夏紅春

(1.徐州工程學(xué)院土木工程學(xué)院,江蘇省徐州市,221000; 2.中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇省徐州市,221008)

★煤炭科技·開拓與開采★

礦物成分對(duì)土力學(xué)特性影響的試驗(yàn)研究?

夏紅春1,2

(1.徐州工程學(xué)院土木工程學(xué)院,江蘇省徐州市,221000; 2.中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇省徐州市,221008)

利用TSZ－2型三軸儀對(duì)不同含水率及不同百分比含量的膨潤土、高嶺土以及石英粉等所制成的人工土樣進(jìn)行了三軸剪切試驗(yàn),獲得了礦物成分及其含量、圍壓、含水率等因素對(duì)土力學(xué)性質(zhì)的影響。結(jié)果表明:當(dāng)膨潤土的含量≤25%時(shí),土的抗剪強(qiáng)度隨膨潤土含量的增加而提高,含量＞25%時(shí),土的抗剪強(qiáng)度隨膨潤土含量的增加而降低;當(dāng)試樣中高嶺土含量≤37.5%時(shí),土的抗剪強(qiáng)度隨高嶺土含量的增加而降低,含量＞37.5%時(shí),情況則相反;在其他條件相同的情況下,隨著試樣中石英粉含量的增加,土的抗剪強(qiáng)度明顯降低。礦物成分的含量對(duì)土抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律與土的含水率及圍壓均無關(guān)。土中粘性礦物成分增加,土的抗剪強(qiáng)度提高;對(duì)于礦物成分含量相同的試樣,土的抗剪強(qiáng)度隨含水率的增加而降低。

人工土 礦物成分 土力學(xué)特性 含水量 抗剪強(qiáng)度 主應(yīng)力差

長期風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)、沉積后形成的礦物集合體,是自然歷史的產(chǎn)物,由固體顆粒以及顆粒間孔隙中的水和氣體等三相物質(zhì)組成。在三相組成物質(zhì)中,固體部分(土顆粒)一般由礦物質(zhì)組成,構(gòu)成土的骨架主體。已有的研究表明,粘性土的力學(xué)特性受礦物成分及含量、結(jié)構(gòu)性、含水量、應(yīng)力歷史等眾多因素影響。而礦物成分及其含量是其中較為重要的因素,也是學(xué)術(shù)界和工程界長期以來所研究的主要課題之一。粘土礦物主要為各種硅酸鹽礦物分解形成的含水鋁硅酸鹽礦物,如高嶺石、伊利石和蒙脫石等,其顆粒極細(xì),一般粒徑小于5μm,是構(gòu)成土中粘粒的主要礦物成分。粘粒含量和礦物成份對(duì)粘土的性質(zhì)起著決定性的影響,即使粘粒含量在土中的相對(duì)含量不占優(yōu)勢(shì),其對(duì)土的工程性質(zhì)的影響仍然很大,表現(xiàn)出明顯的控制作用。這是因?yàn)檎惩令w粒極細(xì),使其具有巨大的比表面積,當(dāng)粘土顆粒與水相互作用時(shí),將出現(xiàn)可塑性、脹縮性、凝聚、分散和離子交換等現(xiàn)象。

天然土礦物成分的定量分析非常困難且費(fèi)用昂貴,人工合成土礦物成分的定量確定則非常簡(jiǎn)易。因此,采用人工土試樣的試驗(yàn)來分析礦物成分與土樣工程性質(zhì)的相互關(guān)系及其影響,使試驗(yàn)簡(jiǎn)單易行并可節(jié)約大量的試驗(yàn)費(fèi)用,也是一種有效方法。

為進(jìn)一步探討礦物成分對(duì)土的力學(xué)性質(zhì)的影響,本文利用三軸儀對(duì)不同百分比含量的膨潤土、高嶺土以及石英粉等所制成的人工土樣進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn);根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析圍壓、礦物成分及其含量、結(jié)合水含量及性質(zhì)等細(xì)觀參量或因素對(duì)土力學(xué)性質(zhì)的影響。

