膨脹土收縮過程中的微結構變化定量分析★

孫寒星，王 興，查甫生

(1.中鐵二十四局集團安徽工程有限公司,安徽 合肥 230011; 2.合肥工業大學資源與環境工程學院,安徽 合肥 230009)

0 引言

膨脹土由于其特殊的黏土礦物組成,具有吸水膨脹、失水收縮的脹縮特性。膨脹土的脹縮性不僅與其初始含水量(飽和度)有關,而且與其結構特征密切相關。膨脹土的結構性以及膨脹土脹縮變形過程中的微結構變化規律研究一直是膨脹土研究中的熱點問題之一。目前,膨脹土微結構研究主要是借助掃描電鏡的方法來定性描述[1]。但是,掃描電鏡方法自身也存在制樣困難以及結果代表性差等諸多缺點,限制了掃描電鏡方法在土的微結構研究中的應用。隨著新的設備與測試技術的研制與發展,涌現出許多新的定性分析、定量評價土的微結構的方法。但這些新方法本身或多或少地存在著制樣困難、測試麻煩、變異性大、定量分析困難與不能連續觀測土的結構變化等缺點,難以真正實現土的微結構定量分析。

土的電阻率是表征土導電性的基本參數,是土的固有物性參數之一。土的電阻率實際上就是當電流垂直通過邊長為1 m的立方體土時所呈現的電阻大小,單位為Ω·m。Archie(1942)率先把土的電阻率引入土的結構性研究之中,指出土的電阻率與土的孔隙率等土的結構性指標密切相連,并提出了表征土的結構性的結構因子的概念[2]。隨后,許多國內外學者對電阻率特性與微觀結構參數、宏觀力學特性參數之間的內在聯系等方面進行了研究,同時努力探索其應用于土的結構定量化研究的可行性與有效性,取得了許多有益的成果[3]。文獻研究表明,土的電阻率法具有方便、連續、快速、經濟等優點,通過連續測試土體變形過程中的電阻率可準確反映土體的微結構變形特征,從而實現土的微結構定量評價[4]。

在如上所述的土的定性、定量分析研究背景下,考慮到土的電阻率法在土的微結構研究中的突出優點,本文通過連續測試膨脹土失水收縮過程中的土的豎向電阻率大小,分析膨脹土失水收縮結構變化過程中的電阻率指標的變化規律,從而定量分析膨脹土收縮過程中的微結構變化,探討電阻率方法在膨脹土微結構變化定量研究中的應用,并通過膨脹土收縮過程中的微結構變化定量分析來探討膨脹土的收縮機理。

1 膨脹土的收縮性

膨脹土的特殊性不僅在于其吸水體積膨脹特征,而且在于它的失水體積收縮特性。膨脹土的失水收縮特性常常會導致建筑在膨脹土地基上的輕型建筑物的開裂破壞等。膨脹土的收縮研究始于19世紀20年代中期[5],但膨脹土的收縮機理至今仍未有統一的認識,一般認為膨脹土的收縮存在三個不同階段[6]。第一收縮階段為正常收縮階段(Normal Shrinkage Stage),在這一階段,飽和土中失水體積等于土體的體積收縮量,土體一直處于飽和狀態;第二階段為殘余收縮階段(Residual Shrinkage Stage),在這一階段,空氣進入土體,土體的失水體積大于體積收縮量,土體處于非飽和狀態,且飽和度不斷降低;第三階段為零收縮階段(Zero Shrinkage Stage),在這一階段,土體已達到最密實狀態,此階段中土體繼續失水不再引起土體體積收縮。對于原狀結構土,還存在第四收縮階段——結構收縮階段(Structure Shrinkage Stage), 在這一階段,土體大孔隙中的水分流出,而不引起土體體積收縮。Mitchell(1992)[7]建議第一階段應稱之為基本收縮階段(Basic Shrinkage Stage)。對于膨脹土失水收縮過程中的微結構定量分析還鮮有報道。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

