黏性土的微觀孔隙結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究

王　卉

(桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林　541004)

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黏性土的微觀孔隙結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究

王卉

(桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林541004)

摘要：以某工地的黏土為研究對(duì)象，通過大量試驗(yàn)，對(duì)其孔隙孔徑的分布特征進(jìn)行了定量分析，探討了在干密度變化過程中孔徑分布的變化規(guī)律，旨在為類似問題的研究提供有價(jià)值的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：黏性土，微觀孔隙結(jié)構(gòu)，干密度，孔隙率

眾所周知，土體的物理形式十分復(fù)雜，但是在建筑工程的施工中也是其不可或缺的地質(zhì)材料。其中，土體的物理力學(xué)性質(zhì)需要利用其微觀的結(jié)構(gòu)來發(fā)揮相應(yīng)的作用，所以，土體微觀結(jié)構(gòu)研究變得越來越重要。

1土體微觀結(jié)構(gòu)研究概況

對(duì)土體性能的研究主要從宏觀、微觀以及細(xì)觀等三方面來進(jìn)行，而在土體微觀結(jié)構(gòu)研究中通常使用的都是十分先進(jìn)的技術(shù)手段。其中，微觀結(jié)構(gòu)的單元體主要是不足0.005 mm的土體單元體，其組成部分為顆粒間孔隙與單獨(dú)顆粒等等。特別針對(duì)于我們研究的黏性土體，由于其顆粒細(xì)小，表現(xiàn)出一系列膠體性能，因而在土體內(nèi)部有著很強(qiáng)的膠結(jié)作用。在外部力作用下，容易形成粒團(tuán)，引起孔隙結(jié)構(gòu)的改變。除此之外，黏性土的雙電層結(jié)構(gòu)，電子牢牢地吸附在土顆粒表面，成為固體的一部分，其雙電層的厚度也對(duì)土體結(jié)構(gòu)、工程性質(zhì)產(chǎn)生重要影響。由于黏土復(fù)雜的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，因而對(duì)其進(jìn)行理論研究的工作顯得十分重要，同時(shí)也為更全面地解釋宏觀現(xiàn)象提供了條件。因此，在20世紀(jì)初期，國外已經(jīng)有研究者對(duì)黏土微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了最初的研究，并發(fā)現(xiàn)了在建筑工程當(dāng)中，軟黏土實(shí)測的變形值同理論的變形值之間具有極大的差異。20世紀(jì)30年代，研究者創(chuàng)立了土體微觀形態(tài)學(xué)，通過使用光學(xué)顯微鏡的觀測技術(shù)來研究土壤微觀結(jié)構(gòu)。

雖然我國研究土體微觀結(jié)構(gòu)的起步比較晚，但卻有很多研究者在此方面的研究已經(jīng)位于前沿。研究者不斷創(chuàng)新技術(shù)與方法，并將其應(yīng)用于土體微觀結(jié)構(gòu)研究中，進(jìn)而為建筑工程的實(shí)踐進(jìn)行了正確地指導(dǎo)。

2核磁共振試驗(yàn)

2.1樣品來源與試樣制備

對(duì)選取的土樣進(jìn)行風(fēng)干，使用2 mm的篩網(wǎng)進(jìn)行篩選，對(duì)土樣不同物理特性進(jìn)行檢測，例如埋深、液限和塑限等等。通過試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，土體含水率在15%左右時(shí)，制樣效果最佳。對(duì)土體風(fēng)干含水率進(jìn)行測量，并通過計(jì)算來稱取定量風(fēng)干土樣與蒸餾水，將其制成初始含水率為15%的黏土試樣，密封靜置1 d，使得土中水分均勻分布，從而使用液壓千斤頂進(jìn)行試樣壓制。每組試樣，制備出三組相同的平行試樣，將其放入真空缸內(nèi)，進(jìn)行抽真空飽和，保證抽氣時(shí)間是4 h，并將其放于水中靜置1 d，保證其飽和程度超過97%。

