紅黏土脫鐵后的壓縮固結試驗結果分析

陳明，王月中

(1.湖南科技大學土木工程學院，湖南 湘潭 411201； 2.安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001)

紅黏土是一種特殊性黏土[1-3]，土中含有大量的游離氧化鐵。氧化鐵的含量、形態不僅直接反映了成土過程和環境，而且對紅黏土的力學特性等具有重大影響[4-6]。呂海波、張先偉等[7-8]均指出氧化鐵對土團聚體的形成起著重要的作用。趙亦婷等[9]通過試驗發現游離氧化鐵對紅黏土變形與強度特性有很大影響。王繼莊[10]用化學方法除去試樣中的游離氧化鐵成分并與未“除鐵”的原樣進行比較，發現除鐵后紅黏土試樣性質接近一般黏土，證實了紅黏土中游離氧化鐵的膠結作用。羅鴻禧[11]研究了游離氧化鐵對紅黏土工程地質性質的影響，試驗證明，游離氧化鐵的膠結作用使黏性土的強度增加，壓縮性減小。同時指出，環境物理化學因素的變化會導致游離氧化鐵的破壞、變性或進一步富集，從而使土的物理力學性質發生相應變化。在自然條件下，降雨等作用使得紅黏土中游離氧化鐵的含量減少，從而影響土體的壓縮性，因此有必要進行脫鐵后紅黏土的壓縮固結試驗研究。

1 試驗方案

試驗所用的紅黏土取自貴州凱里至羊甲高速公路KT4合同段的一個開挖過半的山頭。現場土樣呈褐紅色、硬塑狀。對土樣進行顆分試驗、界限含水率試驗、擊實試驗和液塑限試驗等室內試驗，獲得該黏土的基本物理性質指標，列于表1。

表1 土樣基本物理指標

采用DCB法[8]66對一部分土樣進行去鐵處理，將土樣輪流與0.3 mol/L檸檬酸鈉、1 mol/L重碳酸氫鈉、過氧化氫試劑反應。具體做法如下：試劑浸泡10 d，然后反復淋洗，去除上層液體，再換一種試劑重復以上操作，30 d為1個周期，共處理3個周期。取一部分脫鐵處理過的土樣進行比重試驗和輕型擊實試驗得到其土粒比重為2.635，最優含水率為29.09%，最大干密度為1.511 g/cm3。將脫鐵處理后的土樣風干、碾碎，過2 mm的標準篩，加一定量的水拌和均勻，制成含水率分別為28%、30%、32%、34%的土料，置于塑料帶內封閉靜置24 h，然后采用擊實法制得壓實度分別為70%、75%、80%、85%的環刀樣(內徑61.8 mm，高20 mm)。在WG-1Q型全自動氣壓固結儀上進行高壓固結壓縮試驗，每級壓力下的穩定標準為每小時變形不超過0.005 mm。

2 試驗結果分析

2.1 孔隙比的變化規律

整理試驗數據,根據不同壓力p作用下達到的穩定孔隙比e，繪制e-p曲線，如圖1所示。圖中w表示含水率，k為壓實度。由圖1可知：

1)孔隙比隨著壓力的增大而減小，最終趨于一個穩定值。此外，孔隙比隨壓力變化的速率也越來越小。說明隨著壓力的增大，土顆粒之間越來越緊密，土體越來越難被壓縮，且壓縮到一定程度后，由于土顆粒的壓縮性很小，土體的孔隙比變化不明顯。

2)相同的含水率條件下，不同壓實度試樣的孔隙比在相同壓力下基本上隨著壓實度的增大而減小。當壓力為200 kPa時，不同壓實度試樣的孔隙比基本相同。

3)含水率為28%和30%時試樣的最終孔隙比比含水率為32%和34%時要小，說明含水率越接近最優含水率，相同的壓力作用下土體被壓得更密實。

2.2 壓縮模量、壓縮系數和壓縮指數的變化規律

壓縮模量、壓縮系數和壓縮指數都是在側限條件下判斷土體壓縮性的常用指標，其中壓縮模量和壓縮系數隨著壓力的不同而變化，而壓縮指數是一個常量。

為了反映土體在低、中、高壓不同狀態下的壓縮性，選取壓力段100～200 kPa、1.0～1.2 MPa、2.8～3.0 MPa的壓縮模量、壓縮系數列于表2。壓縮指數列于表3。

