膨胀土收缩过程中的微结构变化定量分析★

孙寒星，王 兴，查甫生

(1.中铁二十四局集团安徽工程有限公司,安徽 合肥 230011; 2.合肥工业大学资源与环境工程学院,安徽 合肥 230009)

0 引言

膨胀土由于其特殊的黏土矿物组成,具有吸水膨胀、失水收缩的胀缩特性。膨胀土的胀缩性不仅与其初始含水量(饱和度)有关,而且与其结构特征密切相关。膨胀土的结构性以及膨胀土胀缩变形过程中的微结构变化规律研究一直是膨胀土研究中的热点问题之一。目前,膨胀土微结构研究主要是借助扫描电镜的方法来定性描述[1]。但是,扫描电镜方法自身也存在制样困难以及结果代表性差等诸多缺点,限制了扫描电镜方法在土的微结构研究中的应用。随着新的设备与测试技术的研制与发展,涌现出许多新的定性分析、定量评价土的微结构的方法。但这些新方法本身或多或少地存在着制样困难、测试麻烦、变异性大、定量分析困难与不能连续观测土的结构变化等缺点,难以真正实现土的微结构定量分析。

土的电阻率是表征土导电性的基本参数,是土的固有物性参数之一。土的电阻率实际上就是当电流垂直通过边长为1 m的立方体土时所呈现的电阻大小,单位为Ω·m。Archie(1942)率先把土的电阻率引入土的结构性研究之中,指出土的电阻率与土的孔隙率等土的结构性指标密切相连,并提出了表征土的结构性的结构因子的概念[2]。随后,许多国内外学者对电阻率特性与微观结构参数、宏观力学特性参数之间的内在联系等方面进行了研究,同时努力探索其应用于土的结构定量化研究的可行性与有效性,取得了许多有益的成果[3]。文献研究表明,土的电阻率法具有方便、连续、快速、经济等优点,通过连续测试土体变形过程中的电阻率可准确反映土体的微结构变形特征,从而实现土的微结构定量评价[4]。

在如上所述的土的定性、定量分析研究背景下,考虑到土的电阻率法在土的微结构研究中的突出优点,本文通过连续测试膨胀土失水收缩过程中的土的竖向电阻率大小,分析膨胀土失水收缩结构变化过程中的电阻率指标的变化规律,从而定量分析膨胀土收缩过程中的微结构变化,探讨电阻率方法在膨胀土微结构变化定量研究中的应用,并通过膨胀土收缩过程中的微结构变化定量分析来探讨膨胀土的收缩机理。

1 膨胀土的收缩性

膨胀土的特殊性不仅在于其吸水体积膨胀特征,而且在于它的失水体积收缩特性。膨胀土的失水收缩特性常常会导致建筑在膨胀土地基上的轻型建筑物的开裂破坏等。膨胀土的收缩研究始于19世纪20年代中期[5],但膨胀土的收缩机理至今仍未有统一的认识,一般认为膨胀土的收缩存在三个不同阶段[6]。第一收缩阶段为正常收缩阶段(Normal Shrinkage Stage),在这一阶段,饱和土中失水体积等于土体的体积收缩量,土体一直处于饱和状态;第二阶段为残余收缩阶段(Residual Shrinkage Stage),在这一阶段,空气进入土体,土体的失水体积大于体积收缩量,土体处于非饱和状态,且饱和度不断降低;第三阶段为零收缩阶段(Zero Shrinkage Stage),在这一阶段,土体已达到最密实状态,此阶段中土体继续失水不再引起土体体积收缩。对于原状结构土,还存在第四收缩阶段——结构收缩阶段(Structure Shrinkage Stage), 在这一阶段,土体大孔隙中的水分流出,而不引起土体体积收缩。Mitchell(1992)[7]建议第一阶段应称之为基本收缩阶段(Basic Shrinkage Stage)。对于膨胀土失水收缩过程中的微结构定量分析还鲜有报道。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

