白漢營,高宇豪,陳學軍,3,宋 宇

(1.桂林理工大學,廣西 桂林 541004；2.桂林理工大學地質(zhì)資源與地質(zhì)工程博士后流動站,廣西 桂林 541004；3.廣西巖溶動力學重點實驗室,廣西 桂林 541004)

我國南方雨季降水量豐富,旱季則干旱少雨,廣西紅黏土作為一種區(qū)域性特殊土,其“遇水軟化,失水收縮干裂”獨特的工程地質(zhì)性質(zhì),誘發(fā)了諸如邊坡失穩(wěn)、地面塌陷、地基不均勻沉降、道路開裂等工程病害。隨著大規(guī)模的工程建設(shè)必將對紅黏土所賦存的地質(zhì)環(huán)境造成擾動,導(dǎo)致其物理力學性能的變化,尤其是作為各種工程建設(shè)重要參數(shù)的抗剪強度的變化。開展紅黏土改性材料和抗剪強度參數(shù)的改性機理研究,控制紅黏土特殊的水土相互作用誘發(fā)工程災(zāi)害,將顯得十分必要。

近年來,有關(guān)紅黏土的研究主要集中在物理力學特性的試驗[1]、干濕循環(huán)作用下其脹縮特性[2]、浸水變形特性[3]等方面,而針對紅黏土水土相互作用特性,在工程上通常摻入一定量的外摻劑,使其與紅黏土發(fā)生復(fù)雜的物理化學反應(yīng)以改變其獨特的工程地質(zhì)性質(zhì),其研究成果常將紅黏土用作路基材料,對其路用性能進行改性。通過擊實、無側(cè)限抗壓強度與滲透試驗,聚丙烯纖維紅黏土的力學特性研究結(jié)果表明，聚丙烯纖維可以顯著提高紅黏土的強度[1～4],摻入一定劑量的石灰,通過強度和變形特性試驗表明，定向干濕循環(huán)作用下,石灰可明顯改善紅黏土路用性能[5～6],廢木灰、水泥作為外摻劑可以改變紅黏土的力學性能[7～12]。

目前將納米碳酸鈣作為改性材料方面的研究主要集中在混凝土改性方面[13～17],而將納米材料用于紅黏土改性研究方面,研究成果尚較少。鑒于此,本文采用納米石墨粉(Nano Graphite Powder,后用NGP代替)作為外摻劑添加到紅黏土中,利用TSZ-1型三軸試驗儀進行正交試驗設(shè)計,選用掃描電鏡法對試樣進行微觀結(jié)構(gòu)測試,采用單因素方差分析法研究NGP摻量對紅黏土強度參數(shù)的的敏感性。

1 試驗條件

1.1 試驗設(shè)備及試驗方案

試驗采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的TSZ-1型應(yīng)變控制式三軸儀試驗系統(tǒng),該系統(tǒng)主要三軸壓力室、軸向加荷系統(tǒng)、圍壓力圍壓系統(tǒng)、孔隙水壓力量測系統(tǒng)等4部分組成。

將納米石墨粉作為外摻劑添加到紅黏土中形成NGP-紅黏土,其強度參數(shù)受到納米石墨粉摻入量、干密度和圍壓壓力3個因素的影響。選用正交試驗法設(shè)計制定試驗方案,進行相關(guān)因素對強度參數(shù)敏感性的試驗分析,用摻入比(試樣中納米石墨粉質(zhì)量與紅黏土干土質(zhì)量之比)指標來綜合量化表示納米石墨粉對NGP-紅黏土強度參數(shù)的影響。納米石墨粉摻量、圍壓壓力及干密度均取3個水平。其正交試驗的因素、水平見表1。

表1 正交試驗設(shè)計水平Table 1 Orthogonal design level

1.2 試驗土樣及納米石墨粉規(guī)格

試驗用紅黏土取自廣西桂林雁山區(qū),埋深2.0～3.0 m,其基本物理性質(zhì)如表2所示。制樣時,將擾動紅黏土自然風干,破碎、碾磨、過2 mm篩,形成待備土樣。

