張斯妤，閆子壯，陳云敏，李育超

（浙江大學(xué) 巖土工程研究所 / 超重力研究中心，浙江 杭州 310058）

0 引 言

由于膨潤土具有良好的膨脹性及防滲性，常作為重要的屏障材料廣泛應(yīng)用于各類固廢填埋場及放射性廢物深地處置庫中[1-2]。此外，全國多地的天然軟土地基中也存在著較高的膨潤土含量。然而，污染場地中存在的大量重金屬離子及沿海地區(qū)水體中的高含鹽量，均增加了水土環(huán)境的復(fù)雜度。隨著高濃度鹽溶液向土體內(nèi)部的逐漸侵蝕，土體滲透性、壓縮性、強(qiáng)度等將發(fā)生變化，這些變化對工程設(shè)計(jì)及施工的影響不可忽視[3-5]。

土體沉降變形是工程界關(guān)注的重要問題，影響到周圍建（構(gòu)）筑物的質(zhì)量及壽命[6]。膨潤土是高壓縮性細(xì)粒黏土，受到壓縮后將產(chǎn)生不可忽略的沉降變形，進(jìn)而影響周圍結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及穩(wěn)定性[7]。MISHRA等[8]觀察了不同濃度的NaCl和CaCl2對土-膨潤土混合土壓縮性的影響，結(jié)果表明其壓縮性隨孔隙液中鹽濃度的增加而降低，SHARIATMADARI等[9]使用 NaCl、CaCl2和 MgCl2作為土-膨潤土的孔隙液，發(fā)現(xiàn)土的壓縮指數(shù)隨鹽濃度的增加而降低，與MISHRA的結(jié)論相互印證。張彤煒等[10]研究了膨潤土-高嶺土混合土壓縮指數(shù)及回彈指數(shù)與孔隙液鹽濃度的關(guān)系，并采用指數(shù)函數(shù)對其進(jìn)行了良好的擬合。

目前大部分研究通過直接配制不同濃度孔隙液的土樣來測試膨潤土孔隙液濃度變化后土樣的壓縮性[7-11]，對膨潤土受到外部高鹽溶液侵蝕后的固結(jié)過程研究較少[12]。然而，實(shí)際工程中孔隙液性質(zhì)的變化正是源于外部高鹽環(huán)境向內(nèi)的逐步侵蝕，因此針對滲透行為導(dǎo)致的土樣固結(jié)進(jìn)行深入研究相當(dāng)必要。

本文首先通過一維固結(jié)試驗(yàn)研究不同濃度孔隙液土樣壓縮性及滲透性的變化規(guī)律，接著將力學(xué)固結(jié)壓縮穩(wěn)定后的土樣浸沒于高濃度溶液中，模擬外部高鹽溶液侵入土樣后造成的化學(xué)固結(jié)壓縮現(xiàn)象，并提出能夠表征這一作用下土樣變形程度的試驗(yàn)參數(shù)?；诖藘身?xiàng)試驗(yàn)中的參數(shù)定義，改進(jìn)了考慮化學(xué)-力學(xué)相互作用的一維固結(jié)偏微分方程，并根據(jù)土中孔壓與孔隙液濃度的演化趨勢對固結(jié)過程進(jìn)行機(jī)理分析，為后續(xù)高鹽溶液侵蝕造成的土體沉降相關(guān)研究提供數(shù)據(jù)支持及理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)土樣及溶液

試驗(yàn)土樣由膨潤土與砂土按 1∶1的質(zhì)量比混合而成。膨潤土產(chǎn)自美國懷俄明，其中蒙脫石含量71.4%，顆粒比重 2.56，天然含水量 12.6%，液限267.0%，塑限24.8%，陽離子交換總量76.37 cmol/kg。砂土產(chǎn)自福建，99.9%的顆粒粒徑在 0.1～0.25 mm之間，不均勻系數(shù)Cu=1.735，曲率系數(shù)Cc=0.951，屬于級配不良細(xì)砂。

