初始孔隙比對重塑膨潤土壓縮特性的影響

盧有謙,韋昌富,顏榮濤,唐雙慧,向 銳

(桂林理工大學(xué) a.廣西巖土力學(xué)與工程重點實驗室;b.廣西建筑新能源與節(jié)能重點實驗室,廣西 桂林 541004)

初始孔隙比對重塑膨潤土壓縮特性的影響

盧有謙,韋昌富,顏榮濤,唐雙慧,向 銳

(桂林理工大學(xué) a.廣西巖土力學(xué)與工程重點實驗室;b.廣西建筑新能源與節(jié)能重點實驗室,廣西 桂林 541004)

針對工程建設(shè)中日益彰顯的軟土地基病害,結(jié)合研究中的不足與實際工程需要,運用壓實法制作了8組不同干密度試樣,研究不同初始孔隙比重塑飽和膨潤土的壓縮性狀。試驗結(jié)果表明：膨潤土e-lgσv′壓縮曲線呈現(xiàn)類似天然沉積土的倒“S”形壓縮曲線,存在天然沉積土般的結(jié)構(gòu)性及固結(jié)屈服壓力。由于膨潤土的固有特性以及孔徑分布等的影響,不同孔隙比的壓縮曲線存在明顯差異,初始孔隙比大的壓縮曲線位于初始孔隙比小的壓縮曲線上方。根據(jù)Burland的固有壓縮理論,可以對重塑飽和膨潤土進行良好歸一化。

膨潤土;孔隙比;壓縮性;結(jié)構(gòu)性;歸一化

0 引 言

膨潤土(Bentonite)又稱斑脫巖、皂土或膨土巖, 俗名觀音土, 是以蒙脫石為主要成分的細粒粘土巖,是一種相對較軟的巖石, 由凝灰?guī)r或其他火山巖在堿性介質(zhì)下蝕變而成[1]。膨潤土易吸水軟化、 失水收縮, 具有極強的親水性, 是濕熱變化敏感的高塑性粘土。因為特殊的物理力學(xué)性質(zhì), 當(dāng)作為路基材料時, 經(jīng)常發(fā)生滑塌、不均勻沉降, 引起路面破壞等病害。而我國屬于膨潤土分布較廣的國家之一, 先后有20多個省、 市和自治區(qū)發(fā)現(xiàn)有膨潤土分布。面對分布廣泛的膨潤土地況, 隨著高速公路與高鐵的蓬勃發(fā)展、 路網(wǎng)密度的不斷增大, 工程建設(shè)中遇到的問題也日益增多。考慮到施工成本與環(huán)境保護等問題, 不能簡單地采用廢棄或者改良的方案, 綜合以上原因促使膨潤土成為工程建設(shè)中亟待解決的“問題土”[2]。

目前,國內(nèi)外對膨潤土的脹縮性研究成果主要有：秦冰等[3]研究了浸泡液體、吸濕方式等對膨潤土膨脹變形的影響；徐永福等[4]對膨潤土及其與砂的混合物進行膨脹變形試驗；孫德安等[5]對砂與膨潤土不同配比的混合物在不同應(yīng)力條件下的膨脹特性進行了研究；王志儉等[6]通過砂-膨潤土混合物膨脹力研究確定其影響因素；Komine等[7]對高壓實膨潤土的膨脹特性進行試驗；Tripathy等[8]通過雙電層理論對壓實膨潤土的膨脹力進行了研究。以上研究主要針對膨潤土的膨脹力,而對壓縮性的定量研究還較少。但在軟土地基中,主要的工程問題還是變形問題,即沉降問題,因此對膨潤土的壓縮性進行定量研究就顯得尤為必要。本文根據(jù)膨潤土研究中的不足與實際工程的需要,制備具有一定孔隙比梯度差的重塑膨潤土土樣,通過飽和固結(jié)壓縮試驗揭示膨潤土的壓縮特性,研究初始孔隙比對重塑飽和膨潤土的壓縮特性的影響。

