重塑黄土渗透性变化的水-土作用机制研究

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黄土作为黄土高原地区广泛使用的工程建筑材料,凭借着易获取、经济实惠的优势从古至今一直发挥着重要的作用,如:古代修建的万里长城、大明宫,近代修筑的关中八惠水利工程,以及近年来开展的“平山造城”、“海绵城市”等新型工程。可见,黄土具有很大的开发和建设潜力,其工程应用价值不容小觑。而渗透性作为黄土重要的工程性质,控制着土体中水分的运移,对黄土工程的稳定性、耐久性以及安全性有着重大影响。因此,研究重塑黄土的渗透性可以为黄土地区的工程建设与保护提供科学的指导。纵观重塑黄土渗透性变化机制的国内外研究现状,发现目前主要存在以下三个方面的问题:对不同干密度下重塑黄土渗透性的变化机制认识不清;极少涉及水-土化学作用过程对渗透性影响的研究;缺乏对无机化学溶液入渗下重塑黄土渗透性变化机制的系统认知。因此,本文依托国家自然科学基金重大、重点、面上项目以及中央高校基金优博资助项目,以泾阳马兰黄土为例,结合击实试验、室内饱和渗透试验和水化学实验,借助环境扫描电子显微镜、X射线荧光光谱分析仪、X射线衍射分析仪、Zeta电位测试仪以及水文地球化学模拟和现代图像处理等先进技术,对不同干密度和不同化学溶液渗透下重塑黄土饱和渗透系数的变化规律及其水-土作用机制进行了系统研究。主要得到以下结论:(1)以去离子水(DW)作为渗透液,干密度为1.30、1.35 g/cm3重塑黄土试样的渗透系数随时间之所以呈降低型,首要原因是在渗透力作用下细微颗粒在大孔隙中的运移效应,其次是化学淋溶作用,两者共同诱发结构塌陷,导致有效过水通道堵塞;干密度为1.45-1.65 g/cm3试样的渗透系数随时间呈增长型,主要因为试样的土体结构相对稳定,湿陷性低,细微颗粒的运移效应弱,而淋溶作用促进了土体成分溶解,使得孔隙不断发育,连通性增强;对于渗透系数呈先增后降型的1.40 g/cm3重塑黄土试样,渗透初期的淋溶作用增强了孔隙的连通性,同时也为颗粒运移和结构湿陷创造了必要的条件,最终导致孔隙堵塞、连通性降低。因此,鉴于土体结构的稳定性,适宜选用干密度不小于1.45 g/cm3的重塑黄土试样探究无机化学溶液对其渗透性的影响机制。(2)利用pH=3、7、11的溶液进行重塑黄土渗透试验,发现同一干密度试样渗透系数的大小顺序为pH=3>pH=7>pH=11。在pH=3和7时,渗透系数随时间呈增长型,而在pH=11时,呈降低型。以干密度为1.45 g/cm3的重塑黄土试样为例,在pH=3、7、11溶液的入渗下,渗透系数的均值分别为2.33E-05、1.50E-05、1.50E-06 cm/s,其相对增率分别为56.74%、7.66%、-71.99%。酸溶液渗入土体会促进钙质胶结物和化学胶结物淋失,为孔隙扩大奠定了基础;加之双电层厚度变薄导致粘土颗粒聚集,增大了自由水的运动空间,因此,在pH=3的溶液渗透下重塑黄土试样的渗透性显著增强。当碱溶液入渗时,水-土化学作用强度整体减弱,而白云石非全等溶解和去白云石化作用会导致方解石沉淀作用增强;且孔隙水溶液中会形成大量的胶体凝絮物(如H2SiO3胶体),沉淀在孔隙内或附着在颗粒表面;同时,双电层厚度增大使得自由层被压缩。因此,在pH=11的溶液渗透下,重塑黄土试样的渗透系数随时间的推移显著减小。(3)为了研究不同阳离子无机盐溶液对重塑黄土渗透性的影响,选用NaCl、CaCl2、AlCl3溶液进行渗透试验,发现渗透系数随时间均呈增长型。以干密度为1.45 g/cm3的重塑黄土试样为例,在NaCl、CaCl2、AlCl3溶液入渗下渗透系数的相对增率分别为37.12%、68.88%、88.79%,其均值分别是DW渗透下的1.23、1.31、1.37倍。对于NaCl溶液,盐效应促进了水-土化学作用,尤其是溶解作用,使得孔隙的连通性增强。对于CaCl2溶液,盐效应有助于土体成分溶解,促进孔隙空间发育;同时阳离子交换作用增强,导致双电层厚度变薄,形成更大的自由水运动空间。由于AlCl3溶液中Al3+的水解作用形成了酸性环境,促进了碳酸盐矿物的溶解,而且水解产物与带负电的层状硅酸盐矿物发生专性吸附,进一步压缩双电层,使得粘土颗粒的絮凝程度增强;此外,小孔隙向中孔隙转化是导致其渗透系数显著高于其它两者的根本原因。(4)选用NaCl、Na2SO4、NaHCO3溶液来探究不同阴离子无机盐溶液对重塑黄土渗透性的影响,结果表明渗透性的大小顺序为Na2SO4>NaCl>DW>NaHCO3,且1.45 g/cm3试样的渗透系数的相对增率分别为37.71%、37.12%、7.66%、-7.39%。在NaCl和Na2SO4溶液渗透下,盐效应增强了水-土化学作用程度,有利于孔隙发育。由于SO42-对碳酸盐矿物的盐效应强于Cl-,因此,在Na2SO4溶液渗透下重塑黄土的渗透性更强。对于NaHCO3溶液,水-土之间的化学作用减弱,尤其是溶解作用,但方解石的沉淀作用却显著增强,从而抑制了土体孔隙的发育,因此,仅在该溶液渗透下渗透系数随时间呈降低型。此外,由阴离子引起的双电层效应对渗透性的影响较弱。可见,阴离子对重塑黄土渗透性的影响主要是通过改变渗透过程中水-土化学作用而实现的。
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