劉博詩,張延杰,王旭,梁慶國,李盛
(1. 蘭州交通大學 土木工程學院,甘肅 蘭州 730070;2.甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室,甘肅 蘭州 730070)
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人工制備砂土濕陷性影響因素分析
劉博詩1,2,張延杰1,王旭1,梁慶國1,李盛1
(1. 蘭州交通大學 土木工程學院,甘肅 蘭州 730070;2.甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室,甘肅 蘭州 730070)
根據濕陷性砂土礦物成分組分分析,選用無黏性細砂和膠結性黏土礦物煅燒高嶺土制備人工濕陷性砂土,通過正交試驗和單因素試驗,研究人工制備砂土濕陷性與黏土礦物含量、壓實度和初始含水量的相關關系,使試驗結果具有可重復性和可控性。試驗結果表明:1)影響人工制備砂土濕陷性的主要因素依次為:壓實度>高嶺土含量>初始含水量;2)人工制備砂土的濕陷性隨黏土礦物含量的增加,呈現出先增大后減小的變化規律;3)高嶺土含量為20%的人工制備濕陷性砂土的濕陷系數與孔隙比成正比關系,與干密度呈反比關系;4)砂顆粒周圍包裹著黏土薄膜,黏土薄膜上包裹著結合水膜,形成的雙層膜結構是砂土在水的作用下產生濕陷原因。該研究結論可為鐵路工程中濕陷性砂土地基的處理提供參考和技術支持。
濕陷性砂土;鐵路路基;高嶺土;壓實度;初始含水量
濕陷性土在我國分布廣泛,除常見的濕陷性黃土外,干旱與半干旱條件下沉積的砂土,浸水受壓后也能發生結構的破壞而產生大量的濕陷下沉[1]。砂土的濕陷性是一個較為復雜的物理化學過程,由于其特殊的形成條件和環境,造成了與一般第四紀土不同的沉積特點、物理力學性質和濕陷規律[2]。隨著西部地區大規模鐵路工程的建設,不可避免遇到濕陷性砂土地基,如蘭新復線鐵路、蘭新第二雙線、蘭渝鐵路等均不同程度地穿越濕陷性砂土地段。由于粉砂、粗砂等砂性土具有良好的透水性,常常作為填筑材料應用于鐵路路基中。砂土路基在機車往復荷載作用下,局部產生高應力剪脹區,當路基排水不暢時,土體吸水發生濕陷軟化,引起路基的附加沉降,對填筑體的變形、穩定、開裂都有較大影響,因此砂土的濕陷變形特性在鐵路路基工程中是不可忽視的,而目前對砂土濕陷變形的研究主要集中在大壩蓄水等水利工程中,在鐵路工程中的研究較少。
對于濕陷性黃土,國內外眾學者針對其濕陷類型、評價標準、濕陷機理等方面進行了深入研究,取得了豐碩的研究成果[3-6]。針對濕陷性砂土的研究成果較少,主要集中于探討含水率、壓實度與砂土力學性能指標的關系。王強等[7-8]對路基砂土填料進行了濕化變形試驗,發現浸水濕化后土體的抗剪強度指標以及變形模量減小。舒玉等[9]對砂土路基取樣,進行了重型擊實試驗、直剪試驗、壓縮試驗和承載比試驗研究,分析了含水量與抗剪強度指標、壓縮模量和CBR值的關系。Jennings等[10]通過試驗研究發現砂土路基在浸水濕陷后仍會產生較大豎向位移。Skopek等[11]發現松散的干砂土浸水飽和后,由于排水不暢,在不排水加載和孔隙水壓力作用下砂土亞穩定性結構發生濕陷破壞,穩定性急劇降低,誘發嚴重的邊坡滑動事故。此外,國內外學者對于砂土濕陷性影響因素方面初步探究,主要從單因素分析干密度、含水率與濕陷性的關系,對于綜合考慮壓實度、黏土礦物含量、初始含水量等砂土濕陷性影響因素以及影響程度評價方面研究的較少。羅云華[12]通過對不同相對密度的砂土進行濕陷試驗,發現砂土的相對密度是砂土濕化變形特性的主要影響因素。魏松等[13]對土石壩的粗粒砂土進行三軸濕化變形研究,提出導致非黃土類土體濕化變形的原因是復雜的,要深入探索,有必要對各個影響因素分別探討。Lawton等[14]通過一維壓縮試驗,研究了壓實方法、壓實含水量、相對密度、垂直應力水平對黏性砂土體積變化率的影響,為路基填筑提供了理論指導,但未考慮黏土含量對砂土濕陷性的影響。砂土的濕陷性研究尚處于探索階段,隨著沙漠區的開發和發展,相關理論知識體系和技術處理會變得更加完善和成熟,因此加強對濕陷性砂土基本性質的研究具有重要的理論意義與現實意義[15]。本文選用細砂和煅燒高嶺土兩種材料制備出人工濕陷性砂土,通過控制和改變材料中黏土礦物成分、壓實度、初始含水量等顯著影響濕陷性的一系列變量,更好地從礦物成分、物性指標等多方面研究砂土的濕陷性,經過大量試驗探究驗證了試驗結果的可重復性和可控性,為濕陷性砂土地區鐵路路基模型試驗的參數選取提供參考。
我國第四紀沉積土的工程性質主要取決于土的物質成分和結構[16]。根據土體所含的主要礦物成分,可分為無黏性的粗粒礦物和有膠結性的黏土礦物兩大類,無黏性粗粒礦物如石英、長石、方解石、云母等,與水不起作用,不影響濕陷過程。膠結性黏土礦物如伊利石、高嶺石、綠泥石、蒙脫石等,在一定程度上體現著土體的濕陷性。根據對濕陷性土體礦物分成的分析,選用無黏性細砂和膠結性黏土礦物煅燒高嶺土制備人工濕陷性砂土,見圖1。