2.2試驗(yàn)過程

開始進(jìn)行試驗(yàn)之前，應(yīng)將磁體恒溫系統(tǒng)與射頻單元電源打開24 h，同時(shí)對(duì)制備完成的試樣用保鮮膜密封，避免水分的大量蒸發(fā)。

因核磁信號(hào)受到所檢測樣形式的影響，單次測量結(jié)果并不能反映出材料最真實(shí)的內(nèi)部環(huán)境，而且核磁共振技術(shù)還會(huì)受到噪聲值、磁場等技術(shù)上的影響。因此需要進(jìn)行多次測量，得到最準(zhǔn)確的參數(shù)設(shè)置。根據(jù)具體情況，所設(shè)置的掃描次數(shù)必須要保證測量信噪比超過80。通常根據(jù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，土體的回波個(gè)數(shù)通常設(shè)置為10 000即可。但相對(duì)于氫質(zhì)子較多的其他試樣，回波個(gè)數(shù)可達(dá)20 000。首先要對(duì)核磁測定的信號(hào)進(jìn)行中心頻率的設(shè)定，通常是通過標(biāo)準(zhǔn)油樣放入，使得其射頻脈沖頻率與磁體頻率一致。進(jìn)行核磁共振測試時(shí)，靜磁場受到交變磁場的影響。當(dāng)交變磁場關(guān)閉時(shí)，質(zhì)子群開始失去散相或失去相位同相性，質(zhì)子間的進(jìn)動(dòng)不再相同。因而磁化散相是磁化矢量減小。從而線圈受到一個(gè)衰減信號(hào)。此信號(hào)為自由感應(yīng)衰減(FID)。但由于磁場的非均勻性，質(zhì)子衰減過程中受到磁場的干擾很大。因而我們采用CPMG序列，通過重復(fù)施加180°脈沖，來消除磁場的非勻質(zhì)性對(duì)它的影響，從而獲得測試試樣的橫向弛豫信號(hào)。通過相應(yīng)軟件，將弛豫信號(hào)轉(zhuǎn)化為我們所能分析數(shù)字信息，就是我們所獲得的T2分布曲線，從而用于土體微觀孔隙的分析中。對(duì)于常規(guī)測試，我們認(rèn)為核磁共振技術(shù)就是測試的氫質(zhì)子的信號(hào)，它反映了土中水的位置及變化。通過對(duì)孔隙水的氫質(zhì)子檢測，從土中水分的分布范圍，獲得土體結(jié)構(gòu)的微觀形態(tài)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，黏土在較低干密度下，相比于較高干密度條件的土體，結(jié)構(gòu)較為松散，孔隙率也較大。因而，從核磁信號(hào)的體現(xiàn)中，低密度的黏性土體，多為3個(gè)峰。但當(dāng)干密度達(dá)到1.6，1.7時(shí)，T2曲線都是雙峰結(jié)構(gòu)，且T2弛豫時(shí)間的范圍明顯小于低密度黏土試樣。由此T2弛豫時(shí)間表明，試樣內(nèi)部的孔隙確實(shí)變小，土體同外部連接通道空間減小。所以，可以將這一結(jié)論應(yīng)用在建筑工程中的防滲施工中。

3壓汞試驗(yàn)

1)試樣制備。由于壓汞測試要求試樣沒有水分存在，完全處于干燥狀態(tài)。因而需要對(duì)試樣進(jìn)行干燥預(yù)處理。本次實(shí)驗(yàn)采用的是液氮處理法。將制備好的土樣，放進(jìn)真空冷凍裝置，將液氮倒入，對(duì)土樣速凍，緊接著將速凍的土樣放入制冷溫度為-53 ℃的真空干燥機(jī)，抽真空制冷 24 h以上，保證試樣完全處于干燥當(dāng)中。將干燥過的試樣,敲擊或者磨制，制成重量為2 g～3 g左右，直徑小于1 cm的圓柱體，進(jìn)行壓汞測試。分別放入低壓室內(nèi)和高壓室內(nèi)測試，獲得低壓和高壓數(shù)據(jù)。

