初始孔隙比对重塑膨润土压缩特性的影响

卢有谦,韦昌富,颜荣涛,唐双慧,向 锐

(桂林理工大学 a.广西岩土力学与工程重点实验室;b.广西建筑新能源与节能重点实验室,广西 桂林 541004)

初始孔隙比对重塑膨润土压缩特性的影响

卢有谦,韦昌富,颜荣涛,唐双慧,向 锐

(桂林理工大学 a.广西岩土力学与工程重点实验室;b.广西建筑新能源与节能重点实验室,广西 桂林 541004)

针对工程建设中日益彰显的软土地基病害,结合研究中的不足与实际工程需要,运用压实法制作了8组不同干密度试样,研究不同初始孔隙比重塑饱和膨润土的压缩性状。试验结果表明：膨润土e-lgσv′压缩曲线呈现类似天然沉积土的倒“S”形压缩曲线,存在天然沉积土般的结构性及固结屈服压力。由于膨润土的固有特性以及孔径分布等的影响,不同孔隙比的压缩曲线存在明显差异,初始孔隙比大的压缩曲线位于初始孔隙比小的压缩曲线上方。根据Burland的固有压缩理论,可以对重塑饱和膨润土进行良好归一化。

膨润土;孔隙比;压缩性;结构性;归一化

0 引 言

膨润土(Bentonite)又称斑脱岩、皂土或膨土岩, 俗名观音土, 是以蒙脱石为主要成分的细粒粘土岩,是一种相对较软的岩石, 由凝灰岩或其他火山岩在碱性介质下蚀变而成[1]。膨润土易吸水软化、 失水收缩, 具有极强的亲水性, 是湿热变化敏感的高塑性粘土。因为特殊的物理力学性质, 当作为路基材料时, 经常发生滑塌、不均匀沉降, 引起路面破坏等病害。而我国属于膨润土分布较广的国家之一, 先后有20多个省、 市和自治区发现有膨润土分布。面对分布广泛的膨润土地况, 随着高速公路与高铁的蓬勃发展、 路网密度的不断增大, 工程建设中遇到的问题也日益增多。考虑到施工成本与环境保护等问题, 不能简单地采用废弃或者改良的方案, 综合以上原因促使膨润土成为工程建设中亟待解决的“问题土”[2]。

目前,国内外对膨润土的胀缩性研究成果主要有：秦冰等[3]研究了浸泡液体、吸湿方式等对膨润土膨胀变形的影响；徐永福等[4]对膨润土及其与砂的混合物进行膨胀变形试验；孙德安等[5]对砂与膨润土不同配比的混合物在不同应力条件下的膨胀特性进行了研究；王志俭等[6]通过砂-膨润土混合物膨胀力研究确定其影响因素；Komine等[7]对高压实膨润土的膨胀特性进行试验；Tripathy等[8]通过双电层理论对压实膨润土的膨胀力进行了研究。以上研究主要针对膨润土的膨胀力,而对压缩性的定量研究还较少。但在软土地基中,主要的工程问题还是变形问题,即沉降问题,因此对膨润土的压缩性进行定量研究就显得尤为必要。本文根据膨润土研究中的不足与实际工程的需要,制备具有一定孔隙比梯度差的重塑膨润土土样,通过饱和固结压缩试验揭示膨润土的压缩特性,研究初始孔隙比对重塑饱和膨润土的压缩特性的影响。

1 试验概况

试验所用土样取自南友高速公路宁明段,取土深度为-1.5～-2.5m,为黄色或灰白色、斑纹状的残积型膨润土,其基本物理特性如表1所示。

表1 试验用膨润土的基本物理指标

注: 比重用比重瓶法测定; 液、塑限采用液塑限联合测定仪测定; 颗粒粒径级配用密度计法测定。

1.1 土样制备

膨润土取回经自然风干后使用木锤碾碎过2mm筛,土样颗粒径分布见图1。

图1 土样颗粒粒径分布

土工试验测得其风干含水率为5.6%,由于膨润土具有极活泼的阳离子交换性,为避免试样与试验用水发生离子交换影响试样的水力-力学特性,采用了去离子水。为了保证试样湿度均匀,拌样时使用喷雾器,将预先计算好的一定量去离子水均匀喷洒于风干膨润土中,调成14%含水率的湿土样,装入保鲜袋密封,再放入保湿缸中48h备用。环刀直径为61.8mm,依照《土工试验方法标准》[9]的压样方法制备高20mm的重塑膨润土环刀样。按孔隙比差Δe=0.05的梯度，用式(1)计算压样质量, 压制ρd=1.08、1.13、1.18、1.23、1.28、1.33、1.38、1.43 g/cm3共8组干密度, 通过式(2)换算即得到8组不同初始孔隙比土样, 最后将试样按规范抽气饱和备用。

m=(1+ω0)ρd,

(1)

e=ρs/ρd-1。

(2)

