蒙脱石含量和土体状态对膨胀土收缩特性的影响*

2023-07-25吴珺华匡唐亮叶云雪赵贵涛

工业建筑 2023年5期

吴珺华匡唐亮叶云雪赵贵涛

(1.南昌航空大学土木建筑学院, 南昌 330063; 2.水利部土石坝破坏机理与防控技术重点实验室, 南京 210024; 3.江西省智慧建筑工程研究中心, 南昌 330063; 4.武汉大学土木建筑工程学院, 武汉 430072)

膨胀土的收缩行为较膨胀行为引起的关注较少。但由膨胀土收缩行为引起的工程问题却不容忽视。在边坡工程中,膨胀土收缩引起的裂隙,为降雨入渗提供了通道,严重影响边坡的稳定性;[1]在核废物处置库中,膨润土收缩可能导致放射性核素的迁移或泄露;[2]在垃圾卫生填埋场中,衬垫系统因收缩产生的裂隙会使垃圾渗滤液污染周围土体及地下水。[3]因此对膨胀土收缩特性的研究十分必要。

目前,关于膨胀土收缩特性的研究主要集中在矿物成分[4]、粒组组成[5]、初始含水率和干密度[6]、干湿和冻融循环[7]、温度和湿度[8]等方面。鉴于收缩特性带来的工程危害,不少学者提出了抑制膨胀土胀缩性的改良措施,如掺风化砂[9]、石灰[10]、聚苯乙烯泡沫塑料颗粒[11]、阳离子[12]和纤维加筋[13]等。土的收缩特征曲线(SSCC)是研究膨胀土收缩特性的重要工具之一,SSCC描述了重力含水率(或含水比)与孔隙比的关系。SSCC的测量方法通常有直接测量法、排液法(如石蜡法)、数字图像相关技术和激光扫描成像法等。[4]对于不规则试样,石蜡法是简单易行且经济可靠的方法。为了定量地描述SSCC,一些学者提出了SSCC数学模型[14-16]。

影响膨胀土收缩特性的主要因素除了上述矿物成分(如蒙脱石含量)外,还包括受地质成因导致的不同土体状态,如流塑、可塑和硬塑。现有文献[17-19]主要考虑单一因素对土体收缩特性的影响,鲜有同时考虑蒙脱石含量和土体状态这两个因素的影响,尤其是土体状态。在膨胀土收缩特性试验中,通常采用压实或击实的方法制作试样,而这些试样大部分处于硬塑状态。事实上,在实际工程中所遇到的膨胀土不完全能由压实或击实土所模拟,如淤泥质胀缩土[20]和岸坡膨胀土[21]。淤泥质胀缩土可由湖积或海积相成因产生,属于流塑状态。岸坡膨胀土长期与水接触,水位以下可看作可塑或软塑状态,当遇到枯水期水位下降时,因蒸发收缩导致的裂隙会进一步降低膨胀土岸坡的稳定性。

为此,将开展如下研究:1)探究泥浆样(流塑)、预固结样(可塑)和压实样(硬塑)三种不同土体状态对膨胀土收缩特性的影响; 2)针对泥浆样和预固结样,研究不同膨润土掺量对膨胀土收缩特性的影响;3)鉴于常规方法获得SSCC的试验周期较长,对SSCC的测量提出适当的改进措施,从而缩短试验周期,提高试验效率。

1 改进措施及试样制备

1.1 改进措施

1.1.1改进缩限试验

基于GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》中的缩限试验操作规程,在泥浆样分层装入收缩皿之前,在收缩皿的内部贴上一层聚乙烯膜(保鲜膜),方便取出土样并进行体积测量和烘干称取质量,避免试样在高含水率条件下黏在收缩皿中而不易取出。

1.1.2自制预固结试样装置

GB/T 50123—2019中并没有利用泥浆样制作预固结样的装置。自制预固结试样装置如图1所示。该装置包括主体部分和辅助部分。主体部分是常用的聚酯透明罐,内径为65 mm,厚度为9 mm,高度为140 mm;辅助部分由集水盘、托盘、金属支架和外荷载组成。主体部分包含土样、滤纸、透水石及分布在罐身四周和罐底的排水孔,其中排水孔可采用圆规的针尖制作,最大孔径不超过1 mm。

图1 预固结装置 mmFig.1 Pre-consolidation devices

1.1.3改进测量方法

相对于土体收缩特性试验中常用的自然风干法,采用烘箱进行辅助控制目标含水率,缩短了试验周期。由于要测量多个数据点,为减少液体石蜡的使用量及减小操作误差,可将达到目标含水率的试样先用保鲜膜包裹并置入密闭容器中静置不少于24 h,确保水分在试样内部均衡分布,待全部试样都准备完毕后,再用液体石蜡法测量不同目标含水率下试样的体变,得到土的收缩特征曲线。经过多次试验对比发现,为避免蒸发过快导致所研究土体表面产生较大的收缩裂隙,建议将烘箱温度设置在55～70 ℃,每隔30 min左右取出一块试样,检验其含水率是否达到目标含水率,若达到目标含水率则将其冷却至室温后,再用保鲜膜包裹、密封备用。整个试验过程中,应观察烘箱内的土样状态并调整烘箱温度。若土样产生微小收缩裂缝则可调低温度;若土样在烘箱内连续30 min质量无明显变化,则可适当提高温度。值得注意的是:温差不宜过大,温度增量一般控制在5 ℃以内。

