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1、石英砂掺量对混合型缓冲回填材料抗剪强度的控制机理研究1 引言高放废物深部地质处置工程中，缓冲回填材料填充在废物容器与地质体之间，阻截放射性核素向周围环境的迁移。理想的缓冲回填材料不仅需要良好的防渗性能、化学吸附性能、热传导性能、可施工性能，还必须具有足够的强度。膨润土是缓冲回填材料的首选材料1-4.向膨润土中添加一定比例的石英砂，形成膨润土-砂混合物（即所谓的混合型缓冲回填材料），可以在不显著降低膨润土主料的防渗性能、吸附性能和膨胀自愈性能的前提下，明显提高热传导性能及力学强度。对于石英砂的添加量，不同国家和地区根据膨润土和石英砂性质得到了各自的添加比例5.关于膨润土与其它土质材料形成的混合物

2、的抗剪强度，国内外已经取得了一定的研究成果。Gary X. Tang 等人6研究了非饱和膨润土-砂混合物在一系列应力条件下的吸力和强度特性。M. K. Gueddouda7等人以垃圾填埋场衬里为原型，研究了膨润土-砂混合物的抗剪强度和渗透系数特性。L. H. Mollins8等人研究了膨润土改性砂土的固结排水剪切强度。B. E.Lingnau9等人研究了温度对膨润土-砂混合物的抗剪强度和压缩性能的影响。国内学者对膨胀土的抗剪性质进行了大量的研究。例如，缪林昌10等人研究了膨胀土强度与含水量的关系，杨庆11等人研究了重塑非饱和膨胀土抗剪强度特性。谭罗荣12等人通过对不同干密度、不同初始含水量重塑

3、膨胀土的直剪试验，发现干密度的增大会大幅度提高土的峰值强度，特别是粘聚力的提高，龚壁卫13也得出了相近的结论。应当看到，现有的试验研究中，试样的干密度和含水率并没有得到完全相同的控制，因此，从实测的抗剪强度不能区分出石英砂掺量对膨润土-砂混合物强度的贡献。因而，从这个意义上讲，粗粒成分对混合物强度的控制机理并没有得到阐明。本文选用高庙子膨润土为主料，加入不同比例的石英砂，调整动力击实次数，制成干密度和含水率相同的膨润土-砂混合物试样，试验研究抗剪强度随掺砂率变化的本质，为我国混合型缓冲回填材料的配比优化设计提供基础资料。2 试验材料与方法2.1 试验材料试验所用高庙子膨润土主料由核工业北京地质

4、研究院提供，简称 GMZ001 膨润土,产自内蒙古兴和县高庙子地区。石英砂骨料为人工加工的标准砂，产自我国石英砂岩六大储藏地之一的甘肃永登县奖俊埠，由富隆石英砂厂出品14.2.2 试样制备定义石英砂与膨润土-石英砂混合物的干重之比为掺砂率（ s R ）。将烘干膨润土与石英砂按掺砂率为 0%、10%、20%、30%、40%、和 50%的比例混合后充分搅拌，根据含水量计算所需加水质量，按喷雾法将蒸馏水喷入样品均匀湿化，将土样置于保湿器中密封润湿 60h 备用。采用 JDS-2 型标准击实仪，击实筒内径 102mm、容积 947.4cm3、锤重 2.5kg、落距 305mm,进行击实制样备用。高庙子

5、膨润土-石英砂击实试验中，最大干密度随掺砂率和压实能的增大而提高。为了分析掺砂率对混合物抗剪强度的独立影响，本研究参考文献14的数据，调整锤击次数，力求获得含水率和干密度相同的平行试样。表 2 是剪切试样的初始状态。从表 2 可知，不同掺砂率试样的干密度在 1.45g/cm3 附近，含水率在 26.5%附近。试样之间的平行度较高，满足研究要求。2.3 试验步骤剪切试验采用 ZJ 型应变控制直剪仪，每组直剪试验的 4 个试样分别施加垂直压力 P1 =100、P2 = 200、P3 = 300 和 P4 = 400kPa.将击实样切入直径 61.8mm、高度 20mm 的环刀中，连同环刀一起放入直

6、剪仪，进行固结快剪试验。施加垂直压力后，每 1h 测度一次垂直变形，当固结变形每小时不大于0.005mm 时，认为试样固结变形稳定。以 0.8mm/min 的速率施加剪切荷载，记录测力表读数。若测力表读数达到稳定，或有显著后退，表示试样已剪切破坏，取峰值为抗剪强度值。若测力计读数持续增加，则剪切变形达到 6mm 时停止试验，取剪切应变 4mm 处对应的剪应力为抗剪强度值。试验过程严格遵守标准15进行。3 试验结果及分析膨润土-砂混合物的剪应力-剪应变曲线。对比试验结果可以发现，随着掺砂率的增大，剪应力-剪位移曲线很明显地由应变软化型向应变硬化型过渡。具体而言，当掺砂率较低时（如 s R = 0

