浙江大学学报(工学版)

浙江大学学报(工学版), 2019, 53(2): 275-283 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2019.02.010

土木工程、交通工程

重塑高岭土渗透各向异性影响因素

余良贵,, 周建,, 温晓贵, 徐杰, 罗凌晖

Factors influencing permeability anisotropy of remolded kaolin

YU Liang-gui,, ZHOU Jian,, WEN Xiao-gui, XU Jie, LUO Ling-hui

通讯作者: 周建，女，教授. orcid.org/0000-0002-3163-2313. E-mail： zjelim@zju.edu.cn

收稿日期: 2018-02-4  

Received: 2018-02-4  

作者简介 About authors

余良贵（1992—），男，硕士生，从事高岭土渗透性研究.orcid.org/0000-0002-3811-3962.E-mail：2191212859@qq.com , E-mail：2191212859@qq.com

摘要

为了研究软土渗透各向异性，以重塑高岭土为研究对象，利用三轴渗流仪对重塑高岭土展开一系列渗流试验，研究电解质类型、浓度及固结压力对软黏土渗透各向异性的影响，并从微观角度解释其作用机理。研究发现：1）高岭土颗粒为扁平状结构，在一维固结下颗粒趋向于垂直于主应力方向排列，重塑高岭土竖向剖面孔隙面积大于水平向剖面孔隙面积，这2个因素共同导致渗透各向异性比（水平渗透系数与垂直渗透系数之比）大于1；2）渗透各向异性比随固结压力增大而减小，主要是因为竖向剖面大孔隙较多，压力作用下竖向剖面孔隙面积减小幅度大于水平剖面孔隙面积减小幅度；3）马来西亚高岭土在高纯水下为絮凝状结构，在盐溶液下为散凝状结构，在高纯水下土体竖向剖面大孔隙较多，而在盐溶液下竖向剖面孔隙和水平向剖面孔隙较为接近，导致在高纯水下测得的渗透各向异性比在盐溶液下的测量结果大；4）在本试验条件下，电解质类型、浓度对马来西亚高岭土渗透各向异性比的影响均较小。

关键词： 渗透各向异性 ; 重塑高岭土 ; 电解质溶液 ; 固结压力 ; 微观结构

Abstract

A series of experiments were conducted by triaxial permeameter to analysis the permeability anisotropy of soft soil. The effects of electrolyte type, ionic molar concentration and consolidation pressure on permeability anisotropy and the corresponding microscopic mechanisms were investigated, with remolded kaolin as the research object. Results showed that under one-dimensional consolidation, kaolin particles, most having flat structure, tended to orientate perpendicularly to the direction of the major principal stress and the pore area of remolded kaolin in vertical profile was much larger than that in horizontal profile. As a result, permeability anisotropy ratio (ratio of horizontal to vertical permeability coefficients) was greater than one. Permeability anisotropy ratio decreased with the increase of consolidation pressure, of which the main reason was that the amount of large pores, which had higher compressibility, in vertical profile was larger than that in horizontal profile. Malaysia kaolin has flocculated structure if prepared in ultrapure water, while has dispersed structure in saline solution. The measured permeability anisotropy ratio in ultrapure water was larger than that in saline solution, which was the consequence of more large pores in vertical profile than that in horizontal profile in ultrapure water. The vertical and horizontal profiles had similar amounts of large pores in saline solution. Test results also revealed that the electrolyte type and ionic molar concentration had little effect on the permeability anisotropy ratio of Malaysia kaolin.

Keywords： permeability anisotropy ; remolded kaolin ; electrolyte solution ; consolidation pressure ; microstructure

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本文引用格式

余良贵, 周建, 温晓贵, 徐杰, 罗凌晖. 重塑高岭土渗透各向异性影响因素. 浙江大学学报(工学版)[J], 2019, 53(2): 275-283 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2019.02.010

YU Liang-gui, ZHOU Jian, WEN Xiao-gui, XU Jie, LUO Ling-hui. Factors influencing permeability anisotropy of remolded kaolin. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2019, 53(2): 275-283 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2019.02.010

