饱和粘土的一维热固结特性试验研究

刘京铄，范金星，刘亚军

(湖南水利水电职业技术学院 水利工程系， 长沙 410131)



饱和粘土的一维热固结特性试验研究

刘京铄，范金星，刘亚军

(湖南水利水电职业技术学院 水利工程系， 长沙 410131)

考虑温度对饱和粘性土的力学特性的影响，通过室内试验，研究了饱和粘土在不同温度作用下的固结效应；分析了温度引起的孔隙水压力以及渗透性差异性.试验表明,温度对土颗粒的膨胀作用和孔隙比的收缩作用影响较小.高温作用下发生的热膨胀在一定程度上阻碍了变形的发生，50 ℃条件下压缩指数较10 ℃条件下有减小的趋势.随着温度的升高，固结屈服应力均随之减小.温度越高，水溶液的粘度越低，越容易被排出，其渗透系数越大，超静孔隙水压的消散越快，所以50 ℃时的超静孔隙水压较10 ℃时小.渗透系数随着孔隙比的升高而升高.粒径较大的试样的渗透系数大于粒径较小的试样的渗透系数.

饱和粘土；温度；热固结；孔隙水压；渗透性

0　引　言

自从Terzaghi创立一维固结理论以来，国内外学者将其进行了一系列的推广，丰富了固结理论，却较少涉及温度的影响.温度作为影响岩土材料固结-蠕变特性的主要因素之一[1,2]，对岩土工程变形的影响不可忽视.温度场只能作为蠕变的影响因素, 而非直接因素，力为主导因素，最终蠕变的发生必然为热力耦合过程，该过程的发生取决于骨架本体和结构整体[3]的热力学特性.

近年来，考虑温度对土体工程性质的影响成为岩土工程领域的一个重要研究方向，它在热能贮存、地热资源开发、核废料处置、供热管道设计等领域有重要的实用价值.Campanella等[4]在各向等压固结条件下进行了不同温度下的固结试验，对热效应所产生的孔隙水压等进行了研究.Hueckel等[5]对不同超固结状态的粘性土进行了不同温度条件和温度、荷载循环三轴固结试验.Hüpers等[6]研究了粘土的热固结特性及其孔隙水压力的演化机理.还有一些学者研究了考虑温度影响的本构模型[7-9].本文通过室内试验，研究饱和粘土在不同温度荷载作用下的固结效应， 进一步分析温度引起的孔隙水压、孔隙比和渗透性的差异性.

1　试验概况

本文采用两种土料在同样的试验条件下进行对比研究，根据《土的分类标准》(GBJ145-90)将其定为粘土，其物理性质指标及粒径级配累计曲线分别如表1和图1所示.

试验采用的热固结试验装置进行试验如图2所示.筒状电热板嵌入恒温水域容器侧壁内，其电热板与温度控制器相连.温度传感器安装在底部，输出端与温度控制器连接，以此来控制水域温度的变化.水域温度可控制在0～100 ℃范围内，试验时可根据试样所要模拟的温度荷载大小以及变化过程来确定.试样内的孔隙水压由位于试样底部的孔隙水压力传感器来测量.该数字监控系统还能实时监测试样的渗透系数.

将土样加入一定量的水充分混合搅拌均匀形成初始含水率为2倍液限的粘流体，然后采用质量控制法将泥浆注入的固结仪中成型，试样直径6 cm，高2 cm.

图1　两种土的颗粒级配曲线

土料编号比重自然含水率/%液限含水率/%塑限含水率/%塑性指数C-12.76747.6712249C-22.61045.5623626

考虑到工程实际，试验温度采用10 ℃和50 ℃.以温度为变量，在反压和固结压力保持恒定的情况下，分别在水域温度10 ℃和50 ℃的条件下进行等温固结试验，测得不同温度条件下的超静孔隙水压、孔隙比和渗透系数.C.W.W.NG[10]证明，在60 ℃以下各传感器的精度不会受到温度的影响.

1-伺服作动器；2-轴向载荷传感器；3-反压控制系统；4-孔隙水压力传感器；5-驱动装置；6-应变放大器；7-稳压器；8-驱动电路板；9-PC；10-恒温水域容器； 11-筒状电热板；12-温度传感器；13-温度控制器

图2热固结试验装置

相应温度条件下的有效竖向应力通过下式计算得到：

σ'=σ-2△u/3

(1)

式中，σ′为有效竖向应力(kPa)；σ为总应力(kPa)；ue为超静孔隙水压(kPa).

