亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        蒙脫石含量對黏土表面干縮裂隙影響試驗研究

        2016-10-10 06:59:51夏冬生劉清秉王菁莪
        長江科學院院報 2016年9期
        關鍵詞:蒙脫土裂隙含水率

        夏冬生,劉清秉,項 偉,,王菁莪,艾 密

        (中國地質大學(武漢) a.工程學院;b.教育部長江三峽庫區(qū)地質災害研究中心,武漢 430074)

        ?

        蒙脫石含量對黏土表面干縮裂隙影響試驗研究

        夏冬生a,劉清秉b,項偉a,b,王菁莪b,艾密b

        (中國地質大學(武漢)a.工程學院;b.教育部長江三峽庫區(qū)地質災害研究中心,武漢430074)

        蒙脫石作為膨脹土中主要的黏土礦物成分,對膨脹土脹縮性質及裂隙性具有重要的影響。為研究蒙脫石含量對裂隙發(fā)育的影響同時規(guī)避其他成分的影響,對13組不同蒙脫土含量的蒙脫土-石英砂飽和泥漿樣進行了干燥試驗,試驗控制溫度為40 ℃。在干燥過程中,對含水率和表面裂隙進行實時監(jiān)控,并利用計算機軟件對裂隙進行定量化分析,獲取裂隙演化過程中的臨界含水率及表面裂隙率δS。試驗結果表明:干燥過程中,水分的散失表現(xiàn)出明顯的3個階段——常速率階段、減速階段以及殘余階段,且裂隙的發(fā)育主要在常速率階段進行。試樣的最終表面裂隙率δSF和起裂時的含水率wI受蒙脫土含量的影響明顯,均表現(xiàn)為隨著蒙脫土含量的增加而增加,終裂時的含水率wF并沒有相同的趨勢,但wI與wF之差Δw與蒙脫土含量正相關。

        蒙脫土;干燥曲線;裂隙;臨界含水率;定量化分析

        1 研究背景

        在自然條件下,黏性土表面隨著含水率的降低易產生干縮裂隙。干縮裂隙的產生使土體各向異性更加明顯、強度發(fā)生衰減,同時,干縮裂隙作為地表水的入滲通道,對黏性土的強度發(fā)生進一步破壞提供有利條件[1],干縮裂隙還會加快土體風化速率及加深風化程度,加重表面水土流失,使生態(tài)環(huán)境發(fā)生破壞[2]。裂縫的寬度、深度、延伸長度以及裂縫網絡的結構形態(tài)等參數(shù)在很大程度上決定土體的滲透性和水力學特性[3-4]。近年來,國內外對黏性土表面干縮裂隙開展了大量的研究,Terzaghi[5]最早注意土體裂隙發(fā)育對土體強度的影響,并認為裂隙是超固結黏性土的結構特性;Kleppe等[6]通過收縮試驗發(fā)現(xiàn),當體積收縮應變達到4%~5%時試樣產生裂隙;唐朝生等[7]通過室內試驗結合計算機處理技術,研究不同黏土厚度、干濕循環(huán)次數(shù)及不同土質成分對裂隙形態(tài)影響,并探討了聚丙烯纖維對黏性土干縮裂縫的抑制作用和機理;吳珺華等[8]建立了以含水率變化計算變濕應力的理論模型并解釋了裂隙產生的機理。裂隙的開展是較為復雜的過程,受多種因素的控制,以上研究多從力學角度、外界條件分析裂隙的影響因素及開展機理,對土質因素的研究尚不夠具體,土體裂隙的開展與黏粒含量、礦物成分等土質因素密切相關,研究黏土礦物含量對土體收縮裂隙的影響有利于從本質上分析土體收縮機理。

        為研究蒙脫石含量對土體表面收縮裂隙發(fā)育的影響,本文作者以室內試驗為基礎,對不同蒙脫土含量的蒙脫土—石英砂混合樣進行干燥試驗,對干燥過程中含水率及裂隙圖像進行監(jiān)測,利用計算機處理圖片技術定量化分析和統(tǒng)計表面裂隙率及裂隙開展過程中的臨界含水率。

