù)對數(shù)之間有更好的線性關(guān) 系 微觀三維孔隙比與滲透系數(shù)對數(shù)之間也有較好的 線性關(guān)系 改性材料添加對土壤滲透性的后續(xù)研究可 從微觀層面深入開展 參考文獻 1 楊博 張虎元 趙天宇 等 改性黃土滲透性與孔隙結(jié)構(gòu)的依存關(guān) 系 J 水文地質(zhì)工程地質(zhì) 2011 38 6 96 101 YANG Bo ZHANG Huyuan ZHAO Tianyu et al Responsibility of permeability of modified loess soil on microstructure J Hydrogeology and Engineering Geology 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