实验的具体操作步骤如下：(1)按照操作规程将试样安装到固结仪中，安装好各种辅助设备；(2)调节恒温水域容器内水的温度至设定值；(3)施加反压100 kPa饱和并进行等温水循环6 h，以保证试样有足够长的时间达到设定温度值；(4)待试样温度稳定后，打开排水阀门让试样在固结压力100 kPa作用下排水固结，直至孔隙水压力消散至稳定.

2　一维热固结控制方程

按动量、质量和能量三个方面的守衡条件，可给出如下完全耦合的张量表达式[13]：

Gui,jj+(λ+G)uk,ki=αpi'+βTi'

(2)

(3)

(4)

式中，符号“′”表示求导数；变量上的一点表示对时间求导数；u为位移；p为孔隙水压；T为温度；εkk表示体积应变；λ和G为Lame常数；α为Biot水力耦合系数；β为热膨胀因子；K为渗透系数；γw为水的重度；αp为介质的总压缩系数；αm为热膨胀系数；θ为热传导系数；qw为渗透流量；T0为参考温度；Qw为水源；Qh为热源；mw为水的内热容；m为总内热容.

对于一维情形，上述控制方程可改写为[11]：

(5)

(6)

(7)

3　试验结果及分析

3.1温度对颗粒膨胀的影响

体积为Vw的孔隙水的热膨胀量Vw的表达式：

△Vw=αwVw△T

(8)

温度对土颗粒引起的热膨胀量可以通过土颗粒和水的比重来间接反映.比重增量可以通过下式计算得到：

(9)

3.2温度对压缩性的影响

图3为2种土的固结曲线.可以看出，温度对孔隙比的影响较小.与上一节的结论一致.L.G. Eriksson[13]认为随着温度的升高，固结曲线向左发生偏移，固结屈服应力也随之减小.该现象在C-1粘土的固结后期不明显，在C-1粘土的固结后期和C-1粘土的固结全过程观察到了该现象.这可能是不同的粘土材料引起的.两种温度下C-1粘土与C-2粘土的固结曲线均有相交或部分重叠的现象，表明50 ℃条件下压缩指数较10 ℃条件下有减小的趋势，这是因为高温作用下，土颗粒与孔隙水发生膨胀，一定程度上阻碍了变形的发生.但随着固结的进行，该现象逐渐减弱.这可以解释为增强的渗透性和热膨胀综合作用的结果.

图3　固结曲线

为进一步研究温度对固结屈服应力的影响，对其进行归一化处理.图4为归一化处理后的固结屈服应力，并用式(10)[14]进行拟合.从图中可以看出，随着温度的升高，固结屈服应力均随之减小.在温度载荷作用下，粘土均呈现出粘性特征，但温度对粘性特征的影响程度随粘土材料的不同而不尽相同.

(10)

式中，σc′(T)为温度T条件下的固结屈服应力(kPa)；σc′(T0)为初始温度T0条件下的固结屈服应力(kPa)；γ为材料参数(无量纲)，γ是热膨胀因子β的函数.

图4　归一化固结屈服应力

通过上式可以反分析得到两种粘土的材料参数γ：γc-1=0.2442，γc-2=0.1194.从图4可以看出，材料参数γ越大，相同温度下的归一化的固结屈服应力越小，减小速率越快.

3.3温度对渗透系数的影响

固体颗粒与孔隙水热膨胀特性的差异导致了孔隙水压力的产生[15].图5为2种土在等温固结过程中，土样内超静孔隙水压随有效竖向应力的变化过程.从图中可以看出，50 ℃时的超静孔隙水压较10 ℃时小.对C-1粘土，温度分别为10 ℃和50 ℃时，超静孔隙水压峰值分别为108.962 kPa和47.1698 kPa，50 ℃时减小了56.7%.对C-2粘土，温度分别为10 ℃和50 ℃时，超静孔隙水压峰值分别为433.216 kPa和141.519 kPa，50 ℃时减小了67.3%.

这是因为温度的改变引起了渗透系数的改变.温度的升高促进了渗透性(见图6)，孔隙水的加速排出，加快了超静孔隙水压的消散.在渗透系数对数坐标下，10 ℃和50 ℃条件下的孔隙比随渗透系数的变化曲线近乎平行发展，表明两温度下的渗透系数的比值保持不变.

