蒙脫石含量對黏土表面干縮裂隙影響試驗研究

夏冬生，劉清秉，項　偉,，王菁莪，艾　密

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) a.工程學(xué)院；b.教育部長江三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害研究中心，武漢　430074)

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蒙脫石含量對黏土表面干縮裂隙影響試驗研究

夏冬生a，劉清秉b，項偉a,b，王菁莪b，艾密b

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)a.工程學(xué)院；b.教育部長江三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害研究中心，武漢430074)

蒙脫石作為膨脹土中主要的黏土礦物成分，對膨脹土脹縮性質(zhì)及裂隙性具有重要的影響。為研究蒙脫石含量對裂隙發(fā)育的影響同時規(guī)避其他成分的影響，對13組不同蒙脫土含量的蒙脫土-石英砂飽和泥漿樣進(jìn)行了干燥試驗，試驗控制溫度為40 ℃。在干燥過程中，對含水率和表面裂隙進(jìn)行實時監(jiān)控，并利用計算機軟件對裂隙進(jìn)行定量化分析，獲取裂隙演化過程中的臨界含水率及表面裂隙率δS。試驗結(jié)果表明：干燥過程中，水分的散失表現(xiàn)出明顯的3個階段——常速率階段、減速階段以及殘余階段，且裂隙的發(fā)育主要在常速率階段進(jìn)行。試樣的最終表面裂隙率δSF和起裂時的含水率wI受蒙脫土含量的影響明顯，均表現(xiàn)為隨著蒙脫土含量的增加而增加，終裂時的含水率wF并沒有相同的趨勢，但wI與wF之差Δw與蒙脫土含量正相關(guān)。

蒙脫土；干燥曲線；裂隙；臨界含水率；定量化分析

1　研究背景

在自然條件下，黏性土表面隨著含水率的降低易產(chǎn)生干縮裂隙。干縮裂隙的產(chǎn)生使土體各向異性更加明顯、強度發(fā)生衰減，同時，干縮裂隙作為地表水的入滲通道，對黏性土的強度發(fā)生進(jìn)一步破壞提供有利條件[1]，干縮裂隙還會加快土體風(fēng)化速率及加深風(fēng)化程度，加重表面水土流失，使生態(tài)環(huán)境發(fā)生破壞[2]。裂縫的寬度、深度、延伸長度以及裂縫網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)形態(tài)等參數(shù)在很大程度上決定土體的滲透性和水力學(xué)特性[3-4]。近年來，國內(nèi)外對黏性土表面干縮裂隙開展了大量的研究，Terzaghi[5]最早注意土體裂隙發(fā)育對土體強度的影響，并認(rèn)為裂隙是超固結(jié)黏性土的結(jié)構(gòu)特性；Kleppe等[6]通過收縮試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)體積收縮應(yīng)變達(dá)到4%～5%時試樣產(chǎn)生裂隙；唐朝生等[7]通過室內(nèi)試驗結(jié)合計算機處理技術(shù)，研究不同黏土厚度、干濕循環(huán)次數(shù)及不同土質(zhì)成分對裂隙形態(tài)影響，并探討了聚丙烯纖維對黏性土干縮裂縫的抑制作用和機理；吳珺華等[8]建立了以含水率變化計算變濕應(yīng)力的理論模型并解釋了裂隙產(chǎn)生的機理。裂隙的開展是較為復(fù)雜的過程，受多種因素的控制，以上研究多從力學(xué)角度、外界條件分析裂隙的影響因素及開展機理，對土質(zhì)因素的研究尚不夠具體，土體裂隙的開展與黏粒含量、礦物成分等土質(zhì)因素密切相關(guān)，研究黏土礦物含量對土體收縮裂隙的影響有利于從本質(zhì)上分析土體收縮機理。

為研究蒙脫石含量對土體表面收縮裂隙發(fā)育的影響，本文作者以室內(nèi)試驗為基礎(chǔ)，對不同蒙脫土含量的蒙脫土—石英砂混合樣進(jìn)行干燥試驗，對干燥過程中含水率及裂隙圖像進(jìn)行監(jiān)測，利用計算機處理圖片技術(shù)定量化分析和統(tǒng)計表面裂隙率及裂隙開展過程中的臨界含水率。

2　試驗方法

2.1試驗材料及試樣制備

試驗中所用蒙脫土為Ca-蒙脫土和270目(粒徑為0.053mm)石英砂，各試驗材料的主要化學(xué)成分含量如表1所示，蒙脫土的陽離子交換量為93.8meq/100g。

