紅黏土崩解性試驗方法

李善梅, 壽 凱, 劉之葵, 蒙劍坪

(桂林理工大學a.土木與建筑工程學院; b.廣西巖土力學與工程重點實驗室, 廣西 桂林 541004)

崩解也稱之為濕化, 是土體浸水后發生松散解體、 塌落的現象。 它是水土流失、 滑坡、 沉降、 塌陷等災害發生的主要原因之一， 因而研究土體的崩解性具有重要意義。目前, 常用的崩解裝置基本是由研究者自行設計或改造而成, 缺乏標準設備。有效的研究手段是科學研究崩解規律和機理的前提和保障, 本研究擬對比分析常用崩解裝置的特點, 并基于紅黏土的特性, 提出適合紅黏土崩解試驗的測試手段, 為工程性質類似的土體崩解性研究提供依據。

1 常用崩解試驗方法

1.1 方法簡介

常見的崩解試驗裝置按照試驗原則分為定性或半定量分析法、 規范法、 拉力計法、 靜水天平法。

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觀測崩解過程中發生的現象、 測試崩解完成時間、 最終崩解量以及分析分形維數, 設備比較簡單, 可直接將巖土塊放入盛水容器中進行崩解試驗, 或由盛水容器、 支架、 網盤組成, 崩解裝置如圖1a所示。這種方法被廣泛用于研究巖石的崩解性, 而較少用于土體崩解性研究。

1.1.2 規范法[6-8]規范法濕化儀由外筒、 帶刻度的內筒(浮筒)和吊盤組成, 如圖1b所示。裝置依據阿基米德原理設計, 土體發生崩解后, 內筒所受凈重力減小而上浮。土體崩解前后內筒在水中浸泡部分的體積差與土樣初始體積之比記為崩解模數。

李家春等[7]基于規范法改進濕化儀。該裝置的試驗原理與規范法相同, 主要包含外筒、 內筒(浮筒)、 吊盤三部分, 如圖1c所示。外筒直徑20 cm, 設有進水口和溢水口, 可以保證外筒中水的高度; 內筒直徑為5 cm, 內筒上固定6個定位指針, 可以保證內筒的垂直度; 吊盤用于放置待崩解試樣。

圖1 常見的崩解裝置

1.1.3 定量分析法——拉力計法[9-13]和靜水天平法[14-18]拉力計濕化儀由拉力計、 網盤、 數據采集系統組成(圖1d)。該裝置利用拉力計測量任意時刻網盤上土體的凈重(重力-浮力), 可以根據任意兩個時刻拉力計讀數之差計算土體的崩解量以及崩解率。靜水天平濕化儀是將靜水天平取代拉力計, 其測量原理及方法不變。

1.2 試驗方法對比

以上崩解裝置各有優缺點。定性或半定量分析法, 裝置簡單、 成本低、 操作簡便, 但只能測定崩解完成時間及最終崩解率, 而無法測定某時刻的崩解率。規范法設備簡單, 易操作, 但內筒的穩定性較差, 難以獲取準確讀數。 改進規范法改善了傳統規范法內筒穩定性不足的缺點。規范法和改進的規范法均利用阿基米德原理, 通過容器中水面對應內筒刻度讀數的變化計算土體的崩解率, 所以容器中水的體積必須恒定, 由于水的蒸發作用, 該法難以適用于崩解速度慢的試驗; 同時, 易崩解土體的土粒脫落過程中內筒難以穩定, 無法獲取準確讀數, 讀數時間長。拉力計法采用電腦自動記錄讀數, 智能化程度高; 測試時間間隔可以任意設置, 讀數準確, 采集數據多, 利于分析， 但由于拉力計數顯的局限性, 無法顯示小于最大量程1%的數值, 導致土體崩解最后階段的試驗數據缺失。靜水天平提高了讀數范圍, 可以精確到0.01 g, 能實現崩解全過程測試。

