氯离子在典型黏土地基中的迁移特性研究.pdf
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1、第41卷 第8期2023年8月河 南 科 学HENAN SCIENCEVol.41 No.8Aug.2023收稿日期:2023-01-06基金项目:南京水利科学研究院中央级公益性科研院所基本科研业务费重点项(Y320012);南京水利科学研究院中央级公益性科研院所基本业务费(Y323002)作者简介:王涛(1997-),男,硕士研究生,主要从事地基处理和环境岩土工程方面的研究工作通信作者:占鑫杰(1986-),男,高级工程师,博士,主要从事地基处理、基础工程和环境岩土工程方面的研究和咨询工作文章编号:1004-3918(2023)08-1134-08氯离子在典型黏土地基中的迁移特性研究王涛1,
2、孙婷婷2,占鑫杰3,吕冲1,陈浩1(1.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,南京210098;2.东台市水务局许河镇水务站,江苏盐城224232;3.南京水利科学研究院 岩土工程研究所,南京210029)摘要:近年来,惰性离子氯离子在典型黏土地基中的运移特性逐渐引起重视.以典型黏土地基为研究对象,采用自制的气动固结设备和渗透试验仪测试了黏土的固结和渗透特性参数,采用不同类型土柱试验测试了氯离子在黏土地基中的迁移特性参数.研究结果表明:氯离子在典型黏土地基中的分子扩散系数为8.010-61.510-5cm2/s,机械弥散系数为3.310-66.310-6cm2/s;孔隙水的流速越小,氯
3、离子在典型黏土地基中的机械弥散系数与分子扩散系数的比值越小.研究成果可为氯离子在典型黏土地基中的迁移提供理论依据.关键词:黏土;水力渗透特性;分子扩散系数;机械弥散系数;土柱试验中图分类号:X 53;TU 442文献标识码:AMigration Properties of Chloride Ions in Typical Clay FoundationWANG Tao1,SUN Tingting2,ZHAN Xinjie3,LYU Chong1,CHEN Hao1(1.Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Em
4、bankment Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.Xuhe Town Water Affairs Station of Dongtai Water Affairs Bureau,Yancheng 224232,Jiangsu China;3.Institute of Geotechnical Engineering,Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210029,China)Abstract:In recent years,the migration characte
5、ristics of inert chlorion in typical clay foundation have graduallyattracted attention.Taking the typical clay foundation as the research object,the consolidation and permeationcharacteristic parameters of clay used in the test were investigated by using homemade pneumatic consolidationequipment and
6、 permeation test apparatus.Different soil column tests were conducted to determine the migrationcharacteristic parameters of chlorion in clay foundation.The research results showed that the molecular diffusioncoefficient of chlorion in typical clay foundation ranged from 8.010-6cm2/s to 1.510-5cm2/s
7、,while the mechanicaldispersion coefficient ranged from 3.310-6cm2/s to 6.310-6cm2/s.The ratio of the mechanical dispersion coefficientto the molecular diffusion coefficient of chlorion in typical clay foundation decreased as the pore water velocitydecreased.The mechanical dispersion degree of chlor