圖1 相似材料Fig.1 Similar materials
細砂選用河砂,顆粒直徑在0.075~1 mm之間,小于0.075 mm占3.22%,不均勻系數Cu=3.47,曲率系數Cc=1.03。高嶺石采用煅燒高嶺土,顆粒比重為2.63。選取材料烘干后,按質量比例稱取混合,攪拌均勻,使兩種材料均勻分布。分別選取高嶺土含量(質量比)為0%,5%,10%,15%,20%,25%,30%,40%和50%制作濕陷性砂土試樣S-1,S-2,S-3,S-4,S-5,S-6,S-7,S-8和S-9,進行液塑限試驗和擊實試驗,試驗結果見表1。

表1 人工制備砂土物理參數Table 1 Physical parameters of artificial sand

圖2 高嶺土含量與液限含水量和塑限含水量關系曲線Fig.2 Content of kaolin vs. liquid limit and plastic limit curve

圖3 高嶺土含量與最優含水量關系曲線Fig.3 Content of kaolin vs. optimum water content curve

圖4 高嶺土含量與最大干密度關系曲線Fig.4 Content of kaolin vs. maximum dry density curve
分析圖2~4,可以得出隨高嶺土含量的增加,液限含水量、塑限含水量和最優含水量近似線性增加,而最大干密度逐漸減小。主要是由于細砂屬于粗粒礦物,與水不起作用,而高嶺土屬于黏土礦物,能吸附水分子形成一定厚度的結合水膜,增加了土體的可塑性。
2.1正交試驗設計
為研究初始含水量、壓實度和黏土礦物含量對砂土濕陷性的影響,結合國內外學者人工濕陷性土體制備方法和張延杰等[17]前期的探討,應用空中自由下落法(Air fall method)制備的人工濕陷性砂土,見圖5,能夠較好地模擬風沉砂土的沉積條件和沉積過程,所制備的人工濕陷性砂土浸水后能產生較大的濕陷變形。

圖5 空中自由下落法制作試樣Fig.5 Sampling by air fall method
選取高嶺土含量、壓實度和初始含水量3個主要影響因素,高嶺土含量(質量比)取5%,10%,15%和20%4個水平,壓實度取0.70,0.75,0.80和0.85 4個水平,初始含水量取3%,6%,9%和12% 4個水平,進行3因素4水平正交試驗設計,詳見表2,控制壓實度和含水量制作試樣,制備2組平行試樣,進行濕陷性試驗,分級加載至200 kPa穩定后浸水,浸水變形穩定,即每小時變形不大于0.01 mm后,分級加載至800 kPa。

表2 正交試驗設計與結果分析Table 2 Orthogonal experimental design and result analysis
2.2正交試驗結果分析
對試驗結果進行極差分析,根據極差的大小,評價各因素對砂土濕陷性的影響主次,得出影響人工制備砂土濕陷性的主要因素依次為:壓實度>高嶺土含量>初始含水量。分別計算高嶺土含量、壓實度、初試含水量3個因素在同一水平(如高嶺土含量為5%為一水平)時的濕陷系數平均值,即水平/4,繪制各因素在不同水平下的濕陷系數指標趨勢圖,見圖6~8。

