玄武巖殘積紅土的收縮特性試驗研究

張瑞敏，余 沛，苗方利

(1.商丘學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 商丘476000;2.中建六局土木工程有限公司，天津300457;3.鄭州華信學(xué)院 建筑工程學(xué)院，河南 鄭州451150)

在中國的南方廣泛分布著玄武巖殘積土，由于受到冬干夏濕、多雨亞熱帶的影響，其風(fēng)化物具有高液限、高孔隙比、高壓縮性等物理特性[1－2]。同時玄武巖殘積土又屬于非飽和土，一般情況下，非飽和狀態(tài)下的土體具有較大的負孔隙水壓力，土體的負孔隙水壓力使得土體具有不同于飽和土的特性。由于受到大氣影響和地下水位線的變動，土體會產(chǎn)生干縮效應(yīng)，導(dǎo)致土體含水率和干密度發(fā)生變化。

邵明安[3]等在室內(nèi)測得了砂質(zhì)黏壤土、壤土、粉砂壤土、粉砂質(zhì)黏壤土以及黏壤土的收縮特征曲線，并采用三直線模型對五種土壤的收縮特征曲線進行擬合，研究結(jié)果表明，土壤收縮過程分為滯留段、正常段、結(jié)構(gòu)段三個階段;劉平[4]通過室內(nèi)試驗的研究得出交河故城遺址土的收縮特征曲線，從土力學(xué)原理出發(fā)，分析了交河故城遺址土的干縮開裂的現(xiàn)象，并通過軟件進行數(shù)值模擬;干縮會引起黏性土內(nèi)部顆粒的變化，也會導(dǎo)致土體強度降低[5]，干縮是土體失水收縮引起的，進而改變土體的微觀結(jié)構(gòu)及內(nèi)部顆粒的排列[6－7]，最終影響土體脹縮性，文獻[6]在這方面做了大量研究，發(fā)現(xiàn)土在從干到濕從濕到干交替循環(huán)的過程中，不可逆的范德華力發(fā)揮巨大作用，使土黏粒之間逐漸集聚成較大集聚體，其結(jié)果是土中黏粒含量大大減少，各項性能都逐漸變差，這種變化在循環(huán)初次后很顯著，隨著次數(shù)的增加，土的脹縮特性變化不顯著趨向穩(wěn)定;土顆粒集聚的原因之一是干濕循環(huán)的作用，使土體變的松散，相應(yīng)的孔隙率也會增加，直接導(dǎo)致滲透性變大，隨循環(huán)次數(shù)增加，土膨脹變形速度會越來越小，土粒之間結(jié)構(gòu)連結(jié)減弱，最終導(dǎo)致土的強度低[8]。

從應(yīng)用角度上講，工程建筑物的沉降，墻體裂縫的開裂和土的收縮性有著一定的聯(lián)系，土體的收縮引起土體變形，降低了土體的強度，導(dǎo)致建筑物或構(gòu)筑物的破壞，一般在細粒土組成的斜坡處，因土體收縮變形的影響，在遇水時容易誘發(fā)滑坡，給工程帶來危害，因此研究土的收縮性在工程實踐中有重要意義[9]。本文以貴州玄武巖殘積紅土為例，在不同含水率和不同干密度條件下進行試驗研究，分析玄武巖殘積紅土的收縮與含水率、干密度之間的關(guān)系。為玄武巖殘積紅土能很好的運用到實踐中奠定基礎(chǔ)。

1 試驗材料

試驗土取自赫章縣畢節(jié)高速路段代表性土樣。選取棕紅色玄武巖殘積紅土，控制室內(nèi)溫度為25℃，現(xiàn)場測得原狀土樣的含水率分別為30.1%和41.1%，其顆粒組成如圖1所示，物理性質(zhì)指標如表1所示，由圖1可知兩種土中的粉粒和黏粒較多，均屬于粉質(zhì)黏土，棕紅色土在不加分散劑的情況下，變化較明顯，曲線較陡，表示土顆粒大小相差不多，土粒較均勻。