渗透系数的表达式为：

K=kρg/η

(11)

式中，K为渗透系数；k为孔隙介质的渗透率，它只与固体骨架的性质有关，η为粘度；ρ为流体密度；g为重力加速度.

从式(11)可以看出，温度对渗透系数的作用是通过粘度的改变反映的.温度与粘度成反比例关系.两种温度下水的粘度之比为η10/η50=2.38.从图7可以看出，两种粘土C-1和C-2在两种温度下的渗透系数的比值K50/K10在2.38～2.42之间浮动，均与粘度的比值2.38非常接近.

图5　超静孔隙水压随有效竖向应力的变化曲线

图6　孔隙比随有渗透系数的变化曲线

图7　两种温度下的渗透系数的比值

粘度是流体粘滞性的一种量度，是流体流动力对其内部摩擦现象的一种表示.流体的粘度越大，则表示流体流动时产生上述内摩擦力越大，流体的流动性越差.温度越高，水溶液的粘度越低，越容易被排出，超静孔隙水压的消散越快.

另一方面，温度荷载作用下，吸附在土颗粒周围的水分子被激化，使水分子游离出吸附水膜，从而减小了水膜的厚度，孔隙水流通的通道变大，渗透性进一步增强.所以50 ℃时的超静孔隙水压比10 ℃时的小.

3.4孔隙率对渗透系数的影响

进一步比较图6可知：

(1)渗透系数随着孔隙比的升高而升高.随着孔隙比的升高说明单位体积内所包含的孔隙体积升高，孔隙水流通的通道变大，故渗流系数增大.

(2)相同温度下，C-2的渗透系数小于C-1的渗透系数.这是由于C-2的粒径较C-1更小.在孔隙比一定的条件下，即土体内部所包含的孔隙体积相同，粒径增大导致土颗粒间孔隙尺寸增大， 总的孔隙体积相同， 平均孔隙直径增大，则相应孔隙数量减少.平均孔隙直径的增大，使得流体通过的断面增大；孔隙数量的减少，则使得流体绕流的路程缩短，水头损失降低，渗透系数增大[16].

4　结　论

(1)温度对土颗粒的膨胀作用和孔隙比的收缩作用影响较小.

(2)50 ℃条件下压缩指数较10 ℃条件下有减小的趋势，这是因为高温作用下发生热膨胀，一定程度上阻碍了变形的发生.但渗透性的增强使得该现象逐渐减弱.

(3)随着温度的升高，固结屈服应力均随之减小.通过反分析得到了两种粘土的材料参数γ.材料参数γ越大，相同温度下的归一化的固结屈服应力越小.

(4)50 ℃时的超静孔隙水压较10 ℃时小.这是因为温度的改变引起了渗透系数的改变.温度越高，其渗透系数越大.温度越高，水溶液的粘度越低，越容易被排出，超静孔隙水压的消散越快.

(5)渗透系数随着孔隙比的升高而升高.粒径较大的试样的渗透系数大于粒径较小的试样的渗透系数.

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Experimental Study on One-dimensional Thermal Consolidation of Saturated Clays

LIU Jing-shuo, FAN Jin-xing, LIU Ya-jun

(Department of Hydraulic Engineering, Hunan Polytechnic of Water Resources and Electric Power, Changsha 410131, China)

Considering the effects of temperatures on the mechanical properties of the unsaturated cohesive soil, laboratory tests are conducted to investigate the consolidation effects of cohesive soils exposed to varying temperatures in the paper. The differences of pore hydraulic pressure and permeability caused by temperatures are analyzed. By laboratory tests, consolidation properties of two saturated clays under different temperatures are studied. Results show that the effect of temperature on the expansion of soil particles and the contraction of void ratio is small; the thermal expansion due to high temperature can affect the deformation to some extent. So the compression index at 50℃is smaller than that at 10℃. However, such an effect disappeared due to better permeability; the consolidation yield stress decreases with increasing temperature. Higher temperature leads to less excess pore water pressure due to higher permeability coefficient because the viscosity of pore water at higher temperatures becomes weaker; permeability coefficient increase with larger void ratio and grain size.

saturated clay; temperature; thermal consolidation; pore hydraulic pressure; permeability

湖南省教育厅科研资助项目(14C0746)，湖南省水利厅重大科研课题(湘财农指[2010]29号,[2015]186号).

刘京铄(1979-)，男，讲师，博士研究生，研究方向：岩土工程.

TU411.5

A

1671-119X(2016)03-0086-05