圖6 壓實度與濕陷系數關系曲線Fig.6 Compaction degree vs. coefficient of collapsibility curve

圖7 高嶺土含量與濕陷系數關系曲線Fig.7 Content of kaolin vs. coefficient of collapsibility curve

圖8 初始含水量與濕陷系數關系曲線Fig.8 Initial water content vs. coefficient of collapsibility curve
國內對濕陷性黃土已有了較多的研究成果,在砂土濕陷性評價方面尚無統一標準,因此沿用研究濕陷性黃土的方法,根據《濕陷性黃土地區建筑規范》(GB 50025—2004)[18],對不同高嶺土含量、壓實度和初始含水量的砂土濕陷等級進行評價,如表2所示。
分析可得,濕陷系數隨壓實度的增大而近似線性減小,隨高嶺土含量的增加近似線性增加,初始含水量對人工制備砂土濕陷性的影響較小。對試驗結果進行方差分析,在α=0.005的置信水平上構造F統計量,作F檢驗判斷濕陷性影響因素是否顯著。壓實度F比=54.88,高嶺土含量F比=51.08,均大于F0.005(3,3)=47.47,說明壓實度和高嶺土含量對人工制備砂土濕陷性的影響高度顯著。初始含水量F比=4.71 3.1高嶺土含量與濕陷系數試驗 根據正交試驗結果,選取壓實度分別為0.7和0.8,初始含水量為6%,高嶺土含量分別為5%,10%,15%,20%,25%,30%,40%和50%制備試樣,進行人工制備砂土濕陷性單因素試驗分析,研究高嶺土含量與濕陷性的關系,如圖9所示。 圖9 高嶺土含量與濕陷系數關系曲線Fig.9 Content of kaolin vs. coefficient of collapsibility curve 分析圖9可得,當高嶺土含量低于20%時,隨著高嶺土含量的增加,濕陷系數逐漸增大。當高嶺土含量為20%時,濕陷系數為最大,壓實度為0.7時,δs=0.169,壓實度為0.8時,δs=0.112。高嶺土含量超過20%以后,隨著高嶺土含量的增加,濕陷系數逐漸減小。有研究結果認為[19]:當黏土含量超過30%以后,黃土的濕陷性基本消失。通過本次試驗,可得出當土體壓實度和初始含水量都較低的情況下,土樣結構較為疏松,黏粒含量超過30%,人工制備砂土仍具有一定的濕陷性。當壓實度為0.7,高嶺土含量為40%時,δs=0.168;壓實度為0.8,高嶺土含量為40%時,δs=0.081。 分析高嶺土含量與濕陷性的變化規律,高嶺土具有較大的比表面積,表面活性較高。當高嶺土含量較低時,黏土礦物作為吸附劑聚集在砂顆粒表面形成一定厚度的黏土薄膜,形成由黏土材料膠結無黏性砂顆粒的土骨架多孔結構,伴隨著大量的中等孔隙和大孔隙。顆粒周圍結合水膜較薄,產生的假黏聚力對周圍顆粒有一定的吸力作用,土體處于亞穩定狀態。浸水后,膠結物聯結能力削弱,土骨架的黏結強度遭到破壞,土顆粒易于發生滑動和壓密,中等孔隙和大孔隙大部分被小顆粒及碎屑填充而消失,大、中孔隙明顯減少,使得這種亞穩定結構開始破壞,進而產生非常顯著的強烈濕陷。 當高嶺土含量大于界限含量20%時,黏土礦物主要作為填充物填充于土體孔隙內,提高了人工砂土的密實度,且由于高嶺土吸水性較好,吸附弱結合水膜中的水分,使結合水層粘滯性減弱,降低了團粒間的黏結強度,土體的濕陷性變小,因此當高嶺土含量的超過界限含量時,砂土濕陷性呈現下降趨勢。 3.2壓實度與濕陷系數試驗 根據正交試驗和高嶺土含量與濕陷性試驗結果分析,選取高嶺土含量為20%,初始含水量為6%,壓實度分別為0.6,0.65,0.7,0.75,0.8,0.85,0.9和0.95制備試樣,進行人工制備砂土濕陷性單因素試驗分析,研究壓實度與濕陷性的關系,如圖10所示。 圖10 壓實度與濕陷系數關系曲線Fig.10 Compaction degree vs. coefficient of collapsibility curve 分析圖10可得,隨著壓實度的增大,試樣的致密程度增高,壓實度從0.6增加到0.8時,濕陷系數按近似線性規律減小,與正交試驗結果相一致。高嶺土含量為20%的人工制備濕陷性砂土的濕陷系數與孔隙比、干密度的關系與濕陷性黃土相一致[20],即濕陷系數與孔隙比成正比例關系,當孔隙比小于0.8,或干密度大于1.5 g/cm3時,濕陷性基本消失。 3.3初始含水量與濕陷系數試驗 選取壓實度分別為0.7和0.8,高嶺土含量為20%,初始含水量分別為3%,6%,9%,12%和15%制備試樣,進行人工制備砂土濕陷性單因素試驗分析,研究初始含水量與濕陷性的關系,如圖11所示。 圖11 初始含水量與濕陷系數關系曲線Fig.11 Initial water content vs. coefficient of collapsibility curve 分析圖11可得,當壓實度為0.8時,隨著初始含水量的增加,濕陷系數逐漸減小,且減小幅度較小,說明初始含水量對人工制備砂土濕陷性的影響并不顯著,與正交試驗結果相一致。根據學者對初始含水量與黃土濕陷性的關系研究得出[20]:濕陷系數隨初始含水量的增大而減小。 當壓實度為0.7時,隨著初始含水量的增加,濕陷系數呈現先增大后減小的趨勢。