非飽和膨脹土與紅粘土的對(duì)比試驗(yàn)研究及微觀結(jié)構(gòu)分析

1、第35卷,第5期2010年10月公路工程H ighway Engi n eeringV o.l 35,N o .5O ct.,2010收稿日期2010 03 08基金項(xiàng)目國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50978097;湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(08JJ3092作者簡(jiǎn)介滕 珂(1985 ,男,山東乳山人,碩士研究生,主要從事巖土力學(xué)研究。非飽和膨脹土與紅粘土的對(duì)比試驗(yàn)研究及微觀結(jié)構(gòu)分析滕 珂1,肖宏彬1,2,許 豪3,金文婷1(1.湖南工業(yè)大學(xué)巖土工程研究所,湖南株洲 412007; 2.中南林業(yè)科技大學(xué),湖南長(zhǎng)沙 410004; 3.中國(guó)石化集團(tuán)河南石油勘探局勘察設(shè)計(jì)研究院,河南南陽(yáng) 47313

2、2摘 要針對(duì)廣西南寧膨脹土與株洲紅粘土變對(duì)比試驗(yàn)研究,將2種土樣的壓縮蠕變特性在不同含水率情況下進(jìn)行了比較。試驗(yàn)結(jié)果表明:與株洲紅粘土相比,廣西南寧膨脹土在較小含水率條件下有明顯的加速蠕變階段,而在大含水率條件下這一階段也同樣不明顯。并通過(guò)電子顯微鏡對(duì)兩者進(jìn)行了微觀研究。關(guān)鍵詞膨脹土;紅粘土;蠕變;微觀結(jié)構(gòu)中圖分類號(hào)U 416.03 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào)1674 0610(201005 0004 06Co m parati ve Laborat ory St udy and M icrostruct ure St udy onUns at urated expansive soil and

3、red clayTENG K e 1,XI AO H ongbin 1,2,XU H ao 3,JI N W enting 1(1.I nstitute o f G eotechn ica l Eng i n eeri n g ,H unan Un i v ersity of Techno logy ,Zhuzhou,H unan 412008,Ch i n a ; 2.Cen tal South Un i v ersity o fForestry and Techno logy ,Changsha ,H unan 410004,Ch i n a ; 3.Desi g n &Resea

4、rch I nstitute o fH enan Petro leum Exp l o ration Bureau o f China Pe troche m ical Corporati o n (SI N OPEC,N anyang ,473132H enan ,Chi n aA bstractOn the basis o f Co m parative Laborato r y S t u dy Nann i n g expansive so il and Zhuzhou red c lay ,a contrast on co m pression creep characteristi

5、cs bet w een those t w o under d ifferen twa ter contents has been m ade .The results show s that co mpared w ith the Zhuzhou red c lay ,N ann i n g expansive so il under relatively s m allw ater con tents ,has a obv i o us acce lerated creep stage .W hile under relatively greatw ater contents ,t h

6、e stage is unobv i o us .W hatm ore ,a m icr ostruct u re study has been m ade over e lectron m icro scope as w e l.lK ey wordsexpansive so i;l red c l a y ;creep ;m icrostr ucture 膨脹土是一種主要由強(qiáng)親水性粘土礦物成分(蒙脫石和伊利石組成的,具有膨脹結(jié)構(gòu)以及多裂隙性、強(qiáng)脹縮性和強(qiáng)度衰減性的高塑性粘性土,也是典型的非飽和土。其分布范圍較廣,具有較強(qiáng)的脹縮特性和裂隙性,對(duì)工程建設(shè)的危害較大,防治較為困難。隨著膨脹土工程

7、問(wèn)題的增多,對(duì)膨脹土的研究已成為當(dāng)前巖土工程的重要研究方向之一,并成為世界性的共同課題1。紅粘土在物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)、礦物成分與工程力學(xué)特性等多方面與膨脹土有相似之處2。對(duì)于非飽和膨脹土來(lái)說(shuō),在荷載作用下,土顆粒被擠密,多余的氣體被排出,位置重新排列,土體因而產(chǎn)生變形。在變形過(guò)程中,一方面由于固體顆粒與孔隙水間的摩擦力阻礙氣體排出,使變形延遲;另一方面土顆粒之間的接觸是結(jié)合水膜之間的接觸,由于結(jié)合水的粘滯性使土體變形有一個(gè)過(guò)程,所以,膨脹土的應(yīng)力變化和變形均與時(shí)間有關(guān),其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈顯著的非線性流變特性3。本文從宏觀和微觀角度對(duì)膨脹土蠕變特性進(jìn)行了研究,同時(shí)通過(guò)與紅粘土的對(duì)比試驗(yàn)對(duì)膨脹土壓縮

