复杂劣变环境下, 填埋场衬垫和覆盖层的温度场、渗流场和应力场发生不均匀变化, 据美国环境监测数据, 填埋场内垃圾经发酵产生大量的热, 使填埋体温度显著升高(下部达70 ℃, 上部达45 ℃)^[1], 进而在填埋场压实黏土层中产生明显的温度梯度.通常, 水分作为土体温度和应力传递的载体, 温度梯度又是水分迁移的动力.因此, 温度梯度作用将促使土中水分从高温势向低温势迁移, 引起水分损失、土体收缩开裂, 为雨水下渗提供了便捷通道, 加剧了滑坡和水土流失, 给填埋场和边坡工程正常运营带来了灾难性影响, 引起广大科研工作者的普遍关注.

目前关于温度梯度作用下的干燥开裂已有不少研究, 唐朝生等^[2-3]开展了温度作用下黏土体干缩开裂的试验研究, 发现干缩裂缝的发育及裂缝的物性特性等均受到温度显著影响.Zhou等^[4]提出了温度梯度作用下填埋场衬垫干燥开裂的数学模型, 并考虑了水-气-热迁移、非线性本构关系、孔隙率、含水率与应力间的关系. Zhou等^5]指出黏土衬垫层的工程性能受温度、土体物理性质及渗滤液化学成分的影响, 提出了填埋场复合衬垫中黏土层干燥开裂的数学模型. Döll^[6]与Southen等^[7-8]用SUMMIT数学模型研究了温度梯度作用下土工合成黏土衬垫的开裂特性, 结合现场试验结果进行比较, 分析了温度对开裂的影响. Azad等^[9]分析了温度对填埋场复合衬垫中水分迁移的影响, 用SUMMIT模型进行水分重分布模拟, 指出土水特征曲线在预测GCL水平应力方面起着重要作用. Wang等^[10]研究了合肥地区非饱和膨胀土的水分迁移, 指出:对于水迁移模型和气态水迁移模型而言, 当初始含水率增加至6%和12%时, 迁移表现为非线性特性.

以上研究主要集中在理论分析和室内试验, 而温度梯度对黏土体水热迁移和渗透特性的影响规律尚未开展模型试验研究.为此, 本文通过自主研制的温度-水流耦合作用下的水热监测装置^[11-12]来研究在温度梯度作用下的水热迁移规律及渗透特性, 为评价压实黏土体在边坡、衬垫等应用中的防渗性和稳定性提供关键参数支持.

试验土体取自湖北汉口某地铁施工现场, 黏土的基本物理参数如表 1所示.黏土的矿物成分分析结果如表 2所示.

表 1(Table 1)

表 1 黏土的物理性质 Table 1 Physical properties of clay 检测项目 测试值 天然含水率 wn/% 33.6 液限 wL/% 39.4 塑限 wP/% 18.9 塑性指数 18.5 天然重度/(kN/m3) 19.9 相对密度 Gs 2.71 最大干密度 ρmax/(g·cm-3) 1.71 最佳含水率 wopt/% 20.8 土性分类 黏土 孔隙比 0.85

表 1 黏土的物理性质 Table 1 Physical properties of clay

表 2(Table 2)

表 2 黏土的化学成分(质量分数) Table 2 Chemical composition of clay(mass fraction) % SiO2 Al2O3 Fe2O3 K2O CaO Na2O MgO 61 23.8 0.3 4.03 0.23 2.03 0.08

表 2 黏土的化学成分(质量分数) Table 2 Chemical composition of clay(mass fraction)

试验黏土先在105~110 ℃烘箱中烘干24 h以上, 再进行破碎过筛处理.然后以黏土的最佳含水率20.8%为目标含水率进行配制, 将拌和好的黏土在密封袋内焖24 h, 之后按最大干密度1.71 g/cm³将拌和土分层压入圆柱模型桶内.模型桶是内径为40 cm, 高度为120 cm的有机玻璃筒, 桶壁厚度为18 mm.模型土柱压实高度为40 cm(每5 cm击实一次), 模型土柱通过板支架置于温控热源板上(为确保良好传热, 板支架设为辐条状的有机玻璃板), 图 1为压实黏土模型柱示意图.热源装置是DB-2EFS智能型石墨恒温加热板, 水分检测装置为土壤湿度传感器(FDS-100), 温度检测装置为pt100型温度传感器, 温度和湿度传感器连接在数据采集仪上.为观测加热过程中土柱两端部的开裂情况, 在板支架顶部和下部分别安置耐高温防水的摄像装置.

