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        化學(xué)成分對(duì)花崗巖殘積土抗拉張力學(xué)特性的影響*

        2018-06-07 03:02:04孫銀磊湯連生
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)

        孫銀磊,湯連生

        (1.中山大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,廣東廣州510275;2.廣東省地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源探查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州510275)

        抗拉強(qiáng)度是花崗巖殘積土一個(gè)比較重要的力學(xué)性質(zhì),許多自然現(xiàn)象及工程破壞,如土坡崩崗、崩塌及土壩、堤防、路基破壞都與土的抗拉特性有關(guān),因此,對(duì)花崗巖殘積土抗拉強(qiáng)度進(jìn)行深入研究具有重要的工程意義[1]。

        花崗巖殘積土作為一種在華南地區(qū)廣泛分布的特殊土,其結(jié)構(gòu)性對(duì)土的工程性質(zhì)有著顯著的影響,研究表明:土體結(jié)構(gòu)的宏觀變形現(xiàn)象都是土體微觀結(jié)構(gòu)改變的結(jié)果[2],因此,花崗巖殘積土工程特性的決定因素歸根到底是其結(jié)構(gòu)的特殊性。吳能森[3]針對(duì)花崗巖殘積土的遇水崩解及軟化造成其微觀結(jié)構(gòu)變化特性,全面分析了土體崩解的結(jié)構(gòu)性機(jī)制,在此基礎(chǔ)上,將花崗巖殘積土的崩解過程劃分成擾動(dòng)性、結(jié)構(gòu)性及溶解性3個(gè)階段。周小文[4]利用不同圍壓下的三軸排水試驗(yàn)對(duì)比分析了原狀和重塑花崗巖殘積土的剪切屈服特性。湯連生[5]基于堆砌體模型的思路,利用孔隙比和結(jié)構(gòu)脆性參數(shù)來構(gòu)建花崗巖殘積土損傷過程函數(shù),建立了能夠反映非飽和花崗巖殘積土脆彈塑性膠結(jié)損傷模型。Alias等[6]通過直接剪切及三軸試驗(yàn)研究了重塑花崗巖殘積土的有效剪切強(qiáng)度參數(shù)。國內(nèi)外對(duì)花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)性方面已經(jīng)取得了較多的研究成果,而對(duì)其抗拉強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)性的研究相對(duì)較少,歸根結(jié)底是在傳統(tǒng)巖土工程研究過程中,通常不將花崗巖殘積土作為抗拉材料使用,主要是因?yàn)橥恋目估瓘?qiáng)度通常較小或幾乎被視為零,因此,在實(shí)際工程中土體的抗拉強(qiáng)度通常被忽略,相對(duì)于抗壓和抗剪強(qiáng)度,對(duì)花崗巖殘積土抗拉強(qiáng)度的研究較少[7]。而抗拉強(qiáng)度但是種種的工程及自然破壞現(xiàn)象表明,忽略抗拉張強(qiáng)度不利于對(duì)花崗巖殘積土的強(qiáng)度特征進(jìn)行全面認(rèn)識(shí)。同時(shí),花崗巖殘積土作為華南及西南地區(qū)的一種特殊土,受工業(yè)及生活排氣的影響,在一些區(qū)域降雨的pH值會(huì)呈現(xiàn)酸性[8],在該區(qū)域往往發(fā)生土坡崩崗、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害,表觀上來看這些地質(zhì)災(zāi)害(拉張破壞)與土體的pH值相關(guān),從深層來說,花崗巖殘積土的抗拉強(qiáng)度與其化學(xué)成分是否有一定的聯(lián)系?

        本文結(jié)合花崗巖殘積土的受拉特性,將花崗巖殘積土篩分成不同粒徑范圍的土樣,通過濃鹽酸處理,利用XRD光譜分析處理前后土樣礦物成分的變化情況。利用自制土體直拉強(qiáng)度測試儀,對(duì)鹽酸處理前后不同粒組土樣進(jìn)行不同含水量下的單軸抗拉強(qiáng)度試驗(yàn),基于微觀層析成像技術(shù)分析鹽酸處理前后不同粒組土樣顆粒的變化情況,探討花崗巖殘積土抗拉強(qiáng)度的主要影響因素及變化規(guī)律。