试验所用膨胀土取自合肥市某工地,深度2 m～3 m,形成于Q3时期,颜色为灰黄色,硬塑—半坚硬状态,含有少量的钙质结核与大量的球状铁锰结核。水平裂隙发育,裂隙面被次生青灰色黏土填充,裂隙呈闭合状。

膨胀土基本物理力学性质指标见表1。

表1 膨胀土基本物理力学性质指标

2.2 收缩试验及其同步电阻率测试

进行了击实膨胀土收缩过程中的竖向电阻率测试[8],测试装置如图1所示。土的电阻以及相应的电阻率见式(1):

(1)

其中,Rx为实测土的电阻;ρ为实测土的电阻率;R为可调电阻;R1,R2均为标准电阻;S为电极截面积;L为电极间距。依据土的电学模型,通过调节低频率交流电桥的平衡,测出土的电阻Rx,进而获得土的电阻率。

制备的土样的含水量为膨胀土的最优含水量,采用轻型干法标准击实试验。为了验证试验结果的可重复性,共进行3个平行试样的收缩试验及同步电阻率测试。

3 试验成果与分析

3.1 温度的影响及修正

由于试验历时较长,温度起伏变化较大,所以所测电阻率值均应进行温度校正。不同温度的土电阻率与其18 ℃下的电阻率ρT有如下关系[9],见式(2),式(3):

(2)

或:

σT=σ18+α·σ18·(T-18)

(3)

其中,ρT为温度为T时的电阻率,Ω·m;ρ18为18 ℃时土电阻率,Ω·m;σT为温度为T时的电导率,S/m;σ18为18 ℃时土的电导率,S/m;T为温度,℃;α为试验常数,约为0.025 ℃-1。

本文对不同温度下的合肥膨胀土的电阻率大小进行了测试,求其倒数后得出膨胀土的电导率与温度的变化关系如图2所示。从合肥膨胀土电导率与温度的关系试验曲线中可得合肥膨胀土的α值为0.024 ℃-1。文中所有有关土的电阻率的数据都是经过修正后的18 ℃时标准值。

3.2 收缩性与电阻率的关系

图3为不同含水量(电阻率自大到小,五个土样的含水量(质量分数)分别为:16.8%,18.8%,20.8%,22.8%和24.8%)、相同击实功的击实样的线缩率与电阻率的关系曲线。从图3中可以看出:随着含水量的减小、土的电阻率的增大,土的线缩率不断减小。这说明了土的收缩不仅与土的孔隙率密切相关,而且与土的含水量或者饱和度密切相关。对于同种膨胀而言,土的饱和度越高,其收缩性也越大。

图4为相同的击实含水量(质量分数)(25.13%)、不同击实功(自左往右,击实功不断减小,分别为199.4 kJ/m3,398.8 kJ/m3,598.2 kJ/m3,797.6 kJ/m3与997 kJ/m3)条件下制备的击实样的线缩率与其电阻率的关系试验曲线。由图4中可以看出:土的线缩率随电阻率的增大而增大。相同含水量条件下,击实功越小,电阻率就越大,孔隙比也大,土体固体颗粒就越分散,失水收缩率就越大。

从以上可以看出,膨胀土的收缩性影响因素主要为土的矿物成分、初始含水率及密实度等,这些同样是影响土电阻率的主要因素,膨胀土的收缩性与电阻率之间存在良好的相关关系,可以通过分析电阻率的变化来研究膨胀土胀缩性变化。

3.3 收缩过程中的微结构变化定量分析

击实膨胀土的线缩率随时间的变化关系如图5所示。根据图5中的曲线变化趋势明显存在三个不同阶段:第一阶段中,随时间的变长,线缩率的增加很小;第二阶段中,线缩率随暴露时间的变长先迅速增加,随后其增长趋势逐渐变缓;第三阶段中,线缩率随时间的变长几乎没有什么增加,其增量很小。可将膨胀土的收缩过程划分为三个不同阶段:初始收缩阶段、主收缩阶段和次收缩阶段。

