膨潤土雙向膨脹應力測量儀應用于土力學實驗教學

劉俊新， 姜 兵， 郭招群， 劉育田， 張藝東， 張永澤

(1. 西南科技大學 土木工程與建筑學院， 四川 綿陽 621010；2. 河北省地礦局 國土資源勘查中心， 河北 石家莊 050081)

儀器設備研制與應用

膨潤土雙向膨脹應力測量儀應用于土力學實驗教學

劉俊新1， 姜 兵1， 郭招群1， 劉育田1， 張藝東1， 張永澤2

(1. 西南科技大學 土木工程與建筑學院， 四川 綿陽 621010；2. 河北省地礦局 國土資源勘查中心， 河北 石家莊 050081)

自主研制了一種采用側向和軸向受限實驗方法測量膨潤土膨脹應力的實驗裝置，得到了其在恒體積下的軸向和徑向膨脹應力，提供了一種可以同時考慮溫度、方向性條件影響下的膨潤土膨脹力測定的實驗裝置，填補了土力學實驗教學中的空白。實驗驗證了該裝置的適用性和可靠性，便于實驗操作。在以往裝置的基礎上通過分析獲取了滲流作用和熱環境條件下膨潤土的膨脹力發展規律。該裝置豐富了實驗教學內容，完善了知識框架體系，是對土力學課程內容的拓展補充，有利于培養學生的動手實踐能力。

土力學； 膨潤土； 膨脹應力； 實驗教學

土力學、巖石力學和工程地質一起并成為巖土工程的3門專業基礎課[1]。其中土力學是一門理論性、實驗性、應用性、技術性和實用性都很強的工程技術基礎學科，其實驗教學是土力學教學體系中的重要組成部分，它對于掌握土的特殊工程性質、土力學基本理論以及體驗土力學的工程應用具有很大的意義，也是培養實驗設計動手能力和今后從事工程實踐和科學研究工作不可缺少的環節[2-5]。土力學在實驗教學環節有2大特點：一是每一個實驗項目都是實際工程中必做的項目，其實驗結果可直接應用于工程的設計和施工；二是每個實驗項目既相互獨立又環環相扣、密切相關[5]。土力學實驗方法不僅在工程實踐中十分重要，在土力學理論的形成和發展過程中也起著決定性的作用。土力學中的許多理論都是建立在實驗基礎上的，如Terzaghi的有效應力原理是建立在壓縮實驗中孔隙水壓力的測試基礎上的，Darcy定律是建立在滲透實驗基礎上的，劍橋模型是建立在正常固結黏土和微超固結黏土壓縮實驗和等向壓縮三軸實驗基礎上的[6]。隨著近年來新工藝和科學技術的發展，該課程逐漸與人們日益關注的環境、生態和能源等熱點問題相結合，研究內容不斷拓展和豐富，體現了土力學學科與時俱進的特點。土力學是一門實驗性很強的學科，離開了實驗和測試就無法發展[3]，因此完善土力學實驗室物理實驗在目前基礎教學中是十分必要的。

1 膨潤土雙向膨脹力測量儀研制背景

深地質處置是目前國際上普遍認可的處置高放射性核廢物的有效方法，即采用多重工程屏障系統將高放廢物埋置在距地表深約500～1 000 m的地質體中。內蒙古高廟子鈉基膨潤土被篩選為針對于我國高放廢物處置庫建設的緩沖回填材料，其主要功能是為了緩解處置庫圍巖壓力對廢物罐的作用、封閉處置庫圍巖與廢物罐之間的空隙及近場圍巖的裂隙、有效地阻滯廢物罐泄漏的放射性物質向周圍環境的遷移，從而使得處置庫內的高放廢物的放射性核素在影響生物圈之前衰變到安全水平[7]。故作為緩沖回填材料必須具備合適的膨脹性能。