綜上所述, 定性分析法可測試崩解完成時間, 無法監測土體的時時崩解率, 定量分析法(規范法、 拉力計法、 靜水天平法)可計算土體的崩解率, 但無法考慮崩解過程中所產生氣泡、 土體膨脹等因素對試驗結果的影響。天然土體含有大量的氣泡, 且黏性土中含有黏土礦物, 有一定的膨脹性, 以下分析氣泡及土體膨脹性對崩解試驗測試數據的影響。

1.2.1 氣泡的影響 土體中的氣體按照閉合形式可分為開放氣泡和封閉氣泡, 如圖2所示。

圖2 土體結構

伴隨水滲入土體的過程, 開放氣泡直接排出土體外, 封閉氣泡被壓縮保留在土樣中。氣泡逃逸過程中對土顆粒產生拖拽效果, 導致土粒脫落。 氣泡逃逸作用使崩解儀讀數不穩是崩解試驗中普遍存在而又難以克服的主要問題之一， 該問題超出本研究范圍, 限于篇幅, 在此不作詳細討論。封閉氣泡提高土體浮力, 減小網盤上土體凈重, 影響崩解儀讀數的準確性。浮筒或拉力計所受凈重為

(1)

(2)

式(2)表明, 土體在水中的凈重受土粒與封閉氣泡體積共同作用。因此, 忽視土體孔隙結構的作用效果研究崩解性會造成一定誤差。

土樣浸水后, 隨著水在土中的滲透, 封閉氣泡被壓縮, 當壓力足夠大時, 封閉氣體從土體中逃逸。氣泡逃逸過程中產生的拖拽力使土顆粒間聯結破壞而脫落, 改變土顆粒與封閉氣泡的體積。假設封閉氣泡逃逸過程中, 土顆粒破壞體積為Δv土, 封閉氣泡體積減小Δv封, 則凈重為

ρ水·(v封-Δv封)·g,

(3)

氣泡逃逸前后水中土體凈重差值即為土體的崩解量, 凈重差值ΔF凈為

=ρ水·Δv封·g-(ρ土-ρ水)·Δv土·g。

(4)

當式(4)等于0時,

(5)

當逃逸的封閉氣體體積與崩解的土顆粒體積滿足式(5)時, 土體的凈重為0， 該條件下, 即使土體發生崩解, 崩解儀測試讀數仍保持不變, 導致所測的崩解率小于實際崩解率; 若凈重差值大于0, 所測出的崩解率為負值, 與所觀測到的土樣崩解現象相背離; 若凈重差值小于0, 所測的崩解率大于實際崩解率。由此可見, 封閉氣泡的存在, 對規范法及拉力計法測試土體的崩解率均造成不同程度的誤差。

1.2.2 土體膨脹性的影響 黏性土中含有大量黏土礦物且帶有電荷, 對水有吸附作用。黏土顆粒吸附水分子后, 土體膨脹, 如圖3所示。

圖3 膨脹性對土體崩解的影響

假設土樣吸水膨脹后, 土中顆粒的排列方式不變, 土樣膨脹體積全部來源于結合水膜厚度的增大, 土樣在水中膨脹后的凈重可計算為

(ρ結-ρ水)·v結·g-ρ水·v封·g。

(6)

式中:ρ結為結合水膜的密度;v結為結合水膜體積; 其他參數同上。求式(6)與式(2)之差, 計算土樣在水中膨脹前后的凈重差值, 即

ΔF凈=(ρ結-ρ水)·v結·g-

(ρ土-ρ水)·Δv土·g，

(7)

當ΔF凈=0, 即凈重差值為0時, 式(7)可變為

(8)

當崩解土體體積與生成的結合水膜體積滿足式(8)時, 即左式等于右式時土體在水中的凈重差值為0, 崩解儀讀數保持不變, 無法測定土體的崩解量; 當左式小于右式時, 凈重差值大于0, 即土體膨脹產生的質量差大于土體崩解產生的質量差, 即便發生崩解, 其測量值仍為負; 當左式大于右式時, 即土體膨脹產生的質量差小于土體崩解產生的質量差, 崩解量測量值為實際崩解量與膨脹量之差, 小于實際值。