在沉积环境、荷载等因素作用下，自然界软土的强度、渗透性等具有明显的各向异性[1]。目前关于强度各向异性的研究较多，而对于渗透各向异性的试验研究还很欠缺。水力各向异性影响隧道渗漏量和污染物运输速率，在油田优化、道路机场排水系统等工程设计中均需考虑，完善的渗透各向异性模型有助于指导水下隧道在施工期的排水措施选择和运营期的注浆方案选定[2-3]。在我国大力发展地下工程的背景下，有必要对水力各向异性展开系统研究。

多数学者通过测定土体水平渗透系数kh和垂直渗透系数kv，将两者的比值定义为渗透各向异性比 ${r_k}$，用于表征软土渗透各向异性[4-7]。Leroueil等[4]研究Louiseville土的渗透各向异性时发现，当软土应变小于25%时，其渗透各向异性比为1.35~1.55；Tavenas等[5]利用三轴渗透仪和固结仪分别测定原状软黏土的渗透各向异性比，测得的均值分别为1.03、1.10，渗透各向异性不明显；Adams等[6]研究波士顿红黏土渗透各向异性比时发现，随着土体孔隙比减小， ${r_k}$ 逐渐增大。Adams等[7]研究渗透各向异性和电导率各向异性关系时发现，渗透各向异性主要受土体孔隙率和颗粒定向排列影响。Ren等[8]总结前人研究结果，发现原状土或一维固结重塑土的 ${r_k}$ 均大于1。可以发现，目前关于渗透各向异性的研究大多聚焦在固结压力或孔隙比上。实际上，土体的沉积历史、颗粒性质（如比表面积）等对渗透系数也会产生影响[9]。但目前这些因素在渗透各向异性比的试验中较少被考虑。

渗透各向异性问题虽已受到关注，但相关研究不够系统，理论成果不够丰富。针对该问题，利用GDS三轴渗透仪对重塑高岭土开展一系列试验，重点研究软土沉积历史（在不同液体环境下固结得到重塑土）和固结压力（对应不同孔隙大小）对渗透各向异性的影响，探讨渗透各向异性影响机理，为深入开展水力各向异性的相关研究奠定基础。

1. 试验简介与方案总述

1.1. 试验设备和土样类型选择

渗流试验设备可按外壁类型划分为柔性壁和刚性壁设备，以三轴渗透仪为代表的柔性壁设备能够有效降低侧壁渗漏，有助于提高试验精度；同时还能通过施加围压再现历史应力，能够准确测量土体的现场渗透系数[9]。因此采用三轴渗透仪进行渗流试验。

已有研究表明，影响软土渗透性的因素较多，如孔隙特性、液体性质等。孔隙特性（孔隙比和孔隙分布等）通过改变渗流通道的面积和数量来影响渗流效率[10-11]；液体性质（极性与非极性、电解质类型、离子浓度等）通过改变软土结合水膜的厚度来影响渗流[9, 12]；此外，黏土矿物成分与渗流液会发生化学反应，也使不同黏土矿物对溶液的响应有所不同[13]。原状软土的黏土矿物种类、比例不一，为降低土体成分对试验结果的干扰，拟采用仅含单一黏土矿物的土体进行试验。高岭土常被用于研究海底地质灾害和海底软土的动力特性[14-15]，也常与砂土等材料混合模拟原位海洋土[15-16]。因此采用马来西亚高岭土制作重塑土样并开展一系列试验研究，以提高不同试样之间的可比性。

1.2. 重塑土制备过程

1）将马来西亚高岭土和超纯水（电阻率为15.0~18.2 MΩ·cm. 电导率约为0.53 μS/cm，pH为5.60~5.80）按照1:2的质量比，在大功率搅拌器下搅拌为均匀高岭土泥浆；2）将泥浆倒入180 mm×650 mm（直径×高度）有机玻璃桶中，静置后置于气压固结仪下分3级加载至300 kPa（加压板直径为100 mm，折算有效固结压力约为90 kPa），每级加载时间为48 h。制备完成后，重塑高岭土试样中含水率（水的质量分数）为55%~57%（沿高度方向分布），较为均匀，符合试验要求。