國內已有很多測量膨潤土膨脹性能的實驗裝置，但都各有不足。如三向脹縮儀，采用等強度梁測定膨脹力，并通過調整等強度梁對面的螺栓，以校正等強度梁的變形，保持試樣體積不變，從而測取膨脹力。但其注水方法死板，壓頭施壓不均勻，且側向測量裝置靈敏度和準確性較差，誤差較大。三聯高壓固結儀在固結室內放入環刀試樣，加入蒸餾水完全浸沒試樣，當樣品開始吸水膨脹量表指針開始轉動時，立即施加荷載限制樣品膨脹并使表針回到初始讀數；進行荷載分級實驗，間隔24 h讀數不變則對應壓力即為最大膨脹力。但該儀器操作繁瑣，測量精度不高，人工采取數據，也不能實現溫度控制效果。膨脹力與飽和滲透多功能實驗儀主要由滲透膨脹室、溫控烘箱、GDS水壓/體積控制器、數據采集儀和壓樣模具組成，該實驗儀實現了膨脹力和滲透系數測試一體化，但是整個測量裝置放置在溫控烘箱中,對實驗裝置及傳感器影響不可忽略，影響最終數據，徑向膨脹力也沒有具體測量。

置于處置庫中的緩沖回填材料用于密封高壓壓實膨潤土塊體砌置時形成的塊體與塊體之間、塊體與圍巖之間的施工縫隙以及圍巖中因處置庫開挖卸載引起的裂縫[8]，而塊體與塊體、塊體與圍巖水平方向接觸間的縫隙的密封主要依靠膨潤土水平方向的膨脹，故對其水平向膨脹力的測定是非常有必要的。

創新是綜合知識的運用，是收斂思維與發散思維的有機結合[9]，借鑒以往實驗裝置的優勢和不足，本文自主研制了可以同時考慮溫度、方向性條件影響下對膨潤土的膨脹力進行測量的裝置，該裝置可以準確測得在溫度、方向性條件及其他因素影響下膨潤土豎向及徑向的膨脹力。

實驗中學生要掌握儀器的構造和功能原理、操作方法與步驟、豎向及徑向膨脹力的測量方法、實驗結果描述與分析等過程。讓學生通過實驗，將基礎知識和技能做到有機結合、相互滲透，增強學生的創新精神、理論和實踐聯系的實驗能力，引導學生較早接觸科研創新項目，培養學生的綜合實驗素養[10]。將膨潤土膨脹力測量引入土力學教學和實驗，不僅會豐富教學的內容和手段，在開闊學生視野、提升學生的認知程度和課程教學水平上也具有重要的理論和現實意義[11]。

2 實驗儀器和測量步驟

2.1 膨潤土雙向膨脹力測量儀

膨潤土雙向膨脹力測量儀見圖1。該裝置頂蓋用螺帽旋轉擰緊對膨潤土施加一定的預壓力，以限制壓頭的豎向位移和膨潤土的軸向變形。荷載傳感器與數據采集系統連接，由采集系統中的軟件測量和監測施加的預壓力和膨潤土試樣膨脹后的軸向膨脹力。裝置中的上部管接頭接出水管，下部一側的管接頭接進水管，另一側帶閥門的管接頭用于排出膨脹桶內氣體，進而開展膨潤土膨脹力測試實驗。設置在壓頭與活塞桿外部的密封圈，與膨脹桶緊密接觸，從而起到防滲和保持試樣所受壓力的作用。分別套在膨脹桶上部和下部的加熱環用于給試樣間接加熱，以開展熱環境下的膨潤土膨脹力的測試。位于膨脹桶外四周的4個采用半橋連接的應變片和膨脹桶外的溫度補償片，通過導線與數據采集系統連接，用于測量膨潤土試樣膨脹后引起的膨脹桶的環向應變。通過觀察記錄應變片與溫度補償片的電阻值的變化，即可利用電阻變化值和相應的計算公式求出各自對應的應變值，由應變片得出的電阻值與溫度補償片得出的電阻值之差即膨潤土膨脹力引起的膨脹桶的環形應變，即膨潤土試樣的環向應變，再利用厚壁圓筒理論公式求取膨潤土雙向膨脹力。該裝置采用氮氣加壓以加快膨潤土的滲透速率，縮短實驗時間。圖2為膨脹桶。

圖1 膨潤土雙向膨脹力測量儀

圖2 膨脹桶

2.2 測量儀的標定及實驗操作步驟

2.2.1 儀器標定

實驗開始前使膨脹桶中充滿水，打開傳感器標定程序，進行豎向力及徑向力等測量程序的標定，其中豎向力的標定示意圖如圖3所示，其他力的標定與豎向力的標定步驟類似。豎向力的標定步驟如下：