8、蠕變特性進(jìn)一步的分析,并得到擬合公式。第5期滕 珂,等:非飽和膨脹土與紅粘土的對(duì)比試驗(yàn)研究及微觀結(jié)構(gòu)分析 1 土的基本物理性質(zhì)及土樣制備試驗(yàn)所用膨脹土土樣取自廣西南寧市東北角環(huán)城道路工程,土體呈灰白色,南寧一帶的膨脹土主要由第三系湖相沉積泥巖、粉質(zhì)砂巖及其風(fēng)化殘積物形成,也有部分是上述巖土風(fēng)化物經(jīng)流水搬運(yùn)沖積成因形4;紅粘土土樣取自株洲,土體呈紅色。土樣物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。表1 土的物理性質(zhì)指標(biāo)T able 1 Physica l character i stics of so ils土樣類型液限/%塑限/%密度/(g c m -3最大干密度/(g c m -3膨脹土61.422.82.71.

9、89紅粘土40.721.92.671.78土樣制備:!將碾碎的風(fēng)干土樣過(guò)2mm 篩,充分拌勻;測(cè)定風(fēng)干含水率,計(jì)算配置一定含水率的土樣所須的加水量;#用噴霧器噴灑預(yù)計(jì)的含水率,然后用塑料袋將攪拌的土樣裝入,扎緊袋口后放置保濕缸內(nèi)靜置24h 以上,以確保土樣水分均勻;用烘干法量測(cè)土樣的含水率(T =105%110%,t &8h,按設(shè)計(jì)干密度計(jì)算制備環(huán)刀土樣所需的質(zhì)量;將兩環(huán)刀背靠背放置于較大的平整墊塊上,將稱量好的土樣均勻地放入一個(gè)外徑與環(huán)刀內(nèi)徑相同、高度與環(huán)刀等高的金屬墊塊,用擊實(shí)方法將上面的金屬墊塊均勻地壓入環(huán)刀內(nèi),直到墊塊與環(huán)刀平齊為止。2 試驗(yàn)方法及成果分析壓縮蠕變?cè)囼?yàn)是在WG

10、型單杠桿輕便固結(jié)儀上進(jìn)行,采取分級(jí)加載,壓實(shí)度為90%,人工采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果見圖1圖4。回彈試驗(yàn)采用相同儀器。試驗(yàn)結(jié)果見圖5、圖6。膨脹土和紅粘土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4、5。從壓縮蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果可以得出:!無(wú)論是膨脹土還是紅粘土,當(dāng)土樣施加被同樣壓應(yīng)力的情況下,初始含水率越小,土樣變形穩(wěn)定的收縮量越小;初始含水率越大,土樣變形穩(wěn)定的收縮量越大。含水率對(duì)兩種土樣變形的影響趨勢(shì)是一致的。原因是土樣按某一含水率制配時(shí), 水膜的楔圖1 膨脹土應(yīng)變與時(shí)間曲線F igure 1 Stra i n ti m e Curves o f EP S圖2 紅粘土應(yīng)變與時(shí)間曲線F igure 2 Stra i n

11、 ti m e Curves o f red c l ay5公路工程35卷 圖3 膨脹土應(yīng)力與應(yīng)變曲線F i gure 3 Stress stra i n curves ofEPS 圖4 紅粘土應(yīng)力與應(yīng)變曲線F i gure 4 Stress stra i n curves of redclay 圖5 含水率為16%時(shí)的回彈曲線F i gure 5 R ebound curves when w ater content is 16%圖6 含水率為23%時(shí)的回彈曲線F i gure 6 R ebound curves w hen w ate r conten t i s 23%6第5期滕 珂,等

12、:非飽和膨脹土與紅粘土的對(duì)比試驗(yàn)研究及微觀結(jié)構(gòu)分析入作用將顆粒推開,對(duì)含水率小的土樣來(lái)說(shuō),其顆粒含量相對(duì)較多,本身顆粒就較密實(shí),水膜的楔入作用相對(duì)較弱,顆粒間距本身就小,于是隨著自由水的流失,顆粒間距的減小量也就相對(duì)較小,在宏觀上表現(xiàn)為土樣收縮變形的程度相對(duì)較小。而對(duì)于含水率較大的土樣來(lái)說(shuō),相當(dāng)于減少了土顆粒的數(shù)量,并且導(dǎo)致粒間距離更大,于是當(dāng)孔隙水逐漸消散時(shí),數(shù)量相對(duì)較少的土顆粒在粘土吸力作用下需要經(jīng)過(guò)更大的距離相互吸引、靠近,才能最終達(dá)到顆粒間的穩(wěn)定間距并保持下去,也就是穩(wěn)定的收縮變形狀態(tài),這個(gè)過(guò)程在宏觀形態(tài)上表現(xiàn)為更大程度的收縮5。含水率在16.1%及19.7%的膨脹土土樣和含水率相近的

