何佳璐,陳 盼,馬田田*,郝豐富

(1.桂林理工大學(xué) a.土木與建筑工程學(xué)院;b.廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 桂林 541004;2.廣州工商學(xué)院 工學(xué)院,廣東 廣州 510850;3.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430071)

深海軟粘土一般存在于海平面以下1 000 m的海底表層土壤中。由于特殊的沉積環(huán)境和物質(zhì)成分,深海軟土宏觀表現(xiàn)出含水量高、孔隙率大、高生物質(zhì)含量、低抗剪強(qiáng)度等特點(diǎn)[1]。通常,深海土中的含水量高于液限,會(huì)形成一種粘土懸浮液的狀態(tài)。在該狀態(tài)下,粘土的流變特性便決定了海底沉積物的力學(xué)和水力學(xué)行為。粘土的流變行為取決于粘土的類型和質(zhì)量分?jǐn)?shù)、粘土顆粒的尺寸和形狀、粘土顆粒的靜電特性、可交換離子以及分散體中電解質(zhì)的濃度、溫度等因素。深海作業(yè)時(shí),大型器械運(yùn)行散發(fā)出的熱量會(huì)對(duì)深海土流變特性產(chǎn)生影響;同時(shí)深海中存在的陽(yáng)離子元素和氯化鈉對(duì)土壤也具有一定的影響。

一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)下,顆粒越細(xì),顆粒與顆粒之間的連接越強(qiáng),屈服應(yīng)力更高[2]。Torrance等[3]觀察到海洋粘土懸浮液的屈服應(yīng)力隨著離子價(jià)位增加而增大;Kelessidis等[4]發(fā)現(xiàn)鹽溶液濃度增大,粘土的屈服應(yīng)力會(huì)降低。粘土的流變行為是由顆粒間的斥力和顆粒與顆粒之間的結(jié)構(gòu)排列控制。由于同型替代,粘土顆粒帶有一定數(shù)量的負(fù)電荷,與水相互作用時(shí)會(huì)形成雙電層。雙電層重疊后產(chǎn)生的斥力便是膨潤(rùn)土分散體形成凝膠的原因。隨著鹽溶液濃度增大,雙電層厚度降低,斥力減弱,深海沉積物更易形成絮凝,顆粒之間的結(jié)構(gòu)排列發(fā)生調(diào)整[5]。因此,斥力和結(jié)構(gòu)調(diào)整對(duì)接觸狀態(tài)和非接觸狀態(tài)下的粘土?xí)a(chǎn)生不一致的結(jié)果:非接觸狀態(tài)下,由于雙電層的壓縮,膨潤(rùn)土顆粒的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)會(huì)破壞,使得屈服應(yīng)力降低;接觸狀態(tài)下,鹽溶液濃度增大,斥力降低,粒間應(yīng)力增大,強(qiáng)度會(huì)增大[6]。此外,粘土狀態(tài)的區(qū)分又和粘土種類及顆粒尺寸有關(guān),使粘土懸浮液的流變行為變得異常復(fù)雜。

綜上所述,本文在不同鹽濃度、溫度及粘土質(zhì)量分?jǐn)?shù)下,采用旋轉(zhuǎn)流變儀對(duì)天然土開(kāi)展物理和力學(xué)規(guī)律的試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)土樣的基本特性

選用3種天然粘土,分別為濱海粘土(BH)、龍勝粘土(LS)、三門(mén)峽粘土(SMX),過(guò)0.25 mm篩。土樣的物性參數(shù)見(jiàn)表1,礦物組成見(jiàn)表2,粒徑分布如圖1所示。

圖1 土樣的粒徑分布

表1 土樣的物性參數(shù)

表2 土樣的礦物組成 %

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

旋轉(zhuǎn)流變儀(安東帕,MCR302)轉(zhuǎn)子是十字板葉片,通過(guò)記錄電流、光柵計(jì)數(shù)獲得扭矩、轉(zhuǎn)速和偏轉(zhuǎn)角度,推出剪切應(yīng)力、剪切速率和剪切應(yīng)變,最后得到粘度及模量[7]。表示為:

(1)

(2)

(3)