7、%,10%,20%），随剪位移的增大，剪应力开始增大到峰值强度，随后降低；当掺砂率相对较高时（如 s R = 30%,40%,50%），随剪位移增大，剪应力逐渐增大到峰值强度，并保持此强度基本稳定，不再降低。相同干密度、相同含水率状态下，掺砂率从 0%到 50%时膨润土-砂混合物抗剪强度与垂直压力的关系。s R = 10%时的抗剪强度曲线与纯膨润土几乎重合。随着掺砂率的增大，抗剪强度逐渐减小。粘聚力与掺砂率的关系。掺砂率为 10%时，混合物的粘聚力几乎与纯膨润土相同。随着掺砂率的增大，粘聚力逐渐降低，当掺砂率为 50%时，粘聚力减小为纯膨润土的 28%.内摩擦角与掺砂率的关系。数据表明，在相同

8、含水率及干密度的情况下，膨润土-砂混合物的内摩擦角随掺砂率的增大而逐渐减小。概括起来，试验数据揭示出的现象是：在膨润土-砂混合物理想状态，保持干密度 d r=1.45g/cm3 和含水率 w = 26.5%恒定不变的条件下，随掺砂率的增加，混合物剪应力-剪应变曲线由应变软化型向应变硬化型转化，混合物粘聚力及内摩擦角逐渐降低，即抗剪强度降低。一般直觉判断认为，随着掺砂率的增加，膨润土-砂混合物的抗剪强度应当提高。本研究试验数据与这一直觉判断并不一致，下面就这种现象进行分析。4 掺砂率控制膨润土-砂混合物抗剪强度的实质膨润土与砂混合而成的新型缓冲回填材料，实际上是一种典型的人工混合土.所谓混合土，

9、是一种由细粒土和粗粒土混合且缺乏中间粒径的土16.滑坡、崩塌、泥石流堆积物、冰碛物、风化残积物等，都是天然混合土的实例。采矿废弃物、堆石坝填料以及本研究的混合型缓冲回填材料，属于人工混合土的实例。混合土的名词术语比较混乱，英文中有多种说法，如 soil-rock mixtures （S-RM）16,blockin matrix soil （Bimsoil）16,granular material-clay mixtures17.中文笼统称为土石混合物.混合土的试验方法及工程性质取值，一直是土力学中的一个经典问题。关于粗大粒径的土石混合物,长期以来已经积累了大量的研究成果。这些成果对本研究粒径相

10、对较细膨润土-砂混合物的抗剪强度特性，具有重要参考价值。4.1 界限掺砂率及其与膨润土-砂混合物抗剪强度的关系砂和粘土组成的混合土具有独特的结构特征：粗粒径的砂形成骨架，只提供摩擦力，不提供粘聚力；细粒径的粘土充填在砂粒孔隙中，形成粘土基质，主要提供粘聚力，摩擦力很小。两种不同粒径的颗粒混合时，细颗粒充填在粗颗粒孔隙之中。从逻辑上讲，应当存在某个界限组合，此时混合土的孔隙度为最小。砂与粘土混合压实时孔隙模式的理想模式图。当混合土完全由砂组成时，砂颗粒直接接触，颗粒之间为空气孔隙，此时混合物的抗剪强度为砂颗粒的摩擦强度。当粘土含量达到某一临界值时，粘土全部充填在砂颗粒之间的大孔隙，砂颗粒处于准接

11、触状态，接触点上存在局部粘土膜，该粘土膜得到强烈压实，此时，混合物的抗剪强度受到粘土和砂粒的共同控制。继续增大粘土含量，粘土会占据砂颗粒接触点之间的空间，砂颗粒将彼此膨胀分离，处于悬浮状态。此时混合物的强度几乎完全由粘土控制，砂颗粒间因为不接触，几乎不提供摩擦力。已有的抗剪强度试验结果表明，混合土临界掺砂率不是一个点，而是一个区间。Miller 和 Sowers18选用最优含水率下最大干密度击实样通过固结不排水三轴试验研究了掺砂率在 0%到 100%范围内变化时重塑粘土-砂混合物抗剪强度指标随掺砂率的变化。研究结果表明，当掺砂率小于 67%时，随掺砂率的增加，粘聚力有小幅度减小，内摩擦角几乎不

12、变化；当掺砂率在 67%到 74%范围内时，粘聚力急剧减小而内摩擦角急剧增大；当掺砂率大于 74%时，粘聚力逐渐减小，内摩擦角缓慢增大但变化趋于平缓。从抗剪试验结果出发，Miller 和 Sowers 认为，随掺砂率的增加，粘土-砂混合物的抗剪强度存在一个明显的转化区间，即 s R = 67%-74%.在掺砂率小于 67%、大于 74%和介于二者之间时，抗剪强度的变化趋势截然不同。Vallejo 和 Zhou19通过直剪试验研究了粘土-砂混合物在 150kPa 垂直压力下的抗剪强度特性。研究结果表明，粘土-砂混合物抗剪强度转化界限为 s R = 50%-80%.并进一步对三个区间的强度控制机理