通過本次試驗,可得出初始含水量對人工制備砂土濕陷性的影響并不顯著,與天然濕陷性砂土濕陷性隨含水量的增大而顯著減小的趨勢有所不同。分析其原因,主要是由于天然濕陷性砂土在歷史上曾經受豎向固結壓力和水的作用,已形成了穩定的多孔結構。由無黏性的砂顆粒和黏結性的高嶺土形成的人工制備濕陷性砂土混合材料,在水和較低壓實度作用下,尚未激活黏土礦物的表面活性,未能使土體形成亞穩定的多孔結構。說明當壓實度較低時,土體的濕陷性對含水量變化較為敏感,隨著含水量增大,濕陷性對含水量變化的敏感性減弱。 人工制備砂土的濕陷是也由于粒間聯結失效造成的[21]。黏土礦物作為砂顆粒間的膠結物,形成由黏土材料膠結無黏性砂顆粒的土骨架,類似濕陷性黃土的骨架結構。高嶺土作為吸附劑聚集在砂顆粒表面形成一定厚度的黏土薄膜,黏土薄膜上包裹著結合水膜,形成濕陷性砂土的雙層膜結構。在含水量較低時,顆粒周圍的結合水膜較薄,溶解在其中的陰、陽離子的靜電引力較強,產生的假黏聚力對周圍顆粒有一定的吸力作用,具有一定的黏聚強度,形成開放的亞穩定結構。當含水量較大時,顆粒周圍結合水膜增厚,使砂粒表面產生膨脹,體積增大,同時水膜楔入力變大,將牢固連接的顆粒分開,顆粒間引力減弱,凝聚強度降低。此外,膠結物逐漸溶解,顆粒間聯結能力削弱,引起結構強度的降低,在較小的法向應力作用下,土體的亞結構就會發生破壞,從而產生濕陷。 1)通過正交試驗得出影響人工制備砂土濕陷性的主要因素依次為:壓實度>高嶺土含量>初始含水量,壓實度和高嶺土含量的影響在α=0.005的置信水平上高度顯著,初始含水量的影響并不顯著。 2)人工制備砂土的濕陷性隨黏土礦物含量的增加,呈現出先增大后減小的變化規律,當黏土礦物含量為20%時,濕陷性達到最大。當壓實度和含水量都較低的情況下,黏粒含量超過30%,人工制備砂土還具有一定的濕陷性。 3)高嶺土含量為20%的人工制備濕陷性砂土的濕陷系數與孔隙比成正比關系,而濕陷系數與干密度成反比例關系,當孔隙比小于0.8,或干密度大于1.5 g/cm3時,濕陷性基本消失,與濕陷性黃土研究結論相一致。 4)砂顆粒周圍包裹著黏土薄膜,黏土薄膜上包裹著結合水膜,形成的雙層膜結構是砂土在水的作用下產生濕陷原因。但更深層次的微觀結構分析是進一步解釋砂土濕陷性的重要途徑。 [1] GB 50021—2001,巖土工程勘察規范[S]. 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Test results show that:1) Influencing degree of these three factors on collapsibility of artificial sand ordered in the following: compaction degree> kaolin clay content > initial water content.2) Collapsibility of the artificial sand increases at first and then decreases with the increase of the clay content.3) There is a proportional relationship between collapsibility of artificial collapsible sand with void ratio, and there is an inverse relation between collapsibility of artificial collapsible sand with dry destiny, kaolin clay content of which is 20%.4) Sand particles are surrounded by clay films, and clay films are wrapped with water films. These double membrane structures would lead to the collapse of artificial sand under water immersion. The research results can provide and technical supports for treatment of collapsible sand foundation in railway projects. collapsible sand;railway subgrade;kaolinite;compaction degree;initial water content 2016-05-06 國家自然科學基金資助項目(41402252,41262010,51408289);甘肅省科技計劃項目(1506RJYA063);長江學者和創新團隊發展計劃項目 (IRT1139) 王旭(1965-),男,河南洛陽人,教授,博士,從事土工理論研究;E-mail: publicwang@163.com TU528 A 1672-7029(2016)10-1933-073 人工制備砂土濕陷性單因素試驗分析



4 人工制備砂土濕陷機理初步分析
5 結論