前人研究發(fā)現(xiàn)，孔隙液中陽離子化合價越高，砂-膨潤土混合土的滲透性及壓縮性越大[8,13]，為獲得更為顯著直觀的試驗(yàn)現(xiàn)象，本文采用CaCl2作為試驗(yàn)溶液。

制樣采用分層填土的方式，將水化24 h后的混合土均勻填入環(huán)刀內(nèi)，并用調(diào)土刀整平土樣。砂-膨潤土混合土的初始含水率為其液限的1.2倍，當(dāng)孔隙液為去離子水（0 mM CaCl2）時，混合土初始含水率為 186.35%，隨著孔隙液 CaCl2濃度增加至1 000 mM，混合土的初始含水率降低至54.3%。

1.2 試驗(yàn)方法

共進(jìn)行兩項(xiàng)試驗(yàn)。第一項(xiàng)試驗(yàn)采用濃度為 0～1 000 mM的CaCl2溶液作為孔隙液配制混合土，進(jìn)行一維固結(jié)試驗(yàn)，研究混合土的壓縮性及滲透性與孔隙液濃度的關(guān)系，具體步驟參考《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[14]。第二項(xiàng)試驗(yàn)采用0、25、100 mM CaCl2作為孔隙液配置混合土樣，分別在12.5 kPa、25 kPa、50 kPa三種固結(jié)壓力下固結(jié)穩(wěn)定后，將周圍溶液替換成25、100、1 000 mM的CaCl2溶液（見表1），研究外部高濃度溶液侵入試樣內(nèi)部的過程中試樣發(fā)生的體積壓縮現(xiàn)象。試驗(yàn)過程中，當(dāng)試樣每24 h的應(yīng)變量Δε≤1%時，則判定其變形穩(wěn)定。為了保證滲透溶液的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，兩項(xiàng)試驗(yàn)中周圍溶液均每隔48 h更新1次。

表1 高濃度周圍溶液浸沒土樣試驗(yàn)條件匯總Table 1 Summary of test conditions for high concentration solution immersed soil samples

1.3 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)中采用的固結(jié)儀分為加壓裝置及固結(jié)容器兩部分，其中加壓裝置產(chǎn)自南京土壤儀器廠，通過它可對試樣施加不同大小的豎向荷載，而固結(jié)容器則起到維持試樣飽和度的作用，并且通過改變其中儲存的溶液濃度，可模擬不同工況下的周圍溶液。由于溶液中較高的鹽含量易使金屬制品腐蝕，剝落下來的金屬離子將改變周圍溶液的性質(zhì)，影響試樣的孔隙液成分而造成試驗(yàn)誤差。為消除這一影響，設(shè)計(jì)加工了一套新的固結(jié)容器，如圖1所示。

圖1 尼龍材料固結(jié)容器示意圖Fig. 1 Consolidation container made of nylon material

新固結(jié)容器采用了防腐蝕、高承載力、小變形、易加工的尼龍材料[15]，并基于材料性質(zhì)及功能目標(biāo)主要進(jìn)行了三點(diǎn)改進(jìn)：（1）固結(jié)容器的護(hù)環(huán)與儲水盒連成一體，解決了尼龍密度過小易浮起的問題；（2）導(dǎo)環(huán)底部半徑擴(kuò)大，與護(hù)環(huán)內(nèi)徑適配，并通過導(dǎo)環(huán)四周安裝的尼龍螺絲與護(hù)環(huán)部分的凹槽鎖緊，限制環(huán)刀及試樣的水平及豎向位移；（3）護(hù)環(huán)及導(dǎo)環(huán)四周均勻開槽，使容器內(nèi)部各區(qū)域中溶液流通。

試樣安裝時，首先在儲水盒中放入大透水石及薄濾紙，隨后裝入環(huán)刀，最后將導(dǎo)環(huán)的螺絲與儲水盒中的護(hù)環(huán)卡口匹配并擰緊固定。待試樣上方依次放置薄濾紙、小透水石及加壓蓋板后，開始試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同濃度孔隙液土樣的壓縮性及滲透性

