杂色黏土渗透试验及渗透系数影响因素灰色关联分析

乔少南 王家鼎 王 飞 张登飞

(西北大学 地质学系大陆动力学国家重点实验室,西安710000)

在实际工程中常遇到颜色迥异的第三系黏土,工程界将此类黏土统称为杂色黏土.例如,山西某盆地边缘丘陵地带,广泛分布有紫褐、灰绿、灰褐等颜色的黏土,如图1所示为在铁路沿线开挖护坡灰绿色与褐色互层黏土裸露地表.该杂色黏土是由河湖相沉积而成,颗粒分布均匀致密、渗透性极弱,为较好的隔水层；开挖暴露后不久便会发生风化剥落,长久的干湿循环作用,发生软化.因其特殊的工程性质,杂色黏土与砂层不整合接触面附近发生滑坡.在铁路修建工程中,如图2所示,灰褐色黏土在护坡作用下,仍旧发生二次滑塌.

图1灰绿色与褐色黏土

图2灰褐色黏土裸露引发二次滑塌

该杂色黏土属于硬质黏土,目前对硬质黏土已取得了较为丰富的研究.如陈留凤,彭华[1]通过硬黏土的干湿循环试验,发现循环次数对硬黏土的土水特征曲线有影响,但对基质吸力变化梯度的影响不明显；卞夏,丁建文,史剑[2]在考虑超固结比的影响下,基于硬黏土应力灵敏度与重塑孔隙指数呈线性关系,提出了屈服后硬黏土的压缩变形模型；刘锐,郑洪波[3]通过对硬黏土进行系统的粒度分析,推断该硬质黏土沉积环境为河湖相.渗透系数是黏土的一项重要参数指标,与分层沉积土中地下水状态及边坡稳定性等密切相关.

本文针对某铁路建设遇到的工程问题,在工程现场采取杂色黏土土样,进行了室内土工试验、矿物X-衍射与电镜扫描试验.利用灰色关联分析法对杂色黏土的矿物成份、自由膨胀率、孔隙比等进行关联度分析,探究影响杂色硬质黏土渗透性的主次因素,分析其影响机制,为工程建设提供参考.

1 试验方案与方法

1.1 试样制备

杂色硬黏土取自山西某铁路沿线,利用钻机取样,取样深度如图3所示.为了避免运输过程中发生扰动,将钻机取出的样品先用保鲜膜及铁皮包裹后,再用液体蜡密封至PVC管内,装至木箱运回实验室；拆除样品时,先将外部固体蜡用高温吹风机熔化,然后将PVC管、铁皮拆除,拆除过程中尽量避免人为扰动.依据GB/T 50123—1999《土工试验方法标准》,按沉积方向对土样削切成直径为61.8 mm高度为40 mm 的环刀试样.选定紫褐、灰绿、灰褐、灰黑、棕褐、褐黄6种颜色黏土,每种颜色削切3个环刀试样,设为一组,共计6组,进行渗透试验；同时将这6种颜色的黏土放入烘箱烘干后碾碎,用0.075 mm细筛筛出的土颗粒进行X-Ray衍射试验；另将土样自然风干后,沿竖直和水平方向削成1 cm3的小方块,进行扫描电镜实验.

图3杂色黏土取样深度

1.2 变水头渗透试验

渗透是液体在多孔介质中运动的现象,通过渗透系数这一指标进行表示.由于杂色黏土为较细颗粒的土,故采用变水头渗透试验进行渗透系数的测定[4],试验装置主要组成如图4所示,渗透系数计算确定方法见式(1).

图4变水头渗透试验仪器

式中:k为渗透系数(cm/s)；a为变水头管截面积(cm2)；L为渗径,等 于 试样高度(cm)；h1为开始 时水头(cm)；h2为终止时水头(cm)；A为试样的断面积(cm2)；t为时间(s).

由于室内试验并非在标准温度下进行,故需对试验结果进行校正,见式(2):

1.3 X衍射与电镜扫描试验

在西北大学地质学系大陆动力学国家重点实验室分别进行X 衍射与电镜扫描试验.利用X 射线对这6种黏土的0.075 mm颗粒进行衍射,得到衍射图谱.由于每种矿物的元素、基团、结构等有所不同,表现在图谱中峰值数目、角度、形状等有所差异.根据已知矿物X 射线衍射图进行对比分析,确定矿物成分；根据每种矿物衍射强度数据分析计算,确定每种矿物含量.将1 cm3的样品置于载物台上并镀金膜,在捷克FEI公司生产的FEI Quanta 400 FEG环境扫描电子显微系统下进行扫描.

1.4 灰色关联分析法

对杂色黏土进行X-衍射、电镜扫描等需要耗费大量财力、物力且试验结果数量有限,因此选择灰色关联分析法研究各个因素对渗透系数的影响.灰色关联分析是灰色系统理论中十分活跃的一个分支,基本思想是根据序列曲线几何形状的相似程度来判断不同序列之间联系是否紧密.本文选择邓聚龙教授提出的灰色关联分析模型进行分析[5].其基本方法如下:

设X0为主序列X0={X0(k)|k=1,2,…,n},Xi为比较序列Xi={Xi(k)|k=1,2,…,n}(i=1,2,…,m)(m为比较因子).分别对上述序列进行区间像处理,见式(3):

根据式(6)计算各个序列中每个因子的关联系数

式中:Δmax为主数列的因子与所有比较序列对应因子差值的最大绝对值,由式(7)求得.

