壓縮過程中飽和原狀和飽和重塑黃土孔隙分布變化特征

孔金鵬, 胡海軍, 樊恒輝

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院,陜西 楊凌 712100)

壓縮過程中飽和原狀和飽和重塑黃土孔隙分布變化特征

孔金鵬, 胡海軍, 樊恒輝

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院,陜西 楊凌 712100)

為從微觀孔隙分布角度上解釋飽和原狀黃土與飽和重塑黃土在相同應(yīng)力狀態(tài)下宏觀變形的差異、在相近孔隙比下孔隙分布的差異以及所經(jīng)歷應(yīng)力路徑的差異,針對(duì)這二個(gè)目的，對(duì)涇陽崔師飽和原狀黃土和飽和重塑黃土進(jìn)行一維壓縮和等向壓縮試驗(yàn)并進(jìn)行相同應(yīng)力狀態(tài)及相近孔隙比下的壓汞試驗(yàn)。研究結(jié)果表明:涇陽崔師黃土孔隙分布呈三峰分布,重塑黃土孔隙分布呈兩峰分布;相同應(yīng)力狀態(tài)下,兩者粒間孔隙差異大而粒內(nèi)孔隙基本相同,隨著壓力的增加,兩者粒間孔隙逐漸相近,宏觀變形的差異體現(xiàn)在粒間孔隙的差異;相近孔隙比下,二者孔隙分布差異不大但經(jīng)歷的應(yīng)力路徑差異很大。

黃土; 孔隙分布; 粒間孔隙; 粒內(nèi)孔隙

0 引言

由于原狀黃土存在結(jié)構(gòu)性,其與重塑黃土相比受荷過程中宏觀變形上存在差異[1-2]。在荷載作用下,原狀黃土的膠結(jié)結(jié)構(gòu)逐漸向非膠結(jié)結(jié)構(gòu)變化,在此過程中產(chǎn)生的變形可視為微結(jié)構(gòu)由膠結(jié)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)產(chǎn)生的塌陷變形[3];而飽和重塑黃土的力學(xué)特性較符合修正劍橋模型,且在等應(yīng)力比下顆粒間孔隙體積的調(diào)整隨平均應(yīng)力變化符合指數(shù)變化規(guī)律。那么原狀黃土與重塑黃土在相同應(yīng)力狀態(tài)下宏觀變形的差異體現(xiàn)在微觀孔隙分布上有何不同？?jī)烧咴谙嘟紫侗认碌目紫斗植技捌渌?jīng)歷的應(yīng)力路徑有何差異？本文擬借助壓汞試驗(yàn)測(cè)試孔隙分布來研究這些問題。壓汞試驗(yàn)是基于汞這種非浸潤(rùn)性液體在真空下隨著壓力的升高侵入孔隙的原理[4]進(jìn)行的。已有很多學(xué)者應(yīng)用其研究土的微觀結(jié)構(gòu),如雷祥義[5]利用壓汞試驗(yàn)分析了西安附近黃土孔隙特征;談云志等[6]利用壓汞試驗(yàn)分析不同壓實(shí)度下紅黏土孔隙分布的異同點(diǎn);蔣明鏡等[7]利用壓汞試驗(yàn)對(duì)不同應(yīng)力路徑前后黃土孔隙變化進(jìn)行了研究。

1 試樣與試驗(yàn)方案

1.1 試樣土體及土體物理特性

選取陜西涇陽太平鎮(zhèn)崔師村某磚廠的晚更新世Q3黃土作為試驗(yàn)土體,其取土深度約3～4 m。該土體物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所列。重塑土料采用對(duì)原狀黃土風(fēng)干、粉碎、過篩并配至17%含水率,靜置2天后用擊實(shí)法制備相同干密度的重塑土環(huán)刀樣和三軸樣。

表1 涇陽崔師黃土的物理性質(zhì)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方案

對(duì)抽真空飽和后的原狀樣和重塑樣進(jìn)行一維壓縮和等向壓縮試驗(yàn),在結(jié)構(gòu)屈服之前荷載施加增量小,結(jié)構(gòu)屈服之后施加荷載增量增大。壓汞試驗(yàn)選擇相同應(yīng)力狀態(tài)下的飽和原狀黃土和飽和重塑黃土試樣,以及加、卸載后相近孔隙比的飽和原狀黃土和飽和重塑黃土試樣。