土樣的壓縮性可通過體積壓縮系數(shù)mv來評價，表示側(cè)限條件下土受到單位壓應(yīng)力而產(chǎn)生的體積應(yīng)變。

將體積壓縮系數(shù)mv隨有效應(yīng)力σ′的變化關(guān)系繪制在雙對數(shù)坐標(biāo)中（見圖2）。有效應(yīng)力為12.5 kPa時，0 mM CaCl2制成的混合土體積壓縮系數(shù)為6.86×10-31/kPa，而1 000 mM CaCl2制成的混合土體積壓縮系數(shù)為 2.41×10-31/kPa。有效應(yīng)力為400 kPa時，0 mM CaCl2制成的混合土體積壓縮系數(shù)為5.42×10-41/kPa，而1 000 mM CaCl2制成的混合土體積壓縮系數(shù)為1.55×10-41/kPa。隨著有效應(yīng)力從12.5 kPa增至400 kPa，土樣的體積壓縮系數(shù)下降了一個數(shù)量級。此外，相同有效應(yīng)力下，隨著孔隙液CaCl2濃度從0 mM增加至1 000 mM，土樣的體積壓縮系數(shù)下降65%～71%。孔隙液濃度的增加將導(dǎo)致土樣壓縮性降低，這一現(xiàn)象與DUTTA和MISHRA[16]發(fā)現(xiàn)的膨潤土壓縮性與孔隙液濃度變化規(guī)律一致。

圖2 一維固結(jié)試驗(yàn)中各土樣體積壓縮系數(shù)與有效應(yīng)力關(guān)系Fig. 2 Relationship between volumetric compressibility and effective stress of soil samples in one-dimensional consolidation test

滲透性可通過滲透系數(shù)進(jìn)行評估，滲透系數(shù)kv根據(jù)式（1）求得[17]：

式中：mv為試樣的體積壓縮系數(shù)，1/kP；γf為孔隙液容重，kN/m3；Cv為固結(jié)系數(shù)，m2/s，根據(jù)時間平方根法[14]，其求取公式如下：

式中：H為土樣高度的一半，m；t90為土樣固結(jié)度達(dá)90%所經(jīng)歷的時間，s。

土樣滲透系數(shù)與有效應(yīng)力的關(guān)系見圖3。滲透系數(shù)隨著有效應(yīng)力增大而降低，與12.5 kPa有效應(yīng)力下的試樣相比，有效應(yīng)力為400 kPa時，試樣的滲透系數(shù)下降了2個數(shù)量級。0～25 mM范圍內(nèi)，孔隙液CaCl2濃度的改變對滲透系數(shù)無顯著影響，25～1 000 mM 范圍內(nèi)，試樣滲透系數(shù)隨著孔隙液CaCl2濃度的增大而顯著增加。相同有效應(yīng)力下，25 mM CaCl2與0 mM CaCl2制成的混合土滲透系數(shù)比值在1.0～1.7范圍內(nèi)，而1 000 mM CaCl2制成的混合土滲透系數(shù)則比25 mM CaCl2制成的混合土滲透系數(shù)大11～23倍。

圖3 一維固結(jié)試驗(yàn)中各土樣滲透系數(shù)與有效應(yīng)力關(guān)系曲線Fig. 3 Relationship between hydraulic conductivity and effective stress of soil samples in one-dimensional consolidation test

