吸附結(jié)合水影響下的含砂低液限黏土固結(jié)特性分析

摘要：含砂低液限黏土分布廣泛，成分和性質(zhì)特殊，在該類土質(zhì)上修筑路基時(shí)受到吸附結(jié)合水影響，導(dǎo)致施工難度較大。采集含砂低液限黏土作為試驗(yàn)樣本，將普通砂土作為對(duì)照組，按照樣本物理性質(zhì)和天然含水率，將樣本分為4組，調(diào)節(jié)含水率每種樣本制備一組試件，使用容量瓶法測(cè)定吸附結(jié)合水情況。利用重型濕法壓實(shí)以及浸水CBR試驗(yàn)方法，分別獲得含砂低液限黏土受吸附結(jié)合水影響后的壓實(shí)特性與水穩(wěn)性能等。在不同含水率與壓實(shí)度工況下開展三軸試驗(yàn)，分析上述兩個(gè)因素對(duì)含砂低液限黏土的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，含砂低液限黏土具有更強(qiáng)的吸附結(jié)合水能力，與砂質(zhì)土相比，含砂低液限黏土最大干密度更低，最優(yōu)含水率更高。含水率不高于26%，壓實(shí)度在95%以上的情況下含砂低液限黏土，能夠保持路基使用的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：含砂低液限黏土;吸附結(jié)合水;固結(jié)特性;CBR值;干密度

0" "引言

含砂低液限黏土屬于黏性土質(zhì)和軟弱土，天然孔隙比通常在1.1～1.6范圍內(nèi)，天然含水率通常高于液限。含砂低液限黏土主要分布于內(nèi)陸地區(qū)江、河、湖泊沿岸或者東南沿海區(qū)域[1]。這種含砂低液限黏土存在低強(qiáng)度、高壓縮性的土質(zhì)特性，經(jīng)常呈現(xiàn)出比較不均勻的沉降規(guī)律，在這種土質(zhì)上修建建筑往往存在傾斜風(fēng)險(xiǎn)。修筑在含砂低液限黏土上的道路經(jīng)常發(fā)生開裂、下沉情況，隨著時(shí)間的增加，會(huì)出現(xiàn)塌陷、龜裂、裂縫等路面破壞情況[2-4]。

我國(guó)地域廣闊，東南沿海城市土質(zhì)大多數(shù)均為含砂低液限黏土，公路修建面臨巨大挑戰(zhàn)。沿海地區(qū)地下水豐富，使用翻曬方法無法從根本上將天然含水率較高的含砂低液限黏土轉(zhuǎn)變?yōu)樽罴押署ね?，再開展路面壓實(shí)施工[5];如果采用棄土換填方式解決這一問題，將引起水土流失。長(zhǎng)時(shí)間的棄土換填，將對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞[6]。如果采用摻灰改良方法，將會(huì)增加公路建造成本[7]。

為解決上述問題，諸多學(xué)者都開展了研究。劉維正等通過研究不同含水率對(duì)壓實(shí)基土動(dòng)態(tài)回彈模量的影響[8]，研究了含水土質(zhì)的壓實(shí)方法。該方法獲得了回彈模量變化規(guī)律，但對(duì)土體其他內(nèi)容研究較少。鄧榮光等研究了黏土質(zhì)路面特性[9]，做出多角度深入分析，獲得了高含水率之下路面特性情況。但是該方法對(duì)路面壓實(shí)研究較少，還需要進(jìn)一步探討。

吸附結(jié)合水也被稱為吸附束縛水，通常這種水受到機(jī)械力影響，在土質(zhì)顆粒或者礦物質(zhì)表面附著。吸附過程中，礦物質(zhì)晶格形成與吸附結(jié)合水關(guān)聯(lián)度較低，以一種中性水分子的形態(tài)存在，含水率具有不確定性[10]。若想使吸附結(jié)合水從土質(zhì)顆粒中逸出，需要使用加熱處理手段。加熱溫度控制在200℃以上，吸附結(jié)合水逸出并不會(huì)對(duì)土質(zhì)結(jié)構(gòu)造成破壞。通常情況下，吸附結(jié)合水以一種液態(tài)形式附著在土質(zhì)顆粒之上，特殊情況下則會(huì)以固態(tài)或者氣態(tài)形式存在。氣態(tài)形態(tài)下的吸附結(jié)合水會(huì)混合在空氣之中，向土質(zhì)或者礦物質(zhì)之中滲透，導(dǎo)致礦物質(zhì)在形成過程中積累大量氣泡[11-13]。綜上所述，本文在考慮吸附結(jié)合水影響的基礎(chǔ)上，從多個(gè)角度分析含砂低液限黏土固結(jié)特性，為相關(guān)的路基建設(shè)工程提供參考。