2)試驗(yàn)操作。將壓汞儀同計(jì)算機(jī)和真空泵相連接，同時(shí)將所選擇的參數(shù)顯示于儀器的分析軟件當(dāng)中。同時(shí)，把選取的試樣裝入膨脹儀當(dāng)中，進(jìn)行真空抽氣，直到達(dá)到0.3 MPa，保證試樣空隙內(nèi)部氣體的壓強(qiáng)與0接近。而后，將汞注入其中，進(jìn)行低壓分析工作，最后，把試樣放入到高壓分析的系統(tǒng)當(dāng)中，再對(duì)其進(jìn)行高壓注汞的分析。

3)結(jié)果分析。壓汞試驗(yàn)就是在施加進(jìn)汞壓力的同時(shí)，對(duì)汞表面的張力進(jìn)行克服，進(jìn)而將其壓進(jìn)試樣的孔隙當(dāng)中，而壓入汞的體積就是孔隙體積。進(jìn)汞壓力比較小的情況下，汞會(huì)首先進(jìn)入到大孔隙當(dāng)中。在廣西桂林建筑工程紅黏土，隨著汞壓力的增大，逐漸被壓入小孔隙當(dāng)中。但對(duì)于黏性土體，由于其顆粒細(xì)小，在其內(nèi)部容易膠結(jié)形成粒團(tuán)，對(duì)于粒團(tuán)內(nèi)這樣的封閉孔隙，汞很難被壓入其中。因而從壓汞測試的角度分析，孔隙結(jié)構(gòu)會(huì)偏大。研究中，使用的是孔隙度指標(biāo)來表現(xiàn)工程的地質(zhì)特點(diǎn)，然而對(duì)土體孔隙度產(chǎn)生影響的因素很多，所以，并不能夠僅僅依靠這一參考指標(biāo)來對(duì)建筑工程進(jìn)行指導(dǎo)。通過計(jì)算出的汞系數(shù)以及平均孔徑等發(fā)現(xiàn)，干密度增加的同時(shí)，總孔隙度與平均孔徑會(huì)減小，一是由于外部作用力，使得土體有更緊密的結(jié)合力，二是由于黏性土體表面的雙電層結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)其產(chǎn)生更強(qiáng)的結(jié)合力。孔隙結(jié)構(gòu)會(huì)隨著干密度的增大而減小。因而在填筑路基，壓實(shí)地基等工程應(yīng)用中，會(huì)采用強(qiáng)夯法、換填土法等方式，來提高土體的干密度。

4土體試樣微觀空隙結(jié)構(gòu)分形研究

4.1Menger海綿模型理論

Menger海綿模型可以用圖1來表示，根據(jù)該理論來模擬多孔材料孔隙的分形特征。其中，被去掉的立方體體積就是孔隙的體積，如果立方體去掉的步驟過于頻繁，就會(huì)越來越接近土體的內(nèi)部微觀世界，進(jìn)而能夠真實(shí)地反映出其微觀結(jié)構(gòu)。

陶高梁學(xué)者推導(dǎo)出該模型三維空間的孔隙率公式，即：

4.2孔隙體積分形

上述公式對(duì)土體中的孔隙體積進(jìn)行了考慮，同時(shí)對(duì)土體顆粒體積也進(jìn)行了考慮，所以使得結(jié)果與土體實(shí)際狀況更相符，更加真實(shí)。根據(jù)所得出的分維數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，處于三維空間中的三種試

樣都有良好的分形特征。根據(jù)之前的預(yù)測，通常來講，試樣干密度越小就會(huì)使孔隙率越大，進(jìn)而使得孔隙體積分布的分維數(shù)越大。但是，在實(shí)際的試驗(yàn)結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，干密度是1.35 g/cm3的土體，其分維數(shù)卻要小于1.5 g/cm3的土體。最主要的原因就是試樣重塑土的壓力施加較小，使得干密度較小，而孔隙的分布卻正處于初步的調(diào)整階段，這也是研究區(qū)域變異的主要原因。