1 試驗概況

試驗所用土樣取自南友高速公路寧明段,取土深度為-1.5～-2.5m,為黃色或灰白色、斑紋狀的殘積型膨潤土,其基本物理特性如表1所示。

表1 試驗用膨潤土的基本物理指標

注: 比重用比重瓶法測定; 液、塑限采用液塑限聯(lián)合測定儀測定; 顆粒粒徑級配用密度計法測定。

1.1 土樣制備

膨潤土取回經(jīng)自然風(fēng)干后使用木錘碾碎過2mm篩,土樣顆粒徑分布見圖1。

圖1 土樣顆粒粒徑分布

土工試驗測得其風(fēng)干含水率為5.6%,由于膨潤土具有極活潑的陽離子交換性,為避免試樣與試驗用水發(fā)生離子交換影響試樣的水力-力學(xué)特性,采用了去離子水。為了保證試樣濕度均勻,拌樣時使用噴霧器,將預(yù)先計算好的一定量去離子水均勻噴灑于風(fēng)干膨潤土中,調(diào)成14%含水率的濕土樣,裝入保鮮袋密封,再放入保濕缸中48h備用。環(huán)刀直徑為61.8mm,依照《土工試驗方法標準》[9]的壓樣方法制備高20mm的重塑膨潤土環(huán)刀樣。按孔隙比差Δe=0.05的梯度，用式(1)計算壓樣質(zhì)量, 壓制ρd=1.08、1.13、1.18、1.23、1.28、1.33、1.38、1.43 g/cm3共8組干密度, 通過式(2)換算即得到8組不同初始孔隙比土樣, 最后將試樣按規(guī)范抽氣飽和備用。

m=(1+ω0)ρd,

(1)

e=ρs/ρd-1。

(2)

式中:m為壓樣用土質(zhì)量;ω0為土樣初始含水率;ρd為干密度;e為孔隙比;ρs為土粒密度。

1.2 固結(jié)壓縮試驗

本試驗采用WG型單杠桿固結(jié)儀,數(shù)據(jù)讀取采用百分表,加壓等級:12.5、25、50、100、200、300、400、800、1 600、3 200、4 000kPa,每級荷載加載時間取為24h。加載過程中,室內(nèi)溫度保持不變,試樣始終保持浸沒于去離子水中。為避免試驗用固結(jié)儀的誤差及制樣差異影響試驗結(jié)果,試驗前對固結(jié)儀進行標定,且土樣均采用平行試驗,若平行樣試驗結(jié)果相對誤差超過5%，則均重新制樣,直到試驗結(jié)果達到誤差允許范圍為止,最終試驗結(jié)果取平行樣平均值進行分析,從而保證試驗結(jié)果的可靠性。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 壓縮試驗結(jié)果

通過重塑膨潤土試驗所得e-lgσv′關(guān)系曲線(圖2)研究初始孔隙比對壓縮性的影響, 隨著豎向有效應(yīng)力的增加, 不同初始孔隙比飽和重塑膨潤土的壓縮曲線由彈性狀態(tài)逐漸地過渡為彈塑性狀態(tài), 在較大應(yīng)力時壓縮曲線趨勢趨于一致。e-lgσv′曲線中,較大初始孔隙比的壓縮曲線趨于直線,而初始孔隙比較小的壓縮曲線形狀呈現(xiàn)類似天然沉積粘土的倒“S”形曲線。

圖2 膨潤土e-lg σv′曲線

天然沉積粘土具有一個固結(jié)屈服壓力,當(dāng)豎向應(yīng)力小于該力時,壓縮性較小,壓縮曲線較為平緩;而豎向應(yīng)力超過該固結(jié)屈服壓力時,壓縮性不斷增加,壓縮曲線陡然下降,從而使壓縮曲線呈現(xiàn)倒“S”形。由類似于天然沉積粘土的倒“S”形壓縮曲線,可以推斷重塑膨潤土也具有一個固結(jié)屈服壓力。另一方面,由壓縮曲線求得的壓縮系數(shù)(圖3)可以發(fā)現(xiàn)，大初始孔隙比的壓縮系數(shù)是不斷減小的,而當(dāng)初始孔隙比達到一定值時,試樣的壓縮系數(shù)先增大后減小, 呈現(xiàn)一個峰值