8、ion in typical clay foundation was independent of the pore watervelocity.These findings can provide a theoretical basis for the transport of inert ions in typical clay foundation.Key words:clay;hydraulic permeation property;molecular diffusion coefficient;mechanical dispersion coefficient;soil colum
9、n test地基中的氯离子对工业和民用建筑基础具有明显的侵蚀作用,且其性质比较稳定、无吸附性,因此众多学者在抗氯问题上付出了诸多努力.近年来,在“共抓大保护、不搞大开发”的环保框架下,越来越多的学者在含氯物质的运移和防护问题上进行研究1-4.黏土在我国分布广泛,且不可避免地被用作各种工业建筑的地基,而在工业过程中产生的各种含氯物会经雨水冲刷流入黏土地基中并给环境带来极大危害,因此掌握各种含氯物在黏土地基中的运移情况就显得尤为重要.摸清各种含氯物在黏土地基中的运移特性,既能帮助了解其在黏土中的作用过程,又可为含氯物的治理提供依据.目前,国内外学者已建立多种模拟污染物在地基土中迁移的模型,但自Fi
10、ck定律问世以来,对流-弥散模型便得到了广泛应用,其形式简单、计算结果与实际情况符合度较好,至今仍是最主要的计算模型.应用对流-弥散模型研究污染物在土中的迁移特性时,主要是围绕分子扩散系数De(De=tD0,其中t为弯曲因子;D0为离子在25 自由水中的分子扩散系数)、机械弥散系数Dm(Dm=vs,其中 为纵向弥散度,与孔隙比有关;vs为水在土体孔隙中的平均流速)来开展.Du等5、Roehl和Czurda6通过纯土柱扩散试验求出了不同离子在土体中的分子扩散系数;Shackelford和Redmond7、曾兴等8通过对流-弥散土柱试验测试了目标离子的水动力弥散系数,再结合纯扩散土柱试验得到了目标
11、离子的分子扩散系数和纵向弥散度;季永新和张文杰9采用自制的非饱和土对流-扩散试验装置,通过浓度剖面法研究了氯离子在非饱和土中的迁移规律.在环境岩土工程领域内,黏土衬垫作为阻止污染物离子迁移最廉价的材料,来源方便且丰富,因此也有较多学者研究了氯离子在黏土中的迁移规律.Crooks和Quigley10通过土柱试验研究了氯离子在压实黏土中的分子扩散系数;席永慧等11通过自制的特殊容器研究了污染物离子在黏土介质中迁移的扩散系数;Lake和Rowe12研究了压实黏土衬垫阻隔氯离子扩散的长期效果.本研究以典型黏土地基为研究对象(其中黏性土选用高岭土),通过开展两种不同类型的土柱试验,研究了氯离子在黏土地基
12、中的迁移特性,以期为黏土地基中腐蚀性氯离子的迁移控制提供理论依据.1氯离子在黏土地基中的迁移机理氯离子在黏土地基中的迁移是一个复杂的问题,受各种物理、化学、生物作用的影响,主要包括对流运移、分子扩散、机械弥散3个过程.对流运移是指溶解在水中的各种污染物随着孔隙水发生迁移.分子扩散是指污染物从浓度高处向浓度低处迁移,主要是由物质浓度不相等而引起,可采用Fick第一定律来描述13-14.机械弥散是流体在土中流动时,流体就不断地被分入到更纤细的通道中,每一通道流体运动的大小和方向均不一样,这就导致水流的局部速度在大小和方向上发生变化,从而引起污染物在介质中扩散的范围越来越大.1.1氯离子在黏土地基中
13、迁移的控制方程及求解1.1.1分子扩散土柱试验氯离子在黏土地基中的扩散是在浓度差的作用下产生的,可通过如下控制方程14-15来表示:Ct=De2Cx2.(1)该控制方程的边界条件16如下:C(x,0)=0,x0;C(0,t)=C0,t0;C(,t)x=0,t0.(2)然后求得解析解如下:C(x,t)C0=erfcx2 Det.(3)式中:C为黏土地基孔隙溶液中氯离子的浓度;De为氯离子的分子扩散系数;x为氯离子到土柱顶面的距离;t为时间;erfc为余误差函数.分子扩散土柱试验结束后,通过测试土柱中不同深度处的氯离子浓度可反算出氯离子在黏土地基中的分子扩散系数De.引用格式:王涛,孙婷婷,占鑫杰
14、,等.氯离子在典型黏土地基中的迁移特性研究 J.河南科学,2023,41(8):1134-1141.-1135第41卷 第期河 南 科 学2023年8月1.1.2对流-弥散土柱试验氯离子在黏土地基中的弥散作用包括分子扩散和机械弥散,其在黏土地基中的机械弥散迁移过程可通过如下控制方程来表示:Ct=Dh2Cx2-vsCx.(4)在边界条件(2)下,有解析解:C(x,t)C0=12erfcx-vst2 Dht+expvsxDherfcx-vst2 Dht.(5)式中:Dh为氯离子的水动力弥散系数;vs为氯离子在孔隙水中的流速.其中Dh=De+Dm=De+avs,Dm为氯离子的机械弥散系数;为纵向弥散
