珠海海積軟土孔隙分布與應(yīng)力水平的關(guān)系研究

1、 PAGE 6 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版） 2008年第 卷 第 期 彭立才，等. 珠海海積軟土孔隙分布與應(yīng)力水平的關(guān)系及成因分析 PAGE 3 第 卷 第 期 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版） Vol. No. 2008年 月 JOURNAL OF TONGJI UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE) ，2008收稿日期： 2008-09-16基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No.50679057），上海市浦江人才計(jì)劃項(xiàng)目（No.06PJ14088），國家高科技研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）（No.2006AA112102），珠海市政府科技計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：PA200310064）。

2、作者簡(jiǎn)介：彭立才（1978），男，博士研究生，主要從事軟土工程和樁基工程檢測(cè)研究工作。 HYPERLINK mailto: 蔣明鏡（1965），男，教授，博士生導(dǎo)師，同濟(jì)大學(xué)特聘教授，加拿大和英國兩站巖土工程博士后，主要從事結(jié)構(gòu)性黏土宏微觀試驗(yàn)和數(shù)值分析方面的研究。E-mail: mingjingjiang 。珠海海積軟土孔隙分布與應(yīng)力水平的關(guān)系研究彭立才1 、3 蔣明鏡1、2 林奕禧3 黃良機(jī)3（ 1、同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092 2、同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092 3、珠海市建設(shè)工程質(zhì)檢站，珠海 519015 ）摘要：本文采用壓汞法研究了不同固結(jié)

3、壓力作用下具有強(qiáng)結(jié)構(gòu)性的珠海海積軟土的微觀孔隙入口孔徑分布與應(yīng)力水平的關(guān)系，通過X-射線衍射試驗(yàn)（XRD）對(duì)其粘土礦物含量進(jìn)行定量分析，并與加拿大Regina粘土進(jìn)行了對(duì)比。研究結(jié)果表明：1）珠海天然海積軟土的孔隙入口孔徑分布為主單峰分布；2）當(dāng)應(yīng)力水平小于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時(shí)，其孔隙入口孔徑分布和微觀結(jié)構(gòu)與應(yīng)力水平無關(guān)；3）當(dāng)應(yīng)力水平達(dá)到結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時(shí)，大中孔隙（r200nm）的含量明顯減少，而小孔隙（20nm r 2000nm） and the medium pores （2000nmr200nm） becomes smaller while the micropores （200nmr20nm

4、）varies little.When the applied stress is larger than gross yielding stress, micropores space volume decreases rapidly, and the pore size gradually becomes uniform with the increase in applied stress level. Finally, the differences in pore size distribution between Zhuhai clay and Regina clay can be

5、 attributed to different clay content and mineral.Key words：gross yielding stress; mercury intrusion porosimetry; marine clay；pore structure第 卷 第 期 彭立才，等. 珠海海積軟土孔隙分布與應(yīng)力水平的關(guān)系及成因分析 PAGE 5 1 引 言珠海位于我國廣東省南部，珠江出?？谖靼叮瑸l臨南海，海岸線長(zhǎng)達(dá)731公里，分布著大量的表1 土體的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 physico-mechanical parameters of soil layers取土深

6、度 (m)初始孔隙比e0天然含水量w (%)液限塑限天然重度凝聚力內(nèi)摩擦角結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度wL (%)wP (%) (g/cm3)C(kPa)()k(kPa)19.5-20.01.54-1.7353.41-64.3554.7328.921.63-1.665.813.6205海洋相沉積軟粘土，厚度大，含水率高，粘粒含量高，壓縮性高，強(qiáng)度低，滲透性小，其獨(dú)特的地質(zhì)、地理成因而形成的明顯的區(qū)域性特性，使得珠海軟土成為全國所報(bào)道過的工程中遇見的最軟的軟土，因此對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究并探討與強(qiáng)度的關(guān)系，并對(duì)其形成成因進(jìn)行分析，無論是對(duì)于豐富軟土強(qiáng)度理論，還是對(duì)于指導(dǎo)工程實(shí)踐都具有重要的意義。近年來，軟土微觀結(jié)

7、構(gòu)及其與工程性質(zhì)的關(guān)系研究有了較大的進(jìn)展，國外，Delage & Lefebvre1在壓汞試驗(yàn)中運(yùn)用凍干土樣的方法來研究Champlain粘土土樣固結(jié)過程中的孔隙變化，并和電鏡掃描（SEM）得到的圖片對(duì)比分析來研究粘土孔隙的變化規(guī)律；Lapierre等2根據(jù)壓汞試驗(yàn)分別得到原狀土和重塑土在不同的固結(jié)壓力下的孔隙分布和滲透系數(shù)的數(shù)學(xué)表述，研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于同一種土，原狀土和重塑土的孔隙和滲透系數(shù)沒有統(tǒng)一的數(shù)學(xué)表述的結(jié)論；Delage等3運(yùn)用壓汞試驗(yàn)的方法分析了不同含水量和密度的膨潤(rùn)土孔隙分布特點(diǎn)及其時(shí)效變化規(guī)律。國內(nèi)的蔣明鏡和沈珠江4-5對(duì)人工制備結(jié)構(gòu)性粘土和結(jié)構(gòu)性黃土的剪切帶形成進(jìn)行了宏微觀試驗(yàn)分析

