濕干循環(huán)作用下紫色土微觀孔徑分析

張 言 張 華 黃 亮 張英瑩 朱瀟鈺

(三峽大學(xué) 三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002)

三峽庫(kù)區(qū)范圍內(nèi)普遍分布著紫色土，每年夏季，三峽庫(kù)區(qū)水位變化，形成岸坡消落帶[1].庫(kù)岸邊坡土體經(jīng)歷反復(fù)的干濕循環(huán)后，土顆粒間的膠結(jié)方式以及強(qiáng)度與變形特征將受到一定程度的影響，可能導(dǎo)致滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，進(jìn)而降低庫(kù)岸邊坡的穩(wěn)定性.因此，掌握濕干循環(huán)作用對(duì)紫色土強(qiáng)度和變形的影響規(guī)律[2-3]，對(duì)庫(kù)岸邊坡的加固，保證庫(kù)岸邊坡安全性具有十分重要的意義.而土體在宏觀上表現(xiàn)出來(lái)的變形、強(qiáng)度等性質(zhì)從微觀上看是土體的內(nèi)部微觀孔徑發(fā)生了變化[4-8]，為深入研究干濕循環(huán)作用下紫色土體內(nèi)部微觀孔徑的變化，本文進(jìn)行了液氮凍干和壓汞試驗(yàn)分析，得出的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)論，可供后續(xù)學(xué)者參考借鑒.

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

土樣取自宜昌市秭歸縣境內(nèi)臨近河道邊坡的紫色土，取土深度0.5m 左右.該紫色土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1.

表1 紫色土的物理性質(zhì)指標(biāo)

針對(duì)重塑紫色土不同粒徑的土顆粒，采用篩分法與密度計(jì)法相結(jié)合的方式分別對(duì)不同粒徑范圍土樣進(jìn)行測(cè)試，得到土的顆粒級(jí)配曲線如圖1所示.

圖1 土的顆粒級(jí)配曲線

從圖1中可以看出，重塑土樣中各粒組占比較為均勻但仍有細(xì)微的差別，其中黏粒(粒徑≤0.005 mm)含量百分比為32%，粉粒(0.005mm≤粒徑≤0.075mm)含量百分比為39.5%，而砂粒(0.075mm≤粒徑≤2mm)含量百分比為28.5%，依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007-2002)中相關(guān)規(guī)定將此土壤名稱定為粉質(zhì)黏土.

1.2 濕干循環(huán)試驗(yàn)

依據(jù)所取土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)，確定試樣的含水率為10.3%，以兩種不同初始干密度(ρ=1.5g/cm3、ρ=1.7g/cm3)重塑土樣作為研究對(duì)象.在浸泡開(kāi)始前用電子天平稱取每個(gè)環(huán)刀樣(環(huán)刀+土樣)的質(zhì)量，并進(jìn)行編號(hào).為避免浸泡環(huán)刀樣的過(guò)程中，土樣因水流沖刷自然崩解，選用疊式飽和器限制土樣變形，注入純水浸泡試樣至飽和.環(huán)刀樣的干燥過(guò)程選擇將環(huán)刀樣用硬質(zhì)塑料盒盛裝，然后置于鼓風(fēng)干燥機(jī)中干燥，采用鼓風(fēng)干燥箱進(jìn)行干燥處理時(shí)，考慮當(dāng)?shù)貙?shí)際氣溫，故設(shè)定試驗(yàn)溫度為35℃，干燥過(guò)程中，每間隔一定時(shí)間從鼓風(fēng)干燥箱中取出各土樣稱量質(zhì)量，待土樣質(zhì)量減少至浸泡前記錄的干燥質(zhì)量時(shí)即停止干燥試驗(yàn)，此時(shí)認(rèn)為完成一次濕干循環(huán)過(guò)程.依據(jù)上述步驟重復(fù)進(jìn)行5次濕干循環(huán).

1.3 孔隙結(jié)構(gòu)試驗(yàn)

1)試樣制備

首先，將1.2節(jié)中干濕循環(huán)后的土樣用鋒利的刀片切出15mm×15mm×15mm 的不規(guī)則立方體塊，然后修整成長(zhǎng)寬高均為10mm 的立方塊，再將切好的立方體土塊放入直徑20mm、高60mm 的圓柱狀周圍布滿小孔的不銹鋼筒內(nèi)，每個(gè)立方體土塊均用一個(gè)不銹鋼筒分開(kāi)盛裝并進(jìn)行編號(hào).