15、度,与孔隙比有关.对流-弥散土柱试验结束后,可通过测试土柱中不同深度处的氯离子浓度,并结合分子扩散土柱试验的分子扩散系数De,求得氯离子在黏土地基中的机械弥散系数Dm.2黏土的水力渗透特性2.1试验材料土柱试验的材料为白色细颗粒粉末状的高岭土,是一种典型的黏土,其基本物理特性见表1.表1试验所用黏土的基本物理特性Tab.1The basic physical characteristics of clay used in the test指标数值液限wL/%75.8塑限wP/%30.9塑性指数IP44.9初始含水率/%178初始孔隙比4.62比重Gs2.59从表1中可知,试验所用黏土的比重为2
16、.59,液限wL为75.8%,塑性指数IP为44.9.根据图1可知,试验所用黏土属于高塑性黏土.2.2固结渗透试验装置及试验方法首先采用自制的气动固结试验设备开展了黏土试样的固结试验,测试了黏土的固结特性.自制的气动固结试验设备如图2所示,其由气缸、反力架、有机玻璃筒、位移传感器等组成.给气缸施加气压时,气压推动加载杆向土柱试样加压.进气端装有压力表,用于控制气缸内的压力大小.加载杆上装有用于监测土柱试样沉降的位移传感器,量程为5 cm,精度为0.01 mm.为保证试样的均匀性和可重复性,采用饱和制样法,用搅拌机将黏土与去离子水混合搅拌,制成高于两倍液限的均匀泥浆.将泥浆倒入有机玻璃筒中,每次
17、注入有机塑性指数IPA线:IP=0.73(wL-20)B线:wL=50%6050403020100ABCHCHOMHMHOMLMLOIP=10IP=6CLCLO10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110液限wL/%注:C代表黏土;M代表粉土;H代表高塑性土;L代表低塑性土;O代表有机质土.图1塑性图Fig.1Plasticity diagram-1136玻璃筒中的泥浆高度为10 cm,为防止侧壁渗漏,有机玻璃筒侧壁需均匀涂抹凡士林.在土柱试样上下均放置一块透水石,以保证土柱试样是在双面排水条件下开始固结的.为防止加压过程中泥浆从筒壁挤出,需将泥浆静置12 h后再采用2
18、.56 kg的砝码对泥浆进行预加压24 h.固结试验依据 土工试验方法标准(GB/T 501232019)17进行,固结压力分别为50、100、200、400 kPa.每级压力固结24 h后土柱试样每小时的变形量不大于0.01 mm时,可认为土柱试样已达到稳定.当试样稳定后再施加下一级固结压力.固结试验完成后,采用自制的渗透试验仪(图3)通过变水头法开展土柱试样的渗透试验.试验过程中先将有机玻璃筒与装满去离子水的供水箱连通,连接线路为A-D-F,目的是将有机玻璃筒中充满水来排除筒中气泡18.为确保试验结果的可靠性,先将土柱试样透水饱和24 h,然后断开连接,用供水箱给刻度管充水,连接线路为A-
19、D-B.刻度管中充满水后断开连接,将刻度管与土柱试样连接进行变水头法渗透试验,连接线路为B-E-F.试验方法参考 土工试验方法标准(GB/T 501232019)17,取6次测试结果的平均值作为该黏土试样的渗透系数.2.3试验结果及分析试验所用黏土的固结渗透试验结果见图4,土的压缩系数根据公式(6)进行计算.经计算,试验所用黏土的压缩系数为1.9 MPa-1,说明试验所用黏土属于高压缩性土.a=1000e1-e2p2-p1.(6)式中:a为土的压缩系数,MPa-1;1000为单位换算系数;p1、p2为固结压力,kPa;e1、e2为相应于p1、p2时的孔隙比.一般取p1=100 kPa、p2=2
20、00 kPa的压缩系数a1-2评价土体的压缩性.由图4可知:试验所用黏土的渗透系数随着孔隙比的减小而减小,且两者之间呈线性关系;不同固结压力条件下,试验所用黏土的渗透系数为2.9110-79.3410-7cm/s.经拟合,试验所用黏土的渗透系数k与孔隙比e之间存在如下关系:lgk=0.598 5e-0.57.(7)3氯离子在黏土地基中的迁移特性研究3.1试验方法氯离子在黏土地基中的迁移过程包括扩散和弥散两个过程19.为了探明氯离子在黏土地基中的迁移特性,采用参数解耦方法13来获取氯离子在黏性土地基中的迁移特性参数.首先开展氯离子在黏土地基中的分子扩散土柱试验,以得到其分子扩散系数De(可由土体
21、弯曲因子t与离子在25 自由水中的分子扩散系数D0相乘得到),然后在此基础上开展特定水头下氯离子的对流-弥散土柱试验,以得到其机械弥散系数Dm(可由土体纵图3自制的渗透试验仪(单位:cm)Fig.3Homemade penetration tester(unit:cm)注:A.供水箱;B.刻度管;C.置物架;D.水管;E.水管;F.土柱试样.220水100DBAE30水25FC图4试验所用黏土的固结渗透试验结果Fig.4The results of consolidation and permeabilitytest of clay used in the test5.04.54.03.53.
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- 氯离子 典型 黏土 地基 中的 迁移 特性 研究
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