圖1 玄武巖殘積紅土的顆分曲線圖

表1 玄武巖殘積土的物性指標

2 試驗方案、方法及步驟

2.1 試驗方案及方法

選取原狀土樣和重塑土樣進行試驗，用環(huán)刀取的原狀土樣，含水率為30.1%和41.1%。測得的密度為1.75 g/cm3，相應(yīng)的干密度分別為:1.35 g/cm3和1.25 g/cm3。為了更好的分析和了解玄武巖殘積紅土的不同含水率對應(yīng)的不同干密度的收縮特性，故不同含水率設(shè)計四種不同干密度如試驗安排表2所示。把土樣風(fēng)干，過 2 mm篩，用直徑為 61.8 mm，高為20 mm的環(huán)刀制備相同密度的重塑土樣，同時，按不同含水率，制備不同干密度，然后對試樣用真空泵抽真空，注水飽和24 h，之后進行收縮對比試驗。

表2 玄武巖殘積土收縮試驗安排表

土的收縮是隨著土中含水率減小，水分蒸發(fā)土的體積逐漸縮小的現(xiàn)象。在工程實踐中，常用收縮含水率(殘積土隨著水分減少，當(dāng)體積不在收縮的界限含水率，一般稱為土的縮限含水率)、體縮率(一般土樣的體積縮小量與收縮前體積之比值，用%表示)、收縮系數(shù)(殘積土的收縮系數(shù)是指土樣產(chǎn)生收縮的直線變形階段，含水率每減少1%時直線的斜率，以土樣斜率減量與含水率增加量之比值來表示)以及縮限評價土體的收縮性[10]。所以通過不同含水率不同干密度的對比收縮試驗可以分析玄武巖殘積土的收縮特性。

2.2 試驗設(shè)備及試驗步驟

2.2.1 試驗設(shè)備

收縮儀(如圖2);多孔板:直徑約70 mm，厚約4 mm，孔的總面積應(yīng)大于整個板面的50%以上;測板:直徑 10 mm，厚約 4 mm;環(huán)刀:直徑 61.8 mm，高20 mm;卡尺:0.05 mm × 12.5 mm;天平:最小分度值0.01 mm;飽和器、真空泵、凡士林、推土塊、干燥缸以及蠟封工具等。同一時間內(nèi)玄武巖殘積土樣含水率的減少量(%);ω為起始或某時刻的含水率(%);esL為線縮率(%);es為體縮率(%);CSL為收縮系數(shù)。

3 試驗結(jié)果及分析

圖2 干燥收縮儀器

2.2.2 試驗步驟

將制備好的土樣進行收縮試驗，其步驟如下:

(1)按照試驗規(guī)程制備不同密度和含水率的原狀樣和重塑土樣，使玄武巖殘積紅土樣飽和，裝好儀表，記下初始表的讀數(shù)R0。

(2)根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》[11](JTGE40－2007)要求，在室溫28℃條件下進行殘積土的收縮試驗，根據(jù)土樣溫度及收縮的速度，每隔1 h到4 h記錄儀表讀數(shù)Rt，并稱試驗儀器和殘積土樣的總質(zhì)量 mt，稱量值準確到0.01 g。48 h后，每隔6 h～24 h測記儀表讀數(shù)，并稱殘積土的質(zhì)量，兩次稱量土樣后，當(dāng)儀表讀數(shù)不變時，即可終止試驗，一般保證在收縮曲線的1階段內(nèi)應(yīng)取不得少于4個數(shù)據(jù)。

(3)試驗結(jié)束，取出土樣，并在烘箱中烘干，溫度控制在105℃ ～110℃，稱殘積土樣的烘干質(zhì)量ms，準確至 0.01 g，測定烘干試樣體積 V1。

(4)由試驗數(shù)據(jù)，根據(jù)公式計算出來收縮含水率(縮限)、線縮率、體縮率、收縮系數(shù)，其公式分別為式(1)～式(4)。

式中:mt為某時刻稱得的試樣質(zhì)量(g);ms為干土質(zhì)量(g);H0為試樣原高度(mm);R0為百分表初讀數(shù)(mm);Rt為收縮過程中某時刻百分表讀數(shù)(mm);V0為試樣原體積(環(huán)刀容積)(cm3);V1為試樣烘干后的體積(cm3);ΔesL為殘積土在收縮第1階段任一時間內(nèi)直線斜率的增加量(%);Δω為在

土的收縮特性是土中水分蒸發(fā)后其相應(yīng)體積的變化[12]，隨著土中孔隙水的減少，殘積土發(fā)生收縮，線縮率逐漸增大，土中孔隙水的變化引起土體積的變化，不同干密度的土樣收縮不同，兩者間的關(guān)系可以通過土的收縮曲線(Soil Shrinkage Charaoteric Curve，簡稱SSCC)進行描述，通常土的收縮曲線可概括為四個部分[13]:一是結(jié)構(gòu)收縮，二是正常收縮，三是殘余收縮，四是零位收縮。

