干濕循環(huán)作用下紅黏土濕化特性試驗(yàn)研究

易 亮朱建群，龔 琰

(1.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湘潭 411201； 2.常州工學(xué)院 土木建筑學(xué)院，常州 213200)

參 考 文 獻(xiàn)

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干濕循環(huán)作用下紅黏土濕化特性試驗(yàn)研究

易 亮1朱建群2，龔 琰1

(1.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湘潭 411201； 2.常州工學(xué)院 土木建筑學(xué)院，常州 213200)

將取自貴州黔東南地區(qū)的紅黏土制備成不同含水率試樣，通過自制的試驗(yàn)設(shè)備對紅黏土的濕化崩解特性進(jìn)行定量分析，探討不同干濕路徑及多次干濕循環(huán)條件下黏性土濕化崩解的一般規(guī)律.試驗(yàn)證明隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的濕化崩解程度呈遞增趨勢，其中先經(jīng)歷脫濕處理的試樣濕化崩解更為明顯.

干濕循環(huán)；黏性土；濕化特性

0 前 言

根據(jù)地球科學(xué)詞典中工程地質(zhì)學(xué)中的記載，濕化特性對于黏土而言，是指由于土粒間的結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)和強(qiáng)度的喪失，使得土體崩散解體的特性.土的濕化特性給實(shí)際工程帶來的危害是經(jīng)常且普遍的，如邊坡滑塌、道路泥濘等.特別是對于路基工程而言，以黏性土為路基填料時(shí)，土的濕化會造成路堤下沉、翻漿冒泥等現(xiàn)象.

國內(nèi)外很多學(xué)者對于巖土體的濕化特性進(jìn)行了相關(guān)的研究工作，并取得一定成果.在1967年Terzaghi等[1]提出：巖土體脫水干縮使得吸濕能力增強(qiáng)，當(dāng)浸水后，在吸濕力的作用下，水從巖土體干縮形成的裂隙通道中滲入，而孔隙中的空氣因水的侵入而在巖土體內(nèi)部被壓縮，隨著含水率的增加，內(nèi)部壓力增大，最終導(dǎo)致巖土體發(fā)生崩解破裂.Phienwej(1987)[2]通過試驗(yàn)也得出了上述觀點(diǎn).李喜安[2]等利用自制崩解儀對黃土的崩解性進(jìn)行分析，得出黃土崩解以崩離、迸離和解離可分為形式，天然含水量越高可以減小黃土的崩解性.國內(nèi)外學(xué)者對膨脹土、風(fēng)化花崗巖等的濕化崩解性有較多的研究，但對紅黏土的相關(guān)研究特別是多次干濕循環(huán)的影響涉及較少，需要學(xué)者對其做深入研究.

本文利用自制的改進(jìn)稱量法對不同干濕循環(huán)下紅黏土的濕化特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析不同干濕循環(huán)次數(shù)及干濕路徑對紅黏土的濕化崩解特性的影響.

1 試驗(yàn)儀器及步驟

1.1 試驗(yàn)儀器

濕化崩解特性的試驗(yàn)方法主要有觀察法、浮筒法.觀察法主要是定性分析試樣的濕化崩解，而運(yùn)用較廣的浮筒法在實(shí)際操作過程中存在浮筒晃動(dòng)、水泡附著浮筒的情況，且當(dāng)試驗(yàn)土體為黏性土?xí)r，濕化崩解過程較為緩慢，不利于長時(shí)間的觀察.針對以上情況本文利用靜水力電子天平及鐵絲網(wǎng)自制濕化儀，通過稱量浸泡在水中試樣重量的變化，定量分析土體的濕化特性，試驗(yàn)設(shè)備照片及細(xì)節(jié)如圖1所示.置放土樣的網(wǎng)格板為10 cm×10 cm,網(wǎng)孔大小為1 cm×1 cm，試樣采用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀規(guī)格，體積V=60 cm3.該方法可適用于各種土質(zhì)的濕化試驗(yàn)，且試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過電子屏顯示，測量方便，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確.

圖1 改進(jìn)的稱量法

根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》中的崩解率公式的定義及簡文彬[4]所得出的公式，推導(dǎo)出改進(jìn)稱量法的崩解率公式如下：

式中：At-試樣在時(shí)間t時(shí)的崩解量(%)，計(jì)算至0.01；m0-初始放入靜水力天平水中的讀數(shù)，g；mt-時(shí)間t所對應(yīng)的讀數(shù),g；me-鐵絲方格網(wǎng)空載時(shí)水力天平讀數(shù),ge.