1 試驗(yàn)儀器及土樣制備

利用由南京土壤儀器廠生產(chǎn)的TSZ－2型三軸儀對(duì)土體進(jìn)行剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)試樣由人工土制成,人工土由市場(chǎng)上供應(yīng)的高純度石英粉、煤系高嶺土和鈣基膨潤土按不同質(zhì)量百分比均勻混合而成,其粒徑均小于2.5μm。經(jīng)測(cè)定,鈣基膨潤土、煤系高嶺土和石英粉的天然含水量分別為11.89%、1.69%和0.11%。

試驗(yàn)土樣中鈣基膨潤土、煤系高嶺土、石英粉分別按1∶1∶1、1∶2∶2、1∶3∶4以及2∶5∶1 (質(zhì)量比)4種配比,按照設(shè)計(jì)的含水率和干密度(1.5 g/cm3),計(jì)算每種配比及含水率條件下所需的膨潤土、高嶺土以及石英粉等試驗(yàn)材料的質(zhì)量和所需加入的水量。采用標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)儀擊實(shí)得到壓實(shí)土樣,配制土樣干密度為1.5 g/cm3,每一種質(zhì)量比情況下都有3種含水率,分別為27%、30.7%和33%,試樣尺寸為?39.1 mm×80 mm,共需配制12種不同類型的土樣。各種配比情況下試樣的液限、塑限、塑性指數(shù)以及所需加水量等參數(shù)見表1。將3種試驗(yàn)材料充分?jǐn)嚢杈鶆?然后用小型噴霧器對(duì)拌勻后的試樣分層均勻噴灑后,用塑料膜扎緊,潤濕一晝夜,以使試樣含水量均勻。

表1 試驗(yàn)土樣物理特性及所需加水量

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

將質(zhì)量配比分別為1∶1∶1、1∶2∶2、 1∶3∶4以及2:5:1,含水率分別為27%、30.7%和33%制作后的土樣,按照相關(guān)文獻(xiàn)所述的方法和步驟裝入TSZ－2型三軸儀進(jìn)行不固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn),剪切速率為0.4 mm/min,試驗(yàn)圍壓分別為100 k Pa、300 kPa、500 kPa及700 k Pa,共進(jìn)行48組不同試驗(yàn)條件下的試驗(yàn)。

圖1和2為不同試驗(yàn)條件下典型的主應(yīng)力差(σ1－σ3)－應(yīng)變(ε)曲線及剪切過程中體積變化曲線,圖中的比值為膨潤土、高嶺土、石英粉的質(zhì)量比,σ1為軸壓,σ3為圍壓,W為試樣含水率;ε為軸向應(yīng)變,εv體積應(yīng)變。限于篇幅,文中僅給出部分較為典型的試驗(yàn)結(jié)果。

圖1 不同試驗(yàn)條件下的主應(yīng)力差－應(yīng)變曲線

由圖1可見,在本文給出的試驗(yàn)條件下,無論土樣中礦物成分(即質(zhì)量配比)、含水率以及圍壓是否相同,土樣的應(yīng)力－應(yīng)變曲線均呈應(yīng)變硬化型,但在不同圍壓、不同質(zhì)量比及不同含水率條件下,破壞時(shí)的主應(yīng)力差明顯不同?？傮w表現(xiàn)為在其他條件相同的情況下,隨著圍壓以及土中粘土礦物的增加,破壞時(shí)的主應(yīng)力差增大;隨著土中含水率的升高,破壞時(shí)的主應(yīng)力差降低。

圖2 不同試驗(yàn)條件下的體積應(yīng)變－應(yīng)變曲線

由圖2可以看出,在剪切過程中,試樣均呈現(xiàn)剪縮(即體積收縮)現(xiàn)象,在質(zhì)量比及含水率相同的條件下,體縮的程度隨圍壓的升高而增加。

3 機(jī)理分析

圖3為不同含水率及配比條件下,試樣破壞時(shí)的主應(yīng)力差隨圍壓的變化曲線,圖例中為膨潤土、高嶺土及石英粉的質(zhì)量比。除特殊說明外,以下所有圖中的主應(yīng)力差均為試樣破壞時(shí)的主應(yīng)力差。