圖1 不同含水率和壓實度下的e-p曲線

表2 不同壓力段的壓縮模量和壓縮系數

表3 不同初始含水率和壓實度試樣的壓縮指數

由表2、3可知：

1)壓縮模量隨著壓力的增大而增大，壓縮系數隨著壓力的增大而減小。

2)相同含水率下，壓縮指數和100～200 kPa壓力段的壓縮模量隨著壓實度的增大而變大，說明初始壓實度越高，土體的壓縮性越低。另外兩個壓力段的壓縮模量并沒有呈現類似規律，因此不能用該壓縮模量判別土體的壓縮性大小，這也解釋了為什么一般常用100～200 kPa壓力段的壓縮模量和壓縮系數來判別土體的壓縮性。

2.3 固結系數的變化規律

根據側限壓縮試驗結果，利用2種常用的半經驗方法，即時間平方根法和時間對數法，來確定土體的固結系數。

時間平方根法計算公式為

(1)

式中：Cv為固結系數，cm2/s；h為最大排水距離，等于某級壓力下試樣的初始和終了高度的平均值，cm；t90為固結度達到90%時所用時間,s。

時間對數法計算公式為

(2)

式中，t50為固結度達到50%時所用時間，s。

圖2 基于時間平方根法的固結系數變化

考慮到篇幅問題，本文只列舉了含水率為32%的試樣在各級壓力作用下的固結系數，如圖2、3所示，其他含水率試樣也呈現類似規律。

圖3 基于時間對數法的固結系數變化

由圖2、3可知：

1)隨著壓力的增大，固結系數從整體上表現出減小的趨勢。當壓力較大時，固結系數趨于某一穩定值。

2)固結系數的變化不是單調的，而是呈震蕩式變化，且變化幅度隨著壓力的增大而減小。

3)在數值上，基于時間對數法計算得到的固結系數要比基于時間平方根法得到的要大很多，且變化幅度前者也較大。這說明這兩種算法的差異較大，得到的固結系數只能作為參考。

2.4 變形與時間的關系

試樣在每級壓力作用下都將得到趨于穩定的變形量。繪制變形量與時間的關系如圖4所示。

由圖4可以看出：

1)變形量隨時間的增加而增加，但增加的速率隨時間的增加而減小。對于含水率為28%和30%的試樣，在前20 h，變形量隨時間變化很明顯；20 h后，變形量隨時間變化較小。對于含水率為32%和34%的試樣，在前30 h，變形量隨時間變化明顯，時間超過30 h后變形量隨時間變化較小。這說明含水率越接近最優含水率，土體壓縮變形量趨于穩定所需的時間越短。

2)在相同時間內，變形量隨著壓實度的增加而減小。試驗結果說明了含水率和壓實度對于變形量和達到某一變形量所需要的時間具有重要影響。

圖4 變形量s隨時間t變化的曲線

3 結論

1)孔隙比隨著壓力的增大而減小，且趨于一個穩定值。當含水率越接近最優含水率時，試樣的最終孔隙比越小。

2)壓縮指數和100～200 kPa壓力段的壓縮模量、壓縮系數可以作為判別土體壓縮性大小的參考指標。

3)固結系數隨壓力的增大呈震蕩式變化，且整體上有減小的趨勢。由于采用的算法不同，由時間對數法計算得到的固結系數要比由時間平方根法得到的大很多，且變化幅度前者也較大。

4)變形量隨時間的增加而增大，但斜率卻越來越小，超過一定時間后，變形量的變化速率特別小。變形量大小、達到某一變形量所需要的時間都與含水率、壓實度有密切關系。