式中:Δmin为主数列因子与所有比较序列对应因子差值的最小绝对值,由式(8)求得.

式中:ε 为分辨系数,由式(6)可知,ε 越大,则最大值Δmax对关联系数影响越大,反之,ε越小,最大值Δmax对关联系数影响越小.一般令ε=0.5,但是根据吕锋[6]对灰色关联度的分辨系数的研究和有关定理证明,对于系统因子受到强干扰或者出现异常大值时,可以将ε 取的小一些,以减弱上述因素的影响；对于观测序列规律性强、离乱性弱的情况下,可以将ε取相对大一些.分辨系数ε 取值规则如下:

设Δv为所有差值绝对值的均值,见式(9):

ΔX与ε 的取值有关,见式(10):

ε 的取值为:

当Δmax＞3Δv时,ΔX≤ε＜1.5ΔX；

当Δmax≤3Δv时,1.5ΔX≤ε≤2ΔX.

这样取值既考虑系统整体性,又可以避免异常值的影响,同时使取值更具客观性、灵活性和智能性.在渗透系数关联度分析中,根据计算选择ε=0.3更符合实际情况.

由于求取的关联系数只表示的是比较因子的样品数据与主行为样品数据之间的关联程度,并不代表整体数列之间的关联度且不便于比较,故利用关联系数的平均值作集中化分析处理得到一个较有代表性的关联度,见式(11):

2 试验结果与计算分析

2.1 杂色黏土试验结果分析

每种颜色取3个试样,求取这3个试样渗透系数平均值,获得6组颜色黏土渗透系数,同时测得黏土天然含水率及饱和含水率；利用X 射线求得每组颜色矿物含量,其中每组颜色黏土做矿物分析时,原则上用两个试样矿物含量求取平均值作为该组颜色矿物含量分析结果,若两组试样矿物含量相差大,再进行第3个试样矿物分析,获得较为可靠的分析结果,试验处理结果见表1.

从表中的试验结果可以看出,该地区与其它地区黏土明显不同.如广西武鸣红黏土及桂林红黏土,其矿物成分以高岭石为主,含量在56%～74%之间,含少量三水铝石、针铁矿等,武宁地区黏土不含石英,桂林含少量石英[7]；成都黏土主要由风尘堆积物形成,具有裂隙性和胀缩性,石英平均含量为37.5%,黏土矿物以高岭石为主,其次伊利石和蒙脱石[8]；上海地区沉积淤泥质黏土,黏土矿物以水云母、蒙脱石为主,天然含水量高,孔隙比大,矿物联结弱,结构不稳定[9].山西武乡地区杂色黏土渗透系数差异较大,紫褐与灰绿色渗透系数与褐黄色相差3个数量级；紫褐色与灰绿色膨胀性较大,其他颜色基本无膨胀性；孔隙比在45%～68%之间,较为密实,天然含水率高；黏土矿物以蒙脱石为主,其次为伊利石,不含高岭石；石英矿物含量最多,其次是黏土矿物,其原因可能是在某一时期,该地层河湖相沉积的砂质泥岩裸露地表,硅酸盐矿物风化形成黏土、石英等矿物,后经黄土覆盖,风化作用减弱,石英与黏土矿物等在沉积作用下形成透水性差、结构致密的的杂色黏土；灰黑色含铁矿物较多,其它颜色含量较少,个别颜色含有白云石.总体来说山西武乡黏土不同颜色矿物含量、工程性质有所差异.

表1试验结果一览表

2.2 杂色黏土渗透性的灰色关联计算

本文选择渗透系数作为主行为序列X0,由于渗透系数数量级较小,最小数量级为10-7,不同颜色渗透系数数量级差异较大,为此进行对数处理[10],均为负值为方便比较再进行绝对值处理如图5所示.

图5杂色黏土渗透系数曲线

另外选择自由膨胀率、孔隙比、蒙脱石、伊利石、方解石、钾长石、斜长石、石英、白云石和含铁矿物在不同颜色黏土中的含量作为比较序列Xi,经过公式(3)～(5),进行规范化处理,所得结果分别如图6所示.

图6序列区间化处理

根据公式(6)～(11),分别计算关联系数和关联度,结果见表2.

表2关联系数及关联度结果一览表

3 杂色黏土渗透因素关联分析

根据计算结果,杂色黏土渗透性关联度的排序从高到低:蒙脱石＞自由膨胀率＞钾长石＞斜长石＞孔隙比＞石英＞含铁矿物＞方解石＞白云石＞伊利石.分析如下:

1)渗透系数关联度最大的是蒙脱石,这与蒙脱石结构有关.蒙脱石直径较小,比表面积较大；其为层状硅酸盐矿物,呈负电性的晶片结构；晶片表面负电荷吸引孔隙溶液中的阳离子,在固-液接触面聚集,另外晶体表面交换性离子吸附极性水分子[11].这些表面的离子、水分子形成带有十至百毫伏电位的吸附层和扩散层,如图中电位ψ的大小变化曲线.电位ψ产生的微电场使水分子定向排列形成定向水膜,包围在黏土颗粒表面.结合水膜黏度和密度很大,具有似固体性的黏滞性质[12-13],自由水的流动受限,影响杂色黏土的渗透性,如图7所示.