1.2 試驗(yàn)步驟

(1)制備試樣

試驗(yàn)所用土樣均來自黔東南凱羊高速公路沿線，試驗(yàn)前需將土樣風(fēng)干、碾散且取出雜石和樹枝，過2 mm篩，確保每組試樣中土粒級配及風(fēng)干程度一致.試驗(yàn)土樣的基本物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示，擊實(shí)試驗(yàn)所得到的紅黏土最優(yōu)含水率wop=32.09%、最大干密度ρdmax=1.412 g/cm3,土樣的顆粒分析結(jié)果為粘粒(<5 μm)含量約為65%，其中膠粒(<2 μm)含量高達(dá)58%，而砂粒(>0.05 mm)含量約為13.5%.按照方案設(shè)定的不同含水率和壓實(shí)度，計(jì)算所需的風(fēng)干土量和需加水量，對土樣進(jìn)行增濕養(yǎng)料，稱取定量的試樣土料，通過擊樣法將重塑土制備成標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀尺寸.

表1 土樣基本物理性質(zhì)

(2)測定瞬時(shí)穩(wěn)定讀數(shù)

土樣懸架空載放入水槽中，將電子天平讀數(shù)置零.環(huán)刀土樣放置在密封盒中，用絕緣膠帶進(jìn)行密封，如圖2所示.放入水中的網(wǎng)格板，記錄讀數(shù)ma，此時(shí)的讀數(shù)是由試樣濕化的瞬時(shí)讀數(shù)m0和試樣與密封盒間隙中的空氣產(chǎn)生的浮力共同作用得到的，需要進(jìn)行修正.

圖2 密封試樣

將與環(huán)刀同尺寸的鐵塊放入水中的網(wǎng)格板上，記錄此時(shí)讀數(shù)m1.鐵塊取出放入密封盒中，并用絕緣膠帶密封，一并放入水中的網(wǎng)格板上，記錄此時(shí)讀數(shù)m2.忽略土樣在試樣過程中的體積變化，利用不發(fā)生濕化崩解的鐵塊，可以測得試樣與密封盒之間空氣產(chǎn)生的誤差值，即修正值mb，mb=m1-m2.綜上可得瞬時(shí)穩(wěn)定讀數(shù)m0=ma+mb.獲取瞬時(shí)穩(wěn)定讀數(shù)的方法還有蠟封法，密封法與之相比不會造成試樣的破壞，且操作簡單.

(3)崩解試驗(yàn)

制備好的試樣測定m0后，將試樣置于水槽中的網(wǎng)格板中央，土樣懸架掛在靜水力天平的底部掛鉤處，然后迅速浸入水槽中，同時(shí)開動(dòng)連拍照相設(shè)備.

(4)收集試驗(yàn)數(shù)據(jù)

將試樣的在水中的初始崩解情況、崩解中情況及最終崩解情況拍攝下來.記錄試驗(yàn)開始的前2 min中天平每秒的讀數(shù)，以及5 min、8 min、15 min、20 min、40 min、60 min、90 min、120 min靜水力天平顯示的讀數(shù)，可根據(jù)試驗(yàn)情況適當(dāng)?shù)目s短或延長測量時(shí)間.在實(shí)際試驗(yàn)操作過程中可以從以下兩點(diǎn)來確定濕化崩解的完成：①氣泡，當(dāng)土樣在濕化崩解過程中，會存在吸濕增重的過程，如果氣泡停止產(chǎn)生且重量不在增加則試樣濕化崩解基本完成；②根據(jù)試探試驗(yàn)及文獻(xiàn)[5]，在不產(chǎn)生氣泡后，崩解讀數(shù)穩(wěn)定至0.5 h不再改變即可，確保試驗(yàn)至少進(jìn)行2 h.

1.3 試驗(yàn)方案

(1)不同循環(huán)次數(shù)試驗(yàn)方案

通過循環(huán)次數(shù)和幅度來控制干濕循環(huán)對于紅黏土性質(zhì)的影響.紅黏土在實(shí)際工程中主要通過壓實(shí)作為路基填料，將試驗(yàn)土樣含水率分別設(shè)定為29%、32%、35%、38%，壓實(shí)度K為90%.從零循環(huán)開始至三循環(huán)終止，土樣共經(jīng)歷三次干濕作用，共四組土樣，試驗(yàn)流程如圖3所示.

