红黏土崩解性试验方法

2021-03-24李善梅刘之葵蒙剑坪

桂林理工大学学报 2021年4期

李善梅, 寿凯, 刘之葵, 蒙剑坪

(桂林理工大学a.土木与建筑工程学院; b.广西岩土力学与工程重点实验室, 广西桂林 541004)

崩解也称之为湿化, 是土体浸水后发生松散解体、塌落的现象。它是水土流失、滑坡、沉降、塌陷等灾害发生的主要原因之一，因而研究土体的崩解性具有重要意义。目前, 常用的崩解装置基本是由研究者自行设计或改造而成, 缺乏标准设备。有效的研究手段是科学研究崩解规律和机理的前提和保障, 本研究拟对比分析常用崩解装置的特点, 并基于红黏土的特性, 提出适合红黏土崩解试验的测试手段, 为工程性质类似的土体崩解性研究提供依据。

1 常用崩解试验方法

1.1 方法简介

常见的崩解试验装置按照试验原则分为定性或半定量分析法、规范法、拉力计法、静水天平法。

1.1.1 定性或半定量分析法[1-5]定性或半定量分析方法主要用于观测崩解过程中发生的现象、测试崩解完成时间、最终崩解量以及分析分形维数, 设备比较简单, 可直接将岩土块放入盛水容器中进行崩解试验, 或由盛水容器、支架、网盘组成, 崩解装置如图1a所示。这种方法被广泛用于研究岩石的崩解性, 而较少用于土体崩解性研究。

1.1.2 规范法[6-8]规范法湿化仪由外筒、带刻度的内筒(浮筒)和吊盘组成, 如图1b所示。装置依据阿基米德原理设计, 土体发生崩解后, 内筒所受净重力减小而上浮。土体崩解前后内筒在水中浸泡部分的体积差与土样初始体积之比记为崩解模数。

李家春等[7]基于规范法改进湿化仪。该装置的试验原理与规范法相同, 主要包含外筒、内筒(浮筒)、吊盘三部分, 如图1c所示。外筒直径20 cm, 设有进水口和溢水口, 可以保证外筒中水的高度; 内筒直径为5 cm, 内筒上固定6个定位指针, 可以保证内筒的垂直度; 吊盘用于放置待崩解试样。

图1 常见的崩解装置

1.1.3 定量分析法——拉力计法[9-13]和静水天平法[14-18]拉力计湿化仪由拉力计、网盘、数据采集系统组成(图1d)。该装置利用拉力计测量任意时刻网盘上土体的净重(重力-浮力), 可以根据任意两个时刻拉力计读数之差计算土体的崩解量以及崩解率。静水天平湿化仪是将静水天平取代拉力计, 其测量原理及方法不变。

1.2 试验方法对比

以上崩解装置各有优缺点。定性或半定量分析法, 装置简单、成本低、操作简便, 但只能测定崩解完成时间及最终崩解率, 而无法测定某时刻的崩解率。规范法设备简单, 易操作, 但内筒的稳定性较差, 难以获取准确读数。改进规范法改善了传统规范法内筒稳定性不足的缺点。规范法和改进的规范法均利用阿基米德原理, 通过容器中水面对应内筒刻度读数的变化计算土体的崩解率, 所以容器中水的体积必须恒定, 由于水的蒸发作用, 该法难以适用于崩解速度慢的试验; 同时, 易崩解土体的土粒脱落过程中内筒难以稳定, 无法获取准确读数, 读数时间长。拉力计法采用电脑自动记录读数, 智能化程度高; 测试时间间隔可以任意设置, 读数准确, 采集数据多, 利于分析，但由于拉力计数显的局限性, 无法显示小于最大量程1%的数值, 导致土体崩解最后阶段的试验数据缺失。静水天平提高了读数范围, 可以精确到0.01 g, 能实现崩解全过程测试。

综上所述, 定性分析法可测试崩解完成时间, 无法监测土体的时时崩解率, 定量分析法(规范法、拉力计法、静水天平法)可计算土体的崩解率, 但无法考虑崩解过程中所产生气泡、土体膨胀等因素对试验结果的影响。天然土体含有大量的气泡, 且黏性土中含有黏土矿物, 有一定的膨胀性, 以下分析气泡及土体膨胀性对崩解试验测试数据的影响。

1.2.1 气泡的影响土体中的气体按照闭合形式可分为开放气泡和封闭气泡, 如图2所示。

图2 土体结构

伴随水渗入土体的过程, 开放气泡直接排出土体外, 封闭气泡被压缩保留在土样中。气泡逃逸过程中对土颗粒产生拖拽效果, 导致土粒脱落。气泡逃逸作用使崩解仪读数不稳是崩解试验中普遍存在而又难以克服的主要问题之一，该问题超出本研究范围, 限于篇幅, 在此不作详细讨论。封闭气泡提高土体浮力, 减小网盘上土体净重, 影响崩解仪读数的准确性。浮筒或拉力计所受净重为