        1 試驗(yàn)方法

        1.1 試驗(yàn)樣品

        試驗(yàn)土樣取自廣州地鐵21號(hào)線鎮(zhèn)龍站某一邊坡,根據(jù)現(xiàn)場勘察資料,此淺埋段為全風(fēng)化花崗巖殘積土,試驗(yàn)室測其濕密度為1.87 g/cm3,天然含水量為23.7%,液限為36.5%,塑限為23.7%,塑性指數(shù)為12.8,勘察報(bào)告揭示土樣為可塑狀砂質(zhì)花崗巖殘積土。根據(jù) 《ISSSsoil particle size limit classification》[9]按直徑(d/mm)大小將土樣篩分成5種不同粒徑范圍土樣:小于0.002,0.002~0.02,0.02~0.2,0.2~1.0,1.0~2.0(如圖1)。對(duì)于花崗巖殘積土來說,顆粒之間的膠結(jié)物對(duì)其抗拉強(qiáng)度影響較大,為了研究膠結(jié)物的化學(xué)成分對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響,選取不同粒徑范圍的土樣500 g浸泡在φ為37.5%的鹽酸中24 h,在80℃的環(huán)境下恒溫3 h,然后離心,蒸餾水洗至pH約為7,105℃下烘干,研磨過篩后放入干燥器內(nèi)備用[10]。利用D-MAX 2200VPC型X射線粉末衍射儀對(duì)鹽酸處理前后的土樣分別進(jìn)行測試分析,Cu靶,Kα輻射,掃描范圍 10°~80°,掃描步長0.2°。為了能夠準(zhǔn)確對(duì)比鹽酸處理前后,土樣中礦物成分的變化情況,放入鹽酸前稱取土樣質(zhì)量m,鹽酸浸泡并離心干燥后的土樣質(zhì)量為n,進(jìn)行XRD測試時(shí)候,采集的鹽酸處理前土樣質(zhì)量為k,那么采集的鹽酸處理后的土樣質(zhì)量為kn/m。

        1.2 拉張?jiān)囼?yàn)

        分別將處理前后的土樣加蒸餾水,采用分層擊實(shí)的方法制成不同含水量的拉張土樣,含水量分別為 5%、7.5%、10%、12.5%、15%、17.5%、20%、22.5%,誤差為±0.2%。將制作成的拉張土樣利用保鮮膜密封,放入4℃的儲(chǔ)樣柜中48 h,使土樣中水分均勻分布。利用自制土體直拉強(qiáng)度測試儀(專利號(hào):CN201310546003.0)進(jìn)行拉張?jiān)囼?yàn)(見圖2a)。為了保證土樣的拉張破壞過程,本次試驗(yàn)采用滴水的方法進(jìn)行加載,液滴的速度為120滴/min。拉張?jiān)囼?yàn)完畢后取拉斷面附近的微觀土樣,主要是利用Peek管插入土中,粗砂、中砂、細(xì)砂、粉土及黏土對(duì)應(yīng)的Peek管的內(nèi)徑為5,3,1,0.5,0.5 mm(由于后期對(duì)粉土與黏土樣品進(jìn)行微觀掃描采用相同分辨率的鏡頭,該分辨率對(duì)Peek內(nèi)徑的要求是不能超過0.65 mm)。將制成的土樣利用液氮冷凍并在冷凍干燥儀中進(jìn)行干燥處理24 h,干燥過程中保持真空度在90%以上,冷干溫度在-45℃以下。

        1.3 微觀層析成像

        本次微觀層析成像試驗(yàn)是利用上海光源BL13W1線站進(jìn)行μCT掃描,該掃描系統(tǒng)主要由射線源、樣品臺(tái)、探測器和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。樣品臺(tái)位于射線源和探測器之間,X射線源發(fā)射的X射線在穿過樣品時(shí)與樣品發(fā)生相互作用,放射性X射線穿過物體時(shí),其能量由于被部分被吸收,而發(fā)生強(qiáng)度衰減。本次試驗(yàn)的分辨率為3.25μm(砂粒)和0.325μm(粉粒和黏粒),光線能量為19.5 keV,在進(jìn)行μCT掃描時(shí),樣品沿軸向旋轉(zhuǎn)180°,光束以X射線源和探測器中心連線方向射向樣品。由于樣品在不斷旋轉(zhuǎn),因此將得到樣品在不同角度的μCT掃描,并等角度間隔采集。本次試驗(yàn)的時(shí)間間隔為0.25°,最后得到720幅二維投影。這些二維投影,經(jīng)過Pitre軟件進(jìn)行圖像處理,將一組連續(xù)的二維圖像排列重構(gòu),就構(gòu)成了一個(gè)三維的數(shù)據(jù)場[11],見圖2b所示。利用三維可視化軟件Avizo軟件進(jìn)行顯示分析,對(duì)圖像進(jìn)行圖像分割,將所有孔隙空間對(duì)應(yīng)的體素頂點(diǎn)都標(biāo)記為1(或0),而所有土顆粒對(duì)應(yīng)體素頂點(diǎn)都標(biāo)記為0(或者1)[12]。由于掃描時(shí)間限制(1 h/樣,申請周期為半年),本次試驗(yàn)只進(jìn)行了含水量為15%的土樣掃描試驗(yàn),包括鹽酸處理前后的土樣。

