花崗巖紅土游離氧化鐵對其膠結(jié)特性影響的試驗研究*

湯連生 王玉璽 孫銀磊

(1.中山大學地球科學與工程學院,廣東珠海 519082; 2.廣州理工學院建筑工程學院, 廣州 510540;3.廣東省地球動力作用與地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室(中山大學), 廣東珠海 519082)

花崗巖殘積土是我國南方地區(qū),尤其是東南沿海廣泛分布的一種區(qū)域性特殊土,因其富含鐵離子,土體多呈紅色,故將其劃分為紅土大類。花崗巖紅土具有很強的結(jié)構(gòu)性,主要來源于土顆粒的排列及顆粒間的膠結(jié)。[1-2]膠結(jié)物的種類、含量及化學反應(yīng)的變化對其力學性質(zhì)的影響十分顯著,[3-7]而這一切都反映在膠結(jié)作用的過程中。因此,膠結(jié)作用是決定花崗巖紅土特殊力學性質(zhì)的直接原因。[8]

土中充當膠結(jié)物的游離氧化物主要為氧化鋁和氧化鐵,兩者相比,游離氧化鐵對膠結(jié)強度的貢獻遠大于游離氧化鋁,[9-10]至于其他金屬氧化物由于含量較小,且在土壤的弱酸環(huán)境中難以聚集成團形成膠結(jié)物,其產(chǎn)生的膠結(jié)作用力基本可以忽略不計。因此,土的膠結(jié)強度主要受鐵質(zhì)膠結(jié)物含量所控制,[11]研究土中鐵質(zhì)游離氧化物含量變化對測定土膠結(jié)強度改變具有重要意義。根據(jù)GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》[12]的定義,將土中的游離氧化鐵(可由米拉·杰克遜法測得)分為無定型游離氧化鐵(可由達姆試劑法測得)和晶態(tài)游離氧化鐵(由兩者相減求得),其中“晶態(tài)游離氧化鐵占氧化鐵總量的90%以上”[13],“對游離氧化鐵的膠結(jié)作用占主導地位”[14]。孔令偉團隊采用浸沒法和浸出法進行了試驗,結(jié)果表明游離氧化鐵的去除可以明顯改變土的物理指標和力學性質(zhì)。[15-18]程昌炳等通過鹽酸淋溶土中的游離氧化鐵,推斷23.5%游離鐵對應(yīng)土的膠結(jié)強度為土體強度的6.86%。[19]文獻[20-21]報道的相關(guān)試驗也有相同結(jié)論。王清團隊通過向土樣中添加氫氧化鐵膠體,研究土體強度的變化,證明膠結(jié)強度與添加的膠結(jié)物含量存在線性關(guān)系,為膠結(jié)強度的線性回歸分析提供了理論支持。[22-23]

基于上述研究,將通過室內(nèi)試驗間接測定去膠結(jié)物前、后膠結(jié)強度的變化,并與去除膠結(jié)物含量相對應(yīng),建立強度與膠結(jié)物含量曲線,結(jié)合線性回歸手段反推原狀土的膠結(jié)強度,通過分析膠結(jié)強度的主控因素,建立多元膠結(jié)強度計算式,用于直接求取土的膠結(jié)強度。

1 土樣性質(zhì)及鹽酸去鐵試驗

1.1 土樣基本特性

選定廣州東北部梅花園、岑村及燕塘作為采樣點(編號分別為MHY、CC及YT),以上地區(qū)母巖全為燕山二期花崗巖,分別選取上述三個地區(qū)典型的花崗巖殘積土新鮮剖面進行取樣,其基本物理力學指標見表1。

表1 基本物理力學指標Table 1 Basic physical and mechanical indexes

對所取的三種花崗巖殘積土樣品進行X射線衍射測試,分析其礦物組成特征,得到三種花崗巖殘積土的X射線譜圖如圖1。

a—MHY; b—CC; c—YT。石英;高嶺石;長石;伊利石; 鐵氧化物。圖1 三種花崗巖殘積土X射線譜Fig.1 XRD results of three kinds of granite residual soil

