真空–毛细联合技术高效制备均质饱和海相黏土

《Journal of Marine Science and Engineering》：Efficient Preparation of Uniform Saturated Marine Clay via a Combined Vacuum–Capillary Technique

　　

模型试验是探究海洋结构物与土体相互作用的重要手段，高质量饱和黏土试样的制备在实验室测试中起着关键作用。研究人员提出了一种结合真空抽气（vacuum extraction）与渗流饱和（permeation saturation）的新型饱和土样制备方法，并通过室内试验验证其性能。研究人员对柱状土样开展重力法（gravity method）与环刀法（cutting-ring method）等一系列测试，评估该新技术对土体性质的影响。结果表明，新方法制备的土样饱和度不低于97%，且具备空间均匀性。此外，针对大尺度模型试验，研究人员设计并在实验中验证了一种大体积饱和黏土制样方法：在尺寸为300 mm（Lrec）×300 mm（Wrec）×200 mm（Drec）的模型箱内，24–48 h内完成制样。对制备土样分别进行T-bar贯入试验与十字板剪切试验（vane shear test）以测定其不排水抗剪强度（undrained shear strength，su），结果显示大体积土样中下层表现出空间均匀性。

研究背景方面，海相黏土（marine clay）广泛分布于海洋环境，是海上风机、自升式平台等海洋结构物地基的主要持力层，其岩土特性直接控制地基响应并影响结构安全与适用性。实验室模型试验可在受控条件下研究土–结构相互作用及变形破坏机制，但制备具有可控且空间均匀性质的大体积饱和黏土试样一直是主要实验难题。传统制样方法包括击实法、一维固结法、水力梯度相似法、离心法，以及真空饱和、毛细润湿、反压饱和等饱和工艺；其中击实易产生层间密度差异，真空饱和与固结法耗时漫长且饱和度难控，单纯毛细润湿对大体积细粒土过慢，而高孔隙比、高含水率、低渗透性的海相黏土使常规制样进一步受限。为此，研究人员提出真空–毛细联合技术（vacuum–capillary technique），以真空负压梯度加速水分入渗、毛细作用保障润湿锋均匀，兼顾速度与饱和质量，服务于海洋岩土模型试验。

关键技术方法上，研究人员选用英国Imerys公司Spes-white高岭土（G_s=2.61，液限LL=65%，塑限PL=34%），按目标初始孔隙比e₀（柱状样1.8/2.1/2.3/2.6，大体积样2.1/2.3/2.5）与低于塑限的初始含水率w₀（柱状20%、大体积10%）计算干土质量，分层击实并在层间刨毛2–3 mm以抑制分层；随后置入真空罐，在?80 kPa持续真空下结合底部透水板与侧滤纸芯套实施毛细–真空饱和24–48 h（大体积样采用PVC膜热封+胶封气密，顶部接真空腔排气体，注水模拟降雨并同步抽气）。柱状样（?100×100 mm）与大体积样（300×300×200 mm）分别采用环刀法/重力法测饱和度，十字板剪切（vane，?25×50 mm，6°/min）测s_u，大体积样增做T-bar贯入（?8×40 mm，贯入速率1 mm/s，N_T-bar=10.5）评价空间均匀性。

研究结果部分，3.1饱和度试验中，五组同初始条件（e₀=2.0，w₀=20%）对比显示：浸水饱和88.0%，单纯真空饱和96.5%，真空–毛细联合在自由液面上升速度v_f=0.4/0.8/1.7 cm/h下均超97%，且v_f越大饱和度略降；柱状样（高100 mm）底部位饱和高于顶部，最低仍≥97%，环刀样（高80 mm）因渗径短饱和度更高，证明联合技术优于传统工艺。3.2柱状样十字板试验中，e₀=1.8/2.1/2.3/2.6对应s_u约2.0/0.8/更低/更低 kPa，峰值强度出现在转角25°，e₀增大则s_u减小且峰值向低应变率偏移；公式校核与Boukpeti等、Han等规律一致但绝对值略高，归因于本法低于塑限含水率击实先行成骨架、未经历120%含水率浆体固结的结构扰动，且十字板尺寸更大应力分布更匀。3.3大体积样T-bar贯入（e₀=2.5，w₀=10%）显示0–40 mm浅层因未完全发挥full-flow机理且未做浅埋修正而偏低，排除上层后50–150 mm段s_u稳定在约0.48 kPa，中下层无显著分层，证实空间均匀。3.4大体积样十字板（e₀=2.1、2.3）与同e₀柱状样强度可比，浅层5 cm处略软或与饱和期上边界超载不足有关，中下层变异性小。

讨论与结论翻译：本研究开发了毛细润湿结合真空饱和的时效制样法，经重力法、环刀法、十字板与T-bar验证并拓展至大体积样。（a）新法柱状样饱和度≥97%，300×300×200 mm大体积样中下层强度剖面均匀，24–48 h完成，较传统浆体固结（28天或3周）大幅提速；（b）通过饱和前控制目标e₀获s_u=0.7–3.0 kPa高孔隙比低强度饱和高岭土，最终强度由击实阶段e₀与压实度主导而非饱和过程本身，理论上降低e₀或增大击实功可制备更高强度样，应用于不同矿物与渗透性天然海黏土时需调整液面上升速度与饱和时长；（c）毛细润湿自由液面上升速度致顶部饱和度略低于底部，但全局最低≥97%，大样中下层s_u剖面印证整体均匀；（d）该方法可行用于海洋岩土模型试验快速制备饱和高岭土，受实验室真空设备限制当前尺寸有限，原理具备放大潜力，推广前需以不同性质天然海黏土进一步验证。论文发表于《Journal of Marine Science and Engineering》。