13、进行了解释。Vallejo 认为，当掺砂率小于 50%时，混合物的强度几乎完全由粘土提供；当掺砂率在 50%到80%之间时，混合物的抗剪强度部分由粘土提供，部分由砂提供；当掺砂率大于 80%时，混合物的抗剪强度主要由砂颗粒的摩擦强度提供。Vallejo 和 Mawby17从两种粒径相互组合的角度计算混合土的孔隙度，又对粘土-砂混合物抗剪强度试验结果进行了分析，认为界限掺砂率应该修正为 40%和 75%.汇总了不同学者对粘土-砂混合土抗剪强度研究的结果。控制粘土-砂混合土抗剪强度的界限掺砂率区间平均值为 s1 R = 56%和 s2 R = 76%.当掺砂率小于 s1 R 时，混合物的强度几乎完

14、全由粘土的强度提供；当掺砂率在 s1 R 与 s2 R 之间时，混合物的抗剪强度部分由粘土提供，部分由砂的摩擦强度提供；当掺砂率大于 s2 R 时，混合物的抗剪强度主要由砂颗粒的摩擦强度提供。本研究的掺砂率变化范围是 0%-50%,从本研究尚不能揭示出界限掺砂率的具体数值。但是，根据综述结果可以认为，高庙子膨润土-砂混合物在掺砂率 s R = 0%-50%的情况下，抗剪强度应当主要由充填在砂颗粒之间的膨润土基质的物理状态决定。4.2 膨润土基质物理状态对膨润土-砂混合物抗剪强度的控制在膨润土-砂混合体系中，膨润土具有强烈的吸水、持水能力，也具有明显的变形能力。与此相反，石英砂颗粒几乎为惰性。尽

15、管用于抗剪强度试验的膨润土-砂混合物试块具有非常相近的表观干密度和含水率，但是，从颗粒尺度上讲，随着掺砂率的增加，充填在砂颗粒之间的膨润土基质的干密度和含水率却可能发生明显的变化。本研究所用的剪切试样，表观干密度和表观含水率几乎是相同的。根据表 2 列出的计算结果可知，随着掺砂率增加，充填在砂颗粒之间的膨润土基质的有效含水率是逐渐提高的，有效粘土密度是逐渐下降的。图 7 和图 8 分别给出了有效含水率及有效粘土密度与实测抗剪强度指标的对应关系。从图 7、8 可知，随着掺砂率的增大，膨润土基质有效含水率增大和有效粘土密度的减小，是导致膨润土-砂混合物粘聚力和内摩擦降低，即抗剪强度下降的原因。应当

16、看到，Miller 等人所得到的试验结果中（图 6），在小于 67%的低掺砂率区间，混合物的粘聚力随掺砂率增加略有减小，内摩擦角几乎不变，并不像本研究揭示的那样有较为明显的降低。这是因为，Miller 等人所用的试样是在最优含水率条件下击实到最大干密度获得的。换句话讲，Miller 等人的试样，随着掺砂率的增加，表观干密度和表观含水率是变化的，从而在一定程度上削弱或掩盖了掺砂率引起的抗剪强度降低现象。总体来讲，掺砂率对膨润土-砂混合物抗剪强度的控制机理可以概括为如下两个方面。第一，通过综合前人的研究成果统计发现，膨润土-砂混合物的抗剪强度明显受到两个掺砂率界限控制，即 54%和 79%.在掺砂

17、率小于 54%的区间，混合物的抗剪强度几乎完全由膨润土的强度控制；在 54%-79%的掺砂率区间，混合物的抗剪强度由膨润土和砂共同控制；在大于 79%的掺砂率区间，混合物的抗剪强度主要由砂颗粒控制。第二，对于低掺砂率区间，通过制备干密度和含水率相同的压实试样，试验测定了膨润土-砂混合物的抗剪强度，发现随着掺砂率的增加，膨润土-砂混合物的抗剪强度逐渐下降。引入有效粘土密度和有效含水率的概念之后，从膨润土基质物理状态的角度，合理揭示出掺砂率单独对混合物抗剪强度的控制机理：随着掺砂率的增大，砂颗粒之间膨润土基质的有效干密度逐渐减小，有效含水率不断增大，由此导致膨润土的粘聚力及内摩擦角的下降，即总体抗剪强度的降低。需要指出的是，本研究所用剪切试样的干密度和含水率几乎相同，这是为了甄别掺砂率对膨润土-砂混合物抗剪强度的独立贡献而进行的特殊试验设计。已有研究结果表明，无论是采用动力击实还是静力压实方法，随压实能和掺砂率的增大，膨润土-砂混合物的最大干密度是增大的，最优含水率是减小的14.也就是说，在工程实践中，混合型缓冲回填材料的抗剪强度，将受到压实能、干密度、含水率和掺砂率等多种因素的影响。关于压实方法、掺砂率、密度及含水率对混合型缓冲回填材料抗剪强度的影响，限于本文篇幅，将在随后的论文中专门分析讨论。