2.2 外部鹽溶液侵蝕后土樣的體積變形

對低濃度孔隙液的土樣逐級施加外荷，然后保持固結(jié)壓力不變，將其浸沒于周圍高濃度溶液中，觀察到土樣體積隨著時間逐漸減小的現(xiàn)象，這種由化學(xué)溶液侵入土體內(nèi)部而造成的土體體積變化現(xiàn)象稱為化學(xué)固結(jié)。體積應(yīng)變與時間的關(guān)系曲線如圖4所示，圖中曲線終點(diǎn)對應(yīng)試樣24 h的應(yīng)變量?ε≤1%。對于孔隙液化學(xué)性質(zhì)相同的混合土而言，在3種不同的固結(jié)壓力下，土樣的體積應(yīng)變-時間曲線呈相同的形狀，且固結(jié)完成的時間幾乎一致。25 mM CaCl2溶液侵入孔隙液為 0 mM CaCl2的試樣后約50 000 min完成固結(jié)，100 mM CaCl2溶液侵入孔隙液為25 mM CaCl2的試樣后約17 000 min完成固結(jié)，1 000 mM CaCl2溶液侵入孔隙液為 100 mM CaCl2的試樣后約16 000 min完成固結(jié)。

圖4 溶液侵入時試樣的體積應(yīng)變變化隨時間的關(guān)系曲線Fig. 4 Volumetric strain change with time after high concentration solution intrusion

在12.5、25、50 kPa這3種不同的固結(jié)壓力下，溶液滲透導(dǎo)致的土樣體積應(yīng)變無明顯規(guī)律?？紫兑簽? mM CaCl2的混合土受到25 mM CaCl2溶液侵入（濃度梯度25 mM）后，在上述固結(jié)壓力下的體積應(yīng)變分別為20%、22%、20%；孔隙液為25 mM CaCl2的混合土受到100 mM CaCl2溶液侵入（濃度梯度75 mM）后，在上述固結(jié)壓力下的體積應(yīng)變分別為11%、11%、9%；孔隙液為100 mM CaCl2的混合土受到1 000 mM CaCl2溶液侵入（濃度梯度900 mM）后，在上述固結(jié)壓力下的體積應(yīng)變分別為0.9%、0.7%、0.7%。3種濃度條件下土樣體積應(yīng)變有顯著差異，與低濃度孔隙液土樣相比，向高濃度孔隙液土樣施加的濃度梯度更高，體積應(yīng)變反而更小，可見土樣的初始孔隙液濃度對溶液侵蝕造成的土樣壓縮現(xiàn)象起重要作用，工程實(shí)際中，需要重點(diǎn)關(guān)注低濃度孔隙液軟土地基受到的高鹽侵蝕現(xiàn)象。

參考傳統(tǒng)壓縮試驗(yàn)中體積壓縮系數(shù)mv的定義，土樣在濃度梯度作用下發(fā)生體積壓縮，這種壓縮性可用化學(xué)體積壓縮系數(shù)mc表征，其定義為單位孔隙液濃度增量導(dǎo)致的土樣體積應(yīng)變減少量，即：

式中：?c表示孔隙液濃度變化量；?εv表示土樣體積應(yīng)變變化；ei與ci表示試樣初始孔隙比及初始孔隙液濃度；ei+1與ci+1表示試樣最終孔隙比及最終孔隙液濃度。

不同試驗(yàn)條件下試樣的化學(xué)體積壓縮系數(shù)見表2。隨著孔隙液中陽離子濃度的增加，試樣的化學(xué)體積壓縮系數(shù)呈指數(shù)級下降。各級固結(jié)壓力下，試樣的化學(xué)體積壓縮系數(shù)在 0～25 mM CaCl2濃度差滲透作用下為8.3×10-3～1.0×10-21/mM；在25～100 mM CaCl2化學(xué)濃度差滲透作用下為1.5×10-3～1.7×10-31/mM；在 100～1 000 mM CaCl2化學(xué)濃度差滲透作用下為8.4×10-6～1.0×10-51/mM，比低濃度滲透的情況低3個數(shù)量級。與之相比，不同固結(jié)壓力造成的試樣化學(xué)體積壓縮系數(shù)差異可以忽略。

表2 高濃度溶液侵入后試樣的化學(xué)體積壓縮系數(shù)mc/(1/mM)Table 2 Chemical coefficient of volumetric compressibility after high concentration solution intrusion

