非饱和膨胀土与红粘土的对比试验研究及微观结构分析

公路工程HighwayEngineering

Vo.l35,No.5Oct.,2010

非饱和膨胀土与红粘土的对比试验研究及

微观结构分析

滕󰀁珂,肖宏彬,许󰀁豪,金文婷

石化集团河南石油勘探局勘察设计研究院,河南南阳󰀁473132)

[摘󰀁要]针对广西南宁膨胀土与株洲红粘土变对比试验研究,将2种土样的压缩蠕变特性在不同含水率情况下进行了比较。试验结果表明:与株洲红粘土相比,广西南宁膨胀土在较小含水率条件下有明显的加速蠕变阶段,而在大含水率条件下这一阶段也同样不明显。并通过电子显微镜对两者进行了微观研究。

[关键词]膨胀土;红粘土;蠕变;微观结构

[中图分类号]U416.03󰀁󰀁[文献标识码]A󰀁󰀁󰀁󰀁[文章编号]1674󰀂0610(2010)05󰀂0004󰀂06

1

1,2

3

1

(1.湖南工业大学岩土工程研究所,湖南株洲󰀁412007;󰀁2.中南林业科技大学,湖南长沙󰀁410004;󰀁3.中国

ComparativeLaboratoryStudyandMicrostructureStudyon

Unsaturatedexpansivesoilandredclay

TENGKe1,XIAOHongbin1,2,XUHao3,JINWenting1

(1.InstituteofGeotechnicalEngineering,HunanUniversityofTechnology,Zhuzhou,Hunan412008,China;󰀁2.CentalSouthUniversityofForestryandTechnology,Changsha,Hunan410004,China;󰀁3.Design&ResearchInstituteofHenanPetroleumExplorationBureauofChinaPetrochemicalCorporation(SINOPEC),Nanyang,473132Henan,China)

󰀁󰀁[Abstract]OnthebasisofComparativeLaboratoryStudyNanningexpansivesoilandZhuzhouredclay,acontrastoncompressioncreepcharacteristicsbetweenthosetwounderdifferentwatercontentshasbeenmade.TheresultsshowsthatcomparedwiththeZhuzhouredclay,Nanningexpansivesoilunderrelativelysmallwatercontents,hasaobviousacceleratedcreepstage.Whileunderrelativelygreatwatercontents,thestageisunobvious.Whatmore,amicrostructurestudyhasbeenmadeoverelectronmicro󰀁scopeaswel.l

[Keywords]expansivesoi;lredclay;creep;microstructure󰀁󰀁膨胀土是一种主要由强亲水性粘土矿物成分

(蒙脱石和伊利石)组成的,具有膨胀结构以及多裂隙性、强胀缩性和强度衰减性的高塑性粘性土,也是典型的非饱和土。其分布范围较广,具有较强的胀缩特性和裂隙性,对工程建设的危害较大,防治较为困难。随着膨胀土工程问题的增多,对膨胀土的研究已成为当前岩土工程的重要研究方向之一,并成为世界性的共同课题。红粘土在物理力学性质指标、矿物成分与工程力学特性等多方面与膨胀土有相似之处

[2]

[1]

排列,土体因而产生变形。在变形过程中,一方面由

于固体颗粒与孔隙水间的摩擦力阻碍气体排出,使变形延迟;另一方面土颗粒之间的接触是结合水膜之间的接触,由于结合水的粘滞性使土体变形有一个过程,所以,膨胀土的应力变化和变形均与时间有关,其应力-应变关系呈显著的非线性流变特性

[3]

。

本文从宏观和微观角度对膨胀土蠕变特性进行

了研究,同时通过与红粘土的对比试验对膨胀土压缩蠕变特性进一步的分析,并得到拟合公式。

。对于非饱和膨胀土来说,在荷载作

用下,土颗粒被挤密,多余的气体被排出,位置重新

[收稿日期]2010󰀂03󰀂08

[基金项目]国家自然科学基金资助项目(50978097);湖南省自然科学基金资助项目(08JJ3092)[作者简介]滕󰀁珂(1985󰀂),男,山东乳山人,硕士研究生,主要从事岩土力学研究。