將風(fēng)干土與不同濃度的鹽溶液以一定的質(zhì)量比混合攪拌均勻,制備成1.5、3、5倍液限的流態(tài)土樣品。海洋中鹽濃度約為0.5 mol/L,考慮到海底復(fù)雜的賦存環(huán)境,有土體中的鹽溶液分布不均勻的現(xiàn)象發(fā)生,因此將鹽溶液濃度設(shè)為0、0.5、1 mol/L。參照海底溫度及海底管道內(nèi)的運(yùn)輸溫度,將溫度設(shè)置為4 ℃,增設(shè)45 ℃的對(duì)照組。流變實(shí)驗(yàn)前樣品密封儲(chǔ)存24 h,使水分在土體內(nèi)部分布均勻。同時(shí)使用100 s-1的恒定剪切速率進(jìn)行預(yù)剪切,使土水混合物更為均勻。正式剪切階段的剪切速率設(shè)置為對(duì)數(shù)變化,即-10-5～103s-1。

2 結(jié)果和討論

2.1 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)流變行為的影響

質(zhì)量分?jǐn)?shù)C表示為:

C=ms/(ms+mw)

(4)

式(4)中,ms為土顆粒質(zhì)量,g;mw為水土混合物總質(zhì)量,g。

一般假設(shè)流變性質(zhì)Y與土顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)C間存在指數(shù)關(guān)系:

Y=kyCn

(5)

式(5)中,Y可以表征粘土懸浮液的屈服應(yīng)力δy,或者彈性模型G＇;ky為擬合系數(shù);n通常與粘土懸液的穩(wěn)定性或絮凝程度有關(guān),對(duì)于絮凝強(qiáng)烈的懸液來(lái)說(shuō),n=2～5,對(duì)于穩(wěn)定或弱絮凝的懸液來(lái)說(shuō),n=5～8。

濱海土在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的剪切應(yīng)力變化如圖2所示。從圖2可以看出,剪切應(yīng)力與剪切速率曲線被2個(gè)拐點(diǎn)切分成3段。在初始階段,隨著剪切速率增大,剪切應(yīng)力迅速增大,達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值后,不再增加。當(dāng)剪切速率進(jìn)一步增大時(shí),剪切應(yīng)力又迅速增大。剪切應(yīng)力不變時(shí)(第1個(gè)拐點(diǎn)處),即為屈服應(yīng)力[5]。當(dāng)保持其他因素不變時(shí),可以發(fā)現(xiàn)隨著含水率升高,濱海土的屈服應(yīng)力迅速降低。

圖2 濱海土在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的剪切應(yīng)力變化

屈服應(yīng)力與質(zhì)量分?jǐn)?shù)模型擬合參數(shù)見(jiàn)表3。屈服應(yīng)力與質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系如圖3所示。

從圖3可以看出,土顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時(shí),三門(mén)峽土的屈服應(yīng)力明顯低于其他2種土。這主要是因?yàn)榱椒植记€不一致,三門(mén)峽土的粘粒含量較小,相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下。形成的懸液更接近于純水,因此屈服強(qiáng)度較低。龍勝粘土和濱海土二者顆分曲線雖然相似,但屈服應(yīng)力的變化曲線并不相同。這主要是因?yàn)槎叩恼惩恋V物成分不同,龍勝粘土中含量較多的是高嶺石,濱海土則是以伊利石/蒙脫石混層居多。當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.53時(shí),3種土的屈服應(yīng)力迅速增加[6]。這可以歸因于顆粒以高于 0.53的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相互接觸的事實(shí)。在懸浮狀態(tài)(C<0.53)中,排斥力在控制屈服應(yīng)力方面占主導(dǎo)地位。 然而,在接觸狀態(tài)(C>0.53)中,與排斥力相比,吸引力也很重要。

2.2 溫度對(duì)屈服應(yīng)力的影響

相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同溫度下3種土的屈服應(yīng)力見(jiàn)表4。由表4可知,溫度對(duì)3種土屈服應(yīng)力的影響一致,溫度升高屈服應(yīng)力增大。

