侧限应力状态下非饱和膨润土的变形特性

孙文静, 孙德安, 闫 威

(上海大学土木工程系,上海 200072)

经过多年的研究,对于高水平放射性核废料(高放废物)的最终处置,普遍接受的可行性方案是深层地质处置,即将高放废物深埋在距地表约 500～1 000 m的地质体中[1],使其与人类生存环境充分、彻底、可靠地隔离.借鉴国外成熟的技术和经验,我国采用多重工程屏障系统 (包括废物固化体、废物容器及其外包装和缓冲/回填材料)和适宜的围岩地质体共同作用,确保高放废物与生物圈的安全隔离.膨润土由于具有较高的膨胀性、极低的渗透性和优良的核素吸附等性能而被世界各国选作缓冲/回填材料的基质材料[2-3].

国内外学者在膨润土的力学性质方面做了大量有意义的研究,刘泉声等[4]研究了砂-膨润土混合物膨胀力的影响因素.徐永福等[5]用压缩仪完成了膨润土及其与砂混合物的一系列膨胀变形试验.叶为民等[6]对不同密实度的压密膨胀土的微观结构随吸力变化的特征进行了研究.H.Komine等[7]对膨润土的膨胀变形特性进行了试验研究.C.Hoffmann等[8]通过试验研究得出影响砂-膨润土混合物的水力-力学特性的控制性因素.

深层地质处置中,非饱和膨润土处在侧限应力状态,在竖向荷载作用下产生变形,并对周围土体/岩体产生力的作用.因此,对侧限应力状态下非饱和膨润土变形特性的研究及对膨润土产生的侧向应力的变化规律的研究,是地下核废料地质处置中非常有意义的基础性研究[9].

本工作采用能够测量侧向应力的单向压缩试验,研究了非饱和膨润土在侧限条件下,由竖向荷载作用引起的变形,分析了土样压缩过程中含水量ω、孔隙比 e、饱和度 Sr、侧向与竖向总应力之比σh/σv的变化规律,为进一步研究非饱和膨润土浸水膨胀特性及预测非饱和膨润土的膨胀压力奠定了试验基础.

1 试验概况

1.1 试验所用材料

试验所用膨润土 Kunigel-V1-Na-Bentonite为钠基膨润土,是目前国际上用于核废物地质处置的膨润土中较有代表性的一种,产于日本.原生土样的物理力学指标详见表 1[3].该膨润土的主要矿物成分为蒙脱石、石英、方解石、长石等.由于膨润土具有极为活泼的阳离子交换性,为避免试验用水溶液与试样发生离子交换而影响试样的水力-力学特性,本试验采用去离子水.

表1 Kun igel-V1钠基膨润土的基本物理指标Table 1 Physical index of Kun igel-V1-Na benton ite

1.2 试验仪器

试验所用固结试验仪如图 1所示.该仪器的侧向压力测定腔用橡皮膜与土样隔开,膜内充满脱气水,由压力传感器测定侧向压力.竖向加压装置通过杠杆用砝码加压,杠杆比例为 1∶10.试验仪与能够测量侧向应力和竖向位移的数据采集仪相连,试验过程中能够准确地测量侧向压力与试样的竖向变形.

图1 静止侧压力系数固结仪Fig.1 Consolidation apparatus with lateral stress being measured

1.3 试验方法

1.3.1 调土

首先用喷雾器将水均匀地喷撒在干膨润土粉末上,使土样达到目标含水量 w0,调制过程中充分搅拌,避免土样产生结块现象.将调好的土样密封放置24 h以上,使土样含水量均匀.

1.3.2 制样

在环刀(环刀内环截面面积 30 cm2,高度 4 cm)上固定内径相同的圆箍 (高度为 1 cm)形成组合体.将调好的土样分 4层先后填入该组合体内,逐层击实,每层土样重量大致相等,每层击实次数相同 (击实次数取决于试验所需的初始孔隙比 e0).取下圆箍,用切土刀切除高出环刀部分的土样,整平,制成截面积为 30 cm2,高为 4 cm的圆柱体试样.

1.3.3 装样

在试样上下两端放置透气不透水的膜,保证试验过程中试样含水量不变.将试样压入加压容器内,调整好仪器,调节侧向水压力,使其等于外部大气压.此时将数据采集仪上侧向压力显示的数值置 0,作为试验初始状态.

1.3.4 加载

对试样施加 12.5 kPa的竖向应力,待试样压缩变形稳定后,测定试样在该级竖向荷载作用下产生的侧向应力σh与竖向位移,再施加下一级荷载.