        圖1 花崗巖殘積土顆粒級(jí)配及鹽酸處理Fig.1 Grain size distributions and HCL treating of the granite residual soils

        圖2 拉張及掃描試驗(yàn)Fig.2 Tensile and scanning methods

        2 結(jié)果與討論

        2.1 X射線衍射(XRD)測試結(jié)果

        土樣原樣的XRD圖譜顯示(圖3a),不同粒徑的花崗巖殘積土的曲線特征大體相似,說明各組土樣中具有相似的化學(xué)成分,圖譜中顯示5種粒組的花崗巖殘積土樣主要的化學(xué)成分是SiO2,其次是Al2Si2O5(OH)4,含有部分游離氧化鐵,如 α-FeO(OH)、Fe3O4、α-Fe2O3等。經(jīng)過濃鹽酸浸泡處理后,土樣中的 α-FeO(OH)、Fe3O4、α-Fe2O3及 Al2Si2O5(OH)4等均不同程度地減少,而SiO2的含量基本維持不變(圖3b)。

        圖3 鹽酸處理前后土樣X射線衍射圖Fig.3 X-ray diffraction patterns of the granite residual soils before and after HCL treatment

        2.2 抗拉強(qiáng)度結(jié)果

        由圖4可知,對(duì)于鹽酸處理前各粒組的土樣,隨著含水量的增大,其抗拉強(qiáng)度均先增大后減小,存在一個(gè) “凸峰”現(xiàn)象。即在含水量變化過程中存在一個(gè)臨界含水量,當(dāng)含水量小于此臨界含水量時(shí),抗拉強(qiáng)度隨含水量的增大而增大;當(dāng)含水量大于臨界含水量時(shí),抗拉強(qiáng)度隨含水量的增大而減小。并且隨著含水量的增大,在臨界含水量左側(cè)的抗拉強(qiáng)度增長率要大于在臨界含水量右側(cè)的抗拉強(qiáng)度減小率。在臨界含水量右側(cè),隨著含水量的增大,抗拉強(qiáng)度逐漸減小,并趨于某一穩(wěn)定值,即隨著含水量的增大,抗拉強(qiáng)度并不會(huì)一直減小,而是減小到某一程度后將趨于穩(wěn)定,存在某殘余抗拉強(qiáng)度。此規(guī)律與Tang等[13]對(duì)黏土抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果類似,這說明當(dāng)含水量超過臨界含水量后,抗拉強(qiáng)度隨著含水量的增大而減小并趨于某一穩(wěn)定的殘余抗拉強(qiáng)度,并不是一個(gè)單獨(dú)的現(xiàn)象,很可能是一個(gè)普遍存在的現(xiàn)象。對(duì)于鹽酸處理后的不同粒組花崗巖殘積土樣的抗拉強(qiáng)度,其隨含水量的變化趨勢與鹽酸處理前的抗拉強(qiáng)度變化趨勢大致相同。對(duì)于同種粒組相同含水量的花崗巖殘積土,鹽酸處理后的抗拉強(qiáng)度比處理前減小的幅度較大,減小幅度為5~10 kPa不等,并且這種規(guī)律隨著顆粒粒徑的減小呈現(xiàn)增大的趨勢。