式中:m为压样用土质量;ω0为土样初始含水率;ρd为干密度;e为孔隙比;ρs为土粒密度。

1.2 固结压缩试验

本试验采用WG型单杠杆固结仪,数据读取采用百分表,加压等级:12.5、25、50、100、200、300、400、800、1 600、3 200、4 000kPa,每级荷载加载时间取为24h。加载过程中,室内温度保持不变,试样始终保持浸没于去离子水中。为避免试验用固结仪的误差及制样差异影响试验结果,试验前对固结仪进行标定,且土样均采用平行试验,若平行样试验结果相对误差超过5%，则均重新制样,直到试验结果达到误差允许范围为止,最终试验结果取平行样平均值进行分析,从而保证试验结果的可靠性。

2 试验结果与分析

2.1 压缩试验结果

通过重塑膨润土试验所得e-lgσv′关系曲线(图2)研究初始孔隙比对压缩性的影响, 随着竖向有效应力的增加, 不同初始孔隙比饱和重塑膨润土的压缩曲线由弹性状态逐渐地过渡为弹塑性状态, 在较大应力时压缩曲线趋势趋于一致。e-lgσv′曲线中,较大初始孔隙比的压缩曲线趋于直线,而初始孔隙比较小的压缩曲线形状呈现类似天然沉积粘土的倒“S”形曲线。

图2 膨润土e-lg σv′曲线

天然沉积粘土具有一个固结屈服压力,当竖向应力小于该力时,压缩性较小,压缩曲线较为平缓;而竖向应力超过该固结屈服压力时,压缩性不断增加,压缩曲线陡然下降,从而使压缩曲线呈现倒“S”形。由类似于天然沉积粘土的倒“S”形压缩曲线,可以推断重塑膨润土也具有一个固结屈服压力。另一方面,由压缩曲线求得的压缩系数(图3)可以发现，大初始孔隙比的压缩系数是不断减小的,而当初始孔隙比达到一定值时,试样的压缩系数先增大后减小, 呈现一个峰值

图3 膨润土不同孔隙比的压缩系数

点,初始孔隙比越小时，此现象越发明显；而荷载达到200kPa后，压缩系数基本趋于一致。压缩系数的峰值点情况对应类似天然沉积粘土的倒“S”形压缩曲线中的陡然下降部分,再次解释了重塑膨润土如天然沉积粘土般具有结构性[10-12]。

由e-lgσv′压缩曲线可看出,最大与最小初始孔隙比试样在荷载全部加载完成后,最终的孔隙比仍分别为最大与最小,即试样初始孔隙比的大小决定了最终孔隙比的趋势。这是由于重塑膨润土具有结构性,存在固结屈服压力,不同初始孔隙比试样具有不同的固结屈服压力。大初始孔隙比的屈服压力小于小初始孔隙比的屈服压力,固结压缩时要克服屈服压力。当竖向荷载达到或者超过屈服压力时,随着竖向变形的不断增大,试样也不断地压实,土样内部颗粒的排列更加紧密,则压缩变形需要克服的阻力也不断地增加,最终不同初始孔隙比的试样压缩系数趋于一致。所以在竖向荷载超过一定值后,重塑膨润土的压缩曲线规律基本相同,近乎是平行的直线。

压缩曲线如此分明的关系, 量化表现为试验加载到4 000 kPa后, 最大的孔隙比差甚至还有0.25, 并未完全压实。 产生如此结果的原因是膨润土是一种高塑性、 高压缩性粘土, 主要成分为蒙脱石, 晶胞是2层硅氧四面体中间夹1层铝氢氧八面体层构成的3层结构, 晶胞间以分子间相互作用力相连接, 连接力较弱, 水分子可以进入到晶胞间。 蒙脱石的晶格是活动的, 吸水膨胀、 脱水收缩。 不同初始孔隙比的重塑土样, 其中的大孔隙、 中孔隙、 微孔隙、 超微孔隙的分布与所占比例都不相同； 孔隙大小不同, 随着竖向荷载的变化特征也不同, 直观的表现为压缩特性的不同[13]。 大初始孔隙比的试样含有的大、 中孔隙多于小初始孔隙比的试样, 在低荷载时, 大初始孔隙比的压缩系数较大则试样压缩迅速, 大、 中孔隙中包裹的水比较多, 其中来不及排出而形成小孔隙水包, 而初始孔隙比大的试样形成的水包无论在体积和数量上都比初始孔隙比小的试样多。 随着竖向荷载的不断增加, 虽然水包体积也不断减小, 但土样也不断压实, 水包被包裹的更加严密, 水包中的水排出也更加困难, 从而影响土样的压缩。 当压缩试验竖向荷载增加到一定量时, 孔隙间的自由水不断排出,随着孔隙的不断变小, 压实度也不断变大, 自由水基本被固结排出。 只有荷载再不断增大时, 晶胞间的结合水才会排出, 最终才会使压缩曲线趋于一点,从而使土样完全压实。