第5期滕󰀁珂,等:非饱和膨胀土与红粘土的对比试验研究及微观结构分析󰀁5

1󰀁土的基本物理性质及土样制备

试验所用膨胀土土样取自广西南宁市东北角环城道路工程,土体呈灰白色,南宁一带的膨胀土主要由第三系湖相沉积泥岩、粉质砂岩及其风化残积物形成,也有部分是上述岩土风化物经流水搬运冲积成因形

[4]

110%,t&8h),按设计干密度计算制备环刀土样所需的质量;∋将两环刀背靠背放置于较大的平整垫块上,将称量好的土样均匀地放入一个外径与环刀内径相同、高度与环刀等高的金属垫块,用击实方法将上面的金属垫块均匀地压入环刀内,直到垫块与环刀平齐为止。

;红粘土土样取自株洲,土体呈红色。土

表1󰀁土的物理性质指标

Table1󰀁Physicalcharacteristicsofsoils

样物理性质指标见表1。

2󰀁试验方法及成果分析

压缩蠕变试验是在WG型单杠杆轻便固结仪上

进行,采取分级加载,压实度为90%,人工采集试验数据。试验结果见图1~图4。回弹试验采用相同仪器。试验结果见图5、图6。

膨胀土和红粘土的应力-应变曲线如图4、5。

从压缩蠕变试验结果可以得出:

!无论是膨胀土还是红粘土,当土样施加被同样压应力的情况下,初始含水率越小,土样变形稳定的收缩量越小;初始含水率越大,土样变形稳定的收缩量越大。含水率对两种土样变形的影响趋势是一致的。原因是土样按某一含水率制配时,水膜的楔

土样

类型膨胀土红粘土

液限/%61.440.7

塑限/%22.821.9

密度/(g cm-3)2.72.67

最大干密度/(g cm-3)

1.1.78

󰀁󰀁土样制备:!将碾碎的风干土样过2mm筛,充分拌匀;∀测定风干含水率,计算配置一定含水率的土样所须的加水量;#用喷雾器喷洒预计的含水率,然后用塑料袋将搅拌的土样装入,扎紧袋口后

放置保湿缸内静置24h以上,以确保土样水分均匀;∃用烘干法量测土样的含水率(T=105%~

图1󰀁膨胀土应变与时间曲线Figure1󰀁Strain󰀁timeCurvesofEPS

图2󰀁红粘土应变与时间曲线Figure2󰀁Strain󰀁timeCurvesofredclay

󰀁6公路工程35卷

图3󰀁膨胀土应力与应变曲线Figure3󰀁Stress󰀁straincurvesofEPS

图4󰀁红粘土应力与应变曲线

Figure4󰀁Stress󰀁straincurvesofredclay

图5󰀁含水率为16%时的回弹曲线

Figure5󰀁Reboundcurveswhenwatercontentis16%

图6󰀁含水率为23%时的回弹曲线

Figure6󰀁Reboundcurveswhenwatercontentis23%

第5期滕󰀁珂,等:非饱和膨胀土与红粘土的对比试验研究及微观结构分析󰀁7

入作用将颗粒推开,对含水率小的土样来说,其颗粒含量相对较多,本身颗粒就较密实,水膜的楔入作用相对较弱,颗粒间距本身就小,于是随着自由水的流失,颗粒间距的减小量也就相对较小,在宏观上表现为土样收缩变形的程度相对较小。而对于含水率较大的土样来说,相当于减少了土颗粒的数量,并且导致粒间距离更大,于是当孔隙水逐渐消散时,数量相对较少的土颗粒在粘土吸力作用下需要经过更大的距离相互吸引、靠近,才能最终达到颗粒间的稳定间距并保持下去,也就是稳定的收缩变形状态,这个过程在宏观形态上表现为更大程度的收缩

[5]

载高含水率的情况下蠕变反而没有低含水率条件下明显,对于这种现象,可能原因有:第一,当荷载加载瞬间,土体产生一不排水压缩,而在大荷载高含水率条件下,土体产生的瞬时变现较大,将部分孔隙封闭,同时高含水率土样在加载时有更多的孔隙水要

[8]