對(duì)進(jìn)行微觀試驗(yàn)的試樣,用很薄的刀片切出1 cm×1 cm×1 cm大小的土樣作為壓汞試驗(yàn)備用樣。進(jìn)行壓汞試驗(yàn)的試樣必須保持干燥,而飽和黃土壓縮后其含水率仍然較高,因此使用液氮干燥法干燥試樣。首先將試樣放入盛有液氮的皿盒里,由于液氮的溫度(-210 ℃)是在水的冰點(diǎn)之下,因此試樣中的水迅速變成冰,使得樣品的體積發(fā)生極其微小的變化[8],然后在真空缸里面抽真空,使得冰升華。

壓汞試驗(yàn)分低壓分析和高壓分析。

壓汞試驗(yàn)分析采用毛細(xì)管模型。根據(jù)拉普拉斯方程推導(dǎo)出進(jìn)汞壓力與孔隙孔徑的關(guān)系:

(1)

其中:PC為進(jìn)汞壓力;σ為毛細(xì)管內(nèi)兩相界面上的界面張力,本試驗(yàn)取480 dyn/cm;θ為水銀的濕潤(rùn)接觸角,取130°。試驗(yàn)使用的是AutoPoreIV9500壓汞儀,其量測(cè)的孔隙直徑范圍為0.005～180 μm。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 宏觀試驗(yàn)結(jié)果

圖1給出了飽和原狀土和重塑土一維壓縮試驗(yàn)中的e-lgp和等向壓縮的v-lnp曲線。從圖中可以看出飽和原狀黃土具有轉(zhuǎn)折點(diǎn)而飽和重塑黃土基本不具有轉(zhuǎn)折點(diǎn),這與已有試驗(yàn)資料結(jié)果相同。根據(jù)Gasagrande法可以得到飽和原狀黃土先期固結(jié)壓力PC[9],其中一維壓縮中豎向屈服應(yīng)力PC為61.3 kPa,等向壓縮中等向固結(jié)屈服應(yīng)力PC為59.8 kPa。

2.2 相同壓力下原狀和重塑黃土孔隙分布分析

為分析原狀土結(jié)構(gòu)屈服前后與重塑土在相同壓力下的孔隙分布差異,選取初始樣、50、100及400 kPa壓力下的試樣進(jìn)行壓汞分析。圖2給出了原狀和重塑土一維壓縮各個(gè)壓力下的孔隙分布曲線,其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ代表原狀黃土的峰;①、②代表重塑黃土的峰。

從圖2中可以看到天然黃土呈三峰分布,分別對(duì)應(yīng)粒內(nèi)孔隙、粒間孔隙和孤立孔隙,這與已有試驗(yàn)資料中雙峰分布對(duì)應(yīng)的粒間孔隙和粒內(nèi)孔隙[7]不同,這源于土樣有較多直徑較大的孤立孔隙(圖3)。原狀黃土表面存在一些肉眼可以清晰分辨的孔隙,而重塑黃土表面則沒有,這些孔隙與通常所說的粒間孔隙尺寸有所差異,因此呈現(xiàn)第三峰分布。圖2中重塑黃土孔隙分布測(cè)試數(shù)據(jù)有些波動(dòng),從規(guī)律上看基本呈雙峰分布,體現(xiàn)了粒內(nèi)孔隙和粒間孔隙特性。在一維壓縮過程中,原狀黃土初始時(shí)Ⅰ、Ⅱ峰移動(dòng)不大,隨著豎直壓力的增大,原狀黃土的Ⅲ峰峰值逐漸減少,在400 kPa豎向壓力作用時(shí)消失,說明孤立的大直徑孔隙逐漸減少,直至其消失[圖2(d)];而重塑黃土的②峰則在越來越大的應(yīng)力作用下明顯向左、向更小的孔隙移動(dòng),具體體現(xiàn)為豎向壓力0 kPa時(shí)的②峰對(duì)應(yīng)的是孔徑30.2 μm的孔隙,而豎向壓力400 kPa時(shí)的②峰對(duì)應(yīng)的是2.5 μm孔徑的孔隙;此外,在壓縮過程中原狀黃土Ⅰ峰和重塑黃土①峰峰值幾乎重合,且在粒內(nèi)孔隙的孔徑范圍<0.08 μm時(shí)二者孔隙分布幾乎重合。0.08 μm可以定義為粒內(nèi)孔隙與粒間孔隙的分界孔徑，也即研究的粒內(nèi)孔隙的孔徑范圍是0.005～0.08 μm時(shí),粒間孔隙的孔徑范圍是0.08～180 μm。