3 數(shù)值模擬與機(jī)理分析

傳統(tǒng)的TERZAGHI一維固結(jié)理論[18]僅闡述了土顆粒間的力學(xué)關(guān)系，并未將溶質(zhì)運(yùn)移產(chǎn)生的土與溶液間的化學(xué)相互作用考慮進(jìn)來，然而對于蒙脫土這種具有擴(kuò)散雙電層結(jié)構(gòu)的土而言，這種相互作用不可忽略[19]。GREENBERG等[20]最早考慮了土體固結(jié)過程中的物理-化學(xué)耦合問題，BARBOUR和FREDLUND[21]在此基礎(chǔ)上建立了考慮化學(xué)間相互作用的本構(gòu)方程，其中單元體應(yīng)變變化由力學(xué)作用和化學(xué)滲透兩種機(jī)制共同導(dǎo)致，化學(xué)滲透的作用通過滲透壓來表征。然而滲透壓是一種間接量，無法通過試驗(yàn)直接獲得。

本文引入化學(xué)體積壓縮系數(shù)mc，直接表征化學(xué)滲透的作用，將固體力學(xué)關(guān)系與對流-彌散關(guān)系聯(lián)合，得到以下一維固結(jié)偏微分方程：

式中：u為超孔壓；c為孔隙液濃度；z為沿土樣豎向的深度；v為滲流平均速度，按下式計(jì)算：

各參數(shù)定義見表3，其中n、mv、mc、kv取試驗(yàn)實(shí)測值。BARBOUR和FREDLUND[21]將滲透固結(jié)與滲透誘導(dǎo)固結(jié)解耦，通過模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)滲透誘導(dǎo)固結(jié)對土樣體積變化的影響可忽略不計(jì)，因此本文將代表滲透誘導(dǎo)固結(jié)的反滲系數(shù)kc取為0。

表3 偏微分方程中各參數(shù)定義Table 3 Parameter definitions in partial differential equations

模型的初始條件及邊界條件見圖5，土樣頂部坐標(biāo)為0，底部坐標(biāo)等于土樣高度H，初始孔壓為0，初始孔隙液濃度定義為c0，由于上下邊界均透水，因此邊界孔壓為 0，而邊界孔隙液濃度分別等于上下表面接觸溶液濃度c1、c2（本試驗(yàn)中c1=c2）。

圖5 數(shù)值模型的初始條件及邊界條件Fig. 5 Initial and boundary conditions of numerical model

基于py-pde模塊，使用Python語言對該方程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到土樣內(nèi)部各處孔隙液濃度c與孔壓u隨時間的變化關(guān)系，代入式（6）后，可得到土樣高度變化量隨時間的關(guān)系：

圖6展示了12.5 kPa固結(jié)壓力下土樣高度變化量隨時間的發(fā)展曲線，數(shù)值模擬與試驗(yàn)觀察得到的固結(jié)過程有較高的一致性，差異主要體現(xiàn)在試驗(yàn)土樣受到化學(xué)滲透的初期。在初期的固結(jié)過程中，土樣孔隙比隨時間緩慢減小，固結(jié)速率逐漸加快。從微觀進(jìn)行解釋，由于低濃度孔隙液的土樣具有較大的滲透壓縮性[21]，土顆粒表面的擴(kuò)散雙電層與高濃度溶液接觸后，雙電層厚度將大幅減小，然而該變化存在一定的弛豫時間[22]，這一影響因素未被納入固結(jié)方程的考慮范圍。當(dāng)孔隙液濃度越高，擴(kuò)散雙電層的厚度越小，此時弛豫時間也越短，因此擬合的準(zhǔn)確性越高。此外，低孔隙液濃度的土顆粒對陽離子有吸附作用及交換作用[23]，導(dǎo)致瞬時狀態(tài)下孔隙液中的實(shí)際離子濃度低于理論值，而理論模型中并未考慮這部分由于吸附/交換所造成的遷移延遲現(xiàn)象，因此低濃度孔隙液土樣中，離子在黏土中的實(shí)際擴(kuò)散速度低于理論值。