綜上所述, 土體中封閉氣泡的存在以及黏土礦物吸水膨脹對土體崩解量測試的準確性均有較明顯的影響, 測量值均小于實際崩解率, 而規范法和拉力計法均無法規避這一影響。紅黏土崩解緩慢, 孔隙比大, 滲透性小, 極易形成封閉氣泡, 且紅黏土具有一定的膨脹性, 顯然, 以上崩解試驗方法不一定適于紅黏土的崩解性測試。

2 紅黏土崩解試驗裝置及方案

2.1 崩解試驗裝置設計

土體的崩解速度受其密度、 黏粒含量、 飽和度、 崩解溶液、 溫度等諸多因素的影響。黏性土崩解較慢, 往往需要較長時間才能完成崩解(飽和紅黏土在水中靜置兩個月, 幾乎不崩解)。本文將結合紅黏土易膨脹、 多孔隙、 崩解慢的特點, 設計適合測試這類土崩解性的裝置。

土體崩解試驗的實質為: 在測試時間t內土體的崩解量。測量土體崩解量最準確的方法為直接烘干崩解土樣, 但該方法只限于崩解速度較慢(即有充足的時間取出崩解土體時)土體的崩解性測試。因此， 本文提出一種新方法, 利用自動讀數的靜水天平和烘干法同步測量, 試驗裝置如圖4所示。

圖4 濕化儀

靜水天平與電腦相連自動記錄讀數, 可以稱量土體在水中的凈質量, 精度高, 采集數據量多。此外, 紅黏土崩解緩慢, 利用玻璃杯盛裝已崩解土樣, 可以準確測試紅黏土在某時間內的崩解質量, 用于測量崩解速度較慢階段的崩解率。本研究擬采用靜水天平和烘干法同時測量紅黏土的崩解率, 一方面可驗證土中氣泡作用以及土體膨脹性對崩解測量的影響, 另一方面試圖尋找一種適合紅黏土崩解的測試手段。

2.2 試驗方案

試驗步驟如下: ①配制一定含水率的土樣, 利用千斤頂按試驗設計密度壓制土樣; ②在玻璃缸中注水或溶液, 水的深度必須高出土樣表面約1 cm; ③將網盤掛至靜水天平底部掛鉤, 靜水天平與電腦相連接并清零, 玻璃杯放置在網盤正下方并保持與網盤一定距離(不小于1 cm), 以免土樣的重力作用使網盤變形而與玻璃杯接觸, 影響試驗精度; ④將土樣小心放置在網盤中央; ⑤觀測并描述崩解現象, 待土樣不發生明顯且連續性崩解后, 取一個干凈玻璃杯, 使杯底緊貼玻璃缸緩慢放入至缸底, 并輕輕推至網盤中心底部替換已盛有崩解土的玻璃杯, 并將已盛土的玻璃杯取出, 烘干, 稱取崩解土樣的干質量, 同時記錄取樣時間。

2.2.1 崩解緩慢階段崩解率計算——烘干法 在t時刻土體的崩解率At為

(9)

那么，T時間內土體的累積崩解率BT為

(10)

式中:M、mt分別為土體在T時間內崩解的總質量和在t時刻崩解的質量;w為土體的初始含水率。

2.2.2 崩解速度較快階段土體崩解參數計算——靜水天平讀數法T時間內土體的累積崩解率

(11)

式中:m0為靜水天平的初始讀數;mT為T時刻靜水天平讀數。

2.3 試驗驗證

采用靜水天平讀數和烘干法同時測試其崩解性。選取11個環刀樣, 編號分別為1#～11#, 其飽和狀態以及觀測時間如表1所示。

表1 試樣飽和狀態及觀測時間

結合靜水天平讀數, 根據式(11), 計算某一時刻土體的累積崩解率, 取4#～7#土樣浸水后1 min內監測數據, 繪制累積崩解率與時間關系曲線, 如圖5所示。根據式(10)計算烘干法測量紅黏土的累積崩解率, 并對應烘干法的取樣時間, 提取天平讀數計算的累計崩解率, 繪制天平讀數法和烘干法計算的累計崩解率與時間關系曲線, 如圖6所示。