8、；呂海波等6對(duì)固結(jié)過程中湛江土體孔隙進(jìn)行了分析；王清和王劍平7運(yùn)用分形理論對(duì)軟土固結(jié)和黃土濕陷性微結(jié)構(gòu)效應(yīng)進(jìn)行研究；蔣明鏡等8-9通過離散元數(shù)值法（DEM）在結(jié)構(gòu)性砂土的進(jìn)行了模擬應(yīng)用研究。本文選取珠海地區(qū)有代表性海積相軟土作為研究對(duì)象，開展其強(qiáng)度試驗(yàn)，并采用壓汞法，對(duì)軟粘土在不同固結(jié)壓力下的孔隙入口孔徑分布特征變化進(jìn)行分析，同時(shí)取土樣進(jìn)行X射線衍射試驗(yàn)，對(duì)其粘土礦物成分進(jìn)行定量分析，最后對(duì)珠海海積軟土的微觀結(jié)構(gòu)形成成因進(jìn)行了分析，并與加拿大Regina粘土作了對(duì)比。2 土樣的基本物理力學(xué)性質(zhì)土樣取自珠海保稅區(qū)附近的某工地，試驗(yàn)中所用的土樣取自地下19-20m深處，為全新世晚期的海相淤泥土，是

9、近代海退所形成的淺海堆積土，分布范圍廣，厚度大，最深處甚至有6070m厚，為珠海地區(qū)最主要的軟土層，呈軟塑或流塑狀態(tài)，其物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1。在單向壓縮試驗(yàn)中測(cè)得此層土樣的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力為205kPa。3 微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與原理3.1樣品制備及脫水本次現(xiàn)場(chǎng)取樣嚴(yán)格按照規(guī)范要求，采用上海金勘公司的TB100A不銹鋼敞口薄壁取土器進(jìn)行鉆孔取樣，將取得的原狀土樣在土工實(shí)驗(yàn)室分別按不同的組合加壓方式分別作壓縮實(shí)驗(yàn)。待土樣在預(yù)定壓力下達(dá)到穩(wěn)定時(shí)分級(jí)卸荷，然后，用透水石將土樣從環(huán)刀里小心推出，用細(xì)鋼絲鋸將土樣切成小條，以備壓汞試驗(yàn)（MIP）時(shí)使用，在這個(gè)過程中要盡量避免對(duì)土樣產(chǎn)生擾動(dòng)。許多研究表明，對(duì)于大部分

10、土，傳統(tǒng)的風(fēng)干或烘干法制樣會(huì)導(dǎo)致試樣發(fā)生顯著的收縮、孔隙含量大大減少，嚴(yán)重時(shí)只有冷凍干燥法的1/3。冷凍干燥法是利用低溫的制冷劑(如液氮)快速將土中水分冷凍，使孔隙中的水分直接變成不具膨脹性的晶體，抽真空使其由結(jié)晶狀態(tài)直接升華，從而保證土中孔隙不因脫水發(fā)生收縮。本次試驗(yàn)試樣脫水采用冷凍干燥法，將受到不同壓縮量的土樣切成小條快速放入液氮(沸點(diǎn)-196)中快速冷凍20分鐘，然后用德國CHRIST ALPHA2-4凍干機(jī)抽真空16小時(shí)以上，使土中非結(jié)晶水的冰冷升華，從而達(dá)到土樣既干燥又不變形的目的，所制備樣品用于壓汞試驗(yàn)（MIP）。本文研究中，X射線衍射試驗(yàn)樣品的制備在同濟(jì)大學(xué)海洋地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

11、完成，測(cè)試在PANalytical（上海）實(shí)驗(yàn)室完成，壓汞試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)先進(jìn)土木材料教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室完成。3.2 X-射線衍射試驗(yàn)（XRD）礦物成分控制著土顆粒的大小、形狀和表面特征，這些特征本身以及與液相的相互作用決定了土的塑性、膨脹、壓縮、強(qiáng)度和滲透性等性狀，因此，本次研究選取了保稅區(qū)20m處兩個(gè)土樣進(jìn)行X-射線衍射試驗(yàn)。粘土礦物分析使用粘土粒級(jí)礦物(200nm）的含量明顯減少，而小孔隙（20nm r 200nm）含量則基本不變，這一結(jié)果說明土體在外加應(yīng)力達(dá)到臨界屈服狀態(tài)時(shí)，土體的微觀孔隙內(nèi)部空間分布發(fā)生了變化，即孔隙總體積變化不大，大中孔隙被壓碎變成小孔隙，這一微觀研究結(jié)果與蔣明鏡等12