若研究液体性质（离子、浓度等）对渗透各向异性的影响，则需确保土体在沉积过程和试验过程中始终处于某类特定水环境下，具体制样过程参考文献[14]的制样方法。

1.3. 试验加载

将重塑高岭土在切样器下，沿着水平和竖直2个方向各切割出1个140 mm×70 mm（高度×直径）的圆柱体试样，用于测量 ${k_{\rm h}}$、 ${k_{\rm v}}$。按操作流程将试样安装于三轴渗透仪上，并开始下列加载步骤。

1）土体饱和：在100 kPa的反压下饱和，直至饱和度B>0.98。

2）土体固结：在有效围压为100 kPa下固结，直至每3 600 s反压排水体积小于100 mm3。

3）渗流阶段：按文献[17]的要求，将基准压力设计为（ $100 + \Delta u/2$） kPa，反压设计为（ $100 - \Delta u/2$） kPa ， $\Delta u$ 为设计水力梯度下土体底部和顶部的压力差。水力梯度i=10[17]，渗流时间持续48 h（可根据渗流稳定情况，酌情缩短或增长时间）。

需要注意的是，研究液体性质等影响因素时，需在试验装置中增加隔离器，防止盐溶液腐蚀控制器。研究固结压力对渗透各向异性影响的试验中，在步骤3）完成后，根据需要的压力值继续重复步骤2）、3）。

1.4. 试验方案

分析探讨渗透系数主要影响因素（孔隙特性与液体性质等）对渗透各向异性存在影响的可能性。孔隙是构成渗流的主要通道，对渗透系数k影响较大[10-11]，在试验过程中一般通过施加固结压力来改变孔隙特性。土体受压后颗粒会发生定向排列，可能对 ${r_k}$ 产生影响。液体性质通过改变结合水膜厚度和颗粒排列方式影响渗透系数[18-19]，黏土在盐溶液下土颗粒发生重分布[12, 20]，因此液体性质可能对 ${r_k}$ 产生影响。孔隙特性和液体性质均可能影响渗透各向异性，因此围绕固结压力p（对应孔隙特性）、电解质类型和离子浓度cB（对应液体性质）3个因素展开，研究各因素对渗透各向异性的影响。具体试验方案如表1所示。

表 1   重塑高岭土渗透各向异性试验方案

Tab.1  Experiment schemes for permeability anisotropy of remolded kaolin

水平向试样 竖向试样 编号说明 液体类型 cB/（mol∙L−1） p/kPa
S1HP1 S1VP1 S1代表试样1；H和V分别代表水平方向和竖直方向；P代表固结压力，P1代表100 kPa固结压力，依此类推 纯水 − 100
S1HP2 S1VP2 200
S1HP3 S1VP3 300
S2HP1 S2VP1 S2代表试样2；试验在氯化钠溶液下开展；其余参数同上 氯化钠溶液 0.10 100
S2HP2 S2VP2 200
S2HP3 S2VP3 300
S3HP1 S3VP1 S3代表试样3；试验在氯化钾溶液下开展；其余参数同上 氯化钾溶液 0.10 100
S3HP2 S3VP2 200
S3HP3 S3VP3 300
S4HP1 S4VP1 S4代表试样4；试验在氯化钙溶液下开展；其余参数同上 氯化钙溶液 0.10 100
S4HP2 S4VP2 200
S4HP3 S4VP3 300
S5Hc0.01 S5Vc0.01 S5~S7分别代表试验在NaCl、KCl、CaCl2溶液下开展；c代表浓度；其余参数同上 氯化钠溶液 0.01 100
S6Hc0.01 S6Vc0.01 氯化钾溶液 0.01 100
S7Hc0.01 S7Vc0.01 氯化钙溶液 0.01 100

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2. 试验数据采集和整理

为提高试验结果的精确性，需统一数据采集和处理方法。在数据采集和处理上主要关注2个问题：渗流数据的选取、试样尺寸的假定。渗流数据的选取是基于渗流过程中的化学反应与物理变化提出的。一方面，因渗流产生的渗透力使土体产生变形，影响土体微观结构，导致渗透系数在试验过程中动态变化；另一方面，高岭土能与钾离子等发生化学反应，且反应时间相对较长[21-22]，因此在含离子溶液下渗流，较长时间后仍会出现流入土体流量和流出土体流量差值不稳定现象。为避免上述现象对试验结果产生误差，将一定时间内的流量差与反压体积比定义为相对流量差，其值越小，表示渗流越稳定。计算公式为

$ {\varDelta _Q} = \frac{{{Q_{\rm base}} - {Q_{\rm back}}}}{{{Q_{\rm back}}}} \times 100{\text\%}. $

式中： ${Q_{\rm base}}$ 为一定时间内进水量， ${Q_{\rm back}}$ 为一定时间内出水量.