1.2 试样制备

试验土样取自黑龙江,其基本物理性质指标如表1所示。该膨胀土属于中膨胀土,自由膨胀率为67%,主要矿物成分为蒙脱石(23%)、伊利石(3%)、纳长石(17%)、方解石(5%)和石英(44%)等。由于液体石蜡密度随温度在0.845 ～ 0.890 g/cm3之间变化,故在试验前先用容量瓶测定当前温度下石蜡的密度。

表1 土样的基本物理性质指标Table 1 Basic physical property indexes of soil

为研究蒙脱石含量变化对土体收缩特性的影响,在膨胀土中掺入了不同比例的钠基膨润土。由于掺加不同质量的膨润土会改变原有膨胀土的相对密度,因此利用相对密度试验可测出对应的相对密度,用平均相对密度表示Gsavg。基于相对密度试验结果和GB/T 50123—2019中土粒平均相对密度算式,Gsavg可用式(1)表示:

(1)

式中:m1为膨胀土的干土质量,g;m2为膨润土的干土质量,g;m为总质量,g,即m1与m2之和;m2/m为膨润土掺量;Gs1为膨胀土的相对密度;Gs2为钠基膨润土的相对密度,其值为2.32。

1.2.1泥浆试样的制备

土样经过碾碎、风干并过2 mm筛。考虑不同膨润土掺量和测量方法,共制备五组泥浆试样(液性指数大于 1,土体呈流塑状态)进行土的收缩特性试验,对应的参数列在表2中。试样制备步骤如下:1)取一定质量的膨胀土和膨润土,用无气水制备成约为1.2 ～ 1.5倍液限的泥浆样,用保鲜膜密封静置24 h 以上;2)将凡士林涂在收缩皿内表面后,再贴一层保鲜膜,同时在收缩皿杯口处留有适当长度的保鲜膜,便于后续取样,制样完备后如图2a所示;3)将制备好的试样放入烘箱进行辅助干燥,每隔30 min 左右取出一个试样,如图2b所示。当取出的试样呈现一定的可塑状态时,可将收缩皿内的试样全部取出,尤其是低含水率的试验。

表2 泥浆样的膨润土掺量及测量方法Table 2 The bentonite content and measurement method for slurry specimens

a—内置保鲜膜的试样; b— 高含水率的试样。图2 泥浆试样的制备Fig.2 Preparation for slurry specimens

值得注意的是:由于液体石蜡的沸点超过300 ℃,因此,在石蜡法测量试样体积后,若继续测量试样含水率,可用土工刀切除试样表面的石蜡层,然后取试样的芯部进行最终含水率的测定,也可以将土样一分为二,分别用来测量试样体积和最终含水率。

1.2.2预固结样的制备

与泥浆样类似,考虑不同膨润土掺量、上覆荷载P和测量方法,共制备四组预固结样(0.25

表3 预固结土样的膨润土掺量、上覆荷载及测量方法Table 3 The bentonite content, overburden load and measurement method for pre-consolidated specimens

试样制备过程如下:1)将制备好的泥浆样,分层装入一个聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)罐中,并振捣密实。罐身内壁提前涂抹凡士林,罐底依次放置透水石和滤纸;2)为了确保罐内试样的空气能够顺利排出,利用真空抽气法持续抽气1 h,然后在土样的顶部依次放置滤纸和透水石;3)逐级施加上覆荷载p,每级荷载的稳定时间不少于24 h,荷载施加的顺序依次为0 kPa→2.5 kPa→5 kPa→10 kPa→20 kPa→30 kPa。4)待固结完成后,利用铅笔刀将瓶身划开并取出土样,取出后的土样如图3a所示;5)将试样全部切成块状,见图3b所示,利用改进测量法控制试样目标含水率,其余同上。

a—预固结完成后; b—块状试样。图3 预固结试样的制备Fig.3 Preparation of pre-consolidated specimens

1.2.3压实样的制备

通过静压法完成环刀样(0

2 试验结果和分析

2.1 自然风干法与改进测量法的结果对比

为定量地描述SSCC,采用Cornelis等提出的SSCC模型[16],该模型的表达式如式(2)所示:

e=es+λexp(-uwv)

(2)