表1　試驗材料化學(xué)成分含量Table 1　Chemical composition of test materials

將蒙脫土粉末和石英砂在105 ℃烘干至恒重后，按蒙脫土質(zhì)量百分比分別為0，10%，15%，20%，25%，30%，35%，40%，45%，50%，55%，60%，100%與石英砂粉末混合，利用直徑為15cm的圓形玻璃皿制備飽和泥漿樣13組，加水過程中不斷攪拌并將試樣密封保存24h以便試樣潤濕均勻。

2.2試驗裝置及方法

試驗裝置如圖1所示，將制備好的試樣置于自制發(fā)熱箱內(nèi)，發(fā)熱箱溫控范圍為10～90 ℃，由溫度控制儀控制，控制精度為0.1 ℃，本次試驗溫度控制為40 ℃。箱內(nèi)放置精度為0.01g的電子天平，與連接的電子計算機對收縮過程中樣品的質(zhì)量進(jìn)行自動采集。同時，利用工業(yè)高清攝像機對樣品進(jìn)行連續(xù)間隔拍照，獲取土樣表面形態(tài)變化。質(zhì)量采集和圖像采集使用相同的時間間隔，以便獲得同步的質(zhì)量和圖像參數(shù)。試驗過程中設(shè)置溫濕度傳感器，可實時監(jiān)測發(fā)熱箱內(nèi)溫濕度變化。

圖1　試驗裝置Fig.1　Test apparatus

試驗后，利用Photoshop和Matlab軟件對圖像進(jìn)行處理，獲得試樣不同時刻的表面裂隙率δS，結(jié)合蒸發(fā)曲線獲取裂隙開展過程中的臨界含水率:起裂含水率wI和終裂含水率wF。

3　試驗結(jié)果與分析

3.1試樣水分蒸發(fā)過程

圖2為干燥過程中部分試樣含水率隨時間變化的曲線，不同蒙脫土含量試樣的干燥曲線變化趨勢接近一致，即在干燥的初始階段，含水率與時間為近直線關(guān)系，隨著干燥的繼續(xù)，干燥曲線發(fā)生彎曲并逐漸趨于水平。利用Origin8.6軟件對干燥曲線進(jìn)行求導(dǎo)分析，獲得干燥過程中的蒸發(fā)速率-時間曲線。由曲線可知，各試樣的干燥過程均表現(xiàn)明顯的3個階段：蒸發(fā)速率穩(wěn)定的階段Ⅰ、蒸發(fā)速率不斷減小的階段Ⅱ，以及蒸發(fā)速率接近0的殘余階段Ⅲ；試驗結(jié)果與唐朝生等[9]的試驗結(jié)果類似。如圖2所示，大部分(超過80%)的水分蒸發(fā)發(fā)生在階段Ⅰ，減速階段Ⅱ經(jīng)歷時間相對較短，且蒙脫土含量為45%和55%試樣的減速階段時間明顯高于蒙脫土含量為25%和35%的試樣。各試樣的最終含水率均在10%左右，但與試樣的蒙脫土含量沒有明顯的相關(guān)性。

(a)含量25%

(b)含量35%

(c)含量45%

(d)含量55%圖2　不同蒙脫土含量試樣干燥曲線Fig.2　Drying curves of samples with different contentsof montmorillonite

土中水分的蒸發(fā)是個復(fù)雜的過程，受溫度、相對濕度、孔隙水鹽分濃度、土結(jié)構(gòu)、土的孔徑、土層厚度和吸力等諸多因素的影響，試樣在干燥過程表現(xiàn)明顯的階段性可能是由于在常速率蒸發(fā)階段，試樣內(nèi)部大部分自由水蒸發(fā)，隨著自由水的不斷減少，試樣內(nèi)部吸力不斷增加，自由水蒸發(fā)受到阻礙，同時，試樣上部水分散失后，水-氣界面向試樣內(nèi)部發(fā)展，水分蒸發(fā)路徑增加而導(dǎo)致蒸發(fā)速率不斷降低。因此，蒙脫土含量越高，試樣的持水能力更強，水分子逃逸到蒸發(fā)面需要的能量更高[10]，試樣蒸發(fā)的減速階段時間更長。