圖3 膨潤土不同孔隙比的壓縮系數(shù)

點,初始孔隙比越小時，此現(xiàn)象越發(fā)明顯；而荷載達到200kPa后，壓縮系數(shù)基本趨于一致。壓縮系數(shù)的峰值點情況對應(yīng)類似天然沉積粘土的倒“S”形壓縮曲線中的陡然下降部分,再次解釋了重塑膨潤土如天然沉積粘土般具有結(jié)構(gòu)性[10-12]。

由e-lgσv′壓縮曲線可看出,最大與最小初始孔隙比試樣在荷載全部加載完成后,最終的孔隙比仍分別為最大與最小,即試樣初始孔隙比的大小決定了最終孔隙比的趨勢。這是由于重塑膨潤土具有結(jié)構(gòu)性,存在固結(jié)屈服壓力,不同初始孔隙比試樣具有不同的固結(jié)屈服壓力。大初始孔隙比的屈服壓力小于小初始孔隙比的屈服壓力,固結(jié)壓縮時要克服屈服壓力。當(dāng)豎向荷載達到或者超過屈服壓力時,隨著豎向變形的不斷增大,試樣也不斷地壓實,土樣內(nèi)部顆粒的排列更加緊密,則壓縮變形需要克服的阻力也不斷地增加,最終不同初始孔隙比的試樣壓縮系數(shù)趨于一致。所以在豎向荷載超過一定值后,重塑膨潤土的壓縮曲線規(guī)律基本相同,近乎是平行的直線。

壓縮曲線如此分明的關(guān)系, 量化表現(xiàn)為試驗加載到4 000 kPa后, 最大的孔隙比差甚至還有0.25, 并未完全壓實。 產(chǎn)生如此結(jié)果的原因是膨潤土是一種高塑性、 高壓縮性粘土, 主要成分為蒙脫石, 晶胞是2層硅氧四面體中間夾1層鋁氫氧八面體層構(gòu)成的3層結(jié)構(gòu), 晶胞間以分子間相互作用力相連接, 連接力較弱, 水分子可以進入到晶胞間。 蒙脫石的晶格是活動的, 吸水膨脹、 脫水收縮。 不同初始孔隙比的重塑土樣, 其中的大孔隙、 中孔隙、 微孔隙、 超微孔隙的分布與所占比例都不相同； 孔隙大小不同, 隨著豎向荷載的變化特征也不同, 直觀的表現(xiàn)為壓縮特性的不同[13]。 大初始孔隙比的試樣含有的大、 中孔隙多于小初始孔隙比的試樣, 在低荷載時, 大初始孔隙比的壓縮系數(shù)較大則試樣壓縮迅速, 大、 中孔隙中包裹的水比較多, 其中來不及排出而形成小孔隙水包, 而初始孔隙比大的試樣形成的水包無論在體積和數(shù)量上都比初始孔隙比小的試樣多。 隨著豎向荷載的不斷增加, 雖然水包體積也不斷減小, 但土樣也不斷壓實, 水包被包裹的更加嚴密, 水包中的水排出也更加困難, 從而影響土樣的壓縮。 當(dāng)壓縮試驗豎向荷載增加到一定量時, 孔隙間的自由水不斷排出,隨著孔隙的不斷變小, 壓實度也不斷變大, 自由水基本被固結(jié)排出。 只有荷載再不斷增大時, 晶胞間的結(jié)合水才會排出, 最終才會使壓縮曲線趨于一點,從而使土樣完全壓實。

2.2 壓縮曲線歸一化

(3)

(4)