如表2所示为试样S1HP1和S3HP1在单位时间（3 600 s）内测得的 ${k_{\rm h}}$ 和 ${\varDelta _Q}$，表中，t为时间. 由表可知，S1HP1的 ${\varDelta _Q}$ 在试验过程中能快速稳定，且保持在±2%以内；单位时间内水平渗透系数变动范围小，因此可以适当缩短试验时间，并选 ${\varDelta _Q}$ 能连续24 h保持在±2%以内的数据作为计算依据。含有钾离子的S3HP1试验初期 ${\varDelta _Q}$ 较大，且在第18、19 h出现跳跃变动，故需适当延长试验时间。可以发现，含离子试验经过足够长时间的渗流后， ${\varDelta _Q}$ 能保持在±4%以内，选取 ${\varDelta _Q}$ 能连续24 h保持在±4%以内的数据作为计算依据。

表 2   S1HP1和S3HP1单位时间内进出水量差和水平渗透系数

Tab.2  Differences between inflow and outflow in S1HP1 and S3HP1 tests and horizontal permeability coefficients

t/h S1HP1 S3HP1 t/h S1HP1 S3HP1 t/h S3HP1
${\varDelta _Q}$/% kh/（10−7 cm∙s−1） ${\varDelta _Q}$/% kh/（10−7 cm∙s−1） ${\varDelta _Q}$/% kh（10−7 cm∙s−1） ${\varDelta _Q}$/% kh（10−7 cm∙s−1） ${\varDelta _Q}$/% kh/（10−7 cm∙s−1）
注：S1HP1的单位时间内流量差和渗透系数较为稳定，试验时间可适当缩短；而S3HP1可适当增加试验时间
1 −0.79 22.91 −3.42 16.87 21 1.18 21.12 0.00 13.94 41 −1.87 13.86
2 −0.15 21.52 −2.64 16.49 22 0.55 21.26 −0.75 14.15 42 −0.34 14.21
3 −0.15 21.39 −5.39 16.34 23 0.74 21.24 −1.79 14.01 43 −0.66 14.80
4 −0.08 21.40 −4.14 16.21 24 −0.70 21.08 −2.75 14.03 44 −0.37 15.55
5 −0.62 21.36 −5.60 15.86 25 −0.35 21.13 −2.76 14.01 45 −0.99 15.59
6 1.29 21.27 2.13 15.87 26 0.43 21.18 −2.74 14.12 46 −0.88 15.71
7 −0.27 21.51 2.91 15.92 27 0.67 21.09 −0.11 14.29 47 −0.16 15.43
8 −1.26 21.48 1.29 15.95 28 −0.04 21.14 0.34 14.38 48 −0.96 15.27
9 −0.74 21.28 0.93 15.93 29 − − −2.37 14.29 49 −0.27 15.25
10 −1.40 21.05 0.36 15.87 30 − − −1.21 13.81 50 −0.44 14.84
11 −0.12 21.16 −0.52 15.77 31 − − −4.00 13.59 51 −1.33 14.57
12 −0.71 20.90 −1.34 15.67 32 − − 0.72 13.61 52 −0.68 14.39
13 −1.03 20.82 −1.53 15.37 33 − − −0.06 13.69 53 −1.31 14.18
14 0.16 20.88 −1.71 15.15 34 − − −0.65 13.68 54 −0.81 14.07
15 −0.76 20.69 −1.61 15.10 35 − − −0.47 13.84 55 −0.82 13.94
16 0.52 20.75 −2.71 14.87 36 − − −0.53 13.81 56 −1.16 13.98
17 0.40 20.86 −1.16 14.63 37 − − 0.00 13.94 57 −0.69 14.16
18 0.44 20.85 −12.57 14.29 38 − − −0.75 14.15 58 −3.09 14.29
19 0.20 20.95 −10.85 13.87 39 − − −1.79 14.01 59 −1.48 14.25
20 1.34 21.07 −0.59 13.80 40 − − −2.75 14.03 60 −2.23 14.12