排出,因此固结过程将会变得很漫长,所以在试验中观察不到加速蠕变阶段;第二,李作勤(1992)指出对于一维压缩土体流变的延迟变形的发展是有限期的。当土的颗粒间空隙不能再被压缩时,蠕变也会终止。所以,对不能引起破坏的应力水平来说,尤其是压缩情形,土骨架的蠕变变形是有限的,不可能随时间无限地发展下去。而在完全侧限一维压缩试验中,在正常应力条件下,土样是不会发生破坏的,所以,当大荷载高含水率土样压缩到一定程度时,土颗粒间的斥力使得蠕变难以自由发展。但从图3、图4中可以发现在高含水率条件下随着应力增大,应变增长率反而下降,说明第2种对土样的影响较大。

∃对于含水率为16%、19%的膨胀土在小荷载条件下(应力-应变曲线拐点之前)应力-时间曲线可以拟合为对数形式,表达式为󰀁=Alnt+B,式中A和B均为回归系数。其取值见表2。红粘土的应力-时间曲线也可以用相同形式拟合。对于含水率为16%、19%的膨胀土在大荷载条件下(应力-应变曲线拐点之后)及含水率为22%的膨胀土加荷小于400kPa的应力-时间曲线可用以下形式拟合:

。

∀含水率在16.1%及19.7%的膨胀土土样和

含水率相近的红粘土土样相比,有着较为明显的加速蠕变阶段,而红粘土在3种含水率条件下都表现为衰减蠕变。一般地讲,土的塑性指数及矿物组成对流变性有很明显的影响。塑性指数越大,土的活动性愈大,则应力松弛与蠕变变形就愈大。含蒙脱土土样的流变性质最显著,伊利土次之,高岭土的流变性相对最不显著。本次试验用的膨胀土比红粘土的塑性指数大,且通常情况下膨胀土的蒙脱土、伊利土含量比较高,文献[2,4,7]都有指出膨胀土的蒙脱土、伊利土含量比红粘土高。

#通过图3、图4可以发现含水率16.1%的膨胀土和15.3%、18.8%的红粘土的应力-应变曲线出现已明显拐点,经拐点后曲线斜率增大,而另外含水率19.7%、22.8%的膨胀土和22.6%的红粘土的应力-应变曲线斜率却表现为先增大后减小。大荷

[6]

表2󰀁不同含水率的红粘土和膨胀土应变与时间曲线对数拟合结果

Table2󰀁Logarithmicfittingresultsforstrain󰀁timecurvesofunderthedifferentwatercontents

土样

含水率/%

系数及R2

A

BR2ABR2A

22.6

BR2ABR2ABR2

󰀁󰀁注:拟合方程:󰀁=Alnt+B。

12.50.00190.00430.810.00040.0030.940.00060.01180.910.00040.00620.990.00060.00790.81

500.0005

0.02350.920.00040.01010.940.00080.02260.900.00050.00860.840.0070.01710.91

荷载/kPa2000.00080.04160.840.00050.020.980.00110.06030.960.00050.02210.99

4000.008

0.05130.970.0010.04690.980.00110.12460.98

8000.0012

0.060.990.00110.11020.950.00110.18370.98

15.3

红粘土18.8

16.1

膨胀土

19.7

󰀁8

󰀁󰀁󰀁=Alnt+Bt+Ct+Dt+E

3

2

公路工程35卷

!胀土和红粘土具有粘弹性。其弹性表现在卸载之后变形的恢复和弹性后效,粘滞性则表现在

[9]

加(卸)载之后变形随时间发展。

∀胀土和红粘土除了弹性后效外还存在塑性

式中:A、B、C、D、E均为回归系数。有较高的拟合度,其取值见表3。拟合效果见图7。

通过对回弹试验结果进行分析,可以得出:

表3󰀁不同含水率膨胀土应变与时间曲线拟合结果

Table3󰀁Fittingresultsforstrain󰀁timecurvesofEPSunderthedifferentwatercontents

含水率%

荷载/kPa

A(E-4

16.1

400800200

19.7

400

80012.550200

6.6819.65.8615.617.13.888.9526.9

B(E-140.266󰀁󰀁-0.5631.67E-16-1.23-3.840.1453.93E-161.05E-13

拟合方程:󰀁=Alnt+Bt3+Ct2+Dt+E

拟合系数

C(E-10D(E-6

0.2712.220.01173.111.29-2.450.03481.009

-0.291

-1.770.292-1.-9.111.650.353-1.420

E0.03470.06790.030.600.10560.00620.02130.04

R2

0.9980.9960.9990.9940.9970.9990.9980.986

22.8

(a)󰀂=15.8%

图7󰀁含水率为16.1%的土样在400kPa的荷载下的

拟合曲线

Figure7󰀁Fitcurveof16.1watercontentsoilunder

400kPastress

(b)󰀂=22.5%

变形,其表现为卸载后有残余的不可恢复的变形,证明膨胀土和红粘土都是一种弹-粘-塑性体。

图8󰀁膨胀土微观结构图Figure8󰀁MicrostructureofEPS

3󰀁土的微观结构分析

为揭示膨胀土和红粘土在含水量不同的情况下,土样微观结构中整体与局部的规律和现象,以及对蠕变的影响。采用日本生产的S3000NSEM型

󰀂

扫描电子显微镜对膨胀土和红粘土压缩后的土样进行扫描电镜试验,选取具有代表性的含水率土样(16%和23%)进行试验,选择了电子显微镜放大倍数分别为1000、3000倍,如图8、图9。7000倍,见图10。900倍膨胀土微观结构见图11。

从以上各图中可以得出:

!从图8、图9可以看出膨胀土主要是紊流结构和絮凝结构,也有部分是粒状的堆积,且含有一定的卷曲如花瓣的状的片状颗粒,这就蒙脱石颗粒的(a)󰀂=15.8%

(b)󰀂=22.5%

图9󰀁红粘土微观结构图

Figure9󰀁Microstructureofredclay

第5期滕󰀁珂,等:非饱和膨胀土与红粘土的对比试验研究及微观结构分析󰀁9

的力学特性。

∀与红粘土相比膨胀土具有较为显著的流变性质,在含水率较小的情况下,这种差异尤为明显。

#在完全侧限条件下,大含水率大荷载情况下的膨胀土由于土骨架极限的存在,蠕变不能任意发展,而表现为衰减蠕变。

图10󰀁󰀂=22.5%的红粘土(左)和膨胀土7000倍

微观结构图

Figure10󰀁7000timesmicrostructureofredclay(left)

andEPSwhen󰀂=22.5%

∃分析对比了两种土的试验曲线,并得到了相应的经验公式。经验公式拟合曲线与实测曲线吻合较好。

∋通过电子显微镜进行微观结构研究,得出膨胀土含有流变性强的蒙脱石,同时膨胀土失水收缩加强了土体流变。

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图11󰀁膨胀土干缩微观结构图

Figure11󰀁MicrostructureofEPSshrinkage

2598.

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[16]󰀁邓群强,高速公路路基红粘土施工技术[J].湖南交通科技,

2009,35(3).

特征

[10]

;红粘土主要是粒状的堆积,较多的含有一

些颗粒形态相对规则一些的矿物质,可以看出红粘土高岭石类含量高。

∀含水率高的红粘土与含水率低的红粘土相比有较多的孔隙,这一部分孔隙原本可能由孔隙水填充;但不同含水率的膨胀土的孔隙差别不大,土体内部颗粒状态已经不太明显,并能看出叠聚体的层厚增加,文献[11]也描述了相似的现象,究其原因,膨胀土遇水膨胀,增大了土样颗粒的大小,随着含水率升高,孔隙被膨胀土颗粒逐渐挤密。但随着水分流失(孔隙水排出和水分蒸发),而出现剧烈干缩如图11,使土样发生压缩变形。这种变形也是膨胀土蠕变变形的一个部分,可能是其表现出比红粘土更强的蠕变性的原因之一。

4󰀁结论

通过对南宁非饱和膨胀土和株洲红粘土的分级压缩蠕变试验、回弹试验以及通过电子显微镜进行的微观结构研究,并根据试验结果进行理论分析,得出如下结论:

!在相同含水率条件下,膨胀土的终应变均比红粘土的终应变要大,说明南宁膨胀土的压缩性比株洲红粘土的大,这也证明了红粘土具有低压缩性