1" "研究區(qū)域概況

本文所研究的含砂低液限黏土區(qū)域路基位于我國(guó)沿海某城市，該區(qū)域原為魚塘，地表1m之內(nèi)都是土方回填之后形成的土體路面。土層分層包含人工回填土層與海相沉積層，其中回填土層層頂標(biāo)高為3.45m，厚度約為1.61m，土體回填距今約10年。海相沉積層包含海灘沖擊沉積層和海岸帶沉積層，兩種土層的土體組成形式類似，平均標(biāo)高約為1.83m。土質(zhì)為淤泥質(zhì)黏土，厚度在3.8～8.1m，土層顏色為灰色，夾雜貝殼碎片，流塑形態(tài)，呈連續(xù)狀態(tài)分布，屬于中等壓縮性土質(zhì)。

2" "材料研究方法

2.1" "試驗(yàn)試件

為了驗(yàn)證本文試驗(yàn)合理性，從研究區(qū)域采集4種含砂低液限黏土，并從不靠近海洋鄰市采集普通砂土作為對(duì)照組。將各土體制備成大小相等的土體試件?；驹嚰话阍谕馏w天然含水率基礎(chǔ)上制備，但本節(jié)試驗(yàn)需要考慮不同含水率影響下含砂低液限黏土的各種性能變化，因此制備試件時(shí)還需要適當(dāng)調(diào)節(jié)試件的含水率。4種土體的試件編號(hào)分別為A、B、C、D，各試件天然含水率以及物理性質(zhì)見表1。

從表1中能夠看出，本文制備的4組試件均具有較高的天然含水率，塑性指數(shù)較高，均屬于含砂低液限黏土。根據(jù)相關(guān)規(guī)程可知，試件A、B、C屬于含砂含砂低液限黏土，試件D屬于普通含砂低液限黏土，對(duì)照組為黏土質(zhì)砂土。

1.2" "試驗(yàn)方法

考慮到黏土顆粒存在雙電層效應(yīng)，當(dāng)土體中形成吸附結(jié)合水時(shí)，黏土顆粒表面存在黏滯性較高的吸附結(jié)合水，若想去除這種吸附結(jié)合水，需要加熱土體溫度達(dá)到200℃以上[14]。吸附結(jié)合水包裹在強(qiáng)結(jié)合水之外，密度超過1.0g/cm³，具有抗剪切強(qiáng)度與黏滯性，在土體顆粒之間無法自由遷移，土體溫度達(dá)到100℃以上時(shí)吸附結(jié)合水轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂伤?/p>

測(cè)定吸附結(jié)合水情況時(shí)使用容量瓶法。將烘干箱溫度調(diào)節(jié)至110℃對(duì)各試件進(jìn)行烘干處理，在量瓶中將烘干后的土與27℃的水充分混合。此時(shí)試件中的顆粒呈正態(tài)分布，同時(shí)完全吸附結(jié)合水。吸附結(jié)合水密度升高至1.4g/cm³，總體積降低。蒸發(fā)校正的同時(shí)觀察混合液體的體積變化，使用wg表示經(jīng)混合后的吸附結(jié)合水含量，其計(jì)算如下：

試驗(yàn)過程中，需要考慮不同含水率對(duì)試驗(yàn)試件的影響。使用濕法重型壓實(shí)法開展壓實(shí)試驗(yàn)，以試件干密度的變化情況為對(duì)比指標(biāo)，測(cè)定不同含水率影響下，吸附結(jié)合水對(duì)含砂低液限黏土試件的壓實(shí)性能影響情況。