1.2 鹽酸去鐵試驗

土中的游離氧化鐵被去除后,土體的強度會發(fā)生改變,此時土體強度的變化來源于膠結(jié)物質(zhì)的缺失導致的膠結(jié)強度下降,即土體強度的減小部分正是其去除的膠結(jié)物對應(yīng)的膠結(jié)強度,數(shù)值上表達為去除膠結(jié)前、后土體強度的差值。其關(guān)系如式(1)所示:

Ps=τ0-τf

(1)

式中:Ps為膠結(jié)強度;τ0為去除膠結(jié)前土體的抗剪強度;τf為去除膠結(jié)后土體的抗剪強度,試驗采用100 kPa下試樣直剪的抗剪強度。

在保持原狀土不受擾動及含水量不變的情況下,土體強度變化來源于膠結(jié)強度的改變,通過測量去膠結(jié)物前后土樣的強度差異可以推算出土的膠結(jié)強度?；诖?開展了去除土樣膠結(jié)物的淋溶試驗及膠結(jié)物含量變化測試并測量了去除膠結(jié)前、后土樣抗剪強度的變化。

1.2.1試驗流程

試驗時,將3種樣品各分成6組,1組用作對比(編號Ⅰ),剩余5組進行淋溶試驗(Ⅱ～Ⅵ),其中淋溶液為3 mol/L的鹽酸,淋溶液水頭差為1 m,真空度維持在0.6個大氣壓,淋溶時間分別為2,4,6,8,10 d。淋溶完成后恢復土樣的原始含水量(低溫烘干至原始含水量并靜置24 h,誤差控制在±3%),測量各土樣的抗剪強度(τ0,τf)與鐵含量。將Ⅱ～Ⅵ試驗結(jié)果與Ⅰ進行對比,得到不同鐵含量對應(yīng)的抗剪強度差值(即膠結(jié)強度),在此基礎(chǔ)上研究游離氧化鐵含量與土膠結(jié)強度的對應(yīng)關(guān)系。

1.2.2試驗說明

土樣淋溶前、后的抗剪強度采用直剪儀進行測量,剪切方式為快剪。為了更為直觀地反映土體強度數(shù)值上的變化,采用讀取土樣在某一固結(jié)壓力下抗剪強度的方法,附加的豎向荷載始終保持為100 kPa。值得注意的是,無論附加的豎向荷載多大,只要在不擾動土體結(jié)構(gòu)的情況下保持游離鐵含量及含水量不變,其去膠結(jié)后的土體強度也會有相應(yīng)的增減,而其差值即為膠結(jié)強度。因此為了試驗的簡便,僅就100 kPa附加荷載情況進行研究。

針對游離氧化鐵含量變化展開膠結(jié)物含量測試,采用原子吸收光譜儀(ASS)通過鐵含量作為控制指標,根據(jù)游離氧化鐵占鐵的質(zhì)量分數(shù)來確定試驗前、后游離氧化鐵的含量變化。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 去膠結(jié)前后抗剪強度峰值變化分析

經(jīng)過鹽酸淋溶液的滲洗,土樣抗剪強度出現(xiàn)了不同程度的降低,并且隨著淋溶時間的長度不一,抗剪強度峰值降低的程度也不一樣。土樣去膠結(jié)前后抗剪強度峰值變化見圖2。

MHY; CC; YT。圖2 去膠結(jié)前、后土樣峰值強度變化Fig.2 Changes in peak strength of specimens before and after leaching

由圖2可知:三種土樣CC、YT、MHY在去鐵之前100 kPa下的抗剪強度分別為75,68,61 kPa。隨著鹽酸淋溶處理時間的增長,三種土樣的抗剪強度都出現(xiàn)了不同程度的下降,且在第0～8 天的下降速率都接近于線性變化,而第8～10 天的抗剪強度下降速率明顯小于前8 d的變化率?？傮w三個試樣抗剪強度隨淋溶時間的變化是呈現(xiàn)下降速率降低的趨勢。