3.2試樣裂隙演化過程及定量化分析

圖3為40 ℃條件下蒙脫土含量為35%飽和泥漿樣干燥過程的裂隙圖像。如圖3(a)所示，當(dāng)含水率為61.3%時，試樣表面開始出現(xiàn)明顯的裂隙；隨著含水率降低到57.9%(圖3(b))，試樣的主干裂隙生成，但并未完全展開；當(dāng)含水率減小為38.1%時，樣品的所有支裂隙也生成，并與主裂隙交叉形成裂隙網(wǎng)絡(luò)，對比圖3(c)和圖3(d)，當(dāng)含水率進(jìn)一步降低，未見新裂隙生成，但裂隙寬度增加。根據(jù)蒸發(fā)過程中的裂隙圖像及蒸發(fā)曲線對比發(fā)現(xiàn)，絕大部分的裂隙發(fā)育在常速率階段(階段Ⅰ)。

(a)w=61.3%　　　　　　　(b)w=57.9%

(c)w=38.1%　　　　　　　(d)w=22.3%圖3　蒙脫土含量為35%樣品干縮裂隙圖像Fig.3　Images of desiccation cracks of the sample with35% montmorillonite content

利用Photoshop和Matlab軟件對裂隙圖像進(jìn)行定量化分析，按式(1)計算試樣的表面裂隙率δS。

(1)

式中:n為裂隙條數(shù);Ai為第i條裂隙的面積;A為試樣面積。

圖4為不同蒙脫土含量樣品的δS-t曲線。如圖所示，在試樣收縮的初始階段，表面裂隙率δS隨著時間的增加緩慢增長，隨著時間的繼續(xù)累積，新生裂隙不斷產(chǎn)生以及裂隙寬度增加，試樣的表面裂隙率快速增長并在隨后的干燥過程中趨于穩(wěn)定值。根據(jù)圖4曲線可知，表面裂隙率的增長速率與蒙脫土的含量呈正相關(guān)，說明蒙脫土的含量增加可促進(jìn)試樣表面裂隙的發(fā)展。

圖4　不同試樣表面裂隙率隨時間變化關(guān)系曲線Fig.4　Changes of surface crack ratio with time fordifferent samples

圖5為試樣干燥過程中最終表面裂隙率δSF與蒙脫土含量m的關(guān)系曲線。如圖5所示，當(dāng)蒙脫土含量達(dá)到20%時，試樣表面開始產(chǎn)生明顯的裂隙；在低蒙脫土含量段(如圖5中低于35%)，試樣的最終表面裂隙率隨蒙脫土含量緩慢增長，但隨著蒙脫土含量的繼續(xù)增加，試樣的最終表面裂隙率與蒙脫土的含量呈線性關(guān)系。蒙脫石礦物具有較強的親水性，吸水時在顆粒表面形成的水化膜較厚，且晶層間距由于吸水?dāng)U展，故蒙脫土的含量越高，試樣干燥時可收縮的空間更大，形成的裂隙更長更寬。

圖5　最終表面裂隙率與蒙脫土含量的關(guān)系曲線Fig.5　Changes of final surface crack ratio withincreasing montmorillonite content

3.3試樣開裂過程中的臨界含水率

試樣裂隙開始發(fā)育和裂隙停止發(fā)育時對應(yīng)的含水率分別為起裂含水率wI和終裂含水率wF。圖6為不同試樣的wI和wF與其蒙脫土含量的對應(yīng)關(guān)系，由圖可知，試樣的wI隨著其蒙脫土含量的增加而增加，其變化趨勢與圖5中最終的表面裂隙率-蒙脫土含量曲線相似；終裂含水率wF并不表現(xiàn)相同的趨勢，但起裂含水率與終裂含水率差值與蒙脫土的含量呈正相關(guān)關(guān)系，其中，各試樣的終裂含水率多為10%～20%，起裂含水率分布范圍較大，為43%～95.2%。張丹等[11]利用FBG技術(shù)對膨脹土干燥開裂過程進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，首條裂隙往往出現(xiàn)在最大收縮區(qū)的邊緣，即拉應(yīng)變和拉應(yīng)變變化速率較大的區(qū)域。同時，蒙脫土含量越高，試樣的干燥收縮變形速率越快，拉應(yīng)變增長越快，因此，蒙脫土含量較高的試樣能更快出現(xiàn)裂隙，起裂時含水率更高。

圖6　干燥過程中臨界含水率與蒙脫土含量關(guān)系曲線Fig.6　Changes of critical moisture content withmontmorillonite content during drying