加州承載比值是用于評(píng)價(jià)路基所用材料壓實(shí)強(qiáng)度的關(guān)鍵指標(biāo)。使用CBR開展壓實(shí)試驗(yàn)時(shí)，需提前將試件在水中浸泡直至達(dá)到飽和狀態(tài)，由此模擬出最不利狀態(tài)下含砂低液限黏土路基壓實(shí)情況[15]。在濕法重型壓實(shí)法試驗(yàn)基礎(chǔ)上開展試驗(yàn)，將上文采集的含砂低液限黏土樣本分為兩組試件，在CBR試驗(yàn)中將一組試件浸水，另一組試件保持原狀，兩組試件互為平行試驗(yàn)。該試驗(yàn)主要內(nèi)容用于研究不同含水率情況下試件CBR值與CBR膨脹量變化情況。

受到篇幅限制，該節(jié)試驗(yàn)僅選取部分含水率工況。同樣使用重型壓實(shí)成形試件，開展三軸試驗(yàn)，在含水率為18%、22%和26%，且壓實(shí)度為85%和95%時(shí)，重型壓實(shí)成形試件工況如表2所示。

含砂低液限黏土具有較小滲透性特點(diǎn)，考慮路基實(shí)際施工時(shí)環(huán)境以及交通荷載等多種影響因素，其吸附結(jié)合水會(huì)保持固相狀態(tài)，因此該節(jié)試驗(yàn)中不對(duì)試件作排水或者排氣操作。通過試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)不同含水率以及不同壓實(shí)度下各試件應(yīng)變與偏應(yīng)力之間的關(guān)系，由此獲得考慮吸附結(jié)合水時(shí)含砂低液限黏土強(qiáng)度變化情況。

3" "試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1" "吸附結(jié)合水對(duì)含砂低液限黏土路基壓實(shí)特性影響

沿海地區(qū)空氣潮濕，在含砂低液限黏土體基礎(chǔ)上填土筑路時(shí)需要翻曬土體。確保土體的整體含水率下降，此后對(duì)土體進(jìn)行壓實(shí)處理，含水率不同導(dǎo)致試件的可壓實(shí)性能也存在顯著差異。本節(jié)在考慮研究區(qū)域?qū)嶋H情況的基礎(chǔ)上，研究吸附結(jié)合水對(duì)含砂低液限黏土路基試件壓實(shí)性能的影響。利用濕法重型壓實(shí)法開展本節(jié)試驗(yàn)，各試件的試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

從圖1中能夠看出，含砂低液限黏土的最優(yōu)含水率與對(duì)照組最優(yōu)含水率相比更高，但含砂低液限黏土的最高干密度值，則遠(yuǎn)低于對(duì)照組的最高干密度值。與對(duì)照組相比，各試件含砂低液限黏土中的吸附結(jié)合水含量更高，其以一種類似于固體的形態(tài)存在其中，重型壓實(shí)作用下并沒有導(dǎo)致含砂低液限黏土失去吸附結(jié)合水，因此各試件的最優(yōu)含水率高于對(duì)照組，但最大干密度卻比對(duì)照組更低。

該節(jié)試驗(yàn)中各試件的最優(yōu)含水率，均低于試驗(yàn)初期設(shè)定各試件吸附結(jié)合水的含量。假如把該含水率看作含砂低液限黏土固相的組成部分，計(jì)算固相密度，則此時(shí)對(duì)照組的固相密度近似于含砂低液限黏土的固相密度。實(shí)際情況中，吸附結(jié)合水的密度遠(yuǎn)低于含砂低液限黏土體中土顆粒的密度，因此對(duì)照組的固相密度略高于含砂低液限黏土的固相密度。

3.2" "吸附結(jié)合水對(duì)含砂低液限黏土水穩(wěn)性能影響

在上文試驗(yàn)基礎(chǔ)上，對(duì)各試件開展浸水CBR試驗(yàn)。在含水率變化情況下，浸水CBR值變化以及CBR膨脹量變化情況見表3。

從表3可知，含水率越低各個(gè)試件的膨脹量越大，二者呈反比例關(guān)系，假如吸附結(jié)合水的含量高于最初的含水率，則試件浸水之后發(fā)生膨脹更為顯著。出現(xiàn)這種情況主要是由于試件的塑限低于天然含水率。此種情況下對(duì)試件壓實(shí)處理，將導(dǎo)致土體中吸附結(jié)合水處于飽和狀態(tài)。對(duì)試件浸水處理以后，水分只能滲入到土體的縫隙之中，試件不會(huì)再次發(fā)生膨脹。