        2 試驗方法

        2.1試驗材料及試樣制備

        試驗中所用蒙脫土為Ca-蒙脫土和270目(粒徑為0.053mm)石英砂,各試驗材料的主要化學成分含量如表1所示,蒙脫土的陽離子交換量為93.8meq/100g。

        表1 試驗材料化學成分含量Table 1 Chemical composition of test materials

        將蒙脫土粉末和石英砂在105 ℃烘干至恒重后,按蒙脫土質量百分比分別為0,10%,15%,20%,25%,30%,35%,40%,45%,50%,55%,60%,100%與石英砂粉末混合,利用直徑為15cm的圓形玻璃皿制備飽和泥漿樣13組,加水過程中不斷攪拌并將試樣密封保存24h以便試樣潤濕均勻。

        2.2試驗裝置及方法

        試驗裝置如圖1所示,將制備好的試樣置于自制發(fā)熱箱內,發(fā)熱箱溫控范圍為10~90 ℃,由溫度控制儀控制,控制精度為0.1 ℃,本次試驗溫度控制為40 ℃。箱內放置精度為0.01g的電子天平,與連接的電子計算機對收縮過程中樣品的質量進行自動采集。同時,利用工業(yè)高清攝像機對樣品進行連續(xù)間隔拍照,獲取土樣表面形態(tài)變化。質量采集和圖像采集使用相同的時間間隔,以便獲得同步的質量和圖像參數(shù)。試驗過程中設置溫濕度傳感器,可實時監(jiān)測發(fā)熱箱內溫濕度變化。

        圖1 試驗裝置Fig.1 Test apparatus

        試驗后,利用Photoshop和Matlab軟件對圖像進行處理,獲得試樣不同時刻的表面裂隙率δS,結合蒸發(fā)曲線獲取裂隙開展過程中的臨界含水率:起裂含水率wI和終裂含水率wF。

        3 試驗結果與分析

        3.1試樣水分蒸發(fā)過程

        圖2為干燥過程中部分試樣含水率隨時間變化的曲線,不同蒙脫土含量試樣的干燥曲線變化趨勢接近一致,即在干燥的初始階段,含水率與時間為近直線關系,隨著干燥的繼續(xù),干燥曲線發(fā)生彎曲并逐漸趨于水平。利用Origin8.6軟件對干燥曲線進行求導分析,獲得干燥過程中的蒸發(fā)速率-時間曲線。由曲線可知,各試樣的干燥過程均表現(xiàn)明顯的3個階段:蒸發(fā)速率穩(wěn)定的階段Ⅰ、蒸發(fā)速率不斷減小的階段Ⅱ,以及蒸發(fā)速率接近0的殘余階段Ⅲ;試驗結果與唐朝生等[9]的試驗結果類似。如圖2所示,大部分(超過80%)的水分蒸發(fā)發(fā)生在階段Ⅰ,減速階段Ⅱ經歷時間相對較短,且蒙脫土含量為45%和55%試樣的減速階段時間明顯高于蒙脫土含量為25%和35%的試樣。各試樣的最終含水率均在10%左右,但與試樣的蒙脫土含量沒有明顯的相關性。

        (a)含量25%

        (b)含量35%

        (c)含量45%

        (d)含量55%圖2 不同蒙脫土含量試樣干燥曲線Fig.2 Drying curves of samples with different contentsof montmorillonite

        土中水分的蒸發(fā)是個復雜的過程,受溫度、相對濕度、孔隙水鹽分濃度、土結構、土的孔徑、土層厚度和吸力等諸多因素的影響,試樣在干燥過程表現(xiàn)明顯的階段性可能是由于在常速率蒸發(fā)階段,試樣內部大部分自由水蒸發(fā),隨著自由水的不斷減少,試樣內部吸力不斷增加,自由水蒸發(fā)受到阻礙,同時,試樣上部水分散失后,水-氣界面向試樣內部發(fā)展,水分蒸發(fā)路徑增加而導致蒸發(fā)速率不斷降低。因此,蒙脫土含量越高,試樣的持水能力更強,水分子逃逸到蒸發(fā)面需要的能量更高[10],試樣蒸發(fā)的減速階段時間更長。