圖3 主應(yīng)力差－圍壓的變化曲線

由圖3可以看出,盡管質(zhì)量比不同,但在同一含水率情況下,試樣破壞時(shí)的主應(yīng)力差均隨圍壓的升高而增大。當(dāng)圍壓及試樣的含水率相同時(shí),4種土樣破壞時(shí)的主應(yīng)力差明顯不同,配比2∶5∶1土樣破壞時(shí)的主應(yīng)力差最大,配比1∶1∶1的土樣次之,配比1∶2∶2第三,而配比1∶3∶4土樣最小,究其原因主要與土樣中粘土礦物成分的含量有關(guān),4種土樣中粘土礦物的含量依次為87.5%、66.6%、60%和50%。由此可知,隨著粘土礦物含量的增加,土體的抗剪切能力提高。

對(duì)于同一種質(zhì)量配比的土樣,其破壞時(shí)的主應(yīng)力差(即土的抗剪強(qiáng)度)隨著含水率的不同存在著明顯差異,為了更清楚說明該問題,圖4給出了同一質(zhì)量配比的土樣,其破壞時(shí)的主應(yīng)力差隨含水率的變化曲線。

圖4說明對(duì)于質(zhì)量配比相同(即礦物成分含量相同)的試樣,隨著含水率的增加,土破壞時(shí)的主應(yīng)力差明顯降低,這主要是由于試樣含水量增加,土顆粒周圍擴(kuò)散層水膜的厚度增大,顆粒之間的距離也相對(duì)加大,弱結(jié)合水對(duì)土顆粒表面的潤滑作用增強(qiáng),土顆粒間電分子力減弱,顆粒之間的凝聚力降低,從而使土的抗剪強(qiáng)度降低。

圖4 不同配比土樣破壞時(shí)的主應(yīng)力差－含水率變化曲線

圖5為不同圍壓以及不同含水率條件下,試樣破壞時(shí)的主應(yīng)力差隨礦物成分含量的變化曲線。

圖5 不同圍壓條件下土樣破壞時(shí)的主應(yīng)力差－礦物成分含量變化曲線

由圖5(a)、(b)、(c)可以看出,膨潤土含量不同,其對(duì)土的抗剪強(qiáng)度的影響也不一樣。當(dāng)膨潤土的含量≤25%時(shí),土的抗剪強(qiáng)度隨膨潤土含量的增加而明顯增大;當(dāng)膨潤土的含量＞25%時(shí),情況則相反,即土抗剪強(qiáng)度隨膨潤土含量的增加而降低。這一變化規(guī)律在不同的含水率及不同圍壓條件下均相同,說明膨潤土的含量對(duì)土破壞時(shí)的主應(yīng)力差的影響規(guī)律與土的含水率及圍壓均無關(guān)。

而高嶺土含量對(duì)土的抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律則與上述膨潤土的影響規(guī)律恰好相反,當(dāng)試樣中高嶺土含量≤37.5%時(shí),土的抗剪強(qiáng)度隨高嶺土含量的增加而明顯降低,當(dāng)高嶺土含量＞37.5%時(shí),土的抗剪強(qiáng)度隨高嶺土含量的增加明顯增大,如圖5 (d)、(e)及(f)所示。

石英粉含量對(duì)土的抗剪強(qiáng)度影響的變化規(guī)律則與膨潤土和高嶺土明顯不同,總體表現(xiàn)為隨著試樣中石英粉含量的增加,土的抗剪強(qiáng)度明顯降低,如圖5(g)、(h)及(i)所示。由此也說明,在粘性土中,隨著粘土礦物成分的增多,土顆粒的比表面積增加,與水的作用能力增強(qiáng),從而使土的抗剪強(qiáng)度提高。