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根据以上规则选取稳定的渗流阶段，可得到连续24 h内流经土体的总流量，但计算渗透系数还需有试样尺寸数据。而在试验过程中，试样尺寸也在变化，因此有必要对尺寸作出合理假定。

1）假定在试验过程中试样径向应变和轴向应变的数值大小相等。因三轴渗透仪无轴向位移传感器，故无法准确读取试样尺寸。参考GDS三轴渗流仪内置计算方法，即径向应变与轴向应变大小相等，可通过反压排水体积计算得到固结后试样尺寸。本试验下所有试样最大径向应变不超过6%，变化幅度较小，因此该假定合理。

2）假定渗流过程中试样尺寸保持不变。渗流过程中试样尺寸不断变化，很难确定渗流稳定阶段下试样的平均尺寸。如图1所示为S1HP1在固结和渗流过程中的径向应变曲线，渗流开始阶段试样的径向应变为−3.648 6%，渗流结束后土体径向应变为−3.643 9%，两者差值较小，因此尽管渗流过程中试样尺寸有变化，但变化较小，假定渗流过程中土体尺寸保持不变对结果影响不大。图中，εr为径向应变.

图 1

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图 1   S1HP1固结和渗流过程中径向应变曲线

Fig.1   Radial strain curve of S1HP1 in process of consolidation and seepage


根据上述渗流数据选取方法和处理方式，可以得到各组试验数据，如表3所示。

表 3   各压力下不同溶液中制取的重塑高岭土的渗流各向异性试验数据

Tab.3  Experimental data of permeability anisotropy ratios of remolded kaolin prepared with different solutions under various pressures

土样 离子
种类 		cB/
（mol∙L−1） 		p/kPa ${k_{\rm h}}$/
（10−7 cm∙s−1） 		${k_{\rm v}}$/
（10−7 cm∙s−1） 		${r_k}$
S1 超纯水 − 100 21.19 15.28 1.39
200 16.12 12.24 1.32
300 12.38 10.27 1.21
S2 钠离子 0.10 100 12.87 10.75 1.20
200 9.90 8.46 1.17
300 7.16 6.72 1.07
S3 钾离子 0.10 100 14.86 12.31 1.21
200 10.57 9.17 1.15
300 8.56 7.73 1.11
S4 钙离子 0.10 100 10.77 9.39 1.15
200 8.41 7.44 1.13
300 5.95 5.55 1.07
S5 钠离子 0.01 100 13.66 11.56 1.18
S6 钾离子 0.01 100 14.07 11.71 1.20
S7 钙离子 0.01 100 11.89 9.80 1.21

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3. 试验结果与影响机制分析

3.1. 水力各向异性总述

由表3可以看出，重塑高岭土水力各向异性具有2个特点：1）重塑土高岭土渗透性具有各向异性，且水平渗透系数均大于竖向渗透系数；2）重塑高岭土的渗透各向异性比波动范围窄， ${r_k}$∈[1.07，1.39]。

高岭土颗粒为扁平片状结构，在一维固结过程中，土颗粒扁平面趋向于与应力方向相互垂直，颗粒定向排列使重塑土具有各向异性，且该特性不会被试验过程中的等向固结完全消除[23]。如图2所示为高岭土土颗粒定向排列示意图。由图可知，高岭土定向排列使竖向渗流路径更为曲折，水平向渗流路径更为顺畅，导致水平渗透系数高于垂直渗透系数，这与Kenney[24]得到的结论一致。海洋土的rk∈[1.0, 1.6][4]，与其相比，重塑高岭土rk波动范围更窄，主要原因是原状土中存在分层情况，而重塑土在质地上更为均匀。