2 试验结果与分析

进行 5次膨润土击实样的压缩回弹试验,试验中竖向荷载应力路径分别如下：No.1试验为先加载竖向应力至 550 kPa,然后卸载至 200 kPa,最后再加载至 900 kPa;No.2,No.3试验为加载试验,最大竖向应力分别为 900,1 000 kPa;No.4试验中先加载竖向应力至 700 kPa,然后卸载至 25 kPa;No.5试验中先加载竖向应力至 800 kPa,然后卸载至 100 kPa,最后加载至1 000 kPa.试样的物理参数指标详见表2～表 3.

表2 试样的初始状态Table 2 In itial state of spec imens

表3 试验结束后试样的状态Table 3 Final state of spec imens

由表 2可知：No.1,No.2,No.3中试样初始含水量相近,初始干密度依次升高;No.4,No.5中试样初始含水量相近.试验过程中,由于试样上下两端放置了透气不透水的膜,因此试验前后试样的含水量相近.试样在试验过程中含水量不变,如表 2～表 3所示.

图2(a)为 5次试验的 e-logσv曲线 (忽略中间卸载过程),图 2(b)为 No.1,No.4和 No.5这 3次含有卸载过程的试验中完整的 e-logσv曲线,由图 2可得到以下结论：

(1)试样在压缩过程中产生了由弹性状态向弹塑性状态的过渡,折点后 e-logσv曲线的斜率 (即压缩指数 Cc)明显大于折点前的斜率 (即膨胀指数Cs).对于具有相同初始含水量的试验,e-logσv曲线产生折点的竖向应力 (屈服应力)随初始干密度的增大而增大.如图 2(a)所示,No.1,No.2,No.3中试样初始含水量相近,初始干密度依次增大.压缩试验过程中,由弹性状态到弹塑性状态过渡的折点处的竖向应力逐渐增大,约为 100,200和 300 kPa.No.4和No.5中试样初始含水量相近,No.4的试样的初始干密度比 No.5的小,其屈服应力分别约为 80和200 kPa.

图2 孔隙比与垂直应力关系图Fig.2 Relation between void ratio and vertical stress

(2)No.1,No.4和 No.5试验都经历了卸载过程,卸载时 e-logσv曲线的斜率 (即膨胀指数 Cs)大致相等,这与试样的初始含水量或饱和度以及初始密度关系不大,其值约为 0.035.

(3)No.1,No.2,No.3试样初始含水量分别为19.3%,19.2%和 18.3%,可认为三者具有相同的初始含水量;No.4,No.5的初始含水量分别为 29. 7%,28.6%,也可认为二者具有相同的初始含水量.由图2(a)可知,对于初始含水量相同的试验,在高应力范围内的 e-logσv曲线非常接近.也就是说,高应力范围内的压缩曲线与试样的初始密度关系不大,而主要取决于试样的含水量.由表 3可知,No. 1,No.2和 No.3试样最终的饱和度接近,说明试样的吸力较接近;同样,No.4和No.5中试样最终的饱和度接近,试样的吸力也较为接近.在等吸力条件下,Alonso等[10]认为土体孔隙比与应力的关系可表示为直线.因此,在较高的竖向应力范围内,相同含水量的击实膨润土试样吸力趋于相等,相应的 elogσv曲线趋于一致;同时,含水量较小一组 (No.1, No.2和No.3)的 e-logσv曲线的斜率小于含水量较大一组(No.4和 No.5),即含水量较小的试样刚度要大于含水量较大的试样.这主要是因为含水量较小的试样,饱和度较低,相应的土样吸力较高,在相同的竖向荷载作用下,土样不容易发生竖向压缩变形,试样的刚度较大.

每次试验需要 2～3周,为了防止试样水分蒸发,试样上下端放置有透气不透水的膜.从表 1～表2中试验前后的含水量可知,试验过程中试样中的水分基本没有蒸发.因此,可从试样的含水量和竖向位移计算得到每级荷载下的饱和度 Sr.

图3(a)为试验过程中 5个试样饱和度与垂直应力的关系曲线 (忽略中间卸载过程),图 3(b)为No.1,No.4和No.5这 3次含有卸载过程的试验中完整的 Sr-logσv图.由图 3可得到以下结论：

(1)在 5次试验中,加载段的饱和度随竖向荷载的增大而增大,且试样初始含水量越高,饱和度增长越快.No.1与No.4试验中试样的初始干密度相近,No.3与No.5试验中试样的初始干密度相近,但因No.4,No.5的初始含水量较高,其饱和度变化趋势高于初始含水量较低的No.1和No.3.这主要是因为试样含水量较高,相应的土样的吸力较小,在相同的净竖向荷载作用下,土样比较容易发生竖向压缩变形,饱和度增大的幅度较大.