图 1(Fig. 1)

图 1 压实黏土模型柱[12] Fig.1 Model column of compacted clay[12]

黏土分层压实过程中, 分别在土柱高度5, 20和35 cm(从土柱底部量算)处安置温度和水分传感器, 用以监测压实黏土内温度和水分变化.土柱底部和控温加热板之间通过板支架相接, 预压填土完成后, 模型柱顶部用可吸水的隔热棉垫(厚度25 mm)进行密封, 周边用隔热垫隔热, 尽量阻止热量逸散.为模拟高温地区黏土体中水热的变化情况, 试验预设的热源温度为45 ℃, 试验在夏季进行, 忽略了空气温度和湿度影响, 试验持续7 d.此次试验有两组平行试验, 试验结束后, 一组用来进行示踪裂缝深度, 一组用于渗透系数测试.并且取温度梯度作用前后的小块土样进行SEM微观测试.

待温度和含水率测试完成后, 在一组黏土柱中每5 cm层高处切取3个土样, 并分别切削成圆柱形(直径5 cm×高度5 cm)试样, 试样编号记为S_{i, j} (从底至顶i=1, 2, …, 8；j=1, 2, 3).采用三轴柔性壁对处理后的试样进行渗透性测试, 渗透试验依照ASTM D5084^[13]执行, 三轴渗透测试的围压设为200 kPa, 渗透压设为150 kPa, 三轴渗透装置如图 2所示.此外, 对无温度梯度作用的压实黏土(在温度(20±2)℃, 相对湿度94%条件下养护7 d)进行渗透对照试验.

图 2(Fig. 2)

图 2 三轴柔性壁渗透性试验 Fig.2 Tri-axial flexible wall permeability test

在45 ℃热源下, 通过监测不同高度(5, 20和35 cm)处的温度来分析温度梯度作用下压实黏土的传热规律(图 3).从图 3可以看出, 在45 ℃热源作用下, 黏土层内的温度呈梯子形递增, 不同高度处温度随时间的变化规律相似.在前期, 不同高度处的温度快速增加, 随时间持续, 温升速度出现不同程度衰减, 并趋于稳定.高度5 cm处, 从23.5 ℃增至42.6 ℃；高度20 cm处, 从23.8 ℃变化至32 ℃；高度35 cm处, 从23.6 ℃变化至28.8 ℃.总体而言, 在土柱下层, 温度增加速度较快；随离热源距离的增加, 温升速率明显延迟, 土层温度变小；并且土层温度的变化规律是先快速升高后趋于稳定, 说明黏土层具有吸热和传热功能, 同时也存在热阻特性使得在热量传递中出现损失和延迟.

图 3(Fig. 3)

图 3 不同深度处的温度变化 Fig.3 Changes of temperature at different depths

图 4描述了不同深度处含水率的变化规律.该图显示黏土柱的水分损失随时间的变化规律基本可以分为两阶段:1) 快速失水阶段, 前9 h是水分损失的主要阶段, 在5, 20和35 cm高度处, 含水率从最初的38.9%分别减小到17.9%, 26.1%和31%；水分损失率从土柱下向上依次变小；2) 缓慢失水阶段, 从第9 h持续至159 h, 可以看出:在5, 20和35 cm高度处, 含水率在前一阶段的基础上又分别减小到0.1%, 8.6%和17.4%；水分损失率依然是从土柱下向上依次变小, 且黏土柱底部的含水率接近于0.

图 4(Fig. 4)

图 4 不同深度处的含水率变化 Fig.4 Changes of water content at different depths

产生上述现象的原因是:加热初期土柱温度较低, 土体与热源间的温度梯度较大, 造成水汽迁移较快, 水分损失较大；在后期较长时间内, 随着热源的持续作用, 底部温度不变, 土柱内温度升高并渐趋稳定, 造成土柱内温度梯度不断变小, 水汽迁移速度减缓, 扩散系数降低, 水分损失率平稳减小并趋于稳定.