图 2

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图 2   重塑高岭土土颗粒排列简图

Fig.2   Sketch of particles arrangement of remolded kaolin


3.2. 电解质类型的影响与分析

如图3所示为试样在不同溶液下的 ${r_k}$ 变化曲线图。由图可知，无论在何种固结压力下，在高纯水中配置的重塑高岭土，其 ${r_k}$ 明显高于在其他3类离子溶液中配置的重塑高岭土对应的 ${r_k}$，且在氯化钠、氯化钾和氯化钙溶液下配置的重塑高岭土的 ${r_k}$ 较接近，无明显规律。因此，可以分为高纯水重塑高岭土和含电解质溶液重塑高岭土2类进行讨论。

图 3

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图 3   各压力下不同溶液中制取的重塑高岭土的渗透各向异性比

Fig.3   Permeability anisotropy ratios of remolded kaolin prepared with different solutions under various pressures


Wang等[25]将高岭土颗粒聚集状态划分为絮凝、散凝和抗絮凝3类，其中在絮凝状态下颗粒接触方式以边面（E-F）结构和边边（E-E）结构为主，在散凝状态下以面面（F-F）方式接触。Pillai等[20]认为，在纯水条件下高岭土颗粒间以F-F方式接触，在盐溶液下则以E-F接触方式为主。但Wang等[25]提出，未经洗涤高岭土的水溶液pH一般低于等电点IEP（高岭土的电动势为0时所对应的pH），当pH低于等电点时，高岭土颗粒按E-F方式接触；当pH低于等电点时，往溶液中加入电解质（盐），高岭土双电层中电荷密度增加，颗粒间的排列受到层间斥力影响，由E-F接触方式逐渐向F-F接触方式转变。即Wang等[25]认为，未洗涤过的高岭土颗粒在盐溶液下以F-F接触为主，在纯水下以E-F接触方式为主。

为了研究在不同水环境下高岭土颗粒间颗粒接触方式，采用pH测定法、对照搅拌法、孔隙比-垂直渗透系数（e-kv）曲线法、SEM扫描法4种方式进行分析。pH测定法利用便捷式pH计（见图4）测定水溶液pH，与高岭土等电点进行对比。测得的水溶液pH为5.60~5.80（一般情况下，高岭土等电点大于等于该区间[25]），故高岭土颗粒在纯水下较可能以E-F接触为主。

图 4

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图 4   便携式pH计

Fig.4   Portable pH meter


对照搅拌法利用聚合氯化铝（絮凝剂）和六偏磷酸钠（分散剂）2种试剂对高岭土颗粒排列方式的影响，定性分析在高纯水和盐溶液下的土颗粒聚集状态。分别制备浓度为0.10 mol/L的聚合氯化铝和浓度为0.10 mol/L的六偏磷酸钠溶液300 mL，分别加入150 g高岭土并用调土刀搅拌，结果发现六偏磷酸钠（分散剂）溶液下的高岭土易于搅拌，而聚合氯化铝（絮凝剂）下的高岭土颗粒聚集在一起，搅拌困难。对比发现，在盐溶液下的搅拌效果和在分散剂下的搅拌效果接近，而在超纯水下的搅拌效果与在絮凝剂下的搅拌效果接近。

e-kv曲线法是分别绘制在盐溶液（以KCl为例）和在高纯水下重塑高岭土渗透系数随孔隙比变化曲线，并和Pillai等[20]试验中散凝试样和絮凝试样的e-kv曲线进行对比，结果如图5所示. 图中， ${k_{\rm{v}}}'$为Pillai等[20]试验中所得的竖向渗透系数. 由图可知，在相同孔隙比下，絮凝结构试样渗透系数高于散凝结构试样渗透系数. 因此，可以认为在本试验中，在超纯水下的高岭土颗粒接触方式以E-F接触为主，在盐溶液下高岭土颗粒以F-F接触为主。

图 5

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图 5   不同微观结构下高岭土孔隙比和竖向渗透系数关系曲线

Fig.5   Relationship between pore ratio and vertical permeability coefficient of kaolin under different microstructures


电镜扫描法利用浙江大学医学院FEI Nova NanoSEM 450超高分辨率扫描电子显微镜对微观样进行电镜扫描。选取在高纯水和浓度为0.10 mol/L的KCl溶液下制取的重塑高岭土试样（竖向平面），按文献[26]中的微观试验方法进行微观试验，得到的微观图示如图6所示。由图可知，高岭土在高纯水下土颗粒无规则排列，且具有较多大孔隙（絮凝一般会形成大孔隙）；而在浓度为0.10 mol/L的KCl溶液下配置的高岭土颗粒间为明显的F-F接触方式，且孔隙较小。因此，可以认为在高纯水下高岭土颗粒偏絮凝状，在盐溶液下偏散凝状。