含水率較低情況下，試件浸水以后，所含吸附結(jié)合水較少。對(duì)試件浸水處理以后，水分與土體中的顆粒相結(jié)合，同時(shí)將氣相填充，吸附結(jié)合水的水膜厚度增加，試件的膨脹量發(fā)生增長(zhǎng)。假如吸附結(jié)合水的含量高于天然含水率，浸水處理試件之后土體膨脹量將隨之提升。

從CBR值變化結(jié)果可以看出，天然含水率影響下，含砂低液限黏土顆粒之間呈現(xiàn)出一種結(jié)合水膜接觸較弱的壯況。此時(shí)土體的強(qiáng)度較差，不符合路基建造要求。降低含水率土體顆粒水膜厚度上升，土體顆粒之間存在的剛性，可確保含砂低液限黏土的整體強(qiáng)度。吸附結(jié)合水含量與含水率持平狀態(tài)下，水以固體形式存在于土體之內(nèi)，土體抗剪強(qiáng)度提升，符合路基修筑要求。

綜合以上試驗(yàn)結(jié)果可知，含砂低液限黏土壓實(shí)性能直接受到吸附結(jié)合水的影響，土體強(qiáng)度與水穩(wěn)性能也受到吸附結(jié)合水的影響。吸附結(jié)合水存在固體特性，確保含砂低液限黏土即使在高含水率情況下仍然強(qiáng)度較高，能夠保證路基后續(xù)使用中保持較高穩(wěn)定性。

3.3" "不同含水率下含砂低液限黏土土體回彈模量

設(shè)定各時(shí)間的壓實(shí)度統(tǒng)一為92%，圍壓設(shè)定為150kPa，本節(jié)試驗(yàn)研究含水率差異下試件的土體強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

從圖2中能夠看出，各試件在不同含水率情況下，偏應(yīng)力的變化趨勢(shì)基本一致，但是隨著含水率的升高，各試件的偏應(yīng)力出現(xiàn)明顯下降。

圖2a中含水率為18%，此時(shí)偏應(yīng)力最高的試件A偏應(yīng)力值約為700kPa。當(dāng)含水率升高至26%時(shí)，從圖2c中能夠看出，偏應(yīng)力最高的試件A偏應(yīng)力值約為180kPa，而試件D的偏應(yīng)力降至120kPa。吸附結(jié)合水在試驗(yàn)過程中呈現(xiàn)出固相狀態(tài)，含水率上升破壞了這種固相狀態(tài)，導(dǎo)致含砂低液限黏土強(qiáng)度降低，因此隨著含水率上升，各含砂低液限黏土試件的強(qiáng)度遭受破壞。

3.4" "壓實(shí)度對(duì)含砂低液限黏土回彈模量影響

將含水率設(shè)定為18%，圍壓仍然設(shè)定為150kPa，研究不同壓實(shí)度之下，各試件的強(qiáng)度變化情況，結(jié)果見圖3。

從圖3中可以看出，在不同壓實(shí)度下各試件偏應(yīng)力變化較小，上文研究中也已經(jīng)闡明，重型壓實(shí)含砂低液限黏土并不會(huì)擠壓出土體中吸附結(jié)合水，因此在不改變含水率的情況下，即使受到壓實(shí)變化影響，土體的強(qiáng)度也不會(huì)發(fā)生顯著變化。

4" "結(jié)論

本文通過制備不同天然含水率、不同物理性質(zhì)的含砂低液限黏土試件，研究吸附結(jié)合水對(duì)含砂低液限黏土固結(jié)特性的影響。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，含砂低液限黏土中含有大量吸附結(jié)合水，導(dǎo)致含砂低液限黏土與普通砂土相比，干密度較小，最優(yōu)含水率較高。

含砂低液限黏土中大量存在吸附結(jié)合水，因此各試件浸水以后CBR值符合相關(guān)規(guī)程對(duì)路基填料強(qiáng)度的要求，具有較強(qiáng)的水穩(wěn)定性。

壓實(shí)度對(duì)含砂低液限黏土彈性模量影響并不大，但由于受到吸附結(jié)合水影響，含砂低液限黏土的含水率需控制在26%以內(nèi)。

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