表2 紅黏土的基本參數(shù)Table 2 Physical parameters of the Guilin red clay

試驗用納米石墨粉選自南京先鋒納米科技有限公司,其基本參數(shù)如表3所示。由表3可知納米石墨粉的宏觀均一性良好。

表3 納米石墨粉的基本參數(shù)Table 3 Basic parameters of the nano-graphite powder

1.3 試樣制備及試驗方法

制備NGP-紅黏土試驗用土樣時,取過2 mm篩的自然風干擾動紅黏土樣,加入納米石墨粉。按照正交試驗設(shè)定的納米石墨粉摻量的水平,分別采用摻量比K=0.5%,1%,2%三種摻量,并混合均勻。各摻量比NGP-紅黏土混合樣均加入適量蒸餾水拌合達到30%最優(yōu)含水率的狀態(tài),然后將土樣密封保濕24 h。

按照正交試驗設(shè)定的干密度的水平,稱取干密度分別為1.3 g/cm3,1.4 g/cm3,1.5 g/cm3的NGP-紅黏土混合樣,采用擊實法分6層擊實,每層擊實至相應(yīng)高度后,將表面刨毛,制備39.1 mm×80 mm NGP-紅黏土土柱試樣48件,采用抽氣飽和法對試樣進行24 h飽和處理。

按照正交試驗設(shè)定的圍壓壓力水平,按照土工試驗操作規(guī)程[18],選取100 kPa,300 kPa,500 kPa三種圍壓進行三軸固結(jié)不排水試驗。固結(jié)過程以孔隙水壓力消散95%以上為完成標準,剪切過程選取0.9 mm/min的剪切速率,直至軸向應(yīng)變達到20%,終止試驗。

2 試驗結(jié)果

2.1 NGP摻量對紅黏土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線的影響

干密度為同一水平時,土樣的三軸固結(jié)不排水試驗主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線(圖1)表明：NGP摻量對紅黏土的應(yīng)力應(yīng)變曲線有一定的影響,主要表現(xiàn)在主應(yīng)力差隨著軸向應(yīng)變的增加,其關(guān)系曲線(干密度為1.4 g/cm3)受NGP摻量的影響而呈現(xiàn)不同的形式。

圖1 NGP-紅黏土主應(yīng)力差-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.1 Deviator stress against the axial strain for the NGP-red clay

(1)未添加NGP，摻量比為0%時，主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線在圍壓為300 kPa以下時呈現(xiàn)出理想塑性特性,存在明顯的峰值點,并且過峰值點之后的曲線斜率接近水平；當圍壓為500 kPa時,主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化特性,其形態(tài)表現(xiàn)為近似雙曲線型,存在不太明顯的峰值點。

(2)添加NGP，摻量比為0.5%時，主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線為300 kPa以下時呈現(xiàn)出與NGP摻量比為0%時近似的特性,且在峰值點之后曲線斜率由大變小并趨于水平；當圍壓為500 kPa時,主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線均呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化特性,其形態(tài)表現(xiàn)為近似雙曲線型,且其曲線斜率有微小波動。

(3)添加NGP，摻量比為1.0%,2.0%時，主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線在各圍壓時均呈現(xiàn)出近似理想塑性特性,其形態(tài)表現(xiàn)出近似的雙曲線型,存在明顯的峰值點,曲線斜率在峰值點之后仍有一定的變化,但最終趨于水平。

2.2 干密度對NGP-紅黏土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線的影響

NGP摻量為同一水平時,土樣的三軸固結(jié)不排水試驗主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線(圖2)表明：干密度對NGP-紅黏土的應(yīng)力應(yīng)變曲線有一定的影響,主要表現(xiàn)在主應(yīng)力差隨著軸向應(yīng)變的增加,其關(guān)系曲線(摻量比為1.0%)受干密度的影響而呈現(xiàn)不同的形式。

圖2 NGP-紅黏土應(yīng)力差-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.2 Deviator stress against the axial strain for the NGP-red clay

(1)在相同干密度下,隨著圍壓的增大,NGP-紅黏土主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線斜率呈現(xiàn)出上升趨勢；在相同圍壓下,隨著干密度的增大,NGP-紅黏土的主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線斜率有一定的上升趨勢,且上升的幅度相近。

(2)3種不同干密度的NGP-紅黏土主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線均呈現(xiàn)出近似應(yīng)變硬化特性,形態(tài)表現(xiàn)出近似的雙曲線,也均在應(yīng)變?yōu)?%之前出現(xiàn)了峰值點,曲線斜率在峰值點后緩慢變化。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 最優(yōu)摻量比的確定