12、基于宏觀性質(zhì)特性，土的結(jié)構(gòu)性破壞的概念是一致的。圖(c)給出了臨界屈服狀態(tài)時(shí)的孔隙入口孔徑分布與處于屈服后應(yīng)力狀態(tài)（400kPa、600kPa、800kPa）試樣的孔隙入口孔徑分布的比較圖。由圖可見，隨著外加應(yīng)力的增大，其微觀孔隙空間體積逐漸減少，中大孔隙由于在屈服臨界階段已經(jīng)被壓碎，中大孔隙含量變化不大，但小孔隙含量卻是銳減，主峰的峰值位置也由原來的232nm移動(dòng)到800kPa時(shí)的135nm的位置，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)在800kPa時(shí)，孔隙入口孔徑分布呈雙主峰分布。整體孔隙空間的孔徑趨于均勻。4.2 討論自然界中的土是由各種大小不同的顆粒組成的。由于成因類型和形成歷史的不同，其性質(zhì)及性狀極其復(fù)雜多變。

13、對(duì)于粘性土來講，其中粘粒的含量和粘土礦物成分對(duì)土的性質(zhì)起著決定性的影響。圖2 Regina粘土在屈服前后應(yīng)力狀態(tài)的孔隙入口孔徑分布(由文獻(xiàn)13中的數(shù)據(jù)整理而出)Fig.2 Entrance pore size distribution in pre-yield and post-yield state for Regina clay( re-plotted from the data in reference13 )圖2給出了加拿大Regina粘土在天然狀態(tài)下、600 kPa固結(jié)后和2500 kPa固結(jié)后的孔隙入口孔徑分布圖，系由文獻(xiàn)13中的數(shù)據(jù)整理而出，由圖中可以明顯看出，兩種粘土在固結(jié)前孔

14、隙分布變化都不大，峰值位置基本不變，只是大孔隙含量減少；兩種粘土在固結(jié)后孔隙入口孔徑分布都發(fā)生了重大變化，峰值位置發(fā)生了轉(zhuǎn)移，大孔隙含量明顯減少。但Regina粘土孔隙分布又具有明顯不同于珠海海積軟土的特點(diǎn)，首先其孔隙分布為多主峰分布，主峰主峰峰值位置在5m左右，次峰峰值位置分別在0.1m左右和100m左右；其次，在2500 kPa固結(jié)后，主次峰峰值位置發(fā)生了轉(zhuǎn)移，主峰峰值位置由原來5m左右變成了0.08m左右，次峰峰值位置在10m左右，孔徑在1100m間孔隙含量明顯減少，表示土體結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生了劇烈的變化，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生了重新分布。表 2 兩種粘土的顆粒組成分布（質(zhì)量比）Table 2 part

15、icle diameter distribution of both clays粒 徑 組 (mm)0.25-0.0740.074-0.0020.002珠海軟土7.0%70.0%23.0%Regina 粘土133.0%51.046.0表3 兩種粘土的粘土礦物組成（質(zhì)量比）Table 3 mass percentage of clay mineral of both clays 序號(hào)樣品蒙脫石伊利石高嶺石綠泥石1珠海粘土-123142252珠海粘土-243541203Regina 粘土13282910為了弄清珠海海積軟土和Regina粘土孔隙分布差異的原因，本研究對(duì)比分析珠海軟土和Regina粘

16、土的顆粒組成分布和粘土礦物成分（如表2和表3）。通過比較可以看出，珠海軟土的粘粒含量（以質(zhì)量計(jì)）為23.0%，明顯少于Regina粘土的粘粒含量（46.0），Regina粘土顆粒更細(xì)，具有極大的表面積和帶電性，當(dāng)其與水相遇時(shí)，將產(chǎn)生復(fù)雜的物理化學(xué)變化，就會(huì)形成具有膠體分散系的一些特征；再來看礦物成分，珠海軟土和Regina粘土的礦物成分具有明顯的差異，珠海軟土粘土礦物成分（以質(zhì)量計(jì)）主要由高嶺石(41%42%)、綠泥石(20%25%)和伊利石(31%35%)組成，蒙脫石含量一般小于5%，而Regina粘土礦物成分主要為蒙脫石(28%)和伊利石(29%)組成，高嶺石含量很少（10）。從前人的研究