13、紅粘土土樣相比,有著較為明顯的加速蠕變階段,而紅粘土在3種含水率條件下都表現(xiàn)為衰減蠕變。一般地講,土的塑性指數(shù)及礦物組成對(duì)流變性有很明顯的影響。塑性指數(shù)越大,土的活動(dòng)性愈大,則應(yīng)力松弛與蠕變變形就愈大。含蒙脫土土樣的流變性質(zhì)最顯著,伊利土次之,高嶺土的流變性相對(duì)最不顯著6。本次試驗(yàn)用的膨脹土比紅粘土的塑性指數(shù)大,且通常情況下膨脹土的蒙脫土、伊利土含量比較高,文獻(xiàn)2,4,7都有指出膨脹土的蒙脫土、伊利土含量比紅粘土高。#通過(guò)圖3、圖4可以發(fā)現(xiàn)含水率16.1%的膨脹土和15.3%、18.8%的紅粘土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)已明顯拐點(diǎn),經(jīng)拐點(diǎn)后曲線斜率增大,而另外含水率19.7%、22.8%的膨脹土和2

14、2.6%的紅粘土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率卻表現(xiàn)為先增大后減小。大荷載高含水率的情況下蠕變反而沒有低含水率條件下明顯,對(duì)于這種現(xiàn)象,可能原因有:第一,當(dāng)荷載加載瞬間,土體產(chǎn)生一不排水壓縮,而在大荷載高含水率條件下,土體產(chǎn)生的瞬時(shí)變現(xiàn)較大,將部分孔隙封閉,同時(shí)高含水率土樣在加載時(shí)有更多的孔隙水要排出,因此固結(jié)過(guò)程將會(huì)變得很漫長(zhǎng)8,所以在試驗(yàn)中觀察不到加速蠕變階段;第二,李作勤(1992指出對(duì)于一維壓縮土體流變的延遲變形的發(fā)展是有限期的。當(dāng)土的顆粒間空隙不能再被壓縮時(shí),蠕變也會(huì)終止。所以,對(duì)不能引起破壞的應(yīng)力水平來(lái)說(shuō),尤其是壓縮情形,土骨架的蠕變變形是有限的,不可能隨時(shí)間無(wú)限地發(fā)展下去。而在完全側(cè)限一維

15、壓縮試驗(yàn)中,在正常應(yīng)力條件下,土樣是不會(huì)發(fā)生破壞的,所以,當(dāng)大荷載高含水率土樣壓縮到一定程度時(shí),土顆粒間的斥力使得蠕變難以自由發(fā)展。但從圖3、圖4中可以發(fā)現(xiàn)在高含水率條件下隨著應(yīng)力增大,應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率反而下降,說(shuō)明第2種對(duì)土樣的影響較大。對(duì)于含水率為16%、19%的膨脹土在小荷載條件下(應(yīng)力-應(yīng)變曲線拐點(diǎn)之前應(yīng)力-時(shí)間曲線可以擬合為對(duì)數(shù)形式,表達(dá)式為 =A ln t+B,式中A和B均為回歸系數(shù)。其取值見表2。紅粘土的應(yīng)力-時(shí)間曲線也可以用相同形式擬合。對(duì)于含水率為16%、19%的膨脹土在大荷載條件下(應(yīng)力-應(yīng)變曲線拐點(diǎn)之后及含水率為22%的膨脹土加荷小于400kPa的應(yīng)力-時(shí)間曲線可用以下形式擬合

16、:表2 不同含水率的紅粘土和膨脹土應(yīng)變與時(shí)間曲線對(duì)數(shù)擬合結(jié)果T able2 L ogarith m ic fitti ng resu lts f o r stra i n ti m e curv es of under the d ifferen tw ate r contents土樣含水率/%系數(shù)及R2荷載/kPa12.550200400800A0.00190.00050.00080.0080.001215.3B0.00430.02350.04160.05130.0896R20.810.920.840.970.99A0.00040.00040.00050.0010.0011紅粘土18.8B0

17、.0030.01010.02640.04690.1102R20.940.940.980.980.95A0.00060.00080.00110.00110.001122.6B0.01180.02260.06030.12460.1837R20.910.900.960.980.98A0.00040.00050.000516.1B0.00620.00860.0221R20.990.840.99膨脹土A0.00060.00719.7B0.00790.0171R20.810.91注:擬合方程: =A ln t+B。7公路工程35卷=A l n t+B t3+C t2+D t+E式中:A、B、C、D、E均為