式中:es为干燥状态下土的孔隙比,一般与缩限对应的孔隙比相等;λ、u、v为模型拟合参数。

根据Groenevelt等的建议[22],以靠近收缩曲线(干燥段)曲率最大的点所对应的含水率作为缩限。缩限是土体收缩过程中体积不再变化时的含水率,由于缩限的确定较难,故在SSCC中通常以零收缩段与正常收缩段曲线的切线交点所对应的含水率作为缩限,为了区分这两种方法得到的缩限值,前者称为计算缩限wsc,后者称为图解缩限wsg,事实上,这两种缩限值均为真实缩限ws的近似值,见图4所示,其中wψ为进气值含水率,eψ为对应的孔隙比,rmin为SSCC最小的曲率半径。

图4 图解法计算的缩限Fig.4 A graphical method to calculate shrinkage limits

对式(2)分别进行求导,可得到一阶导函数和二阶导函数:

e′=λuvexp(-uw-v)w-(v+1)

(3)

e″=λuvexp(-uw-v)w-(v+2)[-(v+1)+

uvw-v]

(4)

基于曲率的数学公式和wsc的计算式,曲率κ和wsc可分别用式(5)和式(6)表示,其中max()为最大值函数。

(5)

wsc=max(κ)

(6)

基于SSCC的试验数据,先求出式(5)的表达式,再求出式(6)取最大值时的w值,即为wsc值。

图5是泥浆样和预固结样由改进测量法和自然风干法所测得的结果。可知:两种方法得到试验数据点高度吻合。通过试验发现:以预固结样为例,利用自然风干法时,试样大约需要二周时间,而改进测量法则需要一周不到的时间。另外,当需要整个含水率范围内(从饱和到烘干状态)的试验数据时,改进测量法较自然风干法更加适用。因为利用自然风干法较难获得含水率增量均匀分布的数据点。

a—泥浆样,e=0.36+4.14exp(-0.85w-0.80),R2=0.989; b—预固结样,e=0.31+3.24exp(-0.70w-0.80),R2=0.998。1;2;Y01;Y02。图5 两种方法的比较Fig.5 Comparisons of two methods

从图5中还可发现:对于泥浆样与预固结样,所选式(2)均能很好地拟合SSCC试验数据点,为进一步计算wsc提供了理论支撑。

因此,所提改进法(即利用烘箱辅助控制目标含水率)具有合理可靠、便于操作和节省时间的优点,即改进测量法不会因为控制环境温度而改变SSCC试验数据的准确性,以及增加数据测量的离散程度。

2.2 蒙脱石含量变化对SSCC的影响

原膨胀土中蒙脱石含量为23%,纳基膨润土的蒙脱石含量为95%,为了更好地表征膨润土与膨胀土混合后(即混合土)试样中蒙脱石含量,假定原膨胀土中蒙脱石含量为A,纳基膨润土中蒙脱石含量为B,不同比例的膨润土掺量为C,则混合土试样中蒙脱石含量为A(1-C)+BC。通过计算得到混合土试样中蒙脱石含量(表4),与原膨胀土相比,混合土中蒙脱石含量分别增加了4%、11%和18%。

表4 SSCC拟合结果及相关参数Table 4 Fitting results of SSCC and related parameters

图6是采用改进测量法获得不同蒙脱石含量的SSCC。由图6a可知:在零收缩段和残余收缩段,随着蒙脱石含量的增大,泥浆样的SSCC逐渐向下移动。观察表4可知:以原膨胀土泥浆样的es为参考值,当蒙脱石增量为4%、11%和18%时,es的增量分别为-0.02、-0.08和-0.09,这与压实膨胀土的蒙脱石含量越高其收缩性越明显的性质不同。

a—泥浆样; b—预固结样。图6 不同蒙脱石含量的SSCCFig.6 SSCC with different contents of montmorillonite

另外,随着蒙脱石含量的增加,SSCC残余收缩段的曲率逐渐减小,当蒙脱石含量为41%时,曲率近似为0,SSCC可看作一条折线。由图4可知:当SSCC为一条折线(仅有零收缩段和正常收缩段)时,wsg和wsc将会重合为一点。通过表4也证实了这一点,wsg和wsc的差值在不断缩小。

由图6b可知:以原膨胀土预固样的SSCC为参考曲线,对于预固结样(上覆荷载为30 kPa),当蒙脱石含量为34%时,SSCC与参考曲线基本重合;当蒙脱石含量为41%时,SSCC在参考曲线的下方,这意味着预固结样将克服荷载对收缩特性的抑制,产生较为明显的收缩变形。类似地,随着蒙脱石含量的增加,预固结样SSCC残余收缩段的曲率也在逐渐减小。

2.3 不同土体状态对SSCC的影响

图7是利用改进测量法获得不同土体状态对SSCC的影响。由图7可知:在零收缩段和残余收缩段,泥浆样的SSCC在预固结样的上方;在整个含水率范围内,预固结样与环刀样(静压法)的SSCC基本一致。这可能是因为泥浆样在制样过程中受到的外荷载为零,而预固结样和环刀样在制样过程中均受到外部荷载作用,使土样中的大孔隙体积减少,导致土体的收缩变形趋于一致。