新型透明土材料的GDS柔性壁渗透试验研究*

李 奕 王 清

(湖北工业大学 武汉 430068 )

前言

透明土具有模拟天然岩土的内部渗流、观测土体变形等优点，针对于不同的天然土壤，不同类型的透明土材料被挖掘出来模拟不同类型的土壤。常用的透明土材料有:用于模拟砂土的熔融石英砂，硅胶；用于模拟黏土的无定型二氧化硅；用于模拟海洋沉积物的水晶珠(Aquabeads)；用于模拟临海地区软黏土的硅酸镁锂粉末(Laponite RD)。Laponite RD作为一种新型透明土材料，其化学物质成分主要是硅酸镁锂。自然状态下硅酸镁锂处于白色粉末状，与水按照一定比例混合会形成透明状的胶凝混合物。硅酸镁锂透明土常常被用于模拟海相软黏土，这种材料最早被Alvarez和Mauricio[1]提出用于模拟地下水沉积物。Gidley 和 Gidley[2]以Laponite RD为原材料配制了透明土用于模拟海相软黏土，并且对于土体中的流体运动路径和滑移面进行了观察。 Wallace和Rutherford[3]经过对Laponite RD的研究发现，这种材料的性能与Aquabeads的特性较为相似。Beemer和Aubeny[4]以此配制成的透明土研究了安装拖拽锚的运动轨迹。

由于软黏土基本物理特性与普通土壤的差异性，这决定了其位于地质工程中的特殊地位。近年来，透明土被广泛应用于模拟试验研究[5-7]。但对于硅酸镁锂(Laponite RD)这种新型材料的研究仍然较少，其被作为模拟软黏土的可行性研究还不够，因此笔者以硅酸镁锂为基本材料制备了不同固液质量比的透明软黏土试样，对其进行GDS柔性壁渗透试验，对该种新型材料的渗透机理进行了深入研究。

1 试验材料

图1 硅酸镁锂(Laponite RD)粉末状

试验基本材料为硅酸镁锂(Laponite RD)粉末状，其实物图如图1所示。该种粉末又被称为锂皂石，化学式为Li2Mg2O9Si3。该种粉末在空气中呈白色，具有明显的触变性和增稠性，并且该种白色粉末吸附能力较强，具有无毒、无刺激性气味等特性。锂皂石在自然界中较为稀缺，因此，通常情况下锂皂石被分为人工合成锂皂石和天然锂皂石。本次试验采用的是人工合成锂皂石，属于一种片状硅酸盐。根据已有的文献，该种材料的粉末颗粒属于圆片类型，高度约为1 nm，直径约为25 nm[3]。硅酸镁锂是以纳米为单位的微小片状结构，与水混合后，形成层面和端面，层面带负电荷，端面带正电荷，且以Na+等阳离子为主，薄片端面的正电荷与另一薄片的层面负电荷就结合形成了三维空间形式的胶体结构，这一结构也被称为卡片宫结构。这一结构的形成也使得混合胶凝体系的粘度增大，又因为低质量比下的硅酸镁锂RD粉能水形成良好透明效果的胶体。因此，这些独特的物理特性使得硅酸镁锂(Laponite RD)被广泛应用于工业当中，如：增稠剂、膏体触变剂、乳胶及油墨稳定剂等。

2 试验方案及方法

2.1 试验方案

本实验拟制备固液质量比为3%、4%、5%的环刀试样进行GDS柔性壁渗透试验，设置渗透压力差分别为5 kPa、10 kPa、15 kPa，试验时长设置为12 h，拟得到不同压力差和不同固液质量比透明软黏土的渗透系数变化图。

2.2 试验方法

首先完成试样的制备，准备一定质量的蒸馏水和硅酸镁(Laponite RD)粉末，用搅拌机进行搅拌。充分搅拌完成后，进行抽真空处理8 h，待抽真空后无明显气泡，将其静置8 h。待其完全无气泡，便制样成功，如果气泡含量依旧较多，则制样失败。配制完成的试样如图2所示，可以看出透过试样，纸质纹路依旧清晰，则此次制样较为成功，之后用环刀法进行取样，装样。运用GDS柔性壁渗透仪进行压差试验。

图2 透明土试样

3 试验结果及分析

图3 不同质量比在不同压力差下的渗透系数对比图

3.1 渗流实验结果及分析

此次试验得到不同压力差下的渗透系数变化图如图3所示。从图3可以看出，处于前6 h区间段内，3种不同质量比试样的渗透系数随着时间的增加而减小，且变化幅度较大，质量比为5%的试样的渗透系数在前半段时间内的变化幅度明显小于其余两种质量比试样渗透系数的变化幅度。处于第6～12 h内，3种不同质量比试样的渗透系数随着时间的增加而出现微小的变化，总体变化幅度均小于前半段时间段下渗透系数的变化幅度。当渗透系数处于变化幅度明显的阶段时，质量比为5%的试样的渗透系数最小；质量比为3%和4%，两者的渗透系数较为接近。当渗透系数变化趋于平稳时，不同质量比下试样渗透系数的大小关系为：质量比为5%的渗透系数最小；质量比为4%的渗透系数次之；质量比为3%的渗透系数最大，即试样渗透系数随着质量比的减小而增大。

4 结论

通过上述试验及渗透系数变化结果分析，可以得到如下结论：

(1)进行GDS柔性壁渗透试验的Laponite RD透明土试样，渗透系数总体上随着时间的增加而减小。

(2)当透明土试样的质量比不同时，渗透系数随着质量比的增加而减小。

(3)在渗透试验的12 h试验周期里，渗透系数在前6 h变化较大，后6 h变化区域平稳。位于平稳阶段的渗透系数大小与质量比大小成反比。