(2)饱和度的变化也反应了试样在压缩过程中由弹性状态到弹塑性状态的变化过程,这与图 2中的 e-logσv曲线一致.例如,No.4试验在σv=80 kPa时,饱和度曲线的斜率发生较大变化,而在此处,elogσv平面上曲线的斜率也发生较大变化.

(3)初始含水量一致的试样在压缩试验结束后的饱和度趋于一致.

(4)No.1,No.4和No.5试验包括卸载过程.在3次试验的卸载段,试样饱和度均呈减小趋势,这是因为卸载过程中试样孔隙体积变大.

图4(a)是 5次试验得到的侧向总应力σh与竖向总应力σv关系图 (忽略中间卸载过程),图 4(b)为 No.1试验完整的σh-σv曲线.由图 4(a)可知,同样的σv值下,初始含水量高的试样的侧向应力也相应较高.这是因为试样含水量较高,吸力相应较小,在竖向力作用下,较易产生竖向变形,则侧向应力会相应变大.由图 4(b)可知,同样的σv值下,卸载过程中的σh值比加载过程时的要大,再加载过程中的σh值比卸载过程中的要小,而比加载过程中的要大.

图3 试验过程中饱和度与垂直应力关系图Fig.3 Relation between degree of saturation and vertical stress during testing

图5为 5次试验加载过程中σh/σv随竖向应力σv的变化图.在装样时,固结仪中压力室的橡皮膜与试样接触程度难以精确控制,这造成试验开始时σh/σv的值较为分散.其中 No.1与 No.2为避免接触不良,初期施加的侧压力偏大,致使竖向荷载较小时σh/σv值较大.随着竖向荷载增大,σh/σv值有增大的趋势,而No.4和No.5的σh/σv值增大趋势较大,这与饱和度增加较大有关.以下对此进一步说明.

侧向压力系数 K0通常定义为有效侧向应力与有效竖向应力之比,即[11]

图4 σh-σv关系图Fig.4 Relation between lateral and vertical stress

图5 加载过程中σh/σv随竖向应力σv的变化Fig.5 Var iation inσh/σvwithσvduring loading

式中,σ′v为有效竖向应力,σ′h为σ′v引起的有效侧向应力.

非饱和土的有效应力σ′ij的表达式有几种[12],此处采用下式：

式中,σij为总应力张量,Sr为饱和度,s为吸力,ua为孔隙气压力,δij为克朗内科 (Kronecker)符号.

本试验中,气压 ua=0,将式 (2)代入式 (1),可得

经换算可得

试验过程中,饱和度 Sr随σv的增大而增大,如图 3所示.随着饱和度逐渐增大,试样的吸力 s逐渐减小,在试样趋于饱和时,吸力降为 0.因此,虽然竖向应力增大时饱和度 Sr增大,吸力 s减小[13],但s·Sr值的总体变化趋势是减小的.同时,随着吸力的减小,侧向压力系数 K0的值是增大的[14].当试样饱和,吸力降为 0时,K0值达到最大.由式 (4)可知,竖向应力与侧向应力之比σh/σv随竖向应力σv的增大而增大.当σv增大时,若饱和度 Sr的增大明显,σh/σv的值逐渐增大的趋势也越明显 (如 No.4和No.5试验,见图 5).

3 结束语

本工作通过在非饱和膨润土压缩试验中对侧向应力的测量,研究了膨润土在竖向荷载作用下的变形.通过比较 5次不同初始含水量和密度的击实膨润土样的压缩试验结果,分析了土样在压缩回弹过程中的变形、饱和度和侧向压力的变化规律.相同初始含水量而初始干密度不同的试样,在受较高压力时具有相近的压缩曲线,击实膨润土的膨胀指数不受初始含水量和初始干密度的影响.同时,根据非饱和土的侧向压力系数 K0的定义,得出总侧向应力与总垂直应力的比值σh/σv与垂直应力、吸力、饱和度之间的关系.该压缩试验的研究为进一步研究非饱和膨润土浸水膨胀特性及预测非饱和膨润土对周围结构的膨胀压力奠定了试验基础.

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