1、石英砂摻量對混合型緩沖回填材料抗剪強度的控制機理研究    高放廢物深部地質處置工程中，緩沖回填材料填充在廢物容器與地質體之間，阻截放射性核素向周圍環境的遷移。理想的緩沖回填材料不僅需要良好的防滲性能、化學吸附性能、熱傳導性能、可施工性能，還必須具有足夠的強度。膨潤土是緩沖回填材料的首選材料1-4.向膨潤土中添加一定比例的石英砂，形成膨潤土-砂混合物（即所謂的混合型緩沖回填材料），可以在不顯著降低膨潤土主料的防滲性能、吸附性能和膨脹自愈性能的前提下，明顯提高熱傳導性能及力學強度。對于石英砂的添加量，不同國家和地區根據膨潤土和石英砂性質得到了各自的添加比例

2、5. 關于膨潤土與其它土質材料形成的混合物的抗剪強度，國內外已經取得了一定的研究成果。Gary X. Tang 等人6研究了非飽和膨潤土-砂混合物在一系列應力條件下的吸力和強度特性。M. K. Gueddouda7等人以垃圾填埋場襯里為原型，研究了膨潤土-砂混合物的抗剪強度和滲透系數特性。L. H. Mollins8等人研究了膨潤土改性砂土的固結排水剪切強度。B. E.Lingnau9等人研究了溫度對膨潤土-砂混合物的抗剪強度和壓縮性能的影響。國內學者對膨脹土的抗剪性質進行了大量的研究。例如，繆林昌10等人研究了膨

3、脹土強度與含水量的關系，楊慶11等人研究了重塑非飽和膨脹土抗剪強度特性。譚羅榮12等人通過對不同干密度、不同初始含水量重塑膨脹土的直剪試驗，發現干密度的增大會大幅度提高土的峰值強度，特別是粘聚力的提高，龔壁衛13也得出了相近的結論。 應當看到，現有的試驗研究中，試樣的干密度和含水率并沒有得到完全相同的控制，因此，從實測的抗剪強度不能區分出石英砂摻量對膨潤土-砂混合物強度的貢獻。因而，從這個意義上講，粗粒成分對混合物強度的控制機理并沒有得到闡明。本文選用高廟子膨潤土為主料，加入不同比例的石英砂，調整動力擊實次數，制成干密度和含水率相同的膨潤土-砂混合物試樣，試驗研究抗剪強度隨摻砂率變化的本質，為

4、我國混合型緩沖回填材料的配比優化設計提供基礎資料。   2 試驗材料與方法   2.1 試驗材料試驗所用高廟子膨潤土主料由核工業北京地質研究院提供，簡稱GMZ001 膨潤土,產自內蒙古興和縣高廟子地區。石英砂骨料為人工加工的標準砂，產自我國石英砂巖六大儲藏地之一的甘肅永登縣獎俊埠，由富隆石英砂廠出品14. 2.2 試樣制備 定義石英砂與膨潤土-石英砂混合物的干重之比為摻砂率（ s R ）。將烘干膨潤土與石英砂按摻砂率為0%、10%、20%、30%、40%、和50%的比例混合后充分攪拌，

5、根據含水量計算所需加水質量，按噴霧法將蒸餾水噴入樣品均勻濕化，將土樣置于保濕器中密封潤濕60h備用。采用JDS-2 型標準擊實儀，擊實筒內徑102mm、容積947.4cm3、錘重2.5kg、落距305mm,進行擊實制樣備用。 高廟子膨潤土-石英砂擊實試驗中，最大干密度隨摻砂率和壓實能的增大而提高。為了分析摻砂率對混合物抗剪強度的獨立影響，本研究參考文獻14的數據，調整錘擊次數，力求獲得含水率和干密度相同的平行試樣。表2 是剪切試樣的初始狀態。從表2可知，不同摻砂率試樣的干密度在1.45g/cm3 附近，含水率在26.5%附近。試樣之間的平行度較高，滿足研究要求。

6、2.3 試驗步驟 剪切試驗采用ZJ 型應變控制直剪儀，每組直剪試驗的4 個試樣分別施加垂直壓力P1 =100、P2 = 200、P3 = 300 和P4 = 400kPa.將擊實樣切入直徑61.8mm、高度20mm 的環刀中，連同環刀一起放入直剪儀，進行固結快剪試驗。施加垂直壓力后，每1h 測度一次垂直變形，當固結變形每小時不大于0.005mm 時，認為試樣固結變形穩定。以0.8mm/min 的速率施加剪切荷載，記錄測力表讀數。若測力表讀數達到穩

