夏冬生，劉清秉，項　偉,，王菁莪，艾　密

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

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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(zhì)大學(武漢)a.工程學院；b.教育部長江三峽庫區(qū)地質(zhì)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(zhì)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(jié)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(guān)。

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(chǎn)生干縮裂隙。干縮裂隙的產(chǎn)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(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)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(nèi)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(jié)黏性土的結(jié)構(gòu)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(chǎn)生裂隙；唐朝生等[7]通過室內(nèi)試驗結(jié)合計算機處理技術(shù)，研究不同黏土厚度、干濕循環(huán)次數(shù)及不同土質(zhì)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(chǎn)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(zhì)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(zhì)因素密切相關(guān)，研究黏土礦物含量對土體收縮裂隙的影響有利于從本質(zhì)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(nèi)試驗為基礎(chǔ)，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(shù)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(zhì)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(nèi)，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(nèi)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(zhì)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(zhì)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(zhì)量和圖像參數(shù)。試驗過程中設(shè)置溫濕度傳感器，可實時監(jiān)測發(fā)熱箱內(nèi)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(jié)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(jié)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(guān)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(jié)果與唐朝生等[9]的試驗結(jié)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(jīng)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(guān)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(jié)構(gòu)、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(nèi)部大部分自由水蒸發(fā)，隨著自由水的不斷減少，試樣內(nèi)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(nèi)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(wǎng)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(chǎn)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(guān)，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(guān)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(guān)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(chǎn)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)關(guān)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(shù)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(guān)系曲線Fig.6　Changes of critical moisture content withmontmorillonite content during drying

4　結(jié)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(jié)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(nèi)部結(jié)構(gòu)特征也可能不同，這也可能是影響試驗結(jié)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(nèi)部不同形態(tài)水分散失的過程有關(guān)？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。

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(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(zhì)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(zhì)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