(1)

(2)

式(2)表明, 土体在水中的净重受土粒与封闭气泡体积共同作用。因此, 忽视土体孔隙结构的作用效果研究崩解性会造成一定误差。

土样浸水后, 随着水在土中的渗透, 封闭气泡被压缩, 当压力足够大时, 封闭气体从土体中逃逸。气泡逃逸过程中产生的拖拽力使土颗粒间联结破坏而脱落, 改变土颗粒与封闭气泡的体积。假设封闭气泡逃逸过程中, 土颗粒破坏体积为Δv土, 封闭气泡体积减小Δv封, 则净重为

ρ水·(v封-Δv封)·g,

(3)

气泡逃逸前后水中土体净重差值即为土体的崩解量, 净重差值ΔF净为

=ρ水·Δv封·g-(ρ土-ρ水)·Δv土·g。

(4)

当式(4)等于0时,

(5)

当逃逸的封闭气体体积与崩解的土颗粒体积满足式(5)时, 土体的净重为0，该条件下, 即使土体发生崩解, 崩解仪测试读数仍保持不变, 导致所测的崩解率小于实际崩解率; 若净重差值大于0, 所测出的崩解率为负值, 与所观测到的土样崩解现象相背离; 若净重差值小于0, 所测的崩解率大于实际崩解率。由此可见, 封闭气泡的存在, 对规范法及拉力计法测试土体的崩解率均造成不同程度的误差。

1.2.2 土体膨胀性的影响黏性土中含有大量黏土矿物且带有电荷, 对水有吸附作用。黏土颗粒吸附水分子后, 土体膨胀, 如图3所示。

图3 膨胀性对土体崩解的影响

假设土样吸水膨胀后, 土中颗粒的排列方式不变, 土样膨胀体积全部来源于结合水膜厚度的增大, 土样在水中膨胀后的净重可计算为

(ρ结-ρ水)·v结·g-ρ水·v封·g。

(6)

式中:ρ结为结合水膜的密度;v结为结合水膜体积; 其他参数同上。求式(6)与式(2)之差, 计算土样在水中膨胀前后的净重差值, 即

ΔF净=(ρ结-ρ水)·v结·g-

(ρ土-ρ水)·Δv土·g，

(7)

当ΔF净=0, 即净重差值为0时, 式(7)可变为

(8)

当崩解土体体积与生成的结合水膜体积满足式(8)时, 即左式等于右式时土体在水中的净重差值为0, 崩解仪读数保持不变, 无法测定土体的崩解量; 当左式小于右式时, 净重差值大于0, 即土体膨胀产生的质量差大于土体崩解产生的质量差, 即便发生崩解, 其测量值仍为负; 当左式大于右式时, 即土体膨胀产生的质量差小于土体崩解产生的质量差, 崩解量测量值为实际崩解量与膨胀量之差, 小于实际值。

综上所述, 土体中封闭气泡的存在以及黏土矿物吸水膨胀对土体崩解量测试的准确性均有较明显的影响, 测量值均小于实际崩解率, 而规范法和拉力计法均无法规避这一影响。红黏土崩解缓慢, 孔隙比大, 渗透性小, 极易形成封闭气泡, 且红黏土具有一定的膨胀性, 显然, 以上崩解试验方法不一定适于红黏土的崩解性测试。

2 红黏土崩解试验装置及方案

2.1 崩解试验装置设计

土体的崩解速度受其密度、黏粒含量、饱和度、崩解溶液、温度等诸多因素的影响。黏性土崩解较慢, 往往需要较长时间才能完成崩解(饱和红黏土在水中静置两个月, 几乎不崩解)。本文将结合红黏土易膨胀、多孔隙、崩解慢的特点, 设计适合测试这类土崩解性的装置。

土体崩解试验的实质为: 在测试时间t内土体的崩解量。测量土体崩解量最准确的方法为直接烘干崩解土样, 但该方法只限于崩解速度较慢(即有充足的时间取出崩解土体时)土体的崩解性测试。因此，本文提出一种新方法, 利用自动读数的静水天平和烘干法同步测量, 试验装置如图4所示。

图4 湿化仪

静水天平与电脑相连自动记录读数, 可以称量土体在水中的净质量, 精度高, 采集数据量多。此外, 红黏土崩解缓慢, 利用玻璃杯盛装已崩解土样, 可以准确测试红黏土在某时间内的崩解质量, 用于测量崩解速度较慢阶段的崩解率。本研究拟采用静水天平和烘干法同时测量红黏土的崩解率, 一方面可验证土中气泡作用以及土体膨胀性对崩解测量的影响, 另一方面试图寻找一种适合红黏土崩解的测试手段。