造成土樣抗剪強度峰值降低的主要因素是土樣中的游離態(tài)氧化鐵與鹽酸反應(yīng)后,生成易溶于水的氯化物,并隨著淋溶液排出土外。游離態(tài)氧化鐵的流失破壞了土中的膠結(jié)狀態(tài),使得土顆粒間的聯(lián)結(jié)作用力減弱,宏觀上表現(xiàn)為抗剪強度的降低。隨著淋溶時間的延伸,流失的游離氧化鐵越來越多,抗剪強度也呈下降趨勢。從圖2可以看出:CC的土樣表現(xiàn)出較高的抗剪強度,YT次之,最低為MHY,初步推測其強度的差異主要受控于含水量。

在保持土體原始結(jié)構(gòu)及含水量不變的情況下,土的抗剪強度的差值等于淋溶試驗中去除的膠結(jié)物所作用的膠結(jié)強度值。由圖2可知:隨著淋溶時間的增長,三種花崗殘積土在100 kPa下的抗剪強度都逐漸減小,且抗剪強度的下降速率逐漸變緩,尤其是第8～10天時,抗剪強度減小速率明顯變緩。同時,根據(jù)圖2試驗數(shù)據(jù)可以得出試驗過程中不同淋溶時間內(nèi)已去除的膠結(jié)物對應(yīng)的膠結(jié)強度,結(jié)果見圖3。圖3中的數(shù)據(jù)及變化曲線主要反映了以下兩方面問題:1)隨著淋溶時間的延長,土樣的抗剪強度差值(即對應(yīng)膠結(jié)強度)明顯具有增長趨勢,幅度變化大小與土去除的膠結(jié)物含量有關(guān),去除的膠結(jié)物含量越多,對應(yīng)的損失膠結(jié)強度越大。2)隨著淋溶時間的延長,對應(yīng)膠結(jié)強度的增長速率呈現(xiàn)明顯的放緩,以MHY為例,第3～6天去除的膠結(jié)物對應(yīng)膠結(jié)強度大于1.40 kPa,而第7～8天膠結(jié)強度變化為1.18 kPa,第9～10天僅為0.57 kPa,其他兩組土樣亦具有同樣的變化趨勢,說明淋溶試驗的起始階段,容易與鹽酸反應(yīng)的鐵質(zhì)氧化物首先溶解,且反應(yīng)速率很快,引起強度的快速下降,隨著試驗的進行,剩下的鐵質(zhì)氧化物越來越難溶解,反應(yīng)速率逐漸變慢,被淋溶析出的氧化鐵越來越少,因此膠結(jié)強度的變化趨勢放緩。

MHY; CC; YT。圖3 不同淋溶時間內(nèi)已去除的膠結(jié)物對應(yīng)的膠結(jié)強度Fig.3 Cementation strength corresponding to leached cements in different times

2.2 去膠結(jié)前、后土中游離氧化鐵含量變化分析

經(jīng)過淋溶試驗,土樣中的鐵含量發(fā)生了變化,并隨著淋溶時間的延伸,鐵含量變化速率也產(chǎn)生相應(yīng)的改變,通過原子吸收光譜儀(ASS)測得原始土樣中鐵含量及不同時間鹽酸溶液淋溶去除出來的鐵元素含量來獲得土中鐵的變化(表2)。并計算出試驗前、后游離鐵含量變化情況,結(jié)果見圖4,相對含量為已去除的游離鐵與原土游離鐵含量的比值。

MHY; CC; YT。圖4 已去除游離鐵的土中鐵的相對含量隨淋溶時間的變化Fig.4 Relative contents of iron in soil removed free iron oxide with changes of leached times

表2 土中鐵含量相對變化

從圖4可見:隨著淋溶試驗的進行,土樣已去除的游離鐵含量呈遞增趨勢變化,即土樣殘余游離鐵含量呈遞減趨勢變化,遞減速率先快后慢,大體上與已去除膠結(jié)物對應(yīng)的膠結(jié)強度的變化趨勢相吻合。但總體看來,淋溶后膠結(jié)物的去除度偏低,這種現(xiàn)象的原因主要是土中存在的大量封閉孔,里面的游離鐵沒有與淋溶液接觸,因而不能被析出。