经7 d持续加热, 黏土柱的上、下表面均出现了明显裂缝(如图 5所示), 且上表面开裂程度较为严重.将图像导入CAD软件得到光栅图像, 应用软件的长度测量和面积计算功能, 来计算压实黏土柱上、下表面的开裂因子(裂缝的累计面积与截面面积的比值), 结果分别为11.3%, 5.7%.主要原因是:在温度的持续作用下, 黏土柱下部温度较高(接近热源温度), 上部温度较低；土柱中的水汽在温度梯度作用下由高温区向低温区迁移, 引起土柱中水分的减少, 使土体干燥收缩直至开裂, 因此温度梯度作用下土柱顶部和底部均出现收缩开裂.此外, 迁移至土柱顶部的水汽在短时间内很难从密闭空间中逸散, 使水汽先转化为凝结水吸附在土柱上表面；随顶部温度的逐渐升高, 凝结水又与水汽交替循环, 直至被顶部棉垫吸收, 此过程引起土柱上表面产生明显的干湿循环；然而土柱底部并未出现干湿循环现象, 这也是土柱上表面开裂比下表面开裂严重的重要原因.这与Rayhani等^[14]的研究结论一致.

图 5(Fig. 5)

图 5 土柱的两断面 Fig.5 Two sections of compacted clay column (a)—上表面；(b)—下表面.

对另一组压实黏土柱进行裂缝深度测试, 用一种黑色示踪剂(本研究采用加黑墨汁的溶液)沿裂缝渗入.示踪剂进入土体裂缝后, 可使沿裂缝的土粒变成黑色, 通过黑色土颗粒的深度来确定裂缝深度.待示踪剂进入土体一段时间后, 沿裂缝延伸方向从土柱上表面向下进行剖挖, 开挖至示踪剂的终止位置, 示踪剂土体的开挖断面如图 6所示.开挖后可以发现:从上表面至裂缝深度处有多个黑色“V”字形区段, 且上面越宽深度越深, 说明裂缝由上至下呈“上宽下窄”型发育.用刻度尺测量示踪剂终止位置(即颜色的变化处)的深度, 测量剖面处的最大深度约为8.2 cm.

图 6(Fig. 6)

图 6 裂缝深度测试 Fig.6 Cracking depth test (a)—示踪深度处的断面；(b)—深度测量.

通过示踪剂法可以粗略测试土柱上表面的裂缝深度, 上表面开裂的原因:土体水分的迁移损失；衰弱型的干湿循环作用.但是该方法不能实现底部裂缝深度的测量.

经热源作用的压实黏土柱如图 7所示, 黏土在不同深度处的渗透系数结果如图 8所示.

图 7(Fig. 7)

图 7 试验后的黏土柱 Fig.7 Clay column after the experiment

图 8(Fig. 8)

图 8 温度梯度下压实黏土的渗透系数 Fig.8 Permeability coefficient of compacted clay under the temperature gradient

图 8描述了不同层高试样S₁~S₈在温度梯度作用后的渗透系数.从图 8可以看出, 对于无温度梯度作用的压实黏土试样(取样中发现该黏土柱未出现裂缝), 其渗透系数均小于1.0×10^-7 cm/s, 满足压实黏土作为工程防渗材料的渗透性要求^[11]; 而温度梯度作用后, 压实黏土的渗透系数明显增大, 均大于无温度梯度作用下的黏土渗透系数.尤其, 黏土柱两端部的渗透系数明显高于规范所规定的1.0×10^-7 cm/s, 是未经热源作用黏土柱端部渗透系数的40倍以上.即使增加幅度最小的中间部分, 渗透系数也是无温度梯度作用的8倍.温度梯度作用下渗透系数急剧增大的原因可能是:在最优含水率和最佳干密度下的压实黏土, 土体团粒之间乃至颗粒之间的孔隙较小, 水分几乎无损失, 故渗透系数相对最小.但经过温度梯度作用后, 压实黏土中的水汽很容易从温度较高的底部向温度较低的顶部迁移, 使填充于颗粒间和团粒间的孔隙自由水快速损失, 土柱内的裂纹和裂隙开始发育.此外, 当水汽迁移至黏土层顶部时, 水汽在封闭的模型筒内很难快速散失, 在温度较低的顶部凝结成水, 对上表层土体而言, 相当于增加了数次不完全的干湿循环, 加剧了土柱上表面的开裂.裂缝是在水分迁移和顶部干湿循环作用下由无数裂隙发育和发展而成, 上述土柱剖面的黑色区段也说明土柱两端的裂缝和裂隙比率较中间部分大, 裂隙和裂缝的存在增大并加速了土体的渗透性.故温度梯度作用后的压实黏土渗透系数增大, 在试验周期内上下两端的土体渗透系数增加比中间部分更快.