2.2 试验方案

试验步骤如下: ①配制一定含水率的土样, 利用千斤顶按试验设计密度压制土样; ②在玻璃缸中注水或溶液, 水的深度必须高出土样表面约1 cm; ③将网盘挂至静水天平底部挂钩, 静水天平与电脑相连接并清零, 玻璃杯放置在网盘正下方并保持与网盘一定距离(不小于1 cm), 以免土样的重力作用使网盘变形而与玻璃杯接触, 影响试验精度; ④将土样小心放置在网盘中央; ⑤观测并描述崩解现象, 待土样不发生明显且连续性崩解后, 取一个干净玻璃杯, 使杯底紧贴玻璃缸缓慢放入至缸底, 并轻轻推至网盘中心底部替换已盛有崩解土的玻璃杯, 并将已盛土的玻璃杯取出, 烘干, 称取崩解土样的干质量, 同时记录取样时间。

2.2.1 崩解缓慢阶段崩解率计算——烘干法在t时刻土体的崩解率At为

(9)

那么，T时间内土体的累积崩解率BT为

(10)

式中:M、mt分别为土体在T时间内崩解的总质量和在t时刻崩解的质量;w为土体的初始含水率。

2.2.2 崩解速度较快阶段土体崩解参数计算——静水天平读数法T时间内土体的累积崩解率

(11)

式中:m0为静水天平的初始读数;mT为T时刻静水天平读数。

2.3 试验验证

采用静水天平读数和烘干法同时测试其崩解性。选取11个环刀样, 编号分别为1#～11#, 其饱和状态以及观测时间如表1所示。

表1 试样饱和状态及观测时间

结合静水天平读数, 根据式(11), 计算某一时刻土体的累积崩解率, 取4#～7#土样浸水后1 min内监测数据, 绘制累积崩解率与时间关系曲线, 如图5所示。根据式(10)计算烘干法测量红黏土的累积崩解率, 并对应烘干法的取样时间, 提取天平读数计算的累计崩解率, 绘制天平读数法和烘干法计算的累计崩解率与时间关系曲线, 如图6所示。

由图5可见, 土样崩解过程中, 天平读数持续浮动, 噪点多, 数据处理难度较大。累积崩解率随时间呈锯齿状变化, 甚至出现负值, 难以反映土样崩解过程的真实状态。以上试验结果表明, 土样崩解过程中同时包含膨胀以及气泡作用, 对天平计数扰动较大。采用天平读数计算土体的崩解性需要结合崩解现象, 剔除噪点, 不能直接利用电脑采集数据计算土体的崩解率。

图5 入水1 min内天平计数法绘制的累积崩解率与时间关系曲线

图6a～c分别为观测32 d的饱和土样1#～3#、 1 d的非饱和土样4#～7#和32 d的非饱和土样8#～11#的累积崩解率与时间关系曲线。由图6a可见, 天平计数法和烘干质量法测量的累积崩解率总体随时间呈非线性增长, 但前者局部出现上升—下降—上升的波动, 其中的红色圆圈区域所示, 与土体崩解性不可逆的特征相悖。造成这一现象的主要原因是土样崩解过程中气泡逃逸以及土粒崩解产生扰动而导致天平读数误差。此外, 1#和3#土样天平读数和烘干质量法计算的累计崩解率比较接近, 2#土样的天平计数与烘干质量法计算的累计崩解率在崩解初期(0～11 d(250 h内))无明显偏差, 但在崩解后期(第11天(即约280 h)后)有明显的偏差, 天平法计算值小于烘干法, 其最大偏差达到60%。由图6b可见, 两种方法测试数据绘制的非饱和土在1 d内的累计崩解率与时间关系曲线较接近, 天平计数描绘的累计崩解率随时间增长基本为增大趋势, 局部出现波动, 如5#土样。图6c中红色圆圈区域表明, 8#～11#土样在崩解的第一阶段(入水初期), 天平读数法和烘干法两组数据计算的累积崩解率较接近, 但在崩解的第二阶段, 除11#土样以外, 其他3个土样的两组测试数据计算的累积崩解率偏差较大。其中, 8#土样在崩解5 d(约120 h)后, 天平计数计算的累积崩解率超过100%, 其实际崩解率为58.02%, 出现明显的错误, 9#、 10#土样天平计数存在相同问题。

图6 两种测量方法计算的累积崩解率与时间关系曲线

以上试验结果表明, 崩解过程中土体中气泡和膨胀性对其测试结果产生干扰, 但在崩解初期(3 d时间内), 天平法和烘干法的测量数据之间的误差低于6%, 即对于饱和或非饱和红黏土而言, 短期内的崩解试验可采用天平法或烘干法; 随着崩解时间增长, 天平计数法计算的累积崩解率误差增大, 甚至出现错误的情况, 不可采用。