7、定，或有顯著后退，表示試樣已剪切破壞，取峰值為抗剪強度值。若測力計讀數持續增加，則剪切變形達到6mm 時停止試驗，取剪切應變4mm 處對應的剪應力為抗剪強度值。試驗過程嚴格遵守標準15進行。 3 試驗結果及分析 膨潤土-砂混合物的剪應力-剪應變曲線。對比試驗結果可以發現，隨著摻砂率的增大，剪應力-剪位移曲線很明顯地由應變軟化型向應變硬化型過渡。具體而言，當摻砂率較低時（如s R = 0%,10%,20%），隨剪位移的增大，剪應力開始增大到峰值強度，隨后降低；當摻砂率相對較高時（如s R = 30%,40%

8、,50%），隨剪位移增大，剪應力逐漸增大到峰值強度，并保持此強度基本穩定，不再降低。相同干密度、相同含水率狀態下，摻砂率從0%到50%時膨潤土-砂混合物抗剪強度與垂直壓力的關系。s R = 10%時的抗剪強度曲線與純膨潤土幾乎重合。隨著摻砂率的增大，抗剪強度逐漸減小。 粘聚力與摻砂率的關系。摻砂率為10%時，混合物的粘聚力幾乎與純膨潤土相同。隨著摻砂率的增大，粘聚力逐漸降低，當摻砂率為50%時，粘聚力減小為純膨潤土的28%. 內摩擦角與摻砂率的關系。數據表明，在相同含水率及干密度的情況下，膨潤土-砂混合物的內摩擦角隨摻砂率的增大而逐漸減小。 概括起來，試驗數據揭示

9、出的現象是：在膨潤土-砂混合物理想狀態，保持干密度d r=1.45g/cm3 和含水率w = 26.5%恒定不變的條件下，隨摻砂率的增加，混合物剪應力-剪應變曲線由應變軟化型向應變硬化型轉化，混合物粘聚力及內摩擦角逐漸降低，即抗剪強度降低。 一般直覺判斷認為，隨著摻砂率的增加，膨潤土-砂混合物的抗剪強度應當提高。本研究試驗數據與這一直覺判斷并不一致，下面就這種現象進行分析。 4 摻砂率控制膨潤土-砂混合物抗剪強度的實質 膨潤土與砂混合而成的新型緩沖回填材料，實際上是一種典型的人工混合土.所謂混合土，是一種由細粒土和粗粒土混合且缺乏中間粒徑的土1

10、6.滑坡、崩塌、泥石流堆積物、冰磧物、風化殘積物等，都是天然混合土的實例。采礦廢棄物、堆石壩填料以及本研究的混合型緩沖回填材料，屬于人工混合土的實例。 混合土的名詞術語比較混亂，英文中有多種說法，如soil-rock mixtures （S-RM）16,blockin matrix soil （Bimsoil）16,granular material-clay mixtures17.中文籠統稱為土石混合物.混合土的試驗方法及工程性質取值，一直是土力學中的一個經典問題。關于粗大粒徑的土石混合物,長期以來已經積累了大量的研究成果

11、。這些成果對本研究粒徑相對較細膨潤土-砂混合物的抗剪強度特性，具有重要參考價值。 4.1 界限摻砂率及其與膨潤土-砂混合物抗剪強度的關系 砂和粘土組成的混合土具有獨特的結構特征：粗粒徑的砂形成骨架，只提供摩擦力，不提供粘聚力；細粒徑的粘土充填在砂粒孔隙中，形成粘土基質，主要提供粘聚力，摩擦力很小。兩種不同粒徑的顆粒混合時，細顆粒充填在粗顆粒孔隙之中。從邏輯上講，應當存在某個界限組合，此時混合土的孔隙度為最小。 砂與粘土混合壓實時孔隙模式的理想模式圖。當混合土完全由砂組成時，砂顆粒直接接觸，顆粒之間為空氣孔隙，此時混合物的抗剪強度為砂顆粒的摩擦強度。當粘土含量達到某一臨界值時，粘土全部

12、充填在砂顆粒之間的大孔隙，砂顆粒處于準接觸狀態，接觸點上存在局部粘土膜，該粘土膜得到強烈壓實，此時，混合物的抗剪強度受到粘土和砂粒的共同控制。繼續增大粘土含量，粘土會占據砂顆粒接觸點之間的空間，砂顆粒將彼此膨脹分離，處于懸浮狀態。此時混合物的強度幾乎完全由粘土控制，砂顆粒間因為不接觸，幾乎不提供摩擦力。 已有的抗剪強度試驗結果表明，混合土臨界摻砂率不是一個點，而是一個區間。Miller和Sowers18選用最優含水率下最大干密度擊實樣通過固結不排水三軸試驗研究了摻砂率在0%到100%范圍內變化時重塑粘土-砂混合物抗剪強度指標隨摻砂率的變化。研究結果表明，當摻砂率小于67%時，隨摻砂率的增加，粘