图 6

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图 6   在浓度为0.10 mol/L的KCl溶液和高纯水下制取的重塑高岭土的微观示意图

Fig.6   Sketch of microstructures of remolded kaolin prepared with 0.10 mol/L KCl solution and ultrapure water


综上所述，高纯水下试样（偏絮凝）的 ${r_k}$ 大于含离子溶液下制备得到高岭土（偏散凝）的 ${r_k}$，这与Adams等[6]的观点（孔隙比越小，定向性越好， ${r_k}$ 越大）有所不同。由此可见，其微观排列并不是决定重塑高岭土渗透各向异性比的唯一因素。

3.3. 固结压力的影响与分析

如图7所示为在浓度为0.10 mol/L盐溶液和超纯水条件下得到的重塑高岭土 ${r_k}$ 和固结压力的关系曲线图。由图可以看出，随着固结压力增加，重塑高岭土渗透各向异性比均减小。为研究固结压力对渗透各向异性比的影响机理，取相关试样开展微观试验。

图 7

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图 7   不同溶液下重塑高岭土渗透各向异性比和固结压力关系曲线

Fig.7   Relationship between permeability anisotropy ratio of remolded kaolin and consolidation pressure at different solutions


如图8所示为在高纯水和浓度为0.10 mol/L的KCl溶液下制取的重塑土的SEM二值化图。图中，白色部分为孔隙，黑色部分为土颗粒。由图可以看出，高岭土竖向剖面的孔隙比水平向剖面的孔隙多，且竖向剖面有明显的大孔隙。由此可见，重塑高岭土竖向孔隙和水平向孔隙面积的不同也是导致 ${r_k}$>1的原因之一。

一般情况下，土中孔隙可分为大孔隙、中孔隙和小孔隙[27-28]，冯晓腊等[27]认为，大中孔隙是构成渗流的主要通道（小孔隙易受结合水膜封堵）。对比图8（b）、8（d）可以发现，高纯水下重塑高岭土竖向剖面具有较多大孔隙，孔隙面积占比较高；在浓度为0.10 mol/L的KCl溶液下制取的重塑土的水平向和竖向孔隙比差距并不明显，因此 ${r_k}$ 小于在高纯水下制取的重塑高岭土的 ${r_k}$。

图 8

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图 8   在高纯水和浓度为0.10 mol/L的KCl溶液下制取的重塑高岭土（100 kPa）的SEM二值化图

Fig.8   SEM binary images of remolded kaolin prepared with ultrapure water and 0.10 mol/L KCl solution under consolidation pressure of 100 kPa


研究表明，在压力作用下土体大、中孔隙率先被压缩，小孔隙所受的影响相对较小[27]。即在固结后，竖向平面上的孔隙（竖向平面的大孔隙较多）变化要大于水平面上的孔隙变化。相应地，kh下降幅度大于kv，表现为 ${r_k}$ 随固结压力增大而减小。如图9所示为在300 kPa压力下，在高纯水和浓度为0.10 mol/L的KCl溶液下制备的重塑土的SEM二值化图。由图可以看出，经300 kPa固结压力作用后，在高纯水中制取的重塑土水平向大孔隙明显减小，而竖向孔隙的减小幅度较小，与上述结论一致。

图 9

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图 9   在高纯水和浓度为0.10 mol/L的KCl溶液下制取的重塑高岭土（300 kPa）的SEM二值化图

Fig.9   SEM binary images of remolded kaolin prepared with ultrapure water and 0.10 mol/L KCl solution under consolidation pressure of 300 kPa