4　結(jié)論及討論

本文對不同蒙脫土含量與石英砂飽和泥漿樣進(jìn)行干燥試驗，并對試樣的水分蒸發(fā)過程、裂隙演化過程及演化過程中的表面裂隙率和臨界含水率進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

(1)試樣中水分蒸發(fā)過程表現(xiàn)明顯的3個階段——常速率階段、減速階段及零速率階段，隨著蒙脫土含量的增加，水分蒸發(fā)難度加大，試樣蒸發(fā)過程中的減速階段持續(xù)時間更長。

(2)蒙脫石礦物具有較強的親水性，吸水時在顆粒表面形成的水化膜較厚，且晶層間距由于吸水?dāng)U展，故蒙脫土的含量越高，試樣的干燥時可收縮的空間越大，形成的裂隙更長更寬。

(3)由于試樣的起裂往往出現(xiàn)在最大收縮區(qū)的邊緣，即拉應(yīng)變和拉應(yīng)變變化速率較大的區(qū)域。同時，蒙脫土含量越高，試樣的干燥收縮變形速率越快，拉應(yīng)變增長越快，因此蒙脫土含量較高的試樣能更快出現(xiàn)裂隙，起裂時含水率越高。

自然環(huán)境中黏土干縮裂隙的形成和發(fā)展是極其復(fù)雜的過程。本文中由于蒙脫土含量的不同，試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征也可能不同，這也可能是影響試驗結(jié)果的重要因素，同時，試樣在水分蒸發(fā)過程中表現(xiàn)的不同的階段特征，是否和試樣內(nèi)部不同形態(tài)水分散失的過程有關(guān)？對此進(jìn)行進(jìn)一步的微觀試驗有助于從水分脫濕的微細(xì)觀角度對試樣收縮、縮裂過程進(jìn)行解釋。因此，對試樣的干燥收縮過程的細(xì)微觀研究將是以后研究的重點。

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(編輯：趙衛(wèi)兵)

Impact of Montmorillonite Content on Desiccation Cracks on Clay Surface

XIA Dong-sheng1, LIU Qing-bing2, XIANG Wei1,2, WANG Jing-e2, AI Mi2

(1.FacultyofEngineering,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China；2.ThreeGorgesResearchCenterforGeo-hazardunderMinistryofEducation,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China)

Asamajorclaymineralinswellingsoil,montmorillonitehasimportantinfluenceonswelling-shrinkagepropertiesanddevelopingfissuresofswellingsoil.Desiccationtestswereconductedunder40 ℃oninitiallysaturatedmontmorillonite-silicasandmixtureslurrytoinvestigatetheeffectsofmontmorillonitecontentonshrinkageandcrackingcharacteristics.WaterlossandsurfacecrackevolutionweremonitoredduringthewholedryingperiodwhilethecriticalmoisturecontentandsurfacecrackratioδSwereobtainedwithcomputersoftware.Theresultsshowedthatduringdryingperiod,theprocessofwaterlossshowedthreeobviousphases:theevaporationphaseatconstantspeed,thedeclinephaseandtheresidualphase.Andcracksonthesurfaceofsamplesmostlydevelopedinthefirstphase.ThefinalsurfacecrackratioδSFandtheinitialmoisturecontentwIatwhichthecracksstartweresignificantlyinfluencedbythecontentofmontmorilloniteshowingtrendofincreasingwiththegrowthofthecontentofmontmorillonite.ButthefinalmoisturecontentwFatwhichthecracksendweredifferent,yet,thedifferenceΔwbetweenwIandwFispositivelyrelatedtothecontentofmontmorillonite.

montmorillonite;dryingcurve;crack;criticalmoisturecontent;quantitativeanalysis

2015-07-20;

2015-09-05

國家自然科學(xué)基金(41202199,41572286);湖北省自然科學(xué)基金(2015FB247);中國博士后科學(xué)基金(2013M542098)

夏冬生(1989-)，男，湖北宜昌人，碩士研究生，主要從事巖土體工程力學(xué)性質(zhì)方面的研究，(電話)15271862621(電子信箱)523953672@qq.com。

劉清秉(1984-)，男，安徽蕪湖人，副教授，博士，從事巖土工程穩(wěn)定性評價、地質(zhì)災(zāi)害防治方面的教學(xué)與科研工作,(電話)13419681857(電子信箱)liuqingbing_1357@163.com。

10.11988/ckyyb.20150607

2016,33(09):83-86,92

TV443

A

1001-5485(2016)09-0083-04