無機鹽溶液對粉質黏土滲透特性的影響研究

摘 要：文章針對粉質黏土，運用四種不同的無機鹽溶液，探討了水土化學作用對土體滲透特性的影響。試驗結果表明：隨著無機鹽溶液濃度的增大，顆粒表面的雙電層被壓縮，土顆粒間形成較大的架空孔隙，增大了土體的孔隙率，土體的滲透性增強。

關鍵詞：粉質黏土；無機鹽溶液；滲透性

前言

土的滲透性作為對土體的主要性質之一，對人類生產生活的影響是多方面的。例如，雨水可通過土體入滲以補充地下水，同時也可能將地表的污染帶入到地下水中污染地下環境；工程建設活動的安全性也與土的滲透性密切相關，潰壩、垮壩、滑坡、隧道開挖中的失穩等均由土的滲透破環引起，據不完全統計，由于滲流破壞造成的堤壩病險約占54%。由此可見，探究土體的滲透性，不僅有助于我們采取有效的措施制止環境污染的擴散，而且能夠幫助我們更好地控制建設活動領域的安全性，保護人民的生命及財產安全。

目前，國內外諸多學者開展了水土化學作用對土體滲透特性影響的試驗研究。鄧友生等[1]針對含鹽黏土和砂土，通過室內試驗探討了不同含鹽量和不同鹽類黏土和砂土的滲透性；劉磊等[2]對土工合成襯墊的化學-滲透特性進行了討論，發覺CaCl2溶液可使土工合成襯墊的滲透系數變大且其影響明顯大于蒸餾水；Studds[3]通過研究鹽溶液對膨潤土-砂的混合土工程特性的影響發現，隨著鹽溶液濃度的提高，膨潤土的水力傳導率變大，且混合土中膨潤土含量越高，土樣的水力傳導率越大。

上述文獻大多探討了黏土或者砂土的水力學特性，且使用的化學溶液較為單一，沒有形成強烈的對比。本文主要針對粉質黏土研究中的不足，探討了四種無機鹽溶液對其滲透性的影響。

1 試驗

1.1 試驗材料

本次室內試驗所采用的土體取自桂林市朝陽鄉葛家村，取土深度為3m。其基本的物理性質指標如下：土粒相對密度為2.72，液限為27.6%，塑限為16.5%，塑性指數為11.1，細砂含量占23.53%，粉粒占42.69%，黏粒占30.21%。

本試驗選用氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣和氯化鎂分別調配成0.01 mol/L，0.05mol/L，0.1mol/L，1mol/L，2mol/L的溶液及去離子水來進行粉質黏土滲透特性的測試試驗，分析無機鹽溶液對土體滲透特性的影響。

1.2 試驗過程

將低溫烘干的粉質黏土加入一定量的去離子水調配并控制其含水率在12%±1%，隨后利用千斤頂將其壓制成干密度為1.7g/cm3的環刀樣，采用抽氣飽和法對壓制好的環刀樣分別使用去離子水或者預先調配好的濃度為0.01mol/L，0.05mol/L，0.1mol/L，1mol/L，2mol/L的四種不同的無機鹽溶液進行飽和，為了使土體顆粒與溶液能夠充分反應，須將環刀樣密封靜置飽和一個月后再進行變水頭滲透試驗。

1.3 試驗結果與分析

如圖1所示，反映了水化學環境的改變對粉質黏土在標準溫度20℃下的滲透系數k20的影響。其中，每測得一種濃度下某種溶液的穩定滲透系數k20后便更換新的土樣，以測得孔隙溶液濃度及組分的改變對粉質黏土滲透特性的影響。由圖可以看出，1.7g/cm3干密度的粉質黏土飽和樣在去離子水中的滲透系數k20為1×10-5cm/s，而被化學溶液侵蝕過的粉質黏土樣的滲透系數k20明顯大于去離子水飽和土樣的滲透系數，且隨著化學溶液濃度的增大，土樣的滲透系數k20有不同程度的增大，當離子濃度在0～0.1mol/L的范圍內時，k20的變化率最大，隨著化學溶液的濃度逐步提高至2mol/L，土樣的滲透系數k20逐步趨于穩定，但MgCl2溶液飽和土樣的k20的變化率仍然增大。簡而言之，相同濃度下不同組分的化學溶液對粉質黏土滲透系數的影響從大到小依次為：MgCl2溶液>CaCl2溶液>NaCl溶液>KCl溶液，換言之，在相同濃度下，同價陽離子半徑較小的化學溶液使得粉質黏土滲透系數k20增大的較為明顯，即滲透性提高的更為明顯，且隨著陽離子價位的增高，土樣的滲透性增大的幅度更大。

粘土顆粒遇水后形成擴散雙電層，當孔隙溶液為去離子水時，此時擴散層中的結合水數量最多，而在水化學條件發生改變的過程中，孔隙溶液的濃度增大，土顆粒表面的雙電層被壓縮，相當于土顆粒自身大小的減少，土顆粒之間相互接觸后形成較大的架空孔隙，造成土體孔隙比的增大，當承受一定的附加應力后，土顆粒更容易發生滑移、塌陷，孔隙更易被壓縮，此過程中土體孔隙的變化較大，且架空孔隙的增多，增大了土體的孔隙率，讓更多的重力水可以通過，使得土體的滲透能力變大，滲透系數k20增大。

2 結論

（1）化學溶液會對粉質黏土的滲透性產生影響，并且這種影響與溶液的離子成分及濃度有關。相同濃度下不同組分的化學溶液對粉質黏土滲透系數的影響從大到小依次為：MgCl2溶液>CaCl2溶液>NaCl溶液>KCl溶液。

（2）隨著孔隙溶液的濃度的增大，顆粒表面的雙電層被壓縮，土顆粒間形成較大的架空孔隙，增大了土體的孔隙率，致使土體滲透系數k20均變大。

參考文獻

[1]鄧友生，何平，周成林，等.含鹽土滲透系數變化特征的試驗研究[J].冰川凍土，2006，28（5）：772-775.

[2]劉磊，薛強，趙穎，等.溶質入滲土工合成襯墊的化學-滲透特性研究[J].巖土力學，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.

作者簡介：張芹（1990-），女，漢族，碩士研究生，主要研究方向：環境巖土工程。