由圖5可見, 土樣崩解過程中, 天平讀數持續浮動, 噪點多, 數據處理難度較大。累積崩解率隨時間呈鋸齒狀變化, 甚至出現負值, 難以反映土樣崩解過程的真實狀態。以上試驗結果表明, 土樣崩解過程中同時包含膨脹以及氣泡作用, 對天平計數擾動較大。采用天平讀數計算土體的崩解性需要結合崩解現象, 剔除噪點, 不能直接利用電腦采集數據計算土體的崩解率。

圖5 入水1 min內天平計數法繪制的累積崩解率與時間關系曲線

圖6a～c分別為觀測32 d的飽和土樣1#～3#、 1 d的非飽和土樣4#～7#和32 d的非飽和土樣8#～11#的累積崩解率與時間關系曲線。由圖6a可見, 天平計數法和烘干質量法測量的累積崩解率總體隨時間呈非線性增長, 但前者局部出現上升—下降—上升的波動, 其中的紅色圓圈區域所示, 與土體崩解性不可逆的特征相悖。造成這一現象的主要原因是土樣崩解過程中氣泡逃逸以及土粒崩解產生擾動而導致天平讀數誤差。此外, 1#和3#土樣天平讀數和烘干質量法計算的累計崩解率比較接近, 2#土樣的天平計數與烘干質量法計算的累計崩解率在崩解初期(0～11 d(250 h內))無明顯偏差, 但在崩解后期(第11天(即約280 h)后)有明顯的偏差, 天平法計算值小于烘干法, 其最大偏差達到60%。由圖6b可見, 兩種方法測試數據繪制的非飽和土在1 d內的累計崩解率與時間關系曲線較接近, 天平計數描繪的累計崩解率隨時間增長基本為增大趨勢, 局部出現波動, 如5#土樣。圖6c中紅色圓圈區域表明, 8#～11#土樣在崩解的第一階段(入水初期), 天平讀數法和烘干法兩組數據計算的累積崩解率較接近, 但在崩解的第二階段, 除11#土樣以外, 其他3個土樣的兩組測試數據計算的累積崩解率偏差較大。其中, 8#土樣在崩解5 d(約120 h)后, 天平計數計算的累積崩解率超過100%, 其實際崩解率為58.02%, 出現明顯的錯誤, 9#、 10#土樣天平計數存在相同問題。

圖6 兩種測量方法計算的累積崩解率與時間關系曲線

以上試驗結果表明, 崩解過程中土體中氣泡和膨脹性對其測試結果產生干擾, 但在崩解初期(3 d時間內), 天平法和烘干法的測量數據之間的誤差低于6%, 即對于飽和或非飽和紅黏土而言, 短期內的崩解試驗可采用天平法或烘干法; 隨著崩解時間增長, 天平計數法計算的累積崩解率誤差增大, 甚至出現錯誤的情況, 不可采用。

3 結 論

(1)定性分析法可測量土體崩解完成時間。 規范法及改進規范法讀數穩定性較差， 拉力計法測量精度不足, 難以實現崩解全過程測試。

(2)傳統的定量分析法無法規避氣泡和土體膨脹性對測量結果的影響, 烘干法可規避這些缺陷。

(3)短時間崩解試驗(3 d內), 靜水天平和烘干法均可有效測量飽和及非飽和紅黏土的崩解率， 隨崩解時間的增長, 建議采用烘干法測試其崩解率。

(4)考慮到測試的精度, 建議快速崩解時(非飽和土入水后的前1 h內)采用靜水天平讀數, 而在緩慢崩解時(飽和紅黏土崩解全過程以及非飽和土入水1 h后)建議采用烘干法。