圖1 原狀和重塑黃土壓縮回彈曲線Fig.1 Curves of e-lgp and v-lnp of intact and remoulded loess

圖2 一維壓縮下原狀和重塑黃土孔隙分布曲線Fig.2 Pore size distribution curves of intact and remoulded loess under one-dimensional compression

圖3 100 kPa固結(jié)壓力后的原狀土和重塑土Fig.3 Intact and remoulded loess surfaces under consolidation pressure of 100 kPa

表2給出了飽和原狀黃土和飽和重塑黃土粒內(nèi)和粒間孔隙的分布密度。這里將分布密度定義為

每克土中某一孔徑的孔隙的體積。由表2可見,原狀黃土和重塑黃土的粒內(nèi)孔隙的分布密度基本位于0.058 mL/g左右,粒間孔隙的分布密度隨著壓力的增加變化明顯,說明在一維壓縮過程中二者的粒間孔隙塌陷,而粒內(nèi)孔隙基本不變。豎直壓力從0變化到100 kPa時(shí)原狀黃土的粒間孔隙從0.326 mL/g減少到0.285 mL/g,變化了12.6%,而重塑黃土的粒間孔隙從0.307 mL/g減少到0.144 mL/g,變化了53.1%;豎直壓力從100 kPa變化到400 kPa時(shí),原狀黃土的粒間孔隙從0.285 mL/g減少到0.235 mL/g,變化了17.5%,而重塑黃土從0.144 mL/g減少到0.113 mL/g,變化了21.5%,說明了原狀黃土的粒間孔隙結(jié)構(gòu)在低壓力下較為穩(wěn)固,而在壓力升高的趨勢(shì)下逐漸失穩(wěn)。

表2 一維壓縮下原狀和重塑黃土粒間和粒內(nèi)孔隙分布特征

等向壓縮試驗(yàn)呈現(xiàn)出類似的結(jié)果,為節(jié)省篇幅,這里僅給出等向固結(jié)壓力50 kPa和400 kPa下的孔隙分布曲線,如圖4所示。等向壓縮下原狀黃土在低應(yīng)力作用下呈三峰分布,σ3=400 kPa時(shí)Ⅲ峰消失;原狀黃土Ⅰ峰與重塑黃土①峰依舊重合,從粒內(nèi)孔隙分布密度來看,二者基本在0.058 mL/g左右浮動(dòng),這與一維壓縮相同壓力狀態(tài)下其孔隙分布特征相同。

2.3 相近孔隙比下原狀和重塑黃土孔隙分布分析

為研究等向壓縮下原狀黃土和重塑黃土在相近孔隙比下的孔隙分布差異,首先選定原狀土三個(gè)壓力,然后參照v-lnp曲線找出與原狀土孔隙比相同時(shí)重塑土對(duì)應(yīng)的壓力值。但壓汞試驗(yàn)需要卸載取樣,土體在卸載時(shí)會(huì)回彈。通過處理原狀土和重塑土回彈數(shù)據(jù),得到兩者的κ基本相同,所以取原狀土回彈線與重塑土壓縮線的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓力值即為與原狀土孔隙比相近時(shí)重塑土對(duì)應(yīng)的壓力值。由此得到相近孔隙比下,飽和原狀土200、400及800 kPa分別對(duì)應(yīng)重塑土15、68和250 kPa。為驗(yàn)證此方法的適用性,根據(jù)飽和土在壓縮和回彈過程中依舊飽和,按式(2)計(jì)算卸載后試樣的孔隙比,得到上述固結(jié)試樣卸載后的孔隙比(表4)?？梢娚鲜龇椒苫镜玫娇紫侗认嘟脑嚇?。

