紅黏土脫鐵后的壓縮固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果分析

陳明，王月中

(1.湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201； 2.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

紅黏土是一種特殊性黏土[1-3]，土中含有大量的游離氧化鐵。氧化鐵的含量、形態(tài)不僅直接反映了成土過(guò)程和環(huán)境，而且對(duì)紅黏土的力學(xué)特性等具有重大影響[4-6]。呂海波、張先偉等[7-8]均指出氧化鐵對(duì)土團(tuán)聚體的形成起著重要的作用。趙亦婷等[9]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)游離氧化鐵對(duì)紅黏土變形與強(qiáng)度特性有很大影響。王繼莊[10]用化學(xué)方法除去試樣中的游離氧化鐵成分并與未“除鐵”的原樣進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)除鐵后紅黏土試樣性質(zhì)接近一般黏土，證實(shí)了紅黏土中游離氧化鐵的膠結(jié)作用。羅鴻禧[11]研究了游離氧化鐵對(duì)紅黏土工程地質(zhì)性質(zhì)的影響，試驗(yàn)證明，游離氧化鐵的膠結(jié)作用使黏性土的強(qiáng)度增加，壓縮性減小。同時(shí)指出，環(huán)境物理化學(xué)因素的變化會(huì)導(dǎo)致游離氧化鐵的破壞、變性或進(jìn)一步富集，從而使土的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生相應(yīng)變化。在自然條件下，降雨等作用使得紅黏土中游離氧化鐵的含量減少，從而影響土體的壓縮性，因此有必要進(jìn)行脫鐵后紅黏土的壓縮固結(jié)試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)所用的紅黏土取自貴州凱里至羊甲高速公路KT4合同段的一個(gè)開(kāi)挖過(guò)半的山頭。現(xiàn)場(chǎng)土樣呈褐紅色、硬塑狀。對(duì)土樣進(jìn)行顆分試驗(yàn)、界限含水率試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)和液塑限試驗(yàn)等室內(nèi)試驗(yàn)，獲得該黏土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)，列于表1。

表1 土樣基本物理指標(biāo)

采用DCB法[8]66對(duì)一部分土樣進(jìn)行去鐵處理，將土樣輪流與0.3 mol/L檸檬酸鈉、1 mol/L重碳酸氫鈉、過(guò)氧化氫試劑反應(yīng)。具體做法如下：試劑浸泡10 d，然后反復(fù)淋洗，去除上層液體，再換一種試劑重復(fù)以上操作，30 d為1個(gè)周期，共處理3個(gè)周期。取一部分脫鐵處理過(guò)的土樣進(jìn)行比重試驗(yàn)和輕型擊實(shí)試驗(yàn)得到其土粒比重為2.635，最優(yōu)含水率為29.09%，最大干密度為1.511 g/cm3。將脫鐵處理后的土樣風(fēng)干、碾碎，過(guò)2 mm的標(biāo)準(zhǔn)篩，加一定量的水拌和均勻，制成含水率分別為28%、30%、32%、34%的土料，置于塑料帶內(nèi)封閉靜置24 h，然后采用擊實(shí)法制得壓實(shí)度分別為70%、75%、80%、85%的環(huán)刀樣(內(nèi)徑61.8 mm，高20 mm)。在WG-1Q型全自動(dòng)氣壓固結(jié)儀上進(jìn)行高壓固結(jié)壓縮試驗(yàn)，每級(jí)壓力下的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為每小時(shí)變形不超過(guò)0.005 mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 孔隙比的變化規(guī)律

整理試驗(yàn)數(shù)據(jù),根據(jù)不同壓力p作用下達(dá)到的穩(wěn)定孔隙比e，繪制e-p曲線，如圖1所示。圖中w表示含水率，k為壓實(shí)度。由圖1可知：

1)孔隙比隨著壓力的增大而減小，最終趨于一個(gè)穩(wěn)定值。此外，孔隙比隨壓力變化的速率也越來(lái)越小。說(shuō)明隨著壓力的增大，土顆粒之間越來(lái)越緊密，土體越來(lái)越難被壓縮，且壓縮到一定程度后，由于土顆粒的壓縮性很小，土體的孔隙比變化不明顯。

2)相同的含水率條件下，不同壓實(shí)度試樣的孔隙比在相同壓力下基本上隨著壓實(shí)度的增大而減小。當(dāng)壓力為200 kPa時(shí)，不同壓實(shí)度試樣的孔隙比基本相同。

3)含水率為28%和30%時(shí)試樣的最終孔隙比比含水率為32%和34%時(shí)要小，說(shuō)明含水率越接近最優(yōu)含水率，相同的壓力作用下土體被壓得更密實(shí)。

2.2 壓縮模量、壓縮系數(shù)和壓縮指數(shù)的變化規(guī)律

壓縮模量、壓縮系數(shù)和壓縮指數(shù)都是在側(cè)限條件下判斷土體壓縮性的常用指標(biāo)，其中壓縮模量和壓縮系數(shù)隨著壓力的不同而變化，而壓縮指數(shù)是一個(gè)常量。