图7黏土颗粒扩散双电层离子分布

2)杂色黏土自由膨胀率与其渗透系数关联度也较大.从自由膨胀率看,紫褐色为50.8%,灰绿色为65.5%,灰色褐色为14.5%,黑色为24%,棕褐色为8%,褐黄色为22%.根据公路路基设计规范(JTJ013—95),当自由膨胀率小于40%时,不具膨胀性；40%～60%为弱膨胀性土；60%～90%之间为中膨胀性土；大于90%为强膨胀性土.故紫褐色为弱膨胀性土,灰绿色为中膨胀性土,其他颜色的土不具膨胀性.影响土的膨胀性最大的因素是黏土矿物中蒙脱石的含量[14],因蒙脱石晶层间在吸附水过程中,体积发生较大膨胀,堵塞孔隙,使得有效孔隙减少,自由水流动通道减少,渗透性降低,从而表现出渗透系数较小.故黏土自由膨胀率与渗透系数呈负相关.

3)影响杂色黏土渗透性另一因素是孔隙比.由于孔隙比只表征孔隙总体数量,无法体现孔隙的大小分布情况,所以结合扫描电镜加以分析,如图8所示.

图8杂色黏土孔隙电镜扫描图

从图8可看出,紫褐色以微孔为主,量测在0.6～5.8μm 之间；灰绿色以微孔、小孔为主,在0.5～7.3 μm 之间；棕褐、灰黑以中、小孔为主,量测在3.2～26.6μm 之间；灰褐色和褐黄孔隙数量较多,且褐黄砂质含量较多.并且这些孔隙并不完全相互连通,孔隙可以分为孤立孔隙、聚集体间孔隙和聚集体内的孔隙,如图9所示.

图9孔隙分类

孔隙中含有结合水、毛细水以及重力水,毛细水及重力水统称为自由水.孤立孔隙的特点是数量较少,连通性差,因此对黏土的渗透性影响不大；聚集体颗粒之间的孔隙是渗流的主要通道,因此对渗透性的影响最大,其中心为自由水,边缘为结合水.聚集体颗粒内孔隙连通性较好,但与外部连通性较差,一般对渗透性影响不大,全部或部分为结合水,如图10所示.

图10黏土中的孔隙水

但当外部水力梯度达到一定值时,水力梯度产生的力克服了结合水中的黏滞力,使得结合水转化为自由水,渗透系数略有增大[15],实验中发现同一种土在不同的水力梯度下渗透系数数量级没有改变,但是数值大小有所差异,最终渗透性的变化趋于稳定,见表3.

表3不同水力梯度灰绿色渗透系数

综合孔隙比和扫描电镜的分析可知,渗透系数较小的杂色黏土孔隙以微孔隙、小孔隙为主,且孔隙比小而密实,如紫褐色、灰绿色；渗透系数较大的杂色黏土以中孔隙、小孔隙为主且孔隙比大而疏松,如棕褐色、褐黄色.孔隙比定性表示孔隙整体数量,因此它与渗透系数关联度相对小些.

3)长石类矿物与黏土矿物反应,生成金属离子、石英等矿物,这种长石溶解作用从泥质砂岩风化就已经开始,后在黄土沉积作用下进行；这种物质交换反应对次生孔隙有显著控制作用[16]；因此长石类矿物含量与渗透系数关联度实则是沉积环境对杂色黏土渗透性的影响.根据关联度大小可以确定蒙脱石水理特性对杂色黏土渗透行的影响大于沉积环境对其的影响.

4 结论

本文利用灰色关联计算出蒙脱石、长石等矿物成分,自由膨胀率、孔隙比等参数与渗透系数的关联度.

1)影响杂色黏土渗透性最大的是蒙脱石含量,与蒙脱石负电性晶片结构密切相关.

2)其次是自由膨胀率,根据各个颜色膨胀率大小发现紫褐色为弱膨胀性土,灰绿色为中膨胀性土,其他颜色的土不具膨胀性.主要是蒙脱石吸水膨胀,堵塞有效孔隙,从而渗透性降低.

3)孔隙比只定性表示孔隙整体数量,因此关联度相对较小些.结合扫描电镜分析了孔隙大小以及孔隙中的水对渗透性的影响.

4)长石类矿物与黏土类矿物在黏土风化、沉积过程中发生一系列反应,并对次生孔隙有显著控制作用,其与渗透性的关联实则是沉积环境对渗透性的影响.根据关联度的大小可知,以蒙脱石黏粒含量为主的杂色黏土的水理特性对杂色黏土渗透性的影响大于沉积环境对其的影响.