另外,對比各土樣的游離鐵相對含量的變化程度,發(fā)現(xiàn)土樣CC的膠結(jié)物相對含量變化最大,為32.79%,其次為土樣MHY的31.96%,最小為土樣YT,為27.81%,造成淋溶程度差異的原因一方面是土的淋溶系數(shù)不一樣,另一方面是孔隙比的差異,CC土樣的孔隙比為0.6,其孔隙體積小,存在的封閉孔的體積也小,因而淋溶效果較好,這就解釋了去除程度不一的問題。

2.3 游離氧化鐵含量與土體膠結(jié)強度關(guān)系分析

根據(jù)圖3、圖4的試驗結(jié)果,可以建立游離鐵含量(相對含量)與膠結(jié)強度的對應(yīng)關(guān)系(圖5)。其關(guān)系曲線為一上升曲線,即膠結(jié)強度與游離鐵相對含量呈正相關(guān),但其上升速率先小后大。這是因為隨著淋溶試驗的進行,易溶的離子態(tài)及凝膠態(tài)等在淋溶過程中被首先溶解,剩下的大部分為難溶的隱晶態(tài)及晶態(tài)。而易溶的離子態(tài)及凝膠態(tài)與難溶的隱晶態(tài)及晶態(tài)游離鐵相比,其膠結(jié)程度較低,對膠結(jié)強度的貢獻值也較低。因此隨著試驗的繼續(xù),被溶解的將主要為隱晶態(tài)及晶態(tài)游離鐵氧化物,對應(yīng)膠結(jié)強度也越來越高,所以其關(guān)系曲線的變化速率會越來越大。

MHY; CC; YT。圖5 膠結(jié)強度與游離氧化鐵含量(相對)關(guān)系Fig.5 Relations between cementation strength and relative contents of free iron oxide

為了求得全部鐵相對含量對應(yīng)的膠結(jié)強度,對圖5的關(guān)系進行回歸分析,得到三種土樣各自的膠結(jié)強度與鐵相對含量關(guān)系式。由圖5可知:三種土樣的膠結(jié)強度隨鐵相對含量的增加呈現(xiàn)接近線性增加的趨勢,但是在鐵相對含量為5%～15%和28%～33%時,膠結(jié)強度的上升斜率要小于15%～28%的膠結(jié)強度提高率。通過算式計算出100%游離氧化鐵對應(yīng)的膠結(jié)強度,對三種土樣膠結(jié)強度與游離鐵相對含量關(guān)系曲線的預測分析見圖6。

MHY; CC; YT; 預測值-MHY; 預測值-CC; 預測值-YT。圖6 膠結(jié)強度與游離鐵相對含量關(guān)系曲線預測分析Fig.6 Prediction curves of cementation strength with relative contents of free iron oxide

對膠結(jié)強度與游離鐵含量關(guān)系的回歸式見表3所示,其結(jié)果具有明顯的二項式特征,決定系數(shù)分別為0.98、0.97及0.97,屬于強相關(guān),因此其預測結(jié)果是比較合理的。根據(jù)關(guān)系式可知:土樣MHY、CC、YT中全部游離氧化鐵貢獻的膠結(jié)強度分別為35.77,43.00,40.04 kPa。三者膠結(jié)強度占各自抗剪強度的比值大致相等,約為58%,超過土體強度的一半,說明花崗巖紅土的膠結(jié)作用對于土的強度性質(zhì)具有重要意義。