利用PCAS软件统计在高纯水下制取的重塑高岭土孔隙分布，定量分析重塑土的孔隙随固结压力变化规律。不同固结压力下重塑土孔隙分布如表4所示。表中，S为孔隙面积， $\bar S$ 为平均孔隙面积。由表4可知，随着固结压力的增加，土体竖向孔隙数量明显减少，从1 145个减少到454个，500像素以上的孔隙全部消失，平均孔隙面积从47.10像素降低到34.02像素，降幅为27.77%；水平向孔隙从1 042个减少到391个，平均孔隙面积从35.75像素降低至28.26像素，降幅为20.85%，低于竖向降幅。表明在等向固结压力作用下，竖向孔隙受到影响的程度较水平向受影响程度更大，因此其渗透各向异性比随固结压力的增大而减小。

表 4   在高纯水中制取的重塑高岭土在固结压力为100、300 kPa下的孔隙分布表

Tab.4  Pore distribution of remolded kaolin prepared with ultrapure water under consolidation pressure of 100 kPa and 300 kPa

S/像素 竖向孔隙数量 水平向孔隙数量
100 kPa 300 kPa 100 kPa 300 kPa
0~50 951 381 872 349
50~200 149 64 175 40
200~500 31 9 24 2
500~1 000 9 0 1 0
1 000~2 000 4 0 0 0
>2 000 1 0 0 0
合计 1 145 454 1 072 391
$\bar S$/像素 47.1 34.02 35.75 28.26

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3.4. 离子浓度的影响与分析

如图10所示为在浓度分别为0.01、0.10 mol/L的各类盐溶液下制取得到高岭土的rk与lg cB曲线图。由图可以看出，当盐溶液浓度从0.01 mol/L增加到0.10 mol/L，氯化钙溶液下的rk变化最大，但其变化幅度仍不超过5%。因此可认为离子浓度对重塑土的rk影响较小。

图 10

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图 10   不同溶液下制取的重塑高岭土的渗透各向异性比和离子浓度对数曲线

Fig.10   Curves between permeability anisotropy ratio and logarithm of ion concentration of remolded kaolin prepared with different solutions


软土的工程性质多与界限含水率（水的质量分数）相关，故可通过测定阿太堡界限含水率，初步了解土体的工程性质，并解释试验现象[29-30]。采用联合测限仪，测得不同溶液下高岭土液塑限结果，如表5所示。表中，ωL为液限，ωP为塑限。

表 5   不同溶液下制取的重塑高岭土液塑限

Tab.5  Liquid and plastic limits of remolded kaolin prepared with different solutions

溶液类型 0.01 mol/L 0.10 mol/L
ωL ωP ωL ωP
超纯水 65.35 40.04 65.35 40.04
氯化钠 63.99 42.61 59.67 40.25
氯化钾 63.36 42.36 59.22 40.33
氯化钙 63.12 41.03 58.89 40.18

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多数渗流模型中包含了界限含水率[9]，若软土在不同渗流液下的界限含水率差别不大，则渗透系数的差别也较小，进而渗透各向异性的规律也不明显。由表5可以看出，高岭土液限与塑限在不同的水溶液中较为接近，主要是因为马来西亚高岭土的比表面积相对较小，颗粒带电量有限。因此，马来西亚高岭土渗透各向异性比对离子的响应不明显。

4. 结　论

（1）重塑高岭土水平向与竖向渗透系数比为1.07~1.39，波动区间相对较窄。重塑高岭土 ${r_k}$>1，是由于高岭土颗粒在压力作用下，其扁平片状排列方向趋于与固结压力方向垂直，导致垂直方向上渗流路径更为曲折；同时土体竖向孔隙面积较水平向孔隙面积大也是 ${r_k}$>1的原因之一。

（2）选用的高岭土在超纯水下表现为偏絮凝结构，在电解质溶液下表现为偏散凝结构。试验结果表明在高纯水下制取的高岭土的 ${r_k}$ 要大于在盐溶液下制取的高岭土的 ${r_k}$。这主要是因为在高纯水下制取的重塑高岭土竖向剖面大孔隙较水平向多，而在盐溶液下制取的重塑土的竖向和水平向孔隙差距相对较小。

（3）随着固结压力增大，土体中大孔隙率先被压缩，小孔隙受到的影响较小。竖向剖面上的大孔隙较多，因而压力增大时受到的影响更显著，致使kh下降幅度大于kv下降幅度，导致 ${r_k}$ 随固结压力增大而减小。

（4）在本试验条件下，电解质类型和离子浓度对 ${r_k}$ 的影响较小，规律性不明显。

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