13、聚力有小幅度減小，內摩擦角幾乎不變化；當摻砂率在67%到74%范圍內時，粘聚力急劇減小而內摩擦角急劇增大；當摻砂率大于74%時，粘聚力逐漸減小，內摩擦角緩慢增大但變化趨于平緩。從抗剪試驗結果出發，Miller 和Sowers 認為，隨摻砂率的增加，粘土-砂混合物的抗剪強度存在一個明顯的轉化區間，即s R = 67%-74%.在摻砂率小于67%、大于74%和介于二者之間時，抗剪強度的變化趨勢截然不同。 Vallejo 和Zhou19通過直剪試驗研究了粘土-砂混合物在150kPa 垂直壓力下的抗剪強度特性。研究結果表明，粘土-砂

14、混合物抗剪強度轉化界限為s R = 50%-80%.并進一步對三個區間的強度控制機理進行了解釋。Vallejo 認為，當摻砂率小于50%時，混合物的強度幾乎完全由粘土提供；當摻砂率在50%到80%之間時，混合物的抗剪強度部分由粘土提供，部分由砂提供；當摻砂率大于80%時，混合物的抗剪強度主要由砂顆粒的摩擦強度提供。 Vallejo 和Mawby17從兩種粒徑相互組合的角度計算混合土的孔隙度，又對粘土-砂混合物抗剪強度試驗結果進行了分析，認為界限摻砂率應該修正為40%和75%.匯總了不同學者對粘土-砂混合土抗剪強度研究的結果。控制粘土-砂混合土抗

15、剪強度的界限摻砂率區間平均值為s1 R = 56%和s2 R = 76%.當摻砂率小于s1 R 時，混合物的強度幾乎完全由粘土的強度提供；當摻砂率在s1 R 與s2 R 之間時，混合物的抗剪強度部分由粘土提供，部分由砂的摩擦強度提供；當摻砂率大于s2 R 時，混合物的抗剪強度主要由砂顆粒的摩擦強度提供。 本研究的摻砂率變化范圍是0%-50%,從本研究尚不能揭示出界限摻砂率的具體數值。但是，根據綜述結果可以認為，高廟子膨潤土-砂混合物在摻砂率s R

16、 = 0%-50%的情況下，抗剪強度應當主要由充填在砂顆粒之間的膨潤土基質的物理狀態決定。 4.2 膨潤土基質物理狀態對膨潤土-砂混合物抗剪強度的控制 在膨潤土-砂混合體系中，膨潤土具有強烈的吸水、持水能力，也具有明顯的變形能力。與此相反，石英砂顆粒幾乎為惰性。盡管用于抗剪強度試驗的膨潤土-砂混合物試塊具有非常相近的表觀干密度和含水率，但是，從顆粒尺度上講，隨著摻砂率的增加，充填在砂顆粒之間的膨潤土基質的干密度和含水率卻可能發生明顯的變化。 本研究所用的剪切試樣，表觀干密度和表觀含水率幾乎是相同的。根據表2 列出的計算結果可知，隨著摻砂率增加，充填在砂顆

17、粒之間的膨潤土基質的有效含水率是逐漸提高的，有效粘土密度是逐漸下降的。圖7 和圖8 分別給出了有效含水率及有效粘土密度與實測抗剪強度指標的對應關系。從圖7、8 可知，隨著摻砂率的增大，膨潤土基質有效含水率增大和有效粘土密度的減小，是導致膨潤土-砂混合物粘聚力和內摩擦降低，即抗剪強度下降的原因。 應當看到，Miller 等人所得到的試驗結果中（圖6），在小于67%的低摻砂率區間，混合物的粘聚力隨摻砂率增加略有減小，內摩擦角幾乎不變，并不像本研究揭示的那樣有較為明顯的降低。這是因為，Miller 等人所用的試樣是在最優含水率條件下擊實到最大干密度獲

18、得的。換句話講，Miller 等人的試樣，隨著摻砂率的增加，表觀干密度和表觀含水率是變化的，從而在一定程度上削弱或掩蓋了摻砂率引起的抗剪強度降低現象。 總體來講，摻砂率對膨潤土-砂混合物抗剪強度的控制機理可以概括為如下兩個方面。 第一，通過綜合前人的研究成果統計發現，膨潤土-砂混合物的抗剪強度明顯受到兩個摻砂率界限控制，即54%和79%.在摻砂率小于54%的區間，混合物的抗剪強度幾乎完全由膨潤土的強度控制；在54%-79%的摻砂率區間，混合物的抗剪強度由膨潤土和砂共同控制；在大于79%的摻砂率區間，混合物的抗剪強度主要由砂顆粒控制。第二，對于低摻砂率區間，通過制備干密度和含水率相同的壓實試樣，試驗測定了膨潤土-砂混合物的抗剪強度，發現隨著摻砂率的增加，膨潤土-砂混合物的抗剪強度逐漸下降。引入有效粘土密度和有效含水率的概念之后，從膨潤土基質物理狀態的角度，合理揭示出摻砂率單獨對混合物抗剪強度的控制機理：隨著摻砂率的增大，砂顆粒之間膨潤土基質的有效干密度逐漸減小，有效含水率不斷增大，由此導致膨潤土的粘聚力及