18、回歸系數(shù)。有較高的擬合度,其取值見表3。擬合效果見圖7。通過(guò)對(duì)回彈試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,可以得出:!脹土和紅粘土具有粘彈性。其彈性表現(xiàn)在卸載之后變形的恢復(fù)和彈性后效,粘滯性則表現(xiàn)在加(卸載之后變形隨時(shí)間發(fā)展9。脹土和紅粘土除了彈性后效外還存在塑性表3 不同含水率膨脹土應(yīng)變與時(shí)間曲線擬合結(jié)果T able3 F itting resu lts for stra i n ti m e curves o f EPS under the d ifferent w ate r conten ts含水率%荷載/kPa擬合方程: =A l n t+B t3+C t2+D t+E擬合系數(shù)A(E-4B(E-14C(E

19、-10D(E-6E R216.14006.680.266 0.271-0.2910.03470.998 80019.6-0.5632.22-1.770.06790.9962005.861.67E-160.01170.2920.03540.99919.740015.6-1.233.11-1.890.64600.99480017.1-3.841.29-9.110.10560.99712.53.880.145-2.451.650.00620.999 22.8508.953.93E-160.03480.3530.02130.99820026.91.05E-131.009-1.4200.04540. 9

20、86圖7 含水率為16.1%的土樣在400kPa的荷載下的擬合曲線F igure7 F it curve o f16.1w ater content so il under400kP a stress變形,其表現(xiàn)為卸載后有殘余的不可恢復(fù)的變形,證明膨脹土和紅粘土都是一種彈-粘-塑性體。3 土的微觀結(jié)構(gòu)分析為揭示膨脹土和紅粘土在含水量不同的情況下,土樣微觀結(jié)構(gòu)中整體與局部的規(guī)律和現(xiàn)象,以及對(duì)蠕變的影響。采用日本生產(chǎn)的S 3000N SE M型掃描電子顯微鏡對(duì)膨脹土和紅粘土壓縮后的土樣進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn),選取具有代表性的含水率土樣(16%和23%進(jìn)行試驗(yàn),選擇了電子顯微鏡放大倍數(shù)分別為1000、30

21、00倍,如圖8、圖9。7000倍,見圖10。900倍膨脹土微觀結(jié)構(gòu)見圖11。從以上各圖中可以得出:!從圖8、圖9可以看出膨脹土主要是紊流結(jié)構(gòu)和絮凝結(jié)構(gòu),也有部分是粒狀的堆積,且含有一定 的卷曲如花瓣的狀的片狀顆粒,這就蒙脫石顆粒的(a =15.8%(b =22.5%圖8 膨脹土微觀結(jié)構(gòu)圖F i gure8 M icrostructure o f EPS(a =15.8%(b =22.5%圖9 紅粘土微觀結(jié)構(gòu)圖F i gure9 M i crostructure o f red clay8第 5期 滕 珂, 等: 非飽和膨脹土與紅粘土的對(duì)比試驗(yàn)研究及微觀結(jié)構(gòu)分析 9 的力學(xué)特性。 與紅粘土相比膨

22、脹土具有較為顯著的流變 性質(zhì), 在含水率較小的情況下, 這種差異尤為明顯。 # 在完全側(cè)限條件下, 大含水率大荷載情況下 的膨脹土由于土骨架極限的存在, 蠕變不能任意發(fā) 展, 而表現(xiàn)為衰減蠕變。 圖 10 = 22 5 . %的紅粘土 ( 左 和膨脹土 7 000倍 微觀結(jié)構(gòu)圖 F igure 10 7 000 ti es m ic rostructure of red clay( left m and EPS when = 22. 5 % 分析對(duì)比了兩種土的試驗(yàn)曲線, 并得到了相 應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式。經(jīng)驗(yàn)公式擬合曲線與實(shí)測(cè)曲線吻合 較好。 通過(guò)電子顯微鏡進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)研究, 得出膨 脹土含有流變性強(qiáng)

23、的蒙脫石, 同時(shí)膨脹土失水收縮 加強(qiáng)了土體流變。 參考文獻(xiàn) 1 2 周倩茹. 淺談膨脹土 J. 機(jī)電信息, 2009, 234( 24 : 97 - 98 . 趙穎文, 孔令偉, 郭愛國(guó), 等. 典型紅粘土與 膨脹土的對(duì)比試 驗(yàn)研究 J . 巖 石 力 學(xué)與 工 程 學(xué) 報(bào), 2004, 23 ( 15 : 2593 2598. 3 4 5 6 7 8 范志強(qiáng), 肖宏彬, 張亦 靜. 南寧非 飽和膨 脹土壓 縮蠕變 特性試 驗(yàn)研究 J . 湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2009 23 ( 1 : 1- 5. , 歐孝奪, 吳 恒, 周 東. 廣西紅 粘土和 膨脹土 熱力學(xué) 特性的 比較研究 J . 巖土

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