表3 試驗成果分析Table 3 Analysis of test results

根據(jù)庫侖強度理論,土體抗剪強度可由黏聚力和內(nèi)摩擦角表述,假設(shè)土樣黏聚力主要由膠結(jié)作用提供,則去膠結(jié)后土的黏聚力接近為零,其抗剪強度主要與內(nèi)摩擦角相關(guān)。根據(jù)這種情況,去膠結(jié)后土樣MHY、CC、YT的抗剪強度應(yīng)該為42.32,54.48,42.69 kPa,但根據(jù)實測的膠結(jié)強度與原土直剪峰值強度的比較,去膠結(jié)后三者的剩余強度分別為24.96,31.41,28.82 kPa,前者明顯偏大,說明去膠結(jié)后土樣不僅黏聚力下降了,內(nèi)摩擦角也發(fā)生了變化,其原因可能是膠結(jié)物質(zhì)的去除導致土顆粒的緊密程度變低,從而導致內(nèi)摩擦角的變小,降低土體強度。程昌炳以針鐵礦膠結(jié)高嶺土為對象,從膠結(jié)氫鍵數(shù)量及強度出發(fā),測算出天然狀態(tài)下高嶺土膠結(jié)強度的理論值為39.9 kPa,[19]這一結(jié)果與試驗結(jié)果能夠較好地吻合,說明試驗的結(jié)果是可靠的,其試驗方法具有一定的指導意義。

2.4 膠結(jié)強度的影響因素分析

含水量及游離鐵含量是影響和控制膠結(jié)強度的兩個最主要因素。事實上,三種土樣MHY、CC、YT的含水量不一樣,對其的研究實質(zhì)上也是在對不同含水量土樣的研究。根據(jù)圖5的試驗結(jié)果,將游離鐵的相對含量換算成絕對含量(絕對含量為游離鐵與干土質(zhì)量的百分含量),并研究膠結(jié)強度隨其變化的規(guī)律,并繪制其變化曲線,相關(guān)結(jié)果見圖7。

29.56%; 21.50%; 23.07%。圖7 膠結(jié)強度與游離鐵絕對含量關(guān)系Fig.7 Relations between cementation strength and absolute contents of free iron oxide

可以看出:不同含水量狀態(tài)下土樣的膠結(jié)強度是隨游離氧化鐵含量的增大而增大的,且其變化速率隨含量的增大而加快。這是因為土顆粒間的膠結(jié)是以點接觸形式存在,[24]游離鐵含量越多,土顆粒周圍聯(lián)結(jié)的點就越多,其力學結(jié)構(gòu)就更為穩(wěn)定,而且游離鐵含量的增多,除了作為土顆粒間的膠結(jié)物質(zhì)外,膠結(jié)物之間也能相互膠結(jié)成為膠結(jié)物團聚,與單獨的氧化鐵包裹相比,具有更高的結(jié)構(gòu)強度及穩(wěn)定性,客觀上增大了土的強度。

另一方面,在游離鐵含量相等的情況下,含水量與膠結(jié)強度具有明顯的負相關(guān)性,含水量越高,膠結(jié)強度越低。這是因為含水量的增大會導致土顆粒表面薄層水膜的增厚,減弱土顆粒與游離鐵包裹的黏結(jié)作用,其次水的作用也會減弱游離鐵包裹本身的緊密程度,使膠結(jié)作用減弱,直接導致土體強度的降低。

3 膠結(jié)強度算式的建立及分析

為建立適用于所有類型花崗巖紅土的膠結(jié)抗剪強度式,有必要對影響膠結(jié)強度的因素進行分析。根據(jù)紅土膠結(jié)物的性狀,結(jié)合前人的研究成果,可知影響膠結(jié)強度的因素包括含水量[25-26]、膠結(jié)物含量(絕對含量)、溫度、酸堿度[13]等,以上因素共同作用于土的膠結(jié)強度,使其力學性質(zhì)極其復雜。但實際上工程項目持續(xù)時間不會太長,在這時段內(nèi),溫度、酸堿度都比較固定,對膠結(jié)強度變化起主要作用的只有含水量及膠結(jié)物含量兩個因素。因此,可以通過以含水量及膠結(jié)物絕對含量作為自變量,膠結(jié)強度作為因變量,通過二元回歸分析,建立膠結(jié)強度算式。