圖3和圖4給出玄武巖殘積紅土不同干密度下示意圖及線縮率的變化，根據(jù)線縮率、體縮率、縮限、收縮系數(shù)的計算公式，求出其相應(yīng)的收縮指標，如表3所示。

從圖3和圖4所示的曲線可以得出，玄武巖殘積紅土的收縮與干密度及殘積土的初始含水率有關(guān)，含水率為41.1%的不同干密度下的線縮率比含水率為30.1%的不同干密度下的線縮率大，并且30.1%的線縮率隨時間的變化首先達到平衡?？偟臍w納起來，對于含水率30.1%和41.1%的殘積土，初始含水率低時，線縮率越小，在失水過程中，線縮率與質(zhì)量含水率呈線性關(guān)系，當(dāng)含水率等于或者小于風(fēng)干含水率時，玄武巖殘積紅土幾乎不再收縮。初始含水率高時，線縮率較大，隨著干密度的增加，線縮率逐漸降低，當(dāng)干密度較小時，孔隙率大，失水收縮的趨勢大。其失水收縮的過程也可分成四個階段:第1階段為結(jié)構(gòu)收縮階段，此階段持續(xù)時間較小，不同干密度和含水率的土樣持續(xù)時間不同，此階段持續(xù)1 h～3 h左右;第2階段:殘積土的收縮與初始質(zhì)量含水率的減小成正比例直線變形，此階段時間的長短與土體中黏粒含量多少、初始含水率以及室內(nèi)溫度有關(guān)，此階段持續(xù)40 h～60 h左右;第3階段:土體收縮隨含水率的減小呈緩慢曲線變形，此時收縮曲線呈外凸弧減速階段，收縮速度減慢，土體的收縮率越來越小，此階段持續(xù)的時間是210 h～290 h左右;第4階段:隨著殘積土的含水率的減小，但殘積土樣收縮恒定或土樣只產(chǎn)生微小的收縮變形，290 h之后呈近似水平直線。

圖3 土樣含水率為30.1%時線縮率與質(zhì)量含水率和時間的變化關(guān)系

圖4 土樣含水率為41.1%時線縮率與質(zhì)量含水率和時間的變化關(guān)系

表3 玄武巖殘積紅土的收縮性指標

玄武巖殘積紅土脹縮現(xiàn)象和孟慶云[14]、陳剛[15]、曾召田[10]研究的膨脹土脹縮特性較為類似。殘積土在收縮過程中，每個階段的收縮快慢和收縮大小不相同，在第1收縮階段和第2收縮階段內(nèi)所發(fā)生的收縮量大小占土樣總收縮量大小的95%以上，而在直線緩慢收縮階段收縮量較小，通常小于5%。直線等速階段的收縮速率較快，此時收縮增量與水分減小量成正比，兩者的比值接近1，因此殘積土的曲線呈直線段。隨時間逐漸增加，殘積土中水分被蒸發(fā)減少，玄武巖殘積紅土粒的水膜逐漸變薄，土粒間距離變小，導(dǎo)致殘積土粒間聯(lián)結(jié)力變大，隨時間增加，玄武巖殘積紅土收縮量減少，兩者比值不大于等于1，曲線呈向下凹狀。隨時間的不斷增加，玄武巖殘積紅土中水分仍然被逐漸蒸發(fā)，由于土中水分很少，土顆粒間距離較近，使得玄武巖殘積土顆粒間聯(lián)結(jié)力增強，這階段減少的水量很微弱，已經(jīng)不能使殘積紅土的體積再收縮，此時收縮增量與蒸發(fā)失水量得比值接近0，故曲線呈近水平狀。

根據(jù)表3收縮性指標可見，線縮率一般為4.0%～7.0%，最大可達 12%，平均體縮率 12.5%，平均縮限26.82%。由表3還可以看出，玄武巖殘積紅土的干密度和初始含水率，對土體的體縮率、線縮率以及縮限均有很大的影響。其中含水率大的土樣線縮率和體縮率均高于含水率小的土樣，而縮限隨干密度的增加呈遞增趨勢，為更好的了解其收縮特性，對不同含水率的玄武巖殘積土在不同干密度下進行了擬合，如圖5和圖6所示，收縮性指標與干密度的線性關(guān)系回歸參數(shù)見表4和表5所示，其擬合關(guān)系式為:

式中:N為干密度(g/cm3);A、B均為回歸參數(shù)。

圖5 含水率30.1%的收縮指標與干密度ρd的關(guān)系

圖6 含水率41.1%的收縮指標與干密度ρd的關(guān)系

表4 土樣含水率為30.1%的回歸參數(shù)A、B及R2

表5 土樣含水率為41.1%的回歸參數(shù)A、B及R2

由圖5和圖6，表4和表5可知:干密度增加，殘積紅土的體縮率 es和線縮率 esL均遞減，而縮限 ωs隨干密度的增加呈遞增趨勢，而收縮系數(shù)CSL則降低，不同含水率對應(yīng)的收縮性指標均不一樣，且收縮性指標與干密度關(guān)系幾乎接近直線變化。

玄武巖殘積紅土產(chǎn)生收縮的原因是多樣化的，它是在土中經(jīng)過一系列的物理、化學(xué)、力學(xué)作用過程的結(jié)果。玄武巖殘積紅土的收縮特性主要土樣的內(nèi)部因素和外部條件的控制組成，內(nèi)部起主要作用;而內(nèi)部發(fā)生變化往往是外部環(huán)境變化導(dǎo)致的結(jié)果，其中，產(chǎn)生收縮變形最重要的影響因素是組成殘積土的本身所含有的特殊礦物元素和殘積土土體微觀結(jié)構(gòu)特征，含水率的變化是玄武巖殘積紅土收縮必不可少的條件，土的濕度狀態(tài)是由于土中水的作用，含水率增加，土的強度就會發(fā)生變化，土中水分不被蒸發(fā)，土也不會出現(xiàn)“縮”的現(xiàn)象，可見，土產(chǎn)生收縮變形是必須具備本身能夠收縮的內(nèi)因，其次是要有土中水分轉(zhuǎn)移這一外部條件，土樣收縮是內(nèi)部原因和外部環(huán)境共同作用的結(jié)果。

自然界各種成因類型的土中，本身具備有能夠收縮內(nèi)部因素的，主要是各類黏性土，就殘積土本身而言，對某一地區(qū)的殘積土，玄武巖殘積紅土的收縮變形差異較大。玄武巖殘積紅土在失水收縮產(chǎn)生的上述現(xiàn)象，其本質(zhì)原因可以用雙電層理論來解釋;膠體化學(xué)的理論原理表明:黏性土的礦物顆粒內(nèi)部由于晶格置換產(chǎn)生負電荷，使土顆粒周圍聚集負電荷，從而在土中形成靜電場，土的顆粒表面平衡是通過交換陽離子來完成的，反離子是以水化離子形式存在的，使得帶有負電荷的黏性土顆粒吸附這些水化陽離子，形成擴散形式的離子分布，從而組成雙電層[10]，這一過程離不開靜電引力的影響。

綜上所述，玄武巖殘積紅土由于水的影響，在土中黏土礦物顆粒的表面特性和水分子的極性結(jié)構(gòu)屬性相互作用下，以及各種作用力與土顆粒相連接，使得玄武巖殘疾紅土顆粒周圍形成具有一定取向排列的水膜，隨著各種力的變化，土中水膜的厚度和性質(zhì)也不同，玄武巖殘積土的收縮性也產(chǎn)生不同程度影響，對于玄武巖殘積紅土，顆粒的礦物成分和水溶液成分是不變的，因此，內(nèi)部土顆粒大小及其分布和外部環(huán)境的不斷變化是決定殘積土收縮特性的主要因素。

4 結(jié)論

根據(jù)收縮特性試驗及收縮性指標擬合，得出以下結(jié)論:

(1)玄武巖殘積紅土的收縮與初始含水率、干密度有一定關(guān)系，且殘積土失水收縮的過程也可分成四個階段。

(2)不同含水率對應(yīng)的收縮性指標均不一樣，且收縮性指標與干密度關(guān)系幾乎接近直線變化。

(3)玄武巖的收縮特性是由內(nèi)因和外因共同作用的結(jié)果，并依據(jù)雙電層理論來分析其內(nèi)部收縮水分的遷移。

(4)試驗僅從玄武巖殘積紅土的收縮特性進行了研究，而沒有對其膨脹性進行相關(guān)試驗和闡述，有待進一步研究。

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