由干密度為1.4 g/cm3時的NGP-紅黏土主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線(圖1),并根據(jù)通常取值規(guī)則,以主應(yīng)力差的峰值作為破壞點,各種情況下破壞點主應(yīng)力差值(表4)與圍壓壓力、NGP摻量之間的關(guān)系如圖3所示。

表4 NGP-紅黏土的主應(yīng)力差值Table 4 Deviator stress for the NGP-red clay

圖3 主應(yīng)力差值與NGP摻量比關(guān)系趨勢圖Fig.3 Deviator stress against the additives rate of NGP

主應(yīng)力差值與NGP摻量比關(guān)系趨勢曲線(圖3)表明：隨著NGP摻量比的變化,存在一個峰值主應(yīng)力差值。將峰值主應(yīng)力差值所對應(yīng)的NGP摻量比,定義為最優(yōu)摻量比Kop,它表示在這一摻量比下,以三軸固結(jié)不排水試驗方法能夠得到的最大主應(yīng)力差值。

主應(yīng)力差值與NGP摻量比關(guān)系趨勢曲線(圖3)所示的NGP摻量比在1.0%～2.0%某個值時,主應(yīng)力差值達到最大,在本次試驗中可將1%確定為最優(yōu)摻量比Kop的下限,而2%確定為最優(yōu)摻量比Kop的上限。因此在紅黏土中適量摻入NGP可明顯提高主應(yīng)力差值,從而提高紅黏土的抗剪強度值。

3.2 NGP-紅黏土抗剪強度參數(shù)

庫倫抗剪強度公式τ=c+σtanφ表明,土的抗剪強度由兩部分組成,即摩擦強度σtanφ和黏聚強度c。由試驗實測的破壞點主應(yīng)力差值(表4),以剪應(yīng)力為縱坐標,法向應(yīng)力為橫坐標,在剪應(yīng)力與法向應(yīng)力平面上繪制破損應(yīng)力圓,并按照線性的Mohr-Coulomb準則繪制不同周圍壓力破損應(yīng)力圓的強度包線,求取NGP-紅黏土固結(jié)不排水強度參數(shù)(表5)。

表5 NGP-紅黏土抗剪強度參數(shù)Table 5 Shear strength for the NGP-red clay

(1)NGP-紅黏土摩擦強度參數(shù)φ(表5)表明，隨著NGP摻量比的變化,其大小在15.51°～16.15°范圍內(nèi)變化,量值變化大小在0.64°之內(nèi),由此可見NGP摻量比對摩擦強度參數(shù)φ有一定的影響,但影響程度較小。由此可推斷：將細微顆粒的NGP添加到紅黏土中后,不論是由于顆粒相互移動和咬合作用所引起的摩擦強度,還是顆粒表面的物理化學作用所產(chǎn)生的吸引力所引起的摩擦強度,NGP的影響程度較小,其對紅黏土的改良效果,在工程應(yīng)用中可以忽略不計。

(2)NGP-紅黏土黏聚力參數(shù)c(表5)表明,隨著NGP摻量比的變化,在NGP摻量比為1%時,黏聚力c為最大值73.62 kPa。由此可推斷：在最優(yōu)摻量比下限1%時,NGP摻量對抗剪強度的影響是通過黏聚力c來發(fā)揮的。

NGP-紅黏土黏聚力c與NGP摻量比關(guān)系趨勢(圖4)表明：NGP摻量比在0%～1%范圍內(nèi)時,黏聚強度參數(shù)隨摻量比的增大而不斷增大,在最優(yōu)摻入比下限1%,其曲線變化斜率開始逐漸減小,并在最優(yōu)摻量比1.29%時達到最大,當NGP摻量比繼續(xù)增加直至達到最優(yōu)摻量比上限2%時,NGP-紅黏土的黏聚力c又會明顯減小。

圖4 黏聚力c與NGP摻量比關(guān)系趨勢圖Fig.4 Shear strength against the additives rate of NGP

3.3 NGP摻量對紅黏土抗剪強度參數(shù)敏感性分析

采用單因素方差分析法,從內(nèi)摩擦角和黏聚力變量的方差入手,通過F值的大小及相應(yīng)F值下的概率值大小,判斷NGP摻量比對抗剪強度參數(shù)作用的顯著性,根據(jù)方差理論對試驗數(shù)據(jù)處理后得到表6。