17、結(jié)果中可以知道，高嶺石晶胞之間是氧原子和氫氧根連接，形成氫鍵，性質(zhì)較穩(wěn)定，而蒙脫石兩層之間是以氧原子與氧原子相連，靠分子間的力（范得華力）相互作用連接，連接力很弱，水分子容易進(jìn)入晶胞之間，使晶胞距離增大。因而，珠海軟土的孔隙分布就形成了以小孔隙為主的主單峰分布，而Regina粘土孔隙分布就形成了以主峰峰值位置在5m左右，次峰峰值位置分別在0.1m左右和100m左右的多主峰分布。5 結(jié)論本文選取珠海海積軟土進(jìn)行固結(jié)壓縮試驗(yàn)，并采用壓汞法和X射線衍射法，對(duì)其孔隙入口孔徑分布和粘土礦物成分進(jìn)行了定量分析，得出以下結(jié)論：1）珠海天然海積軟土的孔隙入口孔徑分布為主單峰分布，主峰的峰值位置在232nm；2

18、）當(dāng)應(yīng)力水平小于固結(jié)屈服應(yīng)力時(shí)，珠海海積軟土的孔隙入口孔徑分布與應(yīng)力水平無關(guān)，微觀結(jié)構(gòu)不隨應(yīng)力水平的增大而改變；3）當(dāng)應(yīng)力水平達(dá)到固結(jié)屈服應(yīng)力時(shí)，大中孔隙的含量明顯減少，而小孔隙含量則基本不變。4）在屈服后階段，小孔隙含量銳減，主峰的峰值位置也由原來的232nm移動(dòng)到135nm的位置，整體孔隙空間的孔徑趨于均勻，逐漸趨于重塑土的微觀孔隙空間結(jié)構(gòu)；5）最后，與加拿大Regina粘土進(jìn)行比較，初步分析了珠海海積軟土和Regina粘土孔隙分布差異的原因是顆粒組成分布和粘土礦物成分的不同。當(dāng)然，微觀研究的目的是解決宏觀問題，解決工程問題，從本次的研究成果中可以看到，結(jié)構(gòu)屈服前后微觀孔隙的峰值位置（即最

19、可幾直徑）變化最明顯，也就是說，最可幾直徑隨固結(jié)壓力的變化規(guī)律可以反映出軟土的結(jié)構(gòu)性，因此，我們下一步的工作重點(diǎn)將是從理論的高度來探討微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)指標(biāo)如何引入到宏觀本構(gòu)模型中去。另一方面，在工程應(yīng)用方面，在軟土地基處理過程中，可以通過對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)取土進(jìn)行壓汞試驗(yàn)，分析軟土地基處理前后的微觀孔隙參數(shù)指標(biāo)變化，來判斷軟土地基處理的效果。參 考 文 獻(xiàn)1 Delage, P., Lefebvre, G. Study of the structure of a sensitive Champlain clay and of its evolution during consolidationJ. Can

20、adian Geotechnical Journal, 1984, (21): 21-352 Lapierre, C., Locat, J. Mercury intrusion and permeability of Louiseville clayJ. Canadian Geotechnical Journal, 1990(27): 761-7733 Delage, P., Marcial, D., Cui, Y. J., et al. Ageing effects in a compacted benonite: a microstructure approachJ. Geotechniq

21、ue, 2006, 56(5): 291-3044 蔣明鏡，沈珠江, Microscopic analysis of shear band in structured clayJ.Chinese Journal of Geotechnical Engineering,1998,20(2):102-108.5 蔣明鏡，沈珠江, Adachi T. and Hongo T. Microanalysis on artificially-prepared structured collapsible loessJ. Chinese Journal of Geotechnical Engineering

22、, 1999, 21(4): 486-4916 呂海波，汪稔，趙艷林，孔令偉. 軟土結(jié)構(gòu)性破損的孔隙分布試驗(yàn)研究J. 巖土力學(xué)，2003, 24(4): 573-578LU, H.B., WANG, R., ZHAO, Y.L., KONG, L.W., Study of structure characteristics evolution of soft clay by pore size distribution testJ. Rock and Soil Mechanics, 2003, Vol.24, No.4: 5735787 王清，王劍平，土孔隙的分形幾何研究J.巖土工程學(xué)報(bào)，20

23、00，22（4）：496-498.WANG Qing, WANG Jianping A Study on fractal of porosity in the soilsJ.Chinese Journal of Geotechnique Engineering, 2000,22(4): 496-498.8 Jiang, M.J., Leroueil, S., Konrad, J.M. Yielding of microstructured geomaterial by DEM analysisJ.Journal of Engineering Mechanics, ASCE, 2005, 131

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