圖6 12.5 kPa固結(jié)壓力下受到高濃度溶液侵蝕后土樣的高度變化量隨時間的發(fā)展曲線Fig. 6 Height variation of soil samples eroded by high concentration solution with time under 12.5 kPa consolidation pressure

據(jù)式（6）可知，土樣的固結(jié)受孔壓及孔隙液濃度共同控制。以100 mM CaCl2侵入25 mM CaCl2土樣的情況為例，通過數(shù)值模擬得到的土中孔隙液濃度分布隨時間的變化關(guān)系如圖7所示，孔壓分布隨時間的變化關(guān)系如圖8所示，孔壓及孔隙液濃度各自引起的變形量隨時間發(fā)展曲線如圖9所示。土樣的固結(jié)行為受滲透性與壓縮性兩個工程特性控制，暴露在高濃度溶液中時，由于滲透性及壓縮性的改變，土樣體積將發(fā)生變化，現(xiàn)結(jié)合圖7、圖8中孔壓與孔隙液濃度的分布趨勢變化對這一固結(jié)行為進(jìn)行機(jī)理分析。

圖7 BS1-2土樣中孔隙液濃度分布隨時間的變化Fig. 7 Distribution of pore fluid concentration with time in soil sample BS1-2

圖8 BS1-2土樣中孔壓分布隨時間的變化Fig. 8 Distribution of pore water pressure with time in soil sample BS1-2

圖9 孔壓與孔隙液濃度各自引起的BS1-2土樣固結(jié)曲線Fig. 9 Consolidationt curves of soil sample BS1-2 caused by pore solution concentration and pore water pressure respectively

化學(xué)滲透開始前，土中孔隙液的濃度為初始濃度，滲透系數(shù)較低，隨著時間的推進(jìn)，溶液從上下兩側(cè)滲透侵入土體，最外層的土顆粒首先與高濃度溶液接觸，孔隙液濃度上升，孔隙液濃度分布圖呈U形分布，隨著時間的發(fā)展，高濃度溶液逐漸自外向內(nèi)層低濃度部分滲透，直至遍布整個土樣，達(dá)到內(nèi)外溶液濃度的平衡。

MITCHELL等[7]提出，對于黏土而言，土粒的雙電層厚度是影響其持水性能的重要因素。根據(jù)DLVO理論[24]，土粒間的靜電斥力隨著孔隙液濃度的增加而降低。在高濃度溶液向內(nèi)滲透的過程中，由于土粒中孔隙液濃度的增加，雙電層厚度減小，靜電斥力減小，從而土樣產(chǎn)生體積壓縮趨勢，由于孔隙液無法及時排出，產(chǎn)生正孔壓。雙電層變化產(chǎn)生的應(yīng)力與孔隙液濃度的變化密切相關(guān)，在化學(xué)滲透初期，外層的孔隙液濃度發(fā)生明顯變化，因此這部分土樣受到較大的應(yīng)力，而內(nèi)層土樣由于外部溶液尚未侵入因而孔隙液濃度仍保持初始濃度，因此這部分土樣不會由于雙電層變化而產(chǎn)生應(yīng)力。同時，孔隙壓力的消散與距離自由面的遠(yuǎn)近相關(guān)，外層土樣中的溶液排水路徑較短，因此這部分孔壓消散得較快，土中孔壓較小，而距離土樣表面較遠(yuǎn)位置處的溶液將產(chǎn)生較高的孔壓。

因此在溶液滲透初期，土樣中孔壓分布呈雙峰，隨著溶液逐漸侵入土體中心，內(nèi)層土樣接觸到高濃度溶液，并且由于較高的濃度差而產(chǎn)生凈斥力變化，孔壓增大，孔壓曲線逐漸過渡成單峰，這部分孔壓隨著孔隙液從土樣表面排出而消散，最終趨向于 0。由于土樣為飽和土，其體積變化量與孔隙液的排出量相同，因此這一過程中，由于土樣滲透及壓縮的共同作用，土樣在外部高濃度溶液的侵蝕下體積隨著時間減小，發(fā)生固結(jié)現(xiàn)象。

