紅黏土崩解特性試驗研究

曾慶建,劉寶臣,張炳暉,熊俊豪,肖適德

(1.桂林理工大學土木與建筑工程學院,廣西 桂林 541004；2.中鐵二十四局集團有限公司,上海 200071)

崩解現(xiàn)象的產(chǎn)生,是因為土體沒入水中之后,水進入孔隙或裂隙中的情況不平衡,導致粒間擴散層增厚的速率不一致,使得粒間各處斥力超過吸力的情況各不相同,從而產(chǎn)生了應力集中,使土體沿著斥力超過吸力最大的面崩落下來[1]。

國內(nèi)外很多學者在巖土崩解特性的研究中取得了一定的成果。Gamble[2]認為巖石崩解是因為濕度及溫度的變化導致的,且濕度變化為主要控制因素；Yamaguchi等[3]證明了假如沒有水的遷移,溫度的改變幾乎不會對巖石的崩解產(chǎn)生影響；簡文彬等[4]采用浮筒法進行土體崩解試驗時,提出了崩解量計算公式,經(jīng)過進一步的完善已經(jīng)被國內(nèi)大多數(shù)試驗規(guī)程所采用；張抒等[5]采用改進后的浮筒法進行了花崗巖殘積土的崩解試驗研究,考慮了土中氣體對試驗的影響,并假設氣體是均勻分布在土體中,且在整個試驗過程中是勻速溢出的；蘭澤鑫[6]采用質(zhì)量法進行了土的崩解試驗研究,做了專門的吸水試驗進一步考慮了土中氣體所產(chǎn)生的影響；陳東等[7]解決了水的波動對浮筒讀數(shù)的影響。顏波等[8]認為土體中孔隙氣壓力大于有效應力時,土體會產(chǎn)生崩解破壞；談云志等[9]認為初始壓實狀態(tài)對紅黏土的變形影響顯著,其變形過程可以分為啟動、加速和穩(wěn)定三個階段。張澤等[10]對不同含水率的亞黏土進行了崩解試驗研究,發(fā)現(xiàn)當初始含水率接近風干含水率時,土體在完全崩解的過程中,崩解敏感性較強；在初始含水率接近天然含水率的情況下,土樣在不完全崩解的過程中崩解敏感性較弱。郭永春等[11]研究了紅層泥巖崩解,提出了其崩解過程可分為開挖揭露、溫度效應、水效應、時間效應以及剝落作用五個階段。

目前對于土體的崩解研究主要集中在膨脹土、殘積土、黃土的研究上,對于紅黏土的崩解特性的研究甚少,需要研究人員對此進行深入研究。本文利用自制的試驗裝置,考慮紅黏土吸水增重的影響,提出了新的崩解量計算公式,分析了含水率和溫度對紅黏土崩解的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試樣來源與制備

本次試驗所用的紅黏土取自桂林雁山區(qū)某處工地,取樣深度30～90 cm。試驗用土的基本物理性質(zhì)見表1,顆粒分析結(jié)果見圖1。制備含水率為0%、3.5%、5.7%、12.2%、18.6%、25.1%的試樣。考慮不同季節(jié)雨水溫度略有差異,并為了放大溫度的影響效果,因此選定不同水溫進行試驗并比較結(jié)果,水溫設定為0 ℃、15 ℃、30 ℃、60 ℃。

表1 紅黏土的基本物理指標Table 1 Basic physical indicators of red clay

圖1 顆粒分析試驗結(jié)果Fig.1 Results of particle analysis test

1.2 試樣儀器與試驗方法

1.2.1試驗儀器

試驗設備主要包括：電子天平,量程1 000 g,分度值0.01 g；電子測力計,量程2 000 g,分度值1 g；鐵絲間距20 mm的鐵質(zhì)網(wǎng)板,尺寸為25 cm×32 cm；水缸2個,尺寸為50 cm×35 cm×35 cm和65 cm×40 cm×40 cm；計算機。其他部件還包括自制支架和配重,用于固定測力計并確保其處于垂直狀態(tài)；秒表,用于人工記錄時間和測力計數(shù)據(jù),校驗和檢查數(shù)據(jù)以避免錯誤。

圖2 試驗儀器設備圖Fig.2 Pictures showing the test instruments and equipment

1.2.2基本原理

崩解反應是一個復雜過程,試樣浸沒后,水或溶液滲入、孔隙氣體排出及土顆粒吸附水等過程都在同時進行。本文從宏觀角度考慮,建立模型,用吸水增重-時間曲線來修正崩解試驗數(shù)據(jù),得出崩解量-時間關系曲線。