2)液氮凍干和壓汞試驗(yàn)

將所有不銹鋼筒集中放入小型敞口容器中并倒入液氮(如圖2所示)，土樣迅速冷卻至-196℃，土樣中的水全部變成非晶態(tài)的冰，隨后真空抽氣，在確定液氮全部凝結(jié)成固態(tài)后迅速取出圓柱狀不銹鋼筒置于真空冷凍干燥機(jī)(如圖3所示)，在圖-50℃環(huán)境溫度下抽真空24h，此時(shí)土樣內(nèi)的冰會(huì)逐漸升華，土樣在此過(guò)程中未受到任何外力作用，其孔隙體積也不會(huì)發(fā)生變化.將經(jīng)冷凍干燥機(jī)干燥好的土樣取出進(jìn)行壓汞試驗(yàn)，利用汞與土體互不相融的特點(diǎn)將經(jīng)過(guò)干燥的土樣完全浸沒(méi)進(jìn)水銀中，然后在外部施加一定的壓力，此時(shí)水銀在壓力的作用下就會(huì)進(jìn)入到處于真空環(huán)境的孔隙內(nèi).將水銀注入圓柱形孔隙所需的壓力根據(jù)Washbum 公式：

式中，P為絕對(duì)壓力(kPa)；Ts為水銀的表面張力(0.484N/m)；θ為水銀和土之間的接觸角(14℃)；d為當(dāng)量孔隙直徑(μm).根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程中壓力與壓入汞的體積關(guān)系，通過(guò)Washburn方程可計(jì)算出孔隙直徑的分布曲線.

圖2 液氮試驗(yàn)

圖3 真空冷凍干燥機(jī)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 干濕循環(huán)后試樣表觀特征分析

圖4分別為試樣未經(jīng)歷濕干循環(huán)(DW0)，經(jīng)歷1次(DW1)、3次(DW3)、4次(DW4)和5次(DW5)濕 干循環(huán)的照片，其干燥后的狀態(tài)如圖4所示.

圖4 干濕循環(huán)后試樣表觀

從圖4可以看出：隨著干濕循環(huán)過(guò)程的進(jìn)行，土體慢慢與環(huán)刀分離，環(huán)刀與土樣間出現(xiàn)較明顯的間隙，說(shuō)明土樣的體積發(fā)生了一定的收縮，試樣表面的主裂隙首先生成，已經(jīng)形成的裂隙在吸濕過(guò)程中完全愈合，脫水之后會(huì)重新顯現(xiàn)，主裂隙寬度隨著干濕循環(huán)次數(shù)增多而增加，主裂隙呈放射狀延伸，并且周圍伴有新的裂隙生成，土樣表面破損更劇烈，但在土樣經(jīng)歷第5次干濕循環(huán)后，其表面裂隙和前一次相比幾乎沒(méi)有變化，說(shuō)明裂隙沒(méi)有繼續(xù)發(fā)展，而保持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài).

2.2 孔隙體積累計(jì)分布特征分析

以10為底的對(duì)數(shù)對(duì)孔徑數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，初始干密度ρ=1.5g/cm3和ρ=1.7g/cm3的試樣在經(jīng)歷0次、3次和5次干濕循環(huán)后的孔隙累積分布曲線如圖5所示.從圖5可以看出：經(jīng)歷相同次數(shù)的干濕循環(huán)作用后，干密度ρ=1.5g/cm3土樣的孔隙累積分布曲線均位于干密度ρ=1.7g/cm3土樣孔隙累計(jì)分布曲線的上方，且兩條曲線之間縱坐標(biāo)的絕對(duì)值相差較大，說(shuō)明土樣孔隙的總體積隨著干密度的增大而減??；干密度相同的試樣在經(jīng)歷5次濕干循環(huán)以后的孔隙累積分布曲線基本位于3次和0次濕干循環(huán)試樣的下方，但兩條曲線之間的差異很小，其中在干密度ρ=1.5g/cm3試樣的0.1～1μm 區(qū)域附近有部分曲線出現(xiàn)反超.

圖5 孔隙累積分布曲線

為了更加直觀的了解各孔徑對(duì)應(yīng)孔隙體積的變化，將所有孔徑劃分為＜0.1μm、0.1μm～10μm、＞10μm 三段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，不同孔徑范圍內(nèi)的孔隙體積見(jiàn)表2.

表2 紫色土的孔隙分布特征

從表中可以看出：在干密度較小的情況下，干濕循環(huán)作用對(duì)d＜10μm 的孔徑影響較大，d＜0.1μm的孔徑慢慢擴(kuò)大至0.1μm＜d＜10μm 范圍內(nèi)，導(dǎo)致后者的占比有一定程度的提高，而d＞10μm 的孔徑幾乎不受其影響；在干密度較大時(shí)，濕干循環(huán)作用會(huì)影響3個(gè)孔徑范圍內(nèi)的孔徑，其中d＞10μm 的孔徑局部收縮到d＜0.1μm 和0.1μm＜d＜10μm 兩個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)，d＜0.01μm 孔徑的逐步擴(kuò)展到0.1μm＜d＜10μm 區(qū)域內(nèi).