為了反映土體在低、中、高壓不同狀態(tài)下的壓縮性，選取壓力段100～200 kPa、1.0～1.2 MPa、2.8～3.0 MPa的壓縮模量、壓縮系數(shù)列于表2。壓縮指數(shù)列于表3。

圖1 不同含水率和壓實(shí)度下的e-p曲線

表2 不同壓力段的壓縮模量和壓縮系數(shù)

表3 不同初始含水率和壓實(shí)度試樣的壓縮指數(shù)

由表2、3可知：

1)壓縮模量隨著壓力的增大而增大，壓縮系數(shù)隨著壓力的增大而減小。

2)相同含水率下，壓縮指數(shù)和100～200 kPa壓力段的壓縮模量隨著壓實(shí)度的增大而變大，說(shuō)明初始?jí)簩?shí)度越高，土體的壓縮性越低。另外兩個(gè)壓力段的壓縮模量并沒(méi)有呈現(xiàn)類似規(guī)律，因此不能用該壓縮模量判別土體的壓縮性大小，這也解釋了為什么一般常用100～200 kPa壓力段的壓縮模量和壓縮系數(shù)來(lái)判別土體的壓縮性。

2.3 固結(jié)系數(shù)的變化規(guī)律

根據(jù)側(cè)限壓縮試驗(yàn)結(jié)果，利用2種常用的半經(jīng)驗(yàn)方法，即時(shí)間平方根法和時(shí)間對(duì)數(shù)法，來(lái)確定土體的固結(jié)系數(shù)。

時(shí)間平方根法計(jì)算公式為

(1)

式中：Cv為固結(jié)系數(shù)，cm2/s；h為最大排水距離，等于某級(jí)壓力下試樣的初始和終了高度的平均值，cm；t90為固結(jié)度達(dá)到90%時(shí)所用時(shí)間,s。

時(shí)間對(duì)數(shù)法計(jì)算公式為

(2)

式中，t50為固結(jié)度達(dá)到50%時(shí)所用時(shí)間，s。

圖2 基于時(shí)間平方根法的固結(jié)系數(shù)變化

考慮到篇幅問(wèn)題，本文只列舉了含水率為32%的試樣在各級(jí)壓力作用下的固結(jié)系數(shù)，如圖2、3所示，其他含水率試樣也呈現(xiàn)類似規(guī)律。

圖3 基于時(shí)間對(duì)數(shù)法的固結(jié)系數(shù)變化

由圖2、3可知：

1)隨著壓力的增大，固結(jié)系數(shù)從整體上表現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。當(dāng)壓力較大時(shí)，固結(jié)系數(shù)趨于某一穩(wěn)定值。

2)固結(jié)系數(shù)的變化不是單調(diào)的，而是呈震蕩式變化，且變化幅度隨著壓力的增大而減小。

3)在數(shù)值上，基于時(shí)間對(duì)數(shù)法計(jì)算得到的固結(jié)系數(shù)要比基于時(shí)間平方根法得到的要大很多，且變化幅度前者也較大。這說(shuō)明這兩種算法的差異較大，得到的固結(jié)系數(shù)只能作為參考。

2.4 變形與時(shí)間的關(guān)系

試樣在每級(jí)壓力作用下都將得到趨于穩(wěn)定的變形量。繪制變形量與時(shí)間的關(guān)系如圖4所示。

由圖4可以看出：

1)變形量隨時(shí)間的增加而增加，但增加的速率隨時(shí)間的增加而減小。對(duì)于含水率為28%和30%的試樣，在前20 h，變形量隨時(shí)間變化很明顯；20 h后，變形量隨時(shí)間變化較小。對(duì)于含水率為32%和34%的試樣，在前30 h，變形量隨時(shí)間變化明顯，時(shí)間超過(guò)30 h后變形量隨時(shí)間變化較小。這說(shuō)明含水率越接近最優(yōu)含水率，土體壓縮變形量趨于穩(wěn)定所需的時(shí)間越短。

2)在相同時(shí)間內(nèi)，變形量隨著壓實(shí)度的增加而減小。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明了含水率和壓實(shí)度對(duì)于變形量和達(dá)到某一變形量所需要的時(shí)間具有重要影響。

圖4 變形量s隨時(shí)間t變化的曲線

3 結(jié)論

1)孔隙比隨著壓力的增大而減小，且趨于一個(gè)穩(wěn)定值。當(dāng)含水率越接近最優(yōu)含水率時(shí)，試樣的最終孔隙比越小。

2)壓縮指數(shù)和100～200 kPa壓力段的壓縮模量、壓縮系數(shù)可以作為判別土體壓縮性大小的參考指標(biāo)。

3)固結(jié)系數(shù)隨壓力的增大呈震蕩式變化，且整體上有減小的趨勢(shì)。由于采用的算法不同，由時(shí)間對(duì)數(shù)法計(jì)算得到的固結(jié)系數(shù)要比由時(shí)間平方根法得到的大很多，且變化幅度前者也較大。

4)變形量隨時(shí)間的增加而增大，但斜率卻越來(lái)越小，超過(guò)一定時(shí)間后，變形量的變化速率特別小。變形量大小、達(dá)到某一變形量所需要的時(shí)間都與含水率、壓實(shí)度有密切關(guān)系。