傳統(tǒng)的一維固結(jié)理論中，土粒受到外部荷載后相互擠壓，從而土體內(nèi)部產(chǎn)生正孔壓，隨著土體內(nèi)部的水向外排出，孔壓逐漸消散至0[25]。而化學(xué)固結(jié)中孔壓則呈現(xiàn)先增后減的趨勢，這主要是由于污染物的遷移與孔壓的產(chǎn)生及消散相互耦合造成的。如上文的分析所述，土中某處孔隙液濃度的增加將導(dǎo)致土粒間相互靠近，從而產(chǎn)生正孔壓，然而這種濃度增加產(chǎn)生的孔壓并不是瞬時產(chǎn)生的，而是隨著污染物的遷移逐步產(chǎn)生，同時在這一過程中，隨著孔隙液被排出土樣，孔壓消散。因此，化學(xué)固結(jié)中孔壓的產(chǎn)生及消散同時發(fā)生，與污染物遷移相互耦合，化學(xué)固結(jié)前期以孔壓產(chǎn)生為主，而隨著溶液的侵入，孔壓的消散開始占主導(dǎo)地位。

分析圖9中的土樣變形量發(fā)展曲線可以發(fā)現(xiàn)，由孔隙液濃度造成的體積變形主導(dǎo)著土樣的總體積變形，而孔壓造成的那部分體積變形僅在固結(jié)初期產(chǎn)生作用，隨著孔壓的消散，最終土樣的變形量僅由孔隙濃度項(xiàng)控制。由此可知，當(dāng)施加在土樣上的濃度梯度相同時，化學(xué)體積壓縮系數(shù)控制了土樣的最終壓縮量。

根據(jù)本文結(jié)論可知，在實(shí)際的設(shè)計(jì)及施工過程中，若膨潤土含量較高的土體周圍存在高鹽環(huán)境，需特別關(guān)注溶液向內(nèi)侵蝕造成的地基沉降風(fēng)險，其中化學(xué)體積壓縮系數(shù)為其最終沉降量的重要影響參數(shù)。

4 結(jié) 論

本文針對膨潤土在鹽溶液侵蝕后發(fā)生的體積變形現(xiàn)象，采用CaCl2溶液開展了砂-膨潤土混合土固結(jié)壓縮試驗(yàn)，并通過數(shù)值模型研究了高鹽滲透后土體固結(jié)的內(nèi)在機(jī)理。主要結(jié)論如下：

（1）隨著孔隙液CaCl2濃度從0 mM增加至1 000 mM，相同有效應(yīng)力下，混合土的體積壓縮系數(shù)下降65%～71%。0～25 mM范圍內(nèi)，濃度改變對混合土滲透系數(shù)無顯著影響，而隨著濃度從25 mM增至1 000 mM，相同有效應(yīng)力下，混合土滲透系數(shù)增大11～23倍。

（2）分別用25 mM、100 mM、1 000 mM CaCl2溶液侵入由0 mM、25 mM、100 mM CaCl2制備的混合土，固結(jié)完成的時間分別約為 50 000 min、17 000 min、16 000 min，產(chǎn)生的體積應(yīng)變分別為20%、10%、1%左右。提出了化學(xué)體積壓縮系數(shù)的概念，發(fā)現(xiàn)不同試驗(yàn)條件下該值相差 3個數(shù)量級。

（3）基于上述兩項(xiàng)試驗(yàn)中測得的參數(shù)定義，改進(jìn)了考慮化學(xué)-力學(xué)耦合作用的一維固結(jié)偏微分方程。根據(jù)模擬得到土樣孔壓與孔隙液濃度分布趨勢隨時間的變化，解釋了高鹽滲透后土樣的固結(jié)行為機(jī)理：初期隨著污染物進(jìn)入土內(nèi)部，土樣出現(xiàn)體積收縮趨勢，超靜孔壓增大，而后超靜孔壓隨著排水固結(jié)消散，土樣發(fā)生壓縮變形。