對(duì)比分別經(jīng)歷0次(DW0)、3次(DW3)和5次濕干循環(huán)(DW5)的試樣孔隙體積占比變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)：干密度的增大主要影響孔徑(d＞0.1μm)內(nèi)的孔隙體積，而對(duì)孔徑范圍(d＜0.1μm)內(nèi)的孔隙體積影響不大，但隨著濕干循環(huán)次數(shù)的增加，原來(lái)不受干密度變化影響的孔徑范圍(d＜0.1μm)內(nèi)的孔隙體積也開(kāi)始受到影響.

2.3 孔隙分布特征分析

孔徑分布曲線表示不同孔徑與孔隙體積的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，常通過(guò)孔隙體積對(duì)孔隙半徑的對(duì)數(shù)求微分獲得.干密度ρ=1.5g/cm3和ρ=1.7g/cm3的試樣在經(jīng)歷0次、3次和5次濕干循環(huán)作用后的孔隙分布曲線如圖6所示.

圖6 孔隙分布曲線

孔隙分布曲線中的峰值大小代表該孔徑對(duì)應(yīng)的孔隙體積的多少，兩種不同干密度試樣的孔徑分布曲線均出現(xiàn)了兩種典型的峰值，從圖6可以看出：干密度ρ=1.5g/cm3的試樣在經(jīng)歷5次濕干循環(huán)以后峰值1對(duì)應(yīng)的孔徑減小至未經(jīng)歷濕干循環(huán)作用試樣峰值1對(duì)應(yīng)孔徑的0.6倍，峰值2對(duì)應(yīng)的孔徑減小至相對(duì)比孔徑的0.8 倍，試樣在經(jīng)歷濕干循環(huán)作用后，d＜0.1μm 的孔隙相應(yīng)的減少，0.1μm＜d＜1μm 的孔隙增加且多集中在孔徑1μm 附近，其他孔徑范圍的孔隙變化不大；干密度ρ=1.7g/cm3的試樣在經(jīng)歷5次濕干循環(huán)以后峰值1對(duì)應(yīng)的孔徑增大至未經(jīng)歷濕干循環(huán)試樣峰值1對(duì)應(yīng)孔徑的2.6倍，峰值2對(duì)應(yīng)的孔徑減小至相對(duì)比孔徑的0.6倍，試樣在經(jīng)歷濕干循環(huán)作用后，d＜1μm 的孔徑范圍孔隙逐漸擴(kuò)大，孔徑范圍d＞10μm 的孔隙逐漸縮小，都逐步發(fā)展成為孔徑范圍1μm＜d＜10μm 的孔隙，此孔徑范圍的孔隙占比在逐步提高.

未經(jīng)歷濕干循環(huán)的試樣，在干密度從1.5g/cm3增大至1.7g/cm3的過(guò)程中，后者峰值1對(duì)應(yīng)的孔徑減小至前者的0.6倍，后者峰值2對(duì)應(yīng)的孔徑減小至前者的0.5倍，從圖中可以看出，d＞10μm 范圍的孔隙都在向孔徑10μm 附近靠攏，孔徑范圍0.1μm＜d＜1μm 的孔隙顯著增加；而經(jīng)歷過(guò)5次濕干循環(huán)的試樣，在干密度從1.5g/cm3增大至1.7g/cm3的過(guò)程中，后者峰值1對(duì)應(yīng)的孔徑增大至前者的2.6倍，后者峰值2對(duì)應(yīng)的孔徑減小至前者的0.4倍，從圖7中可以看出孔徑范圍d＜0.1μm 和1μm＜d＜10μm的孔隙都急劇增加，孔徑范圍d＞10μm 的孔隙急劇降低，說(shuō)明孔徑向更小方向變化的趨勢(shì)明顯.

3 結(jié) 語(yǔ)

1)通過(guò)濕干循環(huán)作用下紫色土的微觀孔徑分析試驗(yàn)，揭示了紫色土在經(jīng)歷干濕循環(huán)后，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生裂縫，有利于在工程實(shí)踐中采取針對(duì)性的應(yīng)對(duì)措施.

2)干濕循環(huán)作用對(duì)d＜10μm 的孔徑影響大，揭示了此范圍的孔隙穩(wěn)定性較差；初始干密度的大小會(huì)影響微觀孔徑的變化.本文所做的試驗(yàn)是在較穩(wěn)定的室內(nèi)進(jìn)行的，而自然環(huán)境下的氣象影響不容忽視.因此，需進(jìn)一步研究其他因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響.