为探究温度梯度对黏土体微观结构变化的影响, 本研究选取了无温度梯度作用的黏土试样和经45 ℃热源作用的黏土试样, 经冷冻干燥处理后, 用扫描电子显微镜进行测试(图 9). 图 9a显示, 未经温度梯度作用的黏土试样, 呈现出均匀分布的孔隙, 黏土颗粒的表面较为平滑, 颗粒间联结作用均衡.而从图 9b中则发现, 经过温度梯度作用的黏土试样, 土样孔隙表现出明显的不均匀性, 颗粒间联结强弱不均, 大孔隙变得更大, 且孔隙连通性变好；同时也出现明显的团粒积聚、颗粒松散现象.其原因可能是:在热源作用下, 温度梯度引起黏土体中水分的散失, 造成土颗粒间的联结作用力减小, 引起干缩和微裂缝发育；在裂纹发育处孔隙变大、颗粒松散, 在裂纹附近处的土颗粒则出现团粒积聚、孔隙变小.从而解释了黏土渗透系数的变化结果.

图 9(Fig. 9)

图 9 压实黏土的SEM照片 Fig.9 SEM image of compacted clay (a)—无温度梯度；(b)—有温度梯度.

黏土通常是由微小单元体排列组成, 而这些单元体又是通过片状矿物颗粒叠聚而成的层状结构.黏土胀缩是由土颗粒与水之间发生物理和化学作用引起, 黏土中的矿物颗粒在晶格置换作用下形成的负电荷与水化阳离子结合, 在其表面形成了双电层^[11].双电层中带正电的水化阳离子和带负电的黏土颗粒均有吸附能力, 可使水分子在电场作用下排列聚集, 形成逐渐增厚的水化膜, 进而使张力变大、颗粒间距增大和体积膨胀.

当土体含水率高于土体收缩限时, 土水间的相互作用和晶格置换作用增大了颗粒表面双电层的吸附力, 使黏粒表面的水化膜厚度和水化膜张力增加, 进而使颗粒间的净距增大、土体膨胀.然而, 当土体含水率低于土体收缩限时, 孔隙水从土体表面蒸发散失, 使颗粒表面的结合水膜逐渐变薄直至消失, 引起弯液面内陷, 张力消除并产生孔隙水压力(孔隙水压力p_c与颗粒表面张力T_s成正比, 相对大气压为负, 随弯液面曲率半径R_s的增大而减小. p_c=2T_s/R_s, 此时对应的颗粒间距为l₀) (图 10).在压力和张力作用下, 颗粒间距l₀逐渐减小, 使黏土体积收缩直至开裂, 为土体水分的蒸发提供了通道；同时水分迁移和蒸发也促进了裂缝的进一步发展, 最后上表面干湿循环作用加剧了上表面裂缝开裂程度.黏土的干缩机理解释了这一现象:温度梯度作用下黏土出现裂缝而未经温度梯度作用的黏土则不出现裂缝, 并且上表面的裂缝比率较下表面的大.但是, 目前研究并未考虑土体在温度梯度作用前后的矿物成分和物理性质的变化；渗透性试验只是在达到稳定温度后取样, 而未考虑渗透测试过程中温度对渗透性的影响.

图 10(Fig. 10)

图 10 黏土的干缩模型 Fig.10 Clay desiccation model (a)—饱和土体；(b)—液面凹陷；(c)—张力和孔隙水压减小；(d)—颗粒间距减小.

1) 热量在压实黏土柱下部传输速率较快, 随与热源距离的增加而减缓.

2) 底部热源使压实黏土柱产生温度梯度, 促使水汽由黏土柱底向上迁移, 造成水分损失较快；随热源持续, 黏土柱内温度梯度下降, 水汽迁移速率减小, 含水率缓慢降低并趋于稳定.

3) 温度梯度下, 土柱上表面开裂程度明显大于下底面, 用示踪剂来估测裂缝深度是可行的.

4) 温度梯度作用不同程度地增大了黏土体渗透系数, 且黏土柱两端部的渗透系数增加较快, 中间部分增大倍数次之.

5) 温度梯度作用后, 黏土孔隙分布不均, 出现了团聚、散粒和颗粒联接不平衡现象.