根據(jù)不同條件下的三軸試驗(yàn)結(jié)果,可求出各試樣的不排水強(qiáng)度參數(shù),見表2。

表2 不同試樣的強(qiáng)度參數(shù)

對(duì)于不同土樣,由于含水率及礦物成分不同,其粘聚力大小顯然存在明顯差別。為了便于比較,根據(jù)表2結(jié)果,繪出了不同土樣的粘聚力Cu隨含水率及礦物成分含量的變化曲線,見圖6。

由圖6(a)可見,對(duì)于質(zhì)量配比相同(即礦物成分含量相同)的試樣,隨著試樣中含水率的增加,土的粘聚力明顯降低。

圖6 不同土樣的粘聚力隨含水率及粘土礦物成分含量的變化曲線

圖6(b)反映出在同一含水率情況下,土的粘聚力隨著粘土礦物成分的增加而升高。之所以如此,主要是由于粘土礦物表面帶有電荷,可吸附孔隙水成為結(jié)合水,粘土礦物通過顆粒表面的結(jié)合水影響土的力學(xué)性質(zhì)。根據(jù)土中水與土顆粒連結(jié)的特點(diǎn),可分為吸附結(jié)合水(強(qiáng)結(jié)合水)、滲透吸附結(jié)合水(弱結(jié)合水)、自由水,且依次按強(qiáng)結(jié)合水、弱結(jié)合水和自由水的先后順序形成,即強(qiáng)結(jié)合水優(yōu)先形成。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn),最大結(jié)合水含量約為液限,土中最大強(qiáng)結(jié)合水含量略低于其塑限,近似滿足:

式中:Wg——土中最大強(qiáng)結(jié)合水含量,%;

WP——試樣塑限,%。

根據(jù)強(qiáng)結(jié)合水優(yōu)先形成和式(1)以及表1中各試樣塑限值可得各試樣的強(qiáng)結(jié)合水含量,見表3。同時(shí)從表1可知,各試樣的含水率均小于其液限含水率,即試樣中僅含結(jié)合水。

由于粘土顆粒的表面帶負(fù)電性,圍繞土粒將形成電場(chǎng)。膨潤土和高嶺土中含有大量的陽離子Na＋、Ca2＋、AL3＋等,這些陽離子將被吸附在土顆粒表面,使擴(kuò)散層中陽離子的濃度增加,擴(kuò)散層厚度變薄,從而增加了土的抗剪強(qiáng)度。同時(shí),從表3可以發(fā)現(xiàn),試樣中的強(qiáng)結(jié)合水含量隨著其粘土礦物的含量的增加而增加,而土顆粒表面的強(qiáng)結(jié)合水具有極大的粘滯度、彈性和抗剪強(qiáng)度,從而也導(dǎo)致在同一含水率情況下,土的粘聚力隨著粘土礦物成分的增加而升高。

表3 試樣強(qiáng)結(jié)合水含量

4 結(jié)論

(1)在本文試驗(yàn)條件下,當(dāng)膨潤土的含量≤25%時(shí),土的抗剪強(qiáng)度隨膨潤土含量的增加而提高;當(dāng)膨潤土的含量＞25%時(shí),土的抗剪強(qiáng)度隨膨潤土含量的增加而降低;當(dāng)試樣中高嶺土含量≤37.5%時(shí),土的抗剪強(qiáng)度隨高嶺土含量的增加而降低,當(dāng)高嶺土含量＞37.5%時(shí),情況則相反;在其他條件相同的情況下,隨著試樣中石英粉含量的增加,土的抗剪強(qiáng)度明顯降低。

(2)對(duì)于礦物成分含量相同的試樣,隨著含水率的增加,土顆粒周圍擴(kuò)散層水膜的厚度增大,顆粒之間的距離也相對(duì)加大,土顆粒間電分子力減弱,弱結(jié)合水對(duì)土顆粒表面的潤滑作用增強(qiáng),顆粒之間的凝聚力降低,從而使土的抗剪強(qiáng)度降低。