試驗所用膨脹土取自合肥市某工地,深度2 m～3 m,形成于Q3時期,顏色為灰黃色,硬塑—半堅硬狀態,含有少量的鈣質結核與大量的球狀鐵錳結核。水平裂隙發育,裂隙面被次生青灰色黏土填充,裂隙呈閉合狀。

膨脹土基本物理力學性質指標見表1。

表1 膨脹土基本物理力學性質指標

2.2 收縮試驗及其同步電阻率測試

進行了擊實膨脹土收縮過程中的豎向電阻率測試[8],測試裝置如圖1所示。土的電阻以及相應的電阻率見式(1):

(1)

其中,Rx為實測土的電阻;ρ為實測土的電阻率;R為可調電阻;R1,R2均為標準電阻;S為電極截面積;L為電極間距。依據土的電學模型,通過調節低頻率交流電橋的平衡,測出土的電阻Rx,進而獲得土的電阻率。

制備的土樣的含水量為膨脹土的最優含水量,采用輕型干法標準擊實試驗。為了驗證試驗結果的可重復性,共進行3個平行試樣的收縮試驗及同步電阻率測試。

3 試驗成果與分析

3.1 溫度的影響及修正

由于試驗歷時較長,溫度起伏變化較大,所以所測電阻率值均應進行溫度校正。不同溫度的土電阻率與其18 ℃下的電阻率ρT有如下關系[9],見式(2),式(3):

(2)

或:

σT=σ18+α·σ18·(T-18)

(3)

其中,ρT為溫度為T時的電阻率,Ω·m;ρ18為18 ℃時土電阻率,Ω·m;σT為溫度為T時的電導率,S/m;σ18為18 ℃時土的電導率,S/m;T為溫度,℃;α為試驗常數,約為0.025 ℃-1。

本文對不同溫度下的合肥膨脹土的電阻率大小進行了測試,求其倒數后得出膨脹土的電導率與溫度的變化關系如圖2所示。從合肥膨脹土電導率與溫度的關系試驗曲線中可得合肥膨脹土的α值為0.024 ℃-1。文中所有有關土的電阻率的數據都是經過修正后的18 ℃時標準值。

3.2 收縮性與電阻率的關系

圖3為不同含水量(電阻率自大到小,五個土樣的含水量(質量分數)分別為:16.8%,18.8%,20.8%,22.8%和24.8%)、相同擊實功的擊實樣的線縮率與電阻率的關系曲線。從圖3中可以看出:隨著含水量的減小、土的電阻率的增大,土的線縮率不斷減小。這說明了土的收縮不僅與土的孔隙率密切相關,而且與土的含水量或者飽和度密切相關。對于同種膨脹而言,土的飽和度越高,其收縮性也越大。

圖4為相同的擊實含水量(質量分數)(25.13%)、不同擊實功(自左往右,擊實功不斷減小,分別為199.4 kJ/m3,398.8 kJ/m3,598.2 kJ/m3,797.6 kJ/m3與997 kJ/m3)條件下制備的擊實樣的線縮率與其電阻率的關系試驗曲線。由圖4中可以看出:土的線縮率隨電阻率的增大而增大。相同含水量條件下,擊實功越小,電阻率就越大,孔隙比也大,土體固體顆粒就越分散,失水收縮率就越大。

從以上可以看出,膨脹土的收縮性影響因素主要為土的礦物成分、初始含水率及密實度等,這些同樣是影響土電阻率的主要因素,膨脹土的收縮性與電阻率之間存在良好的相關關系,可以通過分析電阻率的變化來研究膨脹土脹縮性變化。

3.3 收縮過程中的微結構變化定量分析

擊實膨脹土的線縮率隨時間的變化關系如圖5所示。根據圖5中的曲線變化趨勢明顯存在三個不同階段:第一階段中,隨時間的變長,線縮率的增加很小;第二階段中,線縮率隨暴露時間的變長先迅速增加,隨后其增長趨勢逐漸變緩;第三階段中,線縮率隨時間的變長幾乎沒有什么增加,其增量很小?？蓪⑴蛎浲恋氖湛s過程劃分為三個不同階段:初始收縮階段、主收縮階段和次收縮階段。