試驗前先將各部分儀器擺放好位置,檢查測力計的感應指針方向是否垂直。掛載網(wǎng)板,檢查網(wǎng)板是否處于水平狀態(tài),并調(diào)整至適當高度。測力計和計算機開機并聯(lián)通,啟動記錄軟件,在待命狀態(tài)等候。每次試驗的土樣均分為2等份,分別用于同一組試驗中的吸水試驗和崩解試驗。

崩解試驗：入水前用天平稱量試樣的質(zhì)量并記錄。記錄測力計掛載網(wǎng)板并浸入水中后的空載讀數(shù)。將試樣放入水中后測力計和計算機立即開始采集并記錄數(shù)據(jù),同時開動秒表。試驗進行過程中做好觀測和文字描述,同時拍攝照片并記錄拍攝時間。每3～5 min手動記錄一次測力計的讀數(shù),用于試驗后核對數(shù)據(jù),若出現(xiàn)錯誤則重新進行。網(wǎng)板上無任何殘余試樣或剩余試樣長時間不再變化并且測力計讀數(shù)也不發(fā)生改變時,試驗結(jié)束,可以得出崩解量-時間曲線。

吸水試驗：入水前先用天平稱量試樣的質(zhì)量并記錄。將試樣裝入容器中,并用濾紙封住容器口或包裹住試樣,以防土顆粒逸散到水中,導致試樣質(zhì)量減少,其余操作與崩解試驗相同。當測力計讀數(shù)長時間不再變化時,試驗結(jié)束,可以得出吸水量-時間曲線。

最后再用吸水試驗的結(jié)果修正崩解量-時間關系曲線,得到最終的土體崩解試驗結(jié)果。

修正后土體的崩解量為：

(1)

式中：T0——t=0時測力計受到的拉力/N；

Tt——t時刻測力計受到的拉力/N；

yt——t時刻崩解量。

Δmt=mt-m0

(3)

(3)

式中：Δmt——吸水試驗t時刻試樣增重值/N；

m0——吸水試驗t=0時測力計讀數(shù)/N；

mt——吸水試驗t時刻測力計讀數(shù)/N；

Mx——用于吸水試驗的試樣在空氣中的質(zhì)量/g；

Mb——用于崩解試驗的試樣在空氣中的質(zhì)量/g。

圖3 崩解曲線對比圖Fig.3 Contrast map of disintegration curve

2 試驗結(jié)果及分析

崩解速度取決于兩個因素：一是局部集中應力的大小,二是土體的強度。前者取決于土粒擴散層的厚度,后者取決于土的結(jié)構(gòu)、膠結(jié)程度等[12]。相比其他類型土的崩解[13～14],桂林地區(qū)紅黏土崩解過程中的特點是水體非常清澈,懸浮在水中的固體顆粒較少(圖4)。僅僅在較高溫度和含水率很低的情況下才會出現(xiàn)較多固體顆粒長時間懸浮于水中、水體變渾濁的情況。另外,崩落下來的土多呈片狀和塊狀,因試驗條件的不同其團粒大小也不同,多見直徑1～30 mm之間,這是紅黏土中黏粒含量高造成的。當含水率較大時,紅黏土的崩解量曲線容易出現(xiàn)突變,這是由大塊土粒掉落所致。

圖4 試樣崩解圖Fig.4 Photographs of disintegration

2.1 不同含水率對紅黏土崩解性的影響

室溫15 ℃下不同含水率的紅黏土崩解量-時間曲線(圖5)總體規(guī)律是最終崩解量以及崩解速率均隨含水率的增加而減小。當先期含水率達到25%后,試樣基本不再具有崩解性。

圖5 不同含水率試樣崩解曲線Fig.5 Disintegration curves with various water content

圖5表明含水率對土體崩解的影響顯著,土體越干燥,崩解速率、最終崩解量都越高。隨著土體中水分含量的增加,紅黏土的崩解性迅速降低,當含水率高于5.7%后,土體在2 h不能達到完全崩解。崩解曲線在整體上符合倒S型規(guī)律,即“初始-穩(wěn)定-完成”三個階段。但在含水率較低和較高時都不明顯,這是因為試驗中崩解量是由測力計傳回的數(shù)據(jù)決定的,而單塊黏土團粒掉落下網(wǎng)板在時間上有一定的隨機性,在低含水率的試驗中表現(xiàn)為曲線的波動；在含水率較高的情況下,因為最終崩解量小,崩解量的上升主要是由特定幾塊較大團粒掉落造成,這在崩解曲線中體現(xiàn)為某一時較短段內(nèi)的突然增長,而多數(shù)時間中曲線較為平穩(wěn)。表2為各試樣的完全崩解平均速率、崩解穩(wěn)定階段平均速率以及在2 h試驗時間內(nèi)的最終崩解剩余量。