4.3分形誤差

1)壓汞測試是隨著汞壓力，汞從大孔隙逐漸進(jìn)入小孔隙當(dāng)中。然而，實(shí)際情況不允許按照試驗(yàn)方法進(jìn)行。因?yàn)樵趯?shí)際過程中，汞并不會(huì)按照我們的預(yù)想順序進(jìn)入到土體的孔隙當(dāng)中。

2)要想使汞進(jìn)入到土體的孔隙中，就需要對(duì)其施加進(jìn)汞的壓力，這樣就會(huì)使部分孔隙因擠壓而變形，進(jìn)而使大孔隙形成小孔隙，也可能對(duì)脆性土體土骨架造成破壞，形成較大孔隙，造成結(jié)構(gòu)的破壞。所以，壓汞測試對(duì)土工材料的依賴性比較大，測試結(jié)果并不能完整反映土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

3)壓入的汞并不會(huì)完全都進(jìn)入到土體孔隙當(dāng)中，所以就無法出現(xiàn)汞飽和的狀態(tài)。

5結(jié)語

通過對(duì)廣西桂林某建筑工程的紅黏土進(jìn)行定量化的研究，獲取了干密度對(duì)于孔徑分布的相關(guān)影響規(guī)律，進(jìn)而為后期研究土體宏觀的物理特性提供了有價(jià)值的理論依據(jù)。對(duì)土體微觀孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的因素很多，其中主要有干密度、土體種類以及土體內(nèi)部礦物質(zhì)的種類與含量等。因此，要想全面了解黏性土的微觀孔隙結(jié)構(gòu)仍需進(jìn)一步的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]Zhuangxin Shan,Zhang Libo,Taogao Liang,etc..Microscopic pore distribution characteristics mercury intrusion technology research clayey soil.Wuhan:Hubei University of Technology,2013:22-24.

[2]樊恒輝,路立娜,李洪良，等.不同介質(zhì)環(huán)境條件下黏性土的分散性及其微觀結(jié)構(gòu).水力發(fā)電學(xué)報(bào),2013,32(4):193-198.

[3]Liao Bin.Cohesive soil earth pressure calculation theory.Hang zhou:Zhejiang University,2013.

[4]張季如,胡泳,余紅玲，等.黏性土粒徑分布的多重分形特性及土—水特征曲線的預(yù)測研究.水利學(xué)報(bào),2015(6):650-657.

[5]劉念武,張忠苗,俞峰，等.黏性土中微型樁抗壓和抗拔現(xiàn)場試驗(yàn).天津大學(xué)學(xué)報(bào),2013(8):698-704.

[6]張炳峰,趙堅(jiān),陶月贊，等.飽水黏性土釋水響應(yīng)壓力規(guī)律研究.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2012,31(Z1):3203-3208.

[7]丁啟朔,沈鳳悅,丁為民，等.粘性土重塑方法分析與破碎性能比較.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2013,44(1):90-94.

[8]趙成剛,白冰.土力學(xué)原理(修訂本).北京：清華大學(xué)出版社，北京交通大學(xué)出版社，2009.

On test research of micro-pore structure in cohesive soil

Wang Hui

(CollegeofCivilandArchitecturalEngineering,GuilinUniversityofTechnology,Guilin541004,China)

Key words:cohesive soil, micro-pore structure, dry density, porosity

Abstract:Taking the research object of the cohesive soil at some construction site, the paper undertakes the quantitative analysis of the distribution features of its pore diameter in large-scale tests, and explores the change rules for the pore diameter distribution, so as to provide some theoretic reference for the similar projects.

文章編號(hào)：1009-6825(2016)14-0062-02

收稿日期：2016-03-05

作者簡介：王卉(1988- )，女，在讀碩士

中圖分類號(hào)：TU411

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A