        2.3 三維微觀結(jié)構(gòu)重建結(jié)果

        本次進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)重建的土樣只有含水率為15%,包括五種不同粒組的土樣。經(jīng)過Pitre軟件進(jìn)行切片處理后,利用Avizo三維可視化軟件對(duì)不同粒組的土樣進(jìn)行二維及三維圖像分析,見圖5所示。從圖中可以看出,無論是黏土顆粒還是砂土顆粒,經(jīng)過鹽酸處理后的顆粒尺寸相應(yīng)減小了,處理后的顆粒整體上呈現(xiàn)相對(duì)碎散的狀態(tài),顆粒與顆粒之間的膠結(jié)情況較少。而鹽酸處理前的顆粒之間都有一定的膠結(jié),特別是當(dāng)顆粒尺寸較小的時(shí)候,顆粒的膠結(jié)情況最為明顯。

        2.4 抗拉強(qiáng)度影響因素分析

        花崗巖殘積土中的Fe2O3和Al2O3是其主要的倍半氧化物,經(jīng)過鹽酸處理后他們大量地減少與消失,直接影響著花崗巖殘積土的拉張力學(xué)性質(zhì)。倍半氧化物對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響主要表現(xiàn)在它們可以起到包裹的作用,以 “包膜”的形式將土顆粒包?。▓D6),也可以起到膠結(jié)的作用,以 “橋”的形式將土顆粒連接起來形成聚集體[14],還可以起到充填的作用,以 “填充物”的形式將土顆粒之間的孔隙填塞,可見倍半氧化物是花崗巖殘積土中最為重要的組分之一?;◢弾r殘積土中的結(jié)構(gòu)單元體是由游離鐵、鋁膠質(zhì)通過較強(qiáng)靜電作用形成的基本團(tuán)粒單元,其外圍被鐵鍋質(zhì)包裹[15]。花崗巖殘積土結(jié)構(gòu)單元體主要包括較為穩(wěn)固的蜂窩狀及絮凝狀結(jié)構(gòu),這些結(jié)構(gòu)主要是由土體自身化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定的游離鐵、鋁膠結(jié)物以及硅溶膠膠結(jié)而形成的,且這些結(jié)構(gòu)單元體外圍覆蓋一層結(jié)合水膜,加強(qiáng)了彼此間的膠結(jié)作用,最終結(jié)構(gòu)單元體形成團(tuán)聚體結(jié)構(gòu),因此花崗巖殘積土具有較高的抗拉強(qiáng)度。相比較而言,當(dāng)顆粒中黏土含量越高,這種膠結(jié)作用越強(qiáng)。

        圖4 鹽酸處理前后土樣的抗拉強(qiáng)度Fig.4 Tensile strength of granite residual soils before and after HCL treatment

        圖5 鹽酸處理前后土樣的抗拉強(qiáng)度Fig.5 Tensile strength of granite residual soils before and after HCL treatment

        花崗巖殘積土中的SiO2不與 HCl反應(yīng),而Fe2O3和Al2O3卻易溶于HCl,且與之發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成溶于水的 FeCl3和 AlCl3,F(xiàn)e3+和 Al3+離子經(jīng)過水洗及離心干燥后隨之排出土體,如圖6所示,造成了花崗巖殘積土化學(xué)成分的變質(zhì),其化學(xué)反應(yīng)方程式如下所示:

        根據(jù)湯連生提出的非飽和土粒間吸力理論,土顆粒之間的聯(lián)結(jié)作用力包括范德華力、雙電層引力、膠結(jié)力、顆粒之間的咬合力、結(jié)合水的黏結(jié)力、濕吸力等[13],它們都對(duì)顆粒之間的抗拉承擔(dān)責(zé)任。如果將這些力分為兩組:①濕吸力,由表面張力引起的作用于土顆粒之間的力(圖7);②范德華力、雙電層引力、膠結(jié)力、顆粒之間的咬合力、結(jié)合水的黏滯力(圖7)。它們是與土顆粒自身的化學(xué)成分、孔隙液成分、土體結(jié)構(gòu)等因素有關(guān),這一部分正是結(jié)構(gòu)吸力。相比濕吸力,花崗巖殘積土的結(jié)構(gòu)吸力對(duì)其抗拉強(qiáng)度影響更大。結(jié)構(gòu)吸力是土體內(nèi)與結(jié)構(gòu)性質(zhì)相關(guān)的內(nèi)拉應(yīng)力的總和,包括膠結(jié)力、靜電力、磁性力以及咬合力等,以上提到的各力均受含水量、土顆粒堆積方式以及孔隙水溶液化學(xué)成分的影響,但受各因素的影響程度不同。它充分體現(xiàn)了土的結(jié)構(gòu)特征,主要包含土的骨架、孔隙、顆粒以及成分等特征。而土的抗拉強(qiáng)度之所以能夠存在其本質(zhì)是因?yàn)轭w粒之間有聯(lián)結(jié)力,它來源于范德華力、雙電層引力、膠結(jié)力、毛細(xì)吸力等。土體之所以被拉斷,就是由于土顆粒之間的聯(lián)結(jié)力被克服了。利用鹽酸浸泡花崗巖殘積土,HCl與鐵鋁氧化物等發(fā)生化學(xué)反應(yīng),消耗掉包裹在花崗巖殘積土基本團(tuán)粒單元外圍的鐵、鋁膠質(zhì),與此同時(shí)也損耗了連接各結(jié)構(gòu)單元體的膠結(jié)物質(zhì),使得花崗巖殘積土團(tuán)粒粒徑變小,其微觀結(jié)構(gòu)遭到破壞;團(tuán)粒內(nèi)的礦物成分也含有鐵鋁氧化物,隨著化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行,團(tuán)粒結(jié)構(gòu)也將遭到HCl的侵蝕破壞,進(jìn)一步分散成更為細(xì)碎的物質(zhì),這也解釋了圖6中鹽酸處理后的顆粒呈現(xiàn)碎散狀態(tài)的原因;最終起到包裹、連接、填充作用的膠結(jié)物質(zhì)被溶蝕后生成的易溶鹽以及細(xì)小顆粒被沖洗的蒸餾水帶走,使花崗巖殘積土顆粒之間的孔隙增大,并將紅土顆粒架空?;◢弾r殘積土團(tuán)聚體失去膠結(jié)物質(zhì)等的約束,顆粒之間的粒間吸力,特別是結(jié)構(gòu)吸力的減小造成鹽酸處理后的土樣在拉應(yīng)力的作用下容易被拉斷。相對(duì)而言,黏土受鹽酸處理的影響較大,顆粒越小,顆粒之間的 “橋”的消失現(xiàn)象越為明顯,其抗拉強(qiáng)度減小的幅度較大。

        3 結(jié) 論

        1)經(jīng)過鹽酸浸泡處理后,5種粒組花崗巖殘積土樣中的 α-FeO(OH)、α-Fe2O3、Fe3O4及 Al2Si2O5(OH)4等均不同程度的減少,而SiO2的含量基本上維持不變。

        圖6 鹽酸作用下花崗巖殘積土團(tuán)聚體變化情況Fig.6 The changes of granite residual soil aggregates before and after HCL treatment

        圖7 土顆粒之間的聯(lián)結(jié)作用力Fig.7 The coupling force between soil particles

        2)鹽酸處理前后各粒組的土樣的抗拉強(qiáng)度隨著含水量的增大均呈現(xiàn)先增大后減小趨勢。對(duì)于同種粒組相同含水量的花崗巖殘積土,鹽酸處理后的抗拉強(qiáng)度比處理前減小的幅度較大,減小幅度為5~10 kPa不等,并且這種規(guī)律隨著顆粒粒徑的減小呈現(xiàn)增大的趨勢。

        3)通過對(duì)不同粒組進(jìn)行微觀層析成像分析,無論是黏土顆粒還是砂土顆粒,鹽酸處理前的顆粒之間都有一定的膠結(jié),特別是當(dāng)顆粒尺寸較小的時(shí)候,顆粒的膠結(jié)情況最為明顯。經(jīng)過鹽酸處理后的顆粒尺寸相應(yīng)減小了,處理后的顆粒整體上呈現(xiàn)碎散狀態(tài),顆粒與顆粒之間的膠結(jié)情況較少。

        4)HCl與花崗巖殘積土中的鐵、鋁氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng),消耗掉包裹在花崗巖殘積土基本團(tuán)粒單元外圍的鐵、鋁膠質(zhì),與此同時(shí)也損耗了連接各結(jié)構(gòu)單元體的膠結(jié)物質(zhì),使得花崗巖殘積土團(tuán)粒粒徑變小,其微觀結(jié)構(gòu)遭到破壞,花崗巖殘積土團(tuán)聚體失去膠結(jié)物質(zhì)等的約束,顆粒之間的粒間吸力,特別是結(jié)構(gòu)吸力的減小造成鹽酸處理后的土樣在拉應(yīng)力的作用下容易被拉斷。

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