(1) 傳感器選項中選擇對應的豎向力，不加壓的情況下在傳感器實際值處輸入0，依次點擊開始標定，確認標定；

(2)加200 kPa的壓力，在傳感器實際值處輸入200，依次點擊開始標定，確認標定；

(3) 繼續上一步的操作，直至壓力施加到2 MPa為止；

(4) 將曲線斜率a和曲線截距b分別復制到軟件安裝目錄標定文件下替換其中對應豎向力中的a和b并保存即可。

圖3 傳感器標定示意圖

2.2.2 測量步驟

(1) 將膨脹桶置于液壓裝置底盤上，稱取一定量的膨潤土土樣，均勻放入膨脹桶內，用攪拌棒適當攪拌均勻，然后用液壓裝置對膨潤土進行靜力壓實，制成所需密實度的試樣后取下膨脹桶。

(2) 從液壓裝置上取下膨脹桶，并放置在實驗裝置的底座上，連接進水管和出水管，將應變片接線及荷載傳感器連接在數據采集系統上，旋緊壓頭及擲帽，以對膨潤土施加一定的預壓力。

(3) 打開下部壓頭的進水閥門和其相對另一側的閥門，通入適量蒸餾水或化學溶液以排出透水墊上下的氣體，待進水管內無氣泡時關閉另一側的閥門，使進水閥門保持開啟狀態；若需考慮溫度對膨潤土膨脹力的影響，可用加熱環加熱，利用溫度傳感器控制溫度，將膨脹桶加熱至設定的溫度；然后施加2 MPa的氣壓，開始實驗。

(4) 計算機自動記錄豎向及徑向膨脹力與時間的關系曲線，實驗完成后，卸下進出水管及與采集系統相連的數據線，取出膨脹桶，卸下壓頭及透水墊，將膨脹桶放置在壓力機上取出試樣。

(5) 按照步驟(1)、(2)、(3)、(4)進行不同溫度下試樣的膨脹力測試。

2.3 基本原理

試樣膨脹引起的膨脹桶的環向應變εθ的計算公式如下：

(1)

式中：Kd為應變片的動態敏度系數，Rg為應變片電阻，Rc為應變儀的標定電阻，ΔUc為標定電壓值，ΔUg為記錄脈沖波形采樣值。

按照厚壁圓筒彈性理論[12]，可求取圓筒內壁處的壓力(徑向力)P1：

(2)

式中：a、b、E1分別為厚壁圓筒內徑、外徑和套筒材料的楊氏模量，a=mm、b=mm、E1=9×109Pa。

3 實驗應用與結果分析

3.1 實驗實例

本次實驗樣品為取自內蒙古興和縣的天然高廟子鈉基膨潤土，實驗前將膨潤土過2 mm篩后放置在裝有飽和K2SO4鹽溶液的密封容器中，每隔一段時間取出有代表性的土樣(至少2組)過0.5 mm篩，并測其含水率，待其含水率穩定后根據需要取出適量土樣進行膨脹力實驗。

本次采用1.7 g/cm3作為試樣的干密度，蒸餾水作為滲透液進行實驗，根據一定的體積、已知的土樣含水率、一定的干密度計算并稱取一定量的土樣，將其裝進特定的膨脹桶中，并在壓力機上將其靜力壓制成直徑50 mm、高30 mm的試樣。試樣制作完成后按照2.2.2節中的操作步驟進行膨脹力的實驗。

