飽和粘土

顆粒排列比較鬆散，顆粒間的孔隙大；一般具有高含水量、大孔隙、低強度、高壓縮性、低滲透性等特點。土顆粒大小分布不均勻，直徑大小多分布在0-10微米之間，但也有大的顆粒集合體直徑超過20微米，甚至更多。顆粒形狀多呈橢球狀，球狀，板狀；顆粒多以邊一面、面一面方式接觸為主。隨著固結壓力的增大，顆粒和孔隙均變小，結構越來越密實，更多的顆粒變化為以面一面接觸為主。

基本介紹

• 中文名：飽和粘土
• 外文名：saturation clay
• 套用領域：土木工程
• 相關術語：固結壓力、滲透特性

簡介

基本特點

儘管不同學者對粘土礦物的內涵有著不同的理解，但總體上說，粘土礦物是一類顆粒細小(粒徑一般小於)、具有層狀結構的水鋁或水鎂矽酸鹽礦物。一般包括伊利石族、高嶺石族、蒙脫石族、葉臘石族及滑石族等，常見的粘土礦物化學組成成分見下表所示。

常見粘十礦物的化學組成成分(%)

固結壓力的影響

無論垂直面還是水平面，土顆粒多呈橢球狀。對於原狀土樣，水平面、垂直面的形狀係數比多在1.2之間。但隨著固結壓力的增大，水平面的形狀變化不顯著，仍以1.5-2.0之間居多；但較圓的顆粒逐漸被壓扁，取而代之的是形成狹長且扁的顆粒。統計結果表明其不顯著，這可能是由於在載入過程中，水平面上的顆粒發生轉動促使水平面形成較圓滑的顆粒。對於垂直面，這種現象表現得較為明顯，即隨著固結壓力的增大，顆粒越來越呈現橢球狀，由初始的係數比1.0-2.0變化到2.5-3.0，且當荷載為800 kPa時，狹長而扁的顆粒數量急劇增多。土團粒被壓扁，這種現象也和前面各向異性特性表現出很好的一致性。

隨著固結壓力的增大，垂直面和水平面顆粒的平面面積在逐漸減小，顆粒的等效直徑逐漸減小。這說明在壓縮工程中，較大的顆粒(集合體)逐漸壓扁，甚至壓碎或集合體之間的聯結斷裂形成很多較小的顆粒。

原狀土樣顆粒的平均面積與固結壓力關係圖

飽和粘土的滲透特性

在飽和粘土的固結理論和滲流計算中, 一般都沿用達西（Darcy）滲透定律,即滲透速度。與水力比降落間呈直線關係, 以下式表達:

式中, k—滲透係數但是達西定律是以乾淨砂子的滲透試驗成果為依據而建立起來的經驗關係對於飽和粘性土, 特別是在小水力比降下, 其滲透規律是否同樣遵守達西定律, 長期以來雖有許多人做過研究, 但所得結論卻各不相同歸納起來, 大致有以下幾種意見:

各種型式的v-i曲線

1.遵守達西定律, v-i關係為通過原點的直線,如圖a。有人還認為所報導的偏離達西定律的試驗成果中, 有些可能是試驗誤差所帶來的虛假現象.

2.偏離達西定律, 並存在一界限比降, 在水力比降小於該界限值時不發生滲透, 如圖b, 該界限比降稱為起始比降。

3.偏離達西定律, 但不存在起始比降, 在小比降時v-i呈曲線關係, 如圖c, 並建議用另外的經驗公式代替達西定律的表達式.

已有人將後兩種非達西的滲透規律用於固結理論和砂井設計等方面, 得出和古典固結理論極不相同的結果同時, 土體強度和滲流理論也都與其滲透特性密切相關因此, 飽和粘土滲透特性的研究在土力學中理應占有相應位置, 但土力學工作者研究這一課題的卻甚少.

我們認為飽和粘土在小比降下非達西滲透現象的原因是多方面的, 有試驗誤差引起的虛假現象, 也有粘土中滲透水流的固有屬性, 如土中水的非牛頓性狀、水土體系中的電動現象、滲透過程中土孔隙體積和尺寸的變化等.為了更好地研究飽和粘土的滲透特性, 有必要研製一種能排除各種試驗誤差造成的影響, 使試驗成果更能反映粘土滲透固有屬性的滲透儀器這種儀器應能滿足如下基本要求.

1.整個系統應該是密閉的, 使測流、測壓都不受蒸發的影響

粘上滲透試驗裝置

2.能保持常水頭, 並能在小比降下進行試驗及取得穩定可靠的試驗成果。

3.能在土樣內施加倒壓力, 以保證其完全飽和。

4.土樣與盛土環間應密切貼合, 不能有接縫漏水, 並便於在試驗過程中隨時檢查。

5.應在恆溫條件下進行試驗, 以避免因溫度變化而造成的影響

參照已有的粘土滲透試驗設備 , 相關學者在1965年設計和製造了一種粘土滲透試驗裝置見圖, 它能滿足以上要求, 使用效果良好該試驗裝置是由滲透儀容器、上下游平水盤、測流與測壓管以及施加孔隙壓力的設備等四部分組成的。

深厚飽和粘土的物理性質特徵

粘土的狀態

(1) 埋深因素：埋深越深，正常情況粘土所受的重力就越大，則固結程度越高，就越易成為半固結或堅硬狀態。

(2) 沉積年代因素：在華東地區新生界地層一般統稱為鬆散層。近期研究認為深厚鬆散層一般由二個地質年代的沉積物構成即上第三系地層和第四系地層。淮北礦區朱仙莊礦井田鬆散層平均厚度為245m。其中，第二系地層厚96.94-156.9m.，由鈣質粘十，粉質粘七，砂層和砂礫層組成。第四系地層厚120-145m,由粘士，粉質粘土和砂層組成根據文獻,魯西南地區上第二系硬粘土,深埋大於169m，是典型的超固結、裂隙性和膨脹性硬粘。一般而言，土的沉降年代越久，固結程度越高，則越易形成半固結或堅硬狀態。然而從土工試驗結果如右圖，在液性指數隨沉積年代長久而下降的大趨勢卜，第三、第四系地層的分界面並不與粘上的半固結或堅硬狀態的分界面一致。表明粘土的狀態還受其他因素的影響。

莊礦粘仁埋深與液性指數的關係

3） 鬆散含水層孔隙水壓力的影響。深厚鬆散層一般是由以粘土、砂質粘土為主組成的隔水層(組)與以砂層、砂礫層為主的含水層(組)互動積沉構成的這些含水層最上面的含水層一般受人氣降水的影響為潛水含水層下面的含水層為承壓含水層，有些受大氣降水的影響，水位變化。有的則長期保持穩定。

粘土的密度

深部與淺部粘土的工程類型沒有明顯的區別。枯土主要是CL和CH類型.黏土深部與淺部在狀態上有十分明顯的差異。主要代表指數是液性指數，隨埋深增大而減小。在深部枯土的液性指數逐漸小於“0"。據此，將黏土分為淺部粘上、中深粘十和深部粘土。這也是深部枯土具有固結變形小，離層現象，集中水平變形和裂隙的基本原因。為深 人 細 致地研究深部土，建議對IL小於零的粘土狀態進一步定義為弱半固結土和強半固結土。提出了深部粘土可固結厚度的概念，並給出了計算公式認 識 到 粘士的密度有隨埋深增大的趨勢通過 對 深 部粘土物理性質的基礎研究，為進一步研究深部粘十的力學比質、滲透、固結、采動影響變形特證和環境工程效應打下良好的基礎。