(3)隨著土中粘性礦物成分的增加,膨潤土和高嶺土中所含有的陽離子(Na＋、Ca2＋、AL3＋等)將被吸附在土顆粒表面,使擴(kuò)散層中陽離子的濃度增加,擴(kuò)散層厚度變薄,從而使土的抗剪強(qiáng)度增加。

(4)采用自行配制的人工土樣對(duì)影響土力學(xué)性質(zhì)的諸因素(如圍壓、礦物成分及含量、含水率等)進(jìn)行分析,簡(jiǎn)單、可行。

[1] 柏立懂,崔可銳,胡文奎.合徐高速公路南段膨脹土礦物成分及微結(jié)構(gòu)[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì), 2005(4)

[2] 黃新,寧建國,郭曄等.水泥含量對(duì)固化土結(jié)構(gòu)形成的影響研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2006(4)

[3] 徐慧,李文平,曹麗文.金屬離子對(duì)粘土土工性狀影響的實(shí)驗(yàn)[J].煤田地質(zhì)與勘探,2009(3)

[4] Noda Toshihiro,Asaoka Akira,Yamada Shotaro.Some bearing capacity characteristics of a structured naturally deposited clay soil[J].Soils and Foundations,2007 (2)

[5] 強(qiáng)成倉,江菊英,丁榮富等.礦物成份對(duì)粘土力學(xué)性狀影響的試驗(yàn)研究[J].工程力學(xué),2002(增刊)

[6] 李曉鳳,彭洪閣.草原地區(qū)露天煤礦淺層地下水帷幕技術(shù)應(yīng)用研究[J].中國煤炭,2013(7)

[7] 滿慎剛,倪文,祝麗萍.礦渣及赤泥制備礦山充填膠結(jié)劑對(duì)煤礦安全管理的促進(jìn)[J].中國煤炭, 2013(11)

[8] 黃文熙.土的工程性質(zhì)[M].北京:水利電力出版社,1983

[9] Mitchell,J.K.Fundamentals of Soil Behavior(second edition)[M].New York:John Wiley&Sons, Inc.,1993

[10] GB/T50123－1999,土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S]

[11] 李文平,于雙忠,王柏榮等.煤礦區(qū)深部黏性土吸附結(jié)合水含量測(cè)定及其意義[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),1995(3)

Experimental research on the effects of mineral composition on soil mechanical characteristics

Xia Hongchun1,2
(1.School of Civil Engineering,Xuzhou Institute of Technology,Xuzhou,Jiangsu 221000,China; 2.State Key Lab for Geomechanics and Deep Underground Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221008,China)

The triaxial shear test of artificial soil samples which were made up of different moisture content and different percentages of bentonite,kaolin and quartz powder were conducted by using the TSZ－2 type triaxial apparatus,and the influence of the mineral composition and its content,confining pressure,moisture content and other factors on the soil mechanical properties were researched.The results showed that the shear strength of the soil increased with the increase of bentonite content when the bentonite content was less than or equal to 25%;the shear strength of the soil reduced with the increase of bentonite content when the bentonite content was more than 25%.The shear strength of the soil reduces with the increase of kaolin content when the kaolin content was less than or equal to 37.5%,it had the opposite result when the kaolin content was more than 37.5%.Under the situation that other conditions were same,the shear strength of the soil reduced evidently when the quartz powder content increases.The influence rule of mineral composition on soil shear strength had nothing to do with the moisture content and confining pressure.The shear strength of soil increased with the increase of clay mineral composition content.For the samples of same mineral composition content,the shear strength of soil reduced with the increase of moisture content.

artificial soil,mineral composition,soil mechanical property,moisture content, shear strength,principal stress difference

TD 325

A

夏紅春(1970－),男,江蘇省徐州市人,副教授,工學(xué)博士,從事巖土工程方面的研究。

(責(zé)任編輯 張毅玲)

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50974117),深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(SKLGDUEK1109)