3.2 實驗結果及分析

對室溫蒸餾水及40 ℃蒸餾水滲透下的膨脹力實驗結果整理分析得到的室溫及40℃蒸餾水滲透作用下膨潤土的典型膨脹力曲線分別見圖4和圖5。豎向力由傳感器測出。

圖4 室溫蒸餾水滲透作用下高廟子鈉基膨潤土膨脹力曲線

圖5 40 ℃蒸餾水滲透作用下高廟子鈉基膨潤土膨脹力曲線

由圖4可以看出：由于膨潤土的體積受到限制，在實驗初始階段，隨著水侵入膨潤土中，膨潤土的結構不斷發生變化，其膨脹力增長迅速；隨著大量的水被吸收，膨潤土中占據主要膨脹作用的礦物成分蒙脫石逐漸吸水飽和，故其膨脹力增長逐漸減緩，膨潤土的結構逐漸達到穩定狀態，直至其膨脹力不再增長；同時由圖4還可以看出膨潤土的豎向膨脹力始終大于其徑向(水平方向)的膨脹力，在實驗研究范圍內膨潤土的徑向(水平方向)膨脹力與豎向膨脹力的比值穩定在0.6左右，這說明試樣在豎向和水平方向間存在各向異性。

由圖4和圖5可知，研究范圍內溫度越高膨潤土膨脹力增大，且達到平衡所需時間有所縮短，徑向(水平方向)膨脹力與豎向膨脹力的比值略有增大，約為0.62，這主要是由于溫度升高加劇了物理微觀分子和原子間的熱運動，增大了分子或原子間距，溫度越高，膨潤土內部結構熱運動程度越劇烈，故其膨脹力越大。更高溫度下膨脹力的狀況還有待進一步的研究。

4 結語

在土力學實驗基礎上，自主研制了一種針對膨潤土膨脹力測量的實驗裝置，該裝置在以往裝置的基礎上提供了一種可以同時考慮溫度、方向性條件影響下對膨潤土的膨脹力進行測量的裝置，利用該裝置對膨潤土進行了在蒸餾水滲透，以及室溫和40 ℃下的膨脹力實驗，通過對實驗結果的分析，確定了膨潤土膨脹力的發展分為兩個階段，初始階段膨脹力發展迅速，之后逐漸增長變緩直至穩定；且在實驗研究范圍內其豎向膨脹力始終大于水平方向的膨脹力，即存在各向異性。對于土木工程、地質工程等專業的學生而言，該裝置易于操作、便于學習、結合的知識點豐富，新引入的膨潤土膨脹應力測試不僅是對以往教學內容的補充，還適用于實驗教學，能全面提高學生的理論知識學習和動手實踐能力，與實際工程聯系緊密。

膨潤土膨脹應力的研究與核廢物處置等熱點問題相結合，使教學內容和思想與現實工程實際發展同步，是土力學教學改革的結果，拓寬了學生畢業后的就業渠道和競爭能力，有利于教學改革的發展，適應了新形勢下國家對人才的培養要求。現階段膨潤土膨脹應力的檢測還有一定的局限性，為完善其理論，后期將對不同濃度鹽溶液、堿溶液及溫度等作用下的膨潤土的膨脹力進行實驗研究，以總結歸納出一定的規律，從而使這一理論更具準確性與實用性。

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Application of bidirectional expansion stress measuring instrument for bentonite in soil mechanics experimental teaching

Liu Junxin1, Jiang Bing1, Guo Zhaoqun1, Liu Yutian1, Zhang Yidong1, Zhang Yongze2

(School of Civil Engineering and Architecture, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China；2. Land and Resources Exploration Center， Bureau of Geology and Mineral Resources of Hebei Province, Shijiazhuang 050081, China)

An experimental device for measuring expansion stress of expansive soil by lateral and axial confined experimental method is independently developed, and the axial and radial expansion stresses under the constant volume are obtained. The experimental device for measuring expansion stress of bentonite under the consideration of the temperature and direction conditions is provided, which fills the gap in the soil mechanics experimental teaching. The experiment proves that the device is of the applicability, reliability and easy operation. Based on the former device and through the analysis, the development law of expansion stress of bentonite under the seepage effect and thermal environmental conditions is obtained. This device enriches the content of experimental teaching and improves the knowledge system, which is a supplement to the content of the Soil Mechanics course, and is beneficial for training students’ practical ability.

soil mechanics; bentonite; expansion stress; experimental teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2017.11.017

TU411-33; G642.0

B

1002-4956(2017)11-0061-04

2017-04-21修改日期2017-06-05

四川省科技支撐計劃項目(2016GZ0157)

劉俊新(1976—)，男，江西安福，博士后，教授，主要從事巖土工程與防護工程研究.

E-mailljx0614@126.com