        3.2試樣裂隙演化過程及定量化分析

        圖3為40 ℃條件下蒙脫土含量為35%飽和泥漿樣干燥過程的裂隙圖像。如圖3(a)所示,當含水率為61.3%時,試樣表面開始出現(xiàn)明顯的裂隙;隨著含水率降低到57.9%(圖3(b)),試樣的主干裂隙生成,但并未完全展開;當含水率減小為38.1%時,樣品的所有支裂隙也生成,并與主裂隙交叉形成裂隙網絡,對比圖3(c)和圖3(d),當含水率進一步降低,未見新裂隙生成,但裂隙寬度增加。根據(jù)蒸發(fā)過程中的裂隙圖像及蒸發(fā)曲線對比發(fā)現(xiàn),絕大部分的裂隙發(fā)育在常速率階段(階段Ⅰ)。

        (a)w=61.3%       (b)w=57.9%

        (c)w=38.1%       (d)w=22.3%圖3 蒙脫土含量為35%樣品干縮裂隙圖像Fig.3 Images of desiccation cracks of the sample with35% montmorillonite content

        利用Photoshop和Matlab軟件對裂隙圖像進行定量化分析,按式(1)計算試樣的表面裂隙率δS。

        (1)

        式中:n為裂隙條數(shù);Ai為第i條裂隙的面積;A為試樣面積。

        圖4為不同蒙脫土含量樣品的δS-t曲線。如圖所示,在試樣收縮的初始階段,表面裂隙率δS隨著時間的增加緩慢增長,隨著時間的繼續(xù)累積,新生裂隙不斷產生以及裂隙寬度增加,試樣的表面裂隙率快速增長并在隨后的干燥過程中趨于穩(wěn)定值。根據(jù)圖4曲線可知,表面裂隙率的增長速率與蒙脫土的含量呈正相關,說明蒙脫土的含量增加可促進試樣表面裂隙的發(fā)展。

        圖4 不同試樣表面裂隙率隨時間變化關系曲線Fig.4 Changes of surface crack ratio with time fordifferent samples

        圖5為試樣干燥過程中最終表面裂隙率δSF與蒙脫土含量m的關系曲線。如圖5所示,當蒙脫土含量達到20%時,試樣表面開始產生明顯的裂隙;在低蒙脫土含量段(如圖5中低于35%),試樣的最終表面裂隙率隨蒙脫土含量緩慢增長,但隨著蒙脫土含量的繼續(xù)增加,試樣的最終表面裂隙率與蒙脫土的含量呈線性關系。蒙脫石礦物具有較強的親水性,吸水時在顆粒表面形成的水化膜較厚,且晶層間距由于吸水擴展,故蒙脫土的含量越高,試樣干燥時可收縮的空間更大,形成的裂隙更長更寬。

        圖5 最終表面裂隙率與蒙脫土含量的關系曲線Fig.5 Changes of final surface crack ratio withincreasing montmorillonite content

        3.3試樣開裂過程中的臨界含水率

        試樣裂隙開始發(fā)育和裂隙停止發(fā)育時對應的含水率分別為起裂含水率wI和終裂含水率wF。圖6為不同試樣的wI和wF與其蒙脫土含量的對應關系,由圖可知,試樣的wI隨著其蒙脫土含量的增加而增加,其變化趨勢與圖5中最終的表面裂隙率-蒙脫土含量曲線相似;終裂含水率wF并不表現(xiàn)相同的趨勢,但起裂含水率與終裂含水率差值與蒙脫土的含量呈正相關關系,其中,各試樣的終裂含水率多為10%~20%,起裂含水率分布范圍較大,為43%~95.2%。張丹等[11]利用FBG技術對膨脹土干燥開裂過程進行研究發(fā)現(xiàn),首條裂隙往往出現(xiàn)在最大收縮區(qū)的邊緣,即拉應變和拉應變變化速率較大的區(qū)域。同時,蒙脫土含量越高,試樣的干燥收縮變形速率越快,拉應變增長越快,因此,蒙脫土含量較高的試樣能更快出現(xiàn)裂隙,起裂時含水率更高。

        圖6 干燥過程中臨界含水率與蒙脫土含量關系曲線Fig.6 Changes of critical moisture content withmontmorillonite content during drying

        4 結論及討論

        本文對不同蒙脫土含量與石英砂飽和泥漿樣進行干燥試驗,并對試樣的水分蒸發(fā)過程、裂隙演化過程及演化過程中的表面裂隙率和臨界含水率進行分析,得出如下結論:

        (1)試樣中水分蒸發(fā)過程表現(xiàn)明顯的3個階段——常速率階段、減速階段及零速率階段,隨著蒙脫土含量的增加,水分蒸發(fā)難度加大,試樣蒸發(fā)過程中的減速階段持續(xù)時間更長。

        (2)蒙脫石礦物具有較強的親水性,吸水時在顆粒表面形成的水化膜較厚,且晶層間距由于吸水擴展,故蒙脫土的含量越高,試樣的干燥時可收縮的空間越大,形成的裂隙更長更寬。

        (3)由于試樣的起裂往往出現(xiàn)在最大收縮區(qū)的邊緣,即拉應變和拉應變變化速率較大的區(qū)域。同時,蒙脫土含量越高,試樣的干燥收縮變形速率越快,拉應變增長越快,因此蒙脫土含量較高的試樣能更快出現(xiàn)裂隙,起裂時含水率越高。

        自然環(huán)境中黏土干縮裂隙的形成和發(fā)展是極其復雜的過程。本文中由于蒙脫土含量的不同,試樣內部結構特征也可能不同,這也可能是影響試驗結果的重要因素,同時,試樣在水分蒸發(fā)過程中表現(xiàn)的不同的階段特征,是否和試樣內部不同形態(tài)水分散失的過程有關?對此進行進一步的微觀試驗有助于從水分脫濕的微細觀角度對試樣收縮、縮裂過程進行解釋。因此,對試樣的干燥收縮過程的細微觀研究將是以后研究的重點。

        [1]鄭少河,姚海林,葛修潤. 裂隙性膨脹土飽和-非飽和滲流分析[J]. 巖土力學, 2007,28(增1):281-285.

        [2]STOLTEJ,RITSEMACJ,DEROOAPJ.EffectsofCrustandCracksonSimulatedCatchmentDischargeandSoilLoss[J].JournalofHydrology, 1997, 195(1): 279-290.

        [3]王恩志,孫役,黃遠智,等.三維離散裂隙網絡滲流模型與實驗模擬[J].水利學報,2002,33(5):37-40.

        [4]張嘎,張建民,洪鏑. 面板堆石壩面板出現(xiàn)裂縫工況下的滲流分析[J]. 水利學報, 2005, 36(4): 420-425.

        [5]TERZAGHIK.StabilityofSlopesofNaturalClay[C]∥ProceedingsoftheFirstInternationalConferenceonSoilMechanicsandFoundationEngineering,Cambridge:HarvardUniversity, 1936.

        [6]KLEPPEJH,OLSONRE.DesiccationCrackingofSoilBarriers[C]∥HydraulicBarriersinSoilandRock.ASTM. 1985: 263-275.

        [7]唐朝生,施斌,劉春,等. 影響?zhàn)ば酝帘砻娓煽s裂縫結構形態(tài)的因素及定量分析[J]. 水利學報,2007, 38(10): 1186-1193.

        [8]吳珺華,袁俊平,盧廷浩. 基于變濕應力概念的膨脹土初始開裂分析[J]. 巖土力學,2011,32(6):1631-1636.

        [9]唐朝生,崔玉軍,TANGAM,等. 膨脹土收縮開裂過程及其溫度效應[J]. 巖土工程學報, 2012,34(12): 2181-2187.

        [10]張琦. 膨脹土干燥收縮特性試驗研究[D]. 南京:南京大學, 2014.

        [11]張丹,徐洪鐘,施斌,等. 基于FBG技術的飽和膨脹土失水致裂過程試驗研究[J]. 工程地質學報, 2012,20(1): 103-108.

        (編輯:趙衛(wèi)兵)

        Impact of Montmorillonite Content on Desiccation Cracks on Clay Surface

        XIA Dong-sheng1, LIU Qing-bing2, XIANG Wei1,2, WANG Jing-e2, AI Mi2

        (1.FacultyofEngineering,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China;2.ThreeGorgesResearchCenterforGeo-hazardunderMinistryofEducation,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China)