Iv對重塑飽和膨潤土可以進行良好的歸一化(圖4),當(dāng)荷載超過100 kPa時,壓縮曲線基本趨于一致。Iv是基于對不同的初始含水率的粘土壓縮特性研究提出來的,Burland通過調(diào)制一定液限倍數(shù)含水量的泥漿,固結(jié)排水得到不同初始孔隙比的試樣。膨潤土的壓縮試驗通過壓實制樣控制干密度從而得到有梯度差的孔隙比試樣。膨潤土的壓縮試驗與Burland的試驗對比,最大的不同之處是制樣方法,但最終得到的都是不同的初始孔隙比對壓縮曲線的影響。兩者用的土都屬于軟土,歸一化結(jié)果說明泥漿固結(jié)排水制樣與壓實制樣不影響土的固有物理力學(xué)性質(zhì)。Iv適用于軟土的壓縮曲線歸一化,具有一般性。

圖4 重塑膨潤土的Iv-lg σv′

與此同時,Burland還提出了固有壓縮曲線(intrinsic compression line, ICL),表征土的壓縮特性,其僅與土的基本性質(zhì)有關(guān),表達式如下:

IICL=2.45-1.285lgσv′+0.015(lgσv′)3。

(5)

由圖5可以發(fā)現(xiàn),與Iv歸一化孔隙比的壓縮曲線對比,固有壓縮曲線在大于重塑土的屈服壓力后能很好地對壓縮曲線進行擬合,進一步說明Burland的理論適用于重塑膨潤土,從而可以利用ICL對不同初始孔隙比的重塑飽和膨潤土壓縮曲線進行歸一化。

圖5 重塑膨潤土的歸一化曲線

3 結(jié) 論

(1)重塑飽和膨潤土在e-lgσv′壓縮曲線呈現(xiàn)類似于天然沉積粘土的倒“S”形壓縮曲線,如天然沉積粘土般的結(jié)構(gòu)性,存在固結(jié)屈服壓力。不同初始孔隙比的壓縮曲線存在明顯差異,曲線并未趨于一點,初始孔隙比大的壓縮曲線位于初始孔隙比小的壓縮曲線上方。4 000 kPa荷載下,不同初始孔隙比的試樣孔隙比依然存在較大孔隙比差,并未完全壓實。

(2)對不同初始孔隙比的重塑飽和膨潤土壓縮曲線進行歸一化,由Burland的固有壓縮理論,當(dāng)荷載超過重塑土的固結(jié)屈服壓力時,可以對壓縮曲線進行良好的歸一化,而Burland提出的固有壓縮曲線ICL也能對孔隙指數(shù)歸一化后的壓縮曲線進行良好的擬合。

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Effect of initial water contents on the compressibility of remolded bentonite

LU You-qian,WEI Chang-fu,YAN Rong-tao,TANG Shuang-hui,XIANG Rui

(a.Guangxi Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering;b.Guangxi Key Laboratory of New Energy and Building Energy Saving, Guilin University of Technology,Guilin 541004,China)

As the increasingly apparent disease in the engineering construction in soft soil foundation, and insufficient study,8 groups of different dry density samples were prepared by compaction method for the project improvement. The compression properties of different initial void ratios were studied to remold saturated bentonite. It is found that bentonite compression curve shapes like an“S”which exists in natural sedimentary soil structural yield pressure and consolidation. Due to the intrinsic characteristics of bentonite and the influence of pore size distribution,there are obvious differences with different ratios in the compression curves.The compression curve of big initial void ratio is located above the small initial void ratio. According to the inherent Burland compression theory, it is good to reshape the saturation of bentonite normalization.

bentonite; void ratio;compressibility;constitutive property; normalization

1674-9057(2015)04-0850-05

10.3969/j.issn.1674-9057.2015.04.026

2015-05-08

廣西自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究團隊項目(2012GXNSFGA060001); 廣西自然科學(xué)基金重大項目(2012GXNSFEA053002); 廣西自然科學(xué)基金項目(2014GXNSFBA118236)；廣西研究生教育創(chuàng)新計劃項目(YCSZ2015159)

盧有謙(1988—),男,碩士研究生,研究方向:環(huán)境巖土工程,912407300@qq.com。

韋昌富,博士,教授,cfwei@whrsm.ac.cn。

盧有謙,韋昌富,顏榮濤,等.初始孔隙比對重塑膨潤土壓縮特性的影響[J].桂林理工大學(xué)學(xué)報，2015,35(4):850-854.

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