由于研究的三組土樣的含水量不相同,對其膠結(jié)強度的研究實質(zhì)上是對不同含水量土樣膠結(jié)強度的對比研究,因此根據(jù)圖5的試驗結(jié)果,將游離氧化鐵相對含量換算成絕對含量,建立不同含水量下游離鐵絕對含量與膠結(jié)強度的對應(yīng)關(guān)系。同時由于游離鐵去除得不完全,試驗成果不能完成展示膠結(jié)強度的全部變化規(guī)律,所以為了提高回歸分析的精確度,根據(jù)表3的膠結(jié)強度與游離鐵含量關(guān)系式,分別測算游離鐵相對含量為40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%時的膠結(jié)強度,并將游離鐵相對含量也換算成絕對含量,將其與實測結(jié)果一起進行分析,建立起含水量、游離鐵絕對含量與膠結(jié)強度的對應(yīng)關(guān)系。

以含水量及游離鐵含量(絕對含量)為自變量,通過二元回歸方式,總結(jié)出膠結(jié)強度算式:

pc=-0.367 5ww+16.534 6wc+3.686 2

R2=0.95

(2)

式中:pc為膠結(jié)強度,kPa;ww為含水量,%;wc為游離鐵含量(絕對含量),%;R2為決定系數(shù)。

應(yīng)用時,只須先量測出土的含水量及游離鐵含量,就能較為快捷準確地計算出花崗巖紅土的膠結(jié)強度,免去了重復進行試驗測定的麻煩,為非飽和土力學理論的研究及實際工程應(yīng)用提供了一個新的切入點。應(yīng)該注意到,該強度算式?jīng)]有考慮溫度及酸堿度等因素的影響,事實上,膠結(jié)強度除了受含水量及游離鐵含量影響外,還受其余因素的控制,因此算式中的自變量不只有ww及wc。其余因素的影響主要體現(xiàn)在系數(shù)及常數(shù)項上,因此膠結(jié)強度算式應(yīng)該具有式(3)的形式:

pc=K1ww+K2wc+K3

(3)

式(3)也是膠結(jié)強度理論算式的模型,其中的K1、K2及K3均與溫度及酸堿度等因素有關(guān)。由于試驗沒有過多地涉及此方面的研究,且工程實踐中溫度及酸堿度等因素的變化較少,對膠結(jié)強度的總體影響不大,因此暫不作深入探討,但應(yīng)作為日后研究工作的重點內(nèi)容。

4 結(jié)束語

通過對淋溶試驗前后土樣的抗剪強度及游離鐵含量變化進行分析,探尋游離鐵含量與對應(yīng)膠結(jié)強度的關(guān)系,在此基礎(chǔ)上求取原土樣的膠結(jié)強度,并采用二元線性回歸分析,建立膠結(jié)強度與含水量、膠結(jié)物含量等因素的膠結(jié)強度基本算式。主要有以下結(jié)論:

1)隨著淋溶試驗的進行,游離鐵不斷流失,土樣的抗剪強度呈下降趨勢,但下降速率越來越小,相應(yīng)地,土樣殘余游離鐵含量呈遞減趨勢變化,遞減速率先快后慢,同時封閉孔的存在使得游離鐵不能完全被去除,淋溶后膠結(jié)物的去除程度整體偏低,土樣仍保持較高的強度。

2)通過試驗得到的游離鐵含量與其對應(yīng)的膠結(jié)強度曲線為一上升曲線,其上升速率先小后大,對膠結(jié)強度與游離鐵含量進行回歸分析,其結(jié)果具有明顯的二項式特征,根據(jù)回歸式,可知土樣MHY、CC、YT中全部游離氧化鐵貢獻的膠結(jié)強度分別為35.77,43.00,40.04 kPa。

3)試驗表明膠結(jié)強度與含水量呈負相關(guān),與膠結(jié)物含量呈正相關(guān),以含水量和游離氧化鐵絕對含量為自變量,膠結(jié)強度為因變量,通過二元回歸分析,建立膠結(jié)強度算式,能較好地反映土膠結(jié)強度水平,具有一定應(yīng)用價值。