        Asamajorclaymineralinswellingsoil,montmorillonitehasimportantinfluenceonswelling-shrinkagepropertiesanddevelopingfissuresofswellingsoil.Desiccationtestswereconductedunder40 ℃oninitiallysaturatedmontmorillonite-silicasandmixtureslurrytoinvestigatetheeffectsofmontmorillonitecontentonshrinkageandcrackingcharacteristics.WaterlossandsurfacecrackevolutionweremonitoredduringthewholedryingperiodwhilethecriticalmoisturecontentandsurfacecrackratioδSwereobtainedwithcomputersoftware.Theresultsshowedthatduringdryingperiod,theprocessofwaterlossshowedthreeobviousphases:theevaporationphaseatconstantspeed,thedeclinephaseandtheresidualphase.Andcracksonthesurfaceofsamplesmostlydevelopedinthefirstphase.ThefinalsurfacecrackratioδSFandtheinitialmoisturecontentwIatwhichthecracksstartweresignificantlyinfluencedbythecontentofmontmorilloniteshowingtrendofincreasingwiththegrowthofthecontentofmontmorillonite.ButthefinalmoisturecontentwFatwhichthecracksendweredifferent,yet,thedifferenceΔwbetweenwIandwFispositivelyrelatedtothecontentofmontmorillonite.

        montmorillonite;dryingcurve;crack;criticalmoisturecontent;quantitativeanalysis

        2015-07-20;

        2015-09-05

        國家自然科學基金(41202199,41572286);湖北省自然科學基金(2015FB247);中國博士后科學基金(2013M542098)

        夏冬生(1989-),男,湖北宜昌人,碩士研究生,主要從事巖土體工程力學性質方面的研究,(電話)15271862621(電子信箱)523953672@qq.com。

        劉清秉(1984-),男,安徽蕪湖人,副教授,博士,從事巖土工程穩(wěn)定性評價、地質災害防治方面的教學與科研工作,(電話)13419681857(電子信箱)liuqingbing_1357@163.com。

        10.11988/ckyyb.20150607

        2016,33(09):83-86,92

        TV443

        A

        1001-5485(2016)09-0083-04

        猜你喜歡
        蒙脫土裂隙含水率
        昆明森林可燃物燃燒機理研究
        裂隙腦室綜合征的診斷治療新進展
        鈉基蒙脫土有機化改性及其在PA66中的應用
        Nd摻雜氧化鋅/蒙脫土復合材料的制備及其催化活性研究
        云南化工(2020年11期)2021-01-14 00:50:46
        基于表面能的濕煤顆粒含水率表征方法
        弱膨脹土增濕變形量試驗及路堤填筑分析
        改性蒙脫土處理電鍍廢水中Cr(VI)的研究
        裂隙燈檢查的個性化應用(下)
        CO2插層作用下有機蒙脫土膨脹/結構行為的分子模擬
        原油含水率在線測量技術研究
        電子制作(2016年1期)2016-11-07 08:42:56
        精品日韩欧美一区二区在线播放| 午夜理论片日本中文在线| 精品天堂色吊丝一区二区| 亚洲欧美国产国产综合一区| 无码中文字幕色专区| 无码流畅无码福利午夜| 国产视频在线观看一区二区三区 | 亚洲视频在线中文字幕乱码| 亚洲最新国产av网站| 少妇仑乱a毛片| 国产高清无码在线| 99久久免费中文字幕精品| 亚洲悠悠色综合中文字幕| 亚洲日本一区二区一本一道| 五月婷婷激情小说| 久久蜜臀av一区三区| 国产一区二区三区毛片| 全部孕妇毛片丰满孕妇孕交| 波霸影院一区二区| 国成成人av一区二区三区| 肥老熟妇伦子伦456视频| 亚洲精品国偷自产在线99正片| 99久久精品国产自在首页| av在线播放免费观看| 狠狠躁日日躁夜夜躁2020| 免费一级特黄欧美大片久久网| 视频一区视频二区亚洲免费观看| 亚洲国产熟女精品传媒| 久久精品免费观看国产| 久久av高潮av喷水av无码| 日韩精品视频中文字幕播放| 一本久道综合色婷婷五月| 久久人妻少妇嫩草av蜜桃| 无码中文字幕久久久久久| 亚洲天堂av福利在线| 国产高清av首播原创麻豆| 国产AV无码专区亚洲AV桃花庵| av网址在线一区二区| 放荡的少妇2欧美版| 丁香综合网| 搞黄色很刺激的网站二区|