表2 各試樣崩解速率及剩余崩解量Table 2 Rate of disintegration and the amount of residual disintegration of contents

土樣隨著含水率減小崩解速率和崩解量增加主要原因有二：一是含水率低的土體投入水中時,土體膨脹不均勻,有助于崩解的發(fā)生。二是干燥土體投入水中時土樣的四周立即飽水軟化,強度降低,而土體內(nèi)部含水率仍然較低；在進一步對內(nèi)部土體的飽水過程當中,結(jié)合水膜逐漸擴大,原儲存于孔隙中的空氣被排擠出來,空氣在擠出過程中,對已處于飽水軟化狀態(tài)的土體表層產(chǎn)生破壞,土體因此迅速崩解。這個規(guī)律也說明了為什么久旱后逢大雨,容易發(fā)生巖溶塌陷的普遍現(xiàn)象。

2.2 不同溫度對紅黏土崩解性的影響

0%、5.7%含水率的紅黏土試樣在不同水溫中的崩解-時間關系圖(圖6)表明,室溫和0 ℃兩種溫度下的崩解曲線較為接近,水溫對崩解的影響較小,在自然環(huán)境下紅黏土的崩解對溫度不敏感。當溫度達到30 ℃及以上時崩解過程明顯加快,說明高溫對紅黏土崩解有較大的影響。圖6中0 ℃試樣在30 min內(nèi)未達到完全崩解,是由于一些較大的土?？ㄔ诰W(wǎng)板鐵絲之間未能落下,通過肉眼觀察,土體已經(jīng)出現(xiàn)明顯大的裂隙,并且相互貫通,此時可以看作整個土體是由許多小土塊堆積而成,但它們并沒有散落,而是相互疊加在一起,因此測力計也還有讀數(shù),實際上可以認為此時已經(jīng)崩解完成,因為土塊間只是松散堆積的關系,并沒有聯(lián)結(jié)。土塊大小為2～4 cm。

圖6 含水率0%(a)、5.7%(b)試樣在不同溫度下的崩解-時間關系Fig.6 Collapsing-time relationship of water content of 0%(a) and 5.7%(b) at different temperatures

2.3 影響崩解的主要因素

圖7 不同含水率、溫度條件下試樣崩解-時間曲線Fig.7 Disintegration-time curve of samples under different moisture content and temperatures

為進一步確定產(chǎn)生崩解的主要因素,將不同含水率和溫度下的崩解試驗結(jié)果匯總。選取含水率為0%、5.7%兩種試樣在0 ℃、15 ℃、30 ℃水溫下的崩解曲線進行對比(圖7)?？傮w上來說含水率占據(jù)紅黏土崩解因素中的主要地位。將它們按照含水率分成上下兩組,每組中試樣的崩解曲線又符合溫度越高吸水量越多的規(guī)律。從兩種含水率試樣的完全崩解平均速率和崩解穩(wěn)定階段平均速率與溫度的關系圖中(圖8～9)可以看出,崩解速率在0 ℃和15 ℃時基本相同,當溫度進一步升高時才產(chǎn)生明顯變化,且含水率低的試樣崩解速率大于含水率高的試樣。這充分說明了在自然氣候范圍內(nèi),含水率是土體崩解的主要影響因素。

圖8 不同含水率紅黏土的完全崩解平均速率Fig.8 Average rate of complete disintegration of red clay with different moisture content

圖9 不同含水率紅黏土的崩解穩(wěn)定階段平均速率Fig.9 Average rate of disintegration stabilization phase of red clay with different moisture content

3 結(jié)論

(1)利用自制試驗儀器開展紅黏土崩解試驗,考慮試驗過程中土體吸水增重的影響,提出了新的崩解量計算公式。

(2)含水率越低,崩解現(xiàn)象越明顯,當含水率小于3%時,試樣可在40 min內(nèi)完全崩解；當含水率小于5%時,崩解非常劇烈,最終崩解量大；當含水率大于25%后,土體在2 h的試驗時間內(nèi)基本不發(fā)生崩解,這可以為久旱突遇大雨后巖溶塌陷多發(fā)的現(xiàn)象提供理論依據(jù)。

(3)高溫對紅黏土崩解有較大的影響,當溫度達到30 ℃及以上時崩解過程明顯加快。但在0～15 ℃范圍內(nèi)水溫對崩解的影響較小。說明在自然環(huán)境下紅黏土的崩解對溫度不敏感。

(4)通過對含水率和水溫的綜合分析表明,在自然氣候條件可能達到的范圍內(nèi),含水率是影響桂林地區(qū)紅黏土崩解性的主要因素。

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