(2)

表4 回彈后原狀土與重塑土孔隙比的比較

圖5 相近宏觀孔隙比下孔隙分布曲線Fig.5 Curves of pore size distribution of intact and remoulded loess under similar macro-void ratio

表5給出了原狀和重塑土粒間孔隙分布密度差異。從結(jié)果上來看,相近孔隙比下二者的粒內(nèi)孔隙基本相同,而粒間孔隙有一定的差異,但差異不大。比較原狀土與重塑土在受荷過程中粒間孔隙密度的差值,發(fā)現(xiàn)其從大到小依次為0.046 mL/g、0.040 mL/g、0.030 mL/g,差異不大。然而達(dá)到相近孔隙比時(shí),飽和原狀黃土和飽和重塑黃土經(jīng)歷的應(yīng)力路徑卻相差較遠(yuǎn)。

表5 相近孔隙比下原狀和重塑黃土粒間、粒內(nèi)孔隙分布特征

3 總結(jié)

通過分析一維壓縮和等向壓縮下飽和原狀黃土和飽和重塑黃土的微觀孔隙分布特征(0.005～180 μm),得到如下結(jié)論:

(1) 天然黃土呈三峰分布,重塑黃土呈兩峰分布;在壓縮受荷過程中,原狀黃土的第三峰隨著應(yīng)力的增大逐漸減小,最后消失。對(duì)于最高峰而言,重塑黃土的最高峰向左移動(dòng)明顯(向更小孔隙方向),原狀黃土的變化沒有重塑黃土突出;最低峰而言,原狀黃土和重塑黃土變化都不大。

(2) 分析相同應(yīng)力路徑下的原狀黃土和重塑黃土的孔隙分布特征,可以發(fā)現(xiàn)粒內(nèi)孔隙的分布密度在壓縮過程中幾乎沒有變化,而粒間孔隙的分布密度隨應(yīng)力的增大而減小。

(3) 對(duì)比相近孔隙比下的原狀黃土和重塑黃土的粒間孔隙分布密度,可以得到兩者具有相近的孔隙分布,但飽和原狀黃土和飽和重塑黃土經(jīng)歷的應(yīng)力路徑有很大差異。

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Pore Distribution Characteristics of Saturated Intact and Saturated Remolded Loess under Compression

KONG Jin-peng, HU Hai-jun, FAN Heng-hui

(CollegeofWaterResourcesandArchitecturalEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling712100,Shaanxi,China)

This study analyzes differences in macro-deformation between saturated intact loess and saturated remolded loess under the same stress state from the perspective of micro-pore distribution. Moreover, the study analyzes differences in the micro-pore size distribution between saturated intact loess and saturated remolded loess in a similar void ratio. Mercury intrusion tests are conducted on saturated intact and remolded loess in Cuishi village, Jingyang county, after one-dimensional and isotropic compression under the state of same stress and a similar void ratio. Results show that (1) The pore distribution of Jingyang intact loess has three peaks while that of remolded loess has two peaks. Moreover, there are differences in the highest peak changes in the remolded loess as compared with that of the intact loess. (2) Under the same stress state, the volume of intra-particle pores is similar in both loess samples but that of the interparticle pores is different. With an increase in stress, the volume of interparticle pores of both specimens becomes more similar, and differences in the macro-deformation are reflected in the differences between the interparticle pores. (3) Under a similar void ratio state, the pore distribution of the two loess samples are similar, but their stress paths are considerably different.

loess; pore size distribution; interparticle pore; intraparticle pore

2016-09-27 基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51409220)；西北農(nóng)林科技大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2014YB049)

孔金鵬(1994-)，男，在讀碩士，研究方向?yàn)闃锻料嗷プ饔谩-mail：414065204@qq.com。

胡海軍(1982-)，男，博士，講師，主要從事結(jié)構(gòu)性黃土的宏微觀特性、離散元宏微觀數(shù)值試驗(yàn)方面的研究。 E-mail:hu.hai-jun@163.com。

TU411

A

1000-0844(2016)06-0903-06

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.04.0903