表6 NGP-紅黏土抗剪強度參數(shù)方差分析Table 6 Variance analysis of the shear strength for the NGP-red clay

表5的方差分析結(jié)果表明：組間均方與組內(nèi)均方的比值F=121.36,其概率值為0.00(<0.05),表明NGP摻量比對抗剪強度參數(shù)有顯著的影響。

3.4 NGP-紅黏土黏聚力微觀改性機理

NGP-紅黏土黏聚力c取決于土粒間的各種物理化學作用力,對黏聚力的微觀研究表明：黏聚力可以分為原始黏聚力和固化黏聚力兩種。其中原始黏聚力來源于顆粒間的靜電力和范德華力,顆粒間的距離越近,單位面積上土粒的接觸點越多,則原始黏聚力越大；而固化黏聚力取決于存在于顆粒之間的膠結(jié)物質(zhì)的膠結(jié)作用。

因NGP具有粒徑小、比表能大、表面能高以及表面原子所占比例大等納米材料的特點,還具備了小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)等特有效應(yīng)，除此之外,還具有強吸附性、耐高溫性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等性質(zhì)。將一定量的NGP摻入到紅黏土中,使用SEM掃描電鏡的方法,探討NGP-紅黏土黏聚強度參數(shù)的微觀機理,結(jié)果如圖5所示。

圖5 NGP-紅黏土掃描電鏡圖Fig.5 Scanning electron micrograph of the NGP-red clay

(1)隨著NGP摻量的增加直至最優(yōu)摻量比下限1%時(圖5a,b),紅黏土的孔隙在減小,相應(yīng)的密實度在增大?？梢詳喽ぞ蹚姸葏?shù)微觀改性機理為：由于加大了顆粒間的靜電力和范德華力,致使顆粒間的距離接近,單位面積上土粒的接觸點變多,相應(yīng)的原始黏聚力變大。

(2)隨著NGP摻量的增加直至最優(yōu)摻量比1.29%時,紅黏土中的孔隙及顆粒周圍均充滿NGP顆粒時,NGP顆粒的微集料填充效應(yīng)作用更好,更多數(shù)量的NGP納米顆粒具有比表面積大、表面的納米效應(yīng),從而使得紅黏土顆粒與顆粒之間的相互吸引力變大,形成了膠結(jié),導(dǎo)致紅黏土的黏聚力變大,抗剪強度也變大。

(3)當NGP摻量繼續(xù)增加直至最優(yōu)摻量比上限2%時(圖5c),使得紅黏土顆粒與顆粒之間的靜電力和范德華力變得更大,多個土顆粒因固化黏聚力而聚集在一起,形成“碎球體”,這些“碎球體”某種程度上可以看成“粗顆?！?致使NGP-紅黏土的部分孔隙變大,在外力作用下更容易分開[20～21]；同時因NGP摻量的增大,從而增加了潤滑性,在紅黏土中會形成連續(xù)的薄膜層,這種NGP薄膜層相當于一個結(jié)構(gòu)弱面,在外力作用下會優(yōu)先破壞,導(dǎo)致紅黏土黏聚力的減小。

4 結(jié)論

(1)隨著NGP摻量比的增加,NGP-紅黏土的主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化特性,其形態(tài)表現(xiàn)為近似雙曲線型,且其曲線斜率有微小波動；隨著干密度的增大,NGP-紅黏土的主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線斜率有一定的上升趨勢,且上升的幅度相近,均在應(yīng)變?yōu)?%之前出現(xiàn)了峰值點,曲線斜率在峰值點后緩慢變化。

(2)NGP摻量比對抗剪強度參數(shù)有顯著的影響,對摩擦強度參數(shù)φ影響較小,黏聚力參數(shù)具有隨摻量的增加先增加后減小的特性,在本次試驗中可將1%確定為最優(yōu)摻量比Kop的下限,而2%確定為最優(yōu)摻量比Kop的上限。

(3)NGP摻量的增加至最優(yōu)摻量比下限1%時,黏聚強度參數(shù)c隨摻量比的增大而不斷增大；增加直至最優(yōu)摻量比1.29%時達到最大,當NGP摻量比繼續(xù)增加直至達到最優(yōu)摻量比上限2%時,NGP-紅黏土的黏聚力c又會明顯減小。

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