表4 相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同溫度下3種天然土的屈服應(yīng)力

由于屈服應(yīng)力與顆粒間的相互作用力有關(guān),根據(jù)DLVO理論,粒子間相互作用勢(shì)有2個(gè)貢獻(xiàn),即靜電勢(shì)和范德華勢(shì)。

W(D)=Wvdw(D)+We(D)

(6)

(7)

(8)

式(6)～(8)中,D為顆粒間距,μm;a為顆粒半徑,μm;AH為Hamaker常數(shù);εr和ε0為空間的介電常數(shù)和介質(zhì)的介電常數(shù),其中εr=78.54;ψ5為粘土顆粒的表面靜電勢(shì),V;K-1為Debye長(zhǎng)度,μm,隨著電層增大而減小。

因此,屈服應(yīng)力可以表示為:

(9)

由于本文的粘土懸浮液中顆粒間距離相對(duì)較大,范德華引力的影響可以忽略不計(jì)。因此,靜電排斥力成為主導(dǎo),且對(duì)屈服應(yīng)力具有主要控制作用。雙電層的斥力依賴于表面靜電勢(shì),其大小與溫度有關(guān),雙電層斥力隨著溫度增大而增大,相應(yīng)的屈服應(yīng)力也增大。

2.3 濃度對(duì)屈服應(yīng)力的影響

相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同鹽濃度下3種天然土的屈服應(yīng)力見(jiàn)表5。從表5可以看出,鹽溶液濃度增大,龍勝粘土的屈服應(yīng)力也增大,而濱海土和三門(mén)峽土的屈服應(yīng)力減小。

表5 相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同鹽濃度下3種土的屈服應(yīng)力

粘土的屈服應(yīng)力與顆粒間的斥力和顆粒之間的排列有關(guān)。由于粘土顆粒表面帶負(fù)電,吸引溶液中的陽(yáng)離子。NaCl的加入使溶液中Na+濃度升高,Na+更易吸附在帶負(fù)電的粘粒表面,使熱力學(xué)電位降低,雙電層壓縮,形成絮凝結(jié)構(gòu)。劉青青等[8]將土的分散狀態(tài)分為接觸狀態(tài)和懸浮狀態(tài),懸浮狀態(tài)表示顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)很小,土壤顆粒之間沒(méi)有接觸,接觸狀態(tài)是指顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)很大,土顆粒相互接觸。當(dāng)樣品的含水率大于臨界含水率時(shí)即為土顆粒的接觸狀態(tài),反之則為懸浮狀態(tài)。對(duì)于接觸狀態(tài)來(lái)講,絮凝結(jié)構(gòu)的形成會(huì)增大屈服應(yīng)力;對(duì)于非接觸狀態(tài),絮凝結(jié)構(gòu)的形成會(huì)破壞粘土顆粒之間的排列,使得粘土懸液更為不接觸,更接近于純?nèi)芤旱牧髯兲匦浴Ｏ嗤|(zhì)量分?jǐn)?shù)下,龍勝粘土為接觸狀態(tài),另外2種粘土則為非接觸狀態(tài)。龍勝粘土具有較高的粘粒含量,高嶺石居多,因此使其從接觸狀態(tài)變?yōu)榉墙佑|狀態(tài)需要更多的含水量。

3 結(jié)論

1)粘土質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大,粘土懸浮液的屈服應(yīng)力迅速增大,符合流變性質(zhì)與土顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在的指數(shù)關(guān)系。

2)溫度升高,屈服應(yīng)力增大。由于屈服應(yīng)力與顆粒間斥力有關(guān),溫度升高,雙電層斥力增大,相應(yīng)的屈服應(yīng)力也增大。

3)在相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度作用下,3種天然土懸浮液的屈服應(yīng)力與鹽溶液濃度的關(guān)系不一致。鹽溶液濃度增大,龍勝粘土屈服應(yīng)力增大,而濱海土和三門(mén)峽土的屈服應(yīng)力減小。這主要與顆粒間的結(jié)構(gòu)排列有關(guān),在該質(zhì)量分?jǐn)?shù)下,粘粒含量較高的龍勝粘土處于接觸狀態(tài);而另外2種土則處于非接觸狀態(tài)。