圖6為收縮過程中土電阻率與收縮時間的變化關系。從圖6可以看出,電阻率變化趨勢可分為三個不同變化階段:第一階段,電阻率隨收縮時間的加長有所增加,但其變化幅度很小;第二階段,土電阻率隨收縮時間的加長而迅速增加,當達到大約4 000 min后,電阻率的增長趨勢明顯變緩,電阻率變化進入第三階段;第三階段,電阻率隨時間的變長而增加的趨勢顯著降低,電阻率增量也不大。

土的電阻率主要取決于土的體積含水量(或飽和度)、孔隙液的化學成分、溫度、土體結構以及土的顆粒組成等因素。在膨脹土的收縮試驗中,土的孔隙液的化學成分基本保持不變(或者變化不大),它對于土的電阻率的影響可以忽略不計;土的顆粒組成(或者土的礦物成分)顯然是不會發生變化的;外界的環境溫度對土的電阻率的影響在數據處理過程中已經利用式(2)進行了消除。因此,土的收縮過程中影響土的電阻率的主要因素無外乎飽和度與土體結構兩類,也就是說,土的電阻率的變化是飽和度的變化或者土體結構的變化或者飽和度與土體結構兩者共同作用的結果。研究表明:飽和度的變化對土的電阻率的影響十分顯著,而土體結構的變化對電阻率的影響則不如飽和度變化的影響那么明顯[10]。

圖6所示的第一收縮階段,土的電阻率隨時間的加長呈增加的趨勢,但其增加量不大。在此收縮階段,飽和度基本沒有發生變化或者發生很小的變化,體積收縮量與孔隙水排出體積基本相同,電阻率的變化主要是由于土體結構變化所造成的。因此第一收縮階段可以定義為基本收縮階段。

圖6所示的第二收縮階段中,電阻率隨收縮時間的加長急劇上升,電阻率如此大幅度的增加顯然不是土體結構變化單一因素可以完成的,這一階段中,體積收縮量小于其孔隙水排出體積,飽和度隨收縮的進行不斷降低,土電阻率的變化是飽和度變化與土體結構變化共同作用的結果。因此,這一收縮階段可以定義為殘余收縮階段。

圖6所示的結構收縮階段,電阻率隨收縮時間的加長繼續增大,但其斜率明顯減小且逐漸趨近于0,從圖2可以看出,這一階段的收縮量很小,幾乎接近于0,因此,這一收縮階段中,電阻率的變化主要是飽和度變化的結果,土體體積基本不發生變化,也就是說土的結構基本沒有發生變化。同樣,可將這一收縮階段定義為零收縮階段。

圖7為收縮過程中電阻率與線縮率的關系。從圖7也可看出膨脹土的基本收縮、殘余收縮與零收縮三個不同階段,這也從另外一個側面佐證了依據土的電阻率的變化規律將膨脹土的收縮劃分為不同階段的正確性與科學性。從圖7可以看出,膨脹土的收縮主要發生在基本收縮與殘余收縮階段,零收縮階段土的線縮率增量很小,幾乎為0。

4 結論

本文通過對膨脹土失水收縮過程中的同步電阻率測試,定量分析了膨脹土失水收縮過程中的微結構變化特征,探討了土的電阻率在土體微結構定量分析中的應用,并從微結構變化角度分析了膨脹土的收縮機理,得到如下主要結論:

1)膨脹土的收縮性與電阻率的主要影響因素一致,收縮性與電阻率之間存在良好的相關關系,可以通過分析電阻率的變化來研究膨脹土脹縮性變化。

2)依據膨脹土收縮過程中土電阻率隨收縮時間的變化規律曲線,可將膨脹土的收縮過程劃分為三個不同階段:初始收縮階段、主收縮階段和次收縮階段。同時,分析了這三個不同收縮階段土體微結構及電阻率的變化規律及主要影響因素。

3)通過電阻率與線縮率的關系曲線也可將膨脹土的收縮過程劃分為基本收縮、殘余收縮與零收縮三個不同階段。