图6为收缩过程中土电阻率与收缩时间的变化关系。从图6可以看出,电阻率变化趋势可分为三个不同变化阶段:第一阶段,电阻率随收缩时间的加长有所增加,但其变化幅度很小;第二阶段,土电阻率随收缩时间的加长而迅速增加,当达到大约4 000 min后,电阻率的增长趋势明显变缓,电阻率变化进入第三阶段;第三阶段,电阻率随时间的变长而增加的趋势显著降低,电阻率增量也不大。

土的电阻率主要取决于土的体积含水量(或饱和度)、孔隙液的化学成分、温度、土体结构以及土的颗粒组成等因素。在膨胀土的收缩试验中,土的孔隙液的化学成分基本保持不变(或者变化不大),它对于土的电阻率的影响可以忽略不计;土的颗粒组成(或者土的矿物成分)显然是不会发生变化的;外界的环境温度对土的电阻率的影响在数据处理过程中已经利用式(2)进行了消除。因此,土的收缩过程中影响土的电阻率的主要因素无外乎饱和度与土体结构两类,也就是说,土的电阻率的变化是饱和度的变化或者土体结构的变化或者饱和度与土体结构两者共同作用的结果。研究表明:饱和度的变化对土的电阻率的影响十分显著,而土体结构的变化对电阻率的影响则不如饱和度变化的影响那么明显[10]。

图6所示的第一收缩阶段,土的电阻率随时间的加长呈增加的趋势,但其增加量不大。在此收缩阶段,饱和度基本没有发生变化或者发生很小的变化,体积收缩量与孔隙水排出体积基本相同,电阻率的变化主要是由于土体结构变化所造成的。因此第一收缩阶段可以定义为基本收缩阶段。

图6所示的第二收缩阶段中,电阻率随收缩时间的加长急剧上升,电阻率如此大幅度的增加显然不是土体结构变化单一因素可以完成的,这一阶段中,体积收缩量小于其孔隙水排出体积,饱和度随收缩的进行不断降低,土电阻率的变化是饱和度变化与土体结构变化共同作用的结果。因此,这一收缩阶段可以定义为残余收缩阶段。

图6所示的结构收缩阶段,电阻率随收缩时间的加长继续增大,但其斜率明显减小且逐渐趋近于0,从图2可以看出,这一阶段的收缩量很小,几乎接近于0,因此,这一收缩阶段中,电阻率的变化主要是饱和度变化的结果,土体体积基本不发生变化,也就是说土的结构基本没有发生变化。同样,可将这一收缩阶段定义为零收缩阶段。

图7为收缩过程中电阻率与线缩率的关系。从图7也可看出膨胀土的基本收缩、残余收缩与零收缩三个不同阶段,这也从另外一个侧面佐证了依据土的电阻率的变化规律将膨胀土的收缩划分为不同阶段的正确性与科学性。从图7可以看出,膨胀土的收缩主要发生在基本收缩与残余收缩阶段,零收缩阶段土的线缩率增量很小,几乎为0。

4 结论

本文通过对膨胀土失水收缩过程中的同步电阻率测试,定量分析了膨胀土失水收缩过程中的微结构变化特征,探讨了土的电阻率在土体微结构定量分析中的应用,并从微结构变化角度分析了膨胀土的收缩机理,得到如下主要结论:

1)膨胀土的收缩性与电阻率的主要影响因素一致,收缩性与电阻率之间存在良好的相关关系,可以通过分析电阻率的变化来研究膨胀土胀缩性变化。

2)依据膨胀土收缩过程中土电阻率随收缩时间的变化规律曲线,可将膨胀土的收缩过程划分为三个不同阶段:初始收缩阶段、主收缩阶段和次收缩阶段。同时,分析了这三个不同收缩阶段土体微结构及电阻率的变化规律及主要影响因素。

3)通过电阻率与线缩率的关系曲线也可将膨胀土的收缩过程划分为基本收缩、残余收缩与零收缩三个不同阶段。