圖3 試驗(yàn)總流程圖

干濕循環(huán)的操作方法：增濕是將制好的環(huán)刀土樣編號放置，并借用三軸試驗(yàn)中的飽和器夾具進(jìn)行穩(wěn)固，相鄰?fù)翗迎h(huán)之間放置透水石及濾紙，采用浸水的方式進(jìn)行增濕，時(shí)長為兩天；脫濕是將土樣從飽和器夾具中取出，放置在30 ℃的烘箱中一天，然后移置天然條件下開動(dòng)電風(fēng)扇，小風(fēng)吹兩天，使試樣水分均勻并產(chǎn)生裂縫，總時(shí)長為三天.由浸水增濕到風(fēng)干脫濕如此反復(fù)，以達(dá)到多個(gè)往復(fù)循環(huán)的目的.根據(jù)稱量法控制脫濕進(jìn)度和增濕進(jìn)度，用保鮮膜進(jìn)行包裹，并放置在大密封盒中進(jìn)行養(yǎng)料.

(2)不同干濕路徑試驗(yàn)方案

試驗(yàn)流程如圖3所示，對比壓實(shí)度K=90 %、含水率w=32%的試驗(yàn)土樣經(jīng)歷干線、濕線的試驗(yàn)結(jié)果，研究不同濕度路徑對濕化崩解特性的影響.干線是指初始制作的土樣先進(jìn)行脫濕，然后再進(jìn)行增濕，并依次循環(huán)往復(fù)；濕線則先進(jìn)行增濕.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 干濕循環(huán)次數(shù)對紅黏土濕化崩解的影響

干濕循環(huán)的作用就是改變土體顆粒間的相對位置、膠結(jié)物狀態(tài)、顆粒的直徑及形狀，而多次干濕循環(huán)會使得這些改變加劇，并將這些改變進(jìn)行累積.本試驗(yàn)共進(jìn)行三次干濕循環(huán)，對比各循環(huán)中不同含水率試樣的未崩解率，研究干濕循環(huán)次數(shù)對紅黏土濕化崩解的影響, 定義未崩解率為崩解后剩余固體土顆粒質(zhì)量與試樣原固體質(zhì)量(壓實(shí)度90%所對應(yīng)的干土質(zhì)量為76.24 g)的百分比.相關(guān)結(jié)果如表2、圖4所示.

表2 不同含水率不同循環(huán)次數(shù)下同一壓實(shí)度(90%)的試樣結(jié)果

結(jié)果分析：由表2可知，不同循環(huán)次數(shù)土樣，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加試驗(yàn)后土樣剩余質(zhì)量遞減；四條曲線走勢均呈凸形，即在最優(yōu)含水率區(qū)間內(nèi)(32%～35%)未崩解率最高

由此可知干濕循環(huán)對土樣的濕化崩解有較為明顯的影響，且隨著次數(shù)的增加，土樣受濕化崩解作用的影響增加，而處于最優(yōu)含水率的試樣能較好的抵御濕化崩解.干濕循環(huán)過程中土體隨著含水率的變化而發(fā)生干縮、濕脹狀態(tài)的更替，其發(fā)生的體變實(shí)質(zhì)是土體內(nèi)土團(tuán)粒的相互錯(cuò)動(dòng)，引起土中微小孔隙貫穿擴(kuò)大及裂隙數(shù)目的增加，同時(shí)非水穩(wěn)性膠結(jié)物隨著濕脹過程中水的浸入而發(fā)生碎裂，遇水膨脹性礦物質(zhì)的形態(tài)也發(fā)生著變化，經(jīng)歷以上改變后的土樣進(jìn)行濕化崩解試驗(yàn)時(shí)，累積在土樣上的干濕循環(huán)效應(yīng)使得濕化崩解進(jìn)一步加強(qiáng)，即隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，濕化崩解程度逐漸加劇.

圖4 不同循環(huán)次數(shù)、同一壓實(shí)度下含水率與崩解關(guān)系曲線

2.2 干濕路徑對紅黏土濕化崩解的影響

進(jìn)行濕度路徑試驗(yàn)研究的目的是通過改變脫濕或增濕的先后次序，對比得出那種條件對土樣的濕化崩解特性影響較大.結(jié)合現(xiàn)場施工的工況，本文用最優(yōu)含水率32%下壓實(shí)度為90%的試樣進(jìn)行試驗(yàn).