2.2 压缩曲线归一化

(3)

(4)

Iv对重塑饱和膨润土可以进行良好的归一化(图4),当荷载超过100 kPa时,压缩曲线基本趋于一致。Iv是基于对不同的初始含水率的粘土压缩特性研究提出来的,Burland通过调制一定液限倍数含水量的泥浆,固结排水得到不同初始孔隙比的试样。膨润土的压缩试验通过压实制样控制干密度从而得到有梯度差的孔隙比试样。膨润土的压缩试验与Burland的试验对比,最大的不同之处是制样方法,但最终得到的都是不同的初始孔隙比对压缩曲线的影响。两者用的土都属于软土,归一化结果说明泥浆固结排水制样与压实制样不影响土的固有物理力学性质。Iv适用于软土的压缩曲线归一化,具有一般性。

图4 重塑膨润土的Iv-lg σv′

与此同时,Burland还提出了固有压缩曲线(intrinsic compression line, ICL),表征土的压缩特性,其仅与土的基本性质有关,表达式如下:

IICL=2.45-1.285lgσv′+0.015(lgσv′)3。

(5)

由图5可以发现,与Iv归一化孔隙比的压缩曲线对比,固有压缩曲线在大于重塑土的屈服压力后能很好地对压缩曲线进行拟合,进一步说明Burland的理论适用于重塑膨润土,从而可以利用ICL对不同初始孔隙比的重塑饱和膨润土压缩曲线进行归一化。

图5 重塑膨润土的归一化曲线

3 结 论

(1)重塑饱和膨润土在e-lgσv′压缩曲线呈现类似于天然沉积粘土的倒“S”形压缩曲线,如天然沉积粘土般的结构性,存在固结屈服压力。不同初始孔隙比的压缩曲线存在明显差异,曲线并未趋于一点,初始孔隙比大的压缩曲线位于初始孔隙比小的压缩曲线上方。4 000 kPa荷载下,不同初始孔隙比的试样孔隙比依然存在较大孔隙比差,并未完全压实。

(2)对不同初始孔隙比的重塑饱和膨润土压缩曲线进行归一化,由Burland的固有压缩理论,当荷载超过重塑土的固结屈服压力时,可以对压缩曲线进行良好的归一化,而Burland提出的固有压缩曲线ICL也能对孔隙指数归一化后的压缩曲线进行良好的拟合。

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Effect of initial water contents on the compressibility of remolded bentonite

LU You-qian,WEI Chang-fu,YAN Rong-tao,TANG Shuang-hui,XIANG Rui

(a.Guangxi Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering;b.Guangxi Key Laboratory of New Energy and Building Energy Saving, Guilin University of Technology,Guilin 541004,China)

As the increasingly apparent disease in the engineering construction in soft soil foundation, and insufficient study,8 groups of different dry density samples were prepared by compaction method for the project improvement. The compression properties of different initial void ratios were studied to remold saturated bentonite. It is found that bentonite compression curve shapes like an“S”which exists in natural sedimentary soil structural yield pressure and consolidation. Due to the intrinsic characteristics of bentonite and the influence of pore size distribution,there are obvious differences with different ratios in the compression curves.The compression curve of big initial void ratio is located above the small initial void ratio. According to the inherent Burland compression theory, it is good to reshape the saturation of bentonite normalization.

bentonite; void ratio;compressibility;constitutive property; normalization

1674-9057(2015)04-0850-05

10.3969/j.issn.1674-9057.2015.04.026

2015-05-08

广西自然科学基金创新研究团队项目(2012GXNSFGA060001); 广西自然科学基金重大项目(2012GXNSFEA053002); 广西自然科学基金项目(2014GXNSFBA118236)；广西研究生教育创新计划项目(YCSZ2015159)

卢有谦(1988—),男,硕士研究生,研究方向:环境岩土工程,912407300@qq.com。

韦昌富,博士,教授,cfwei@whrsm.ac.cn。

卢有谦,韦昌富,颜荣涛,等.初始孔隙比对重塑膨润土压缩特性的影响[J].桂林理工大学学报，2015,35(4):850-854.

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