通過對比不同循環(huán)次數(shù)下濕化崩解完后的試樣圖片及未崩解率，對干濕路徑這一影響因素進(jìn)行研究.表1中濕化崩解后的試樣如圖5、圖6所示，從左至右依次為經(jīng)歷一、二、三循環(huán)后的濕化崩解完成土樣.相關(guān)數(shù)據(jù)如表3所示.

表3 不同濕度控制路徑試驗(yàn)結(jié)果

圖5 干線下不同循環(huán)次數(shù)濕化崩解后的土樣

圖6 濕線下不同循環(huán)次數(shù)濕化崩解后的土樣

由上可知：干線條件下(即土樣先經(jīng)歷脫濕再經(jīng)歷增濕)，土樣的濕化崩解進(jìn)程較快，當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到三次時(shí)，干濕路徑對應(yīng)的試樣濕化崩解程度相近.干線和濕線最主要影響的是土體裂隙的發(fā)育，干線的土樣先經(jīng)歷脫濕至徹底，此時(shí)由于水分的喪失，使得原有的膠結(jié)能力被破壞，直接導(dǎo)致裂隙增加和擴(kuò)大，隨后的增濕水分便沿著發(fā)育的裂隙浸入土體內(nèi)部，進(jìn)而使得土體快速的崩解；隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，當(dāng)循環(huán)達(dá)到三次后，由于循環(huán)過程中的脫濕和增濕的交替，土中膠結(jié)物已被逐漸溶解，孔隙被貫通和擴(kuò)張，使得土樣的結(jié)構(gòu)被改變，土體的持水性能降低，此時(shí)濕度路徑對土體的濕化崩解影響不再明顯.

3 結(jié) 論

綜合上述內(nèi)容可得到以下結(jié)論：

(1)采用自制的濕化儀進(jìn)行試驗(yàn)，該方法操作簡單，數(shù)據(jù)讀取方便.以密封法代替蠟封法測定瞬時(shí)穩(wěn)定讀數(shù)，操作簡單，且避免對試驗(yàn)土樣造成損害.

(2)分析干濕路徑、干濕循環(huán)次數(shù)對紅黏土濕化崩解特性的影響.干線條件下試樣的濕化崩解較快，當(dāng)達(dá)到三次干濕循環(huán)后，濕度路徑的影響效果被削弱；在零循環(huán)階段，濕化崩解程度隨著初始含水率的增大而遞增；隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的濕化崩解程度逐漸加劇，但在最優(yōu)含水率附近的試樣受干濕循環(huán)的影響較小.

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 顏 波,湯連生,胡 輝,等.花崗巖風(fēng)化土崩崗破壞機(jī)理分析[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2009(6): 68-71.

[2] Phienwej N. Ground Response and Support Performance in a Sheared Shale. Ph. D. Thesis, 1987.

[3] 李喜安,黃潤秋,彭建兵.黃土崩解性試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009,28(增1):3207 -3213.

[4] 簡文彬,陳文慶,鄭登賢.花崗巖殘積土的崩解試驗(yàn)研究[J].中國土木工程學(xué)會第九屆土力學(xué)及巖土工程學(xué)術(shù).北京:建筑工業(yè)出版社,2003.

[5] 李喜安,黃潤秋,彭建兵.黃土崩解性試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009,28(增1):3207 -3213.

[6] 張 澤,馬 巍,PENDIN Vadim V,張中瓊,何瑞霞.不同含水量亞黏土的崩解特性實(shí)驗(yàn)研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2014(4):104-107.

Study on Wetting Properties of Red Clay Under Drying and Wetting Cycles

YI Liang1,ZHU Jian-qun2,GONG Yan1

(1.School of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China;2.Institute of Civil Engineering and Construction,Changzhou Institute of Technology, Changzhou 213200,China)

In this paper,by making the unsaturated red clay taken from the southeast of Guizhou province in to samples with different water contents their wetting properties are stadied,By doing the quantitative analysis of the wetting disintegration properties of the red clay through the self-made test equipment,the general rules of disintegration properties under various drying and wetting path and cycle condition are disacssed. The result turns out that with the increase of the drying and wetting cycle times,the degree of the sample disintegration increases,and the sample disintegration is more obvious for the sample which undergoes the drying process first.

drying-wetting cycle; cohesive soil;wetting property

2015-04-09

湖南科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(S130013).

易 亮(1988-)，男，碩士研究生,研究方向:巖土工程.

TU411

A

1671-119X(2015)03-0087-04