砂-膨潤土-石膏膨脹土模型試驗相似材料膨脹特性研究
2020-08-12 09:23:18張振陽王博林張軒瑜
硅酸鹽通報 2020年7期
張振陽，王博林，王 旭，張軒瑜
(蘭州交通大學土木工程學院，蘭州 730070)
0 引 言
地質力學模型試驗是將原型縮尺在室內進行的試驗，它可以依據相似理論模擬修建在復雜地形、地質條件上的隧道、大壩、地下油氣儲庫等此類構筑物基礎的沉降變形，相鄰高邊坡及地下洞室結構圍巖穩定性等課題的研究，在還原主要地質特征、力學特性的前提下解決了許多原位試驗無法實現或者試驗困難的問題。國外對地質模型試驗的探索最早開始于二十世紀六十年代的歐洲，意大利結構模型試驗用于研究拱壩穩定的問題。我國于七十年代后期，由長江水利水電科學研究院、清華大學等一批科研機構及高校開始了水電站泄水閘、壩基壩肩等工程問題的研究。之后，越來越多的研究深入到地下工程、能源儲存、交通等領域，并取得不少成果[1-2]。而地質力學模型試驗成功的關鍵與相似材料的選取有著密不可分的關系。
很多學者對于模型試驗相似材料的選擇與制備也進行了大量的研究工作，以不同的應用目的出發研制了不同力學特性的地質模型試驗相似材料。韓伯鯉等[3]在MIB材料的基礎上優化了原材料的配比、膠凝材料和附加劑的選擇，研制出了用于模擬不同種類巖體特性的相似材料。馬芳平等[4]使用磁鐵礦精礦粉等材料改進了常規地質模型材料容重低、易生銹、不夠經濟的缺點，為溪洛渡電站地下洞室地質模型試驗的用料提供了保障。劉恩龍等[5]向重塑土中加入使土顆粒間產生膠結作用并形成較大孔隙結構的水泥和鹽粒，從而恢復重塑黏土的結構性，為不可忽略結構性的土工構筑物設計提供了依據。張延杰等[6]則使用重晶石粉、砂、工業鹽、石膏和膨潤土進行了濕陷性黃土的模擬試驗，解決了天然原狀黃土結構性與濕陷性難以直接對比的難題。
但是涉及膨脹土模型試驗相似材料的研制與特性分析的文獻并不多見，大多數膨脹土縮尺模型試驗均選擇原土體進行。由于膨脹土膨縮機理極為復雜并且脹縮理論尚不完善，無法圓滿地解釋一些模型試驗和工程中存在的問題。所以膨脹土相似材料的研制就有必要。使用膨潤土、砂、石膏混合物，控制其質量配比來模擬膨脹土的膨脹特性被證明是合理的[7]。
此外，通過正交試驗設計與相似材料研究相結合的方法，可以確定所研究問題的最佳配比、最優組合及最為顯著的影響因素等。如袁宗盼等[8]提出了一種新型地質力學模型試驗相似材料的研制方法，為獲得最佳配比設計了9組正交試驗，分析得到膠結劑濃度對其抗壓強度、彈性模量、黏聚力等主要參數指標起控制作用。姜斌等[9]在確保滿足高等級公路基層混合料強度要求的基礎上，利用三因素四水平正交試驗設計了16組試樣，試驗確定了最經濟的水泥含量和集料級配。繆圓冰等[10]為進行振動臺模型試驗，特選用了黏土、膨潤土、重晶石粉等材料作為土質相似材料，由正交試驗設計確定了控制材料黏聚力、內摩擦角和壓縮模量等主要影響因素的主次關系，并結合漳永高速某邊坡確定了與原型中黏土和粉質黏土相似材料的配比要求。竇遠明等[11]則選用石膏、膨潤土等原材料制備了與軟弱土質性質相仿的混合物，作為相應地質力學模型試驗的用料。并由五因素五水平的正交試驗，得到膨潤土質量占比決定了相似材料密度的大小，影響材料黏聚力的最顯著因素為骨膠比，并確定了相似材料的最佳配合比。
通過上述分析，本文選用砂、膨潤土、石膏三種與膨脹土性質相仿的原材料作為模型試驗的相似材料,配制不同質量比例的混合物。并分析了黏粒含量、初始干密度、含水率主要因素對膨脹土相似材料混合物膨脹應變率的影響規律。借助正交試驗設計，對比各因素間對相似材料混合物膨脹應變率影響的顯著關系。為膨脹土相關地質力學模型試驗研究提供一定的參考。
1 實 驗
1.1 試驗原料
試驗所用的膨潤土為鈉化后的納基膨潤土，均產自河北省石家莊市，蒙脫石含量為93%，液限為253%，塑限為52%。混合物中的膨潤土因含有大量蒙脫石起主要的膨脹作用。砂選用黃河砂，過0.5 mm篩孔，作為混合物骨架，用來充當膨脹土中的碎屑礦物。試驗所用熟石膏產自甘肅省景泰縣，主要成分為硫酸鈣，遇水硬化后主要起膠結作用并有一定的膨脹作用。
1.2 試樣制備
試樣制備前各原材料在110 ℃烘箱中烘干8 h，試驗操作規程依據《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—1999)中無荷載膨脹率試驗的相關條目,儀器選用GJY-800型低壓固結儀，進行無荷載一維豎向側限膨脹試驗，如圖1所示。制備試樣所用的環刀內徑61.8 mm，高度20 mm。根據環刀容積及制樣所需的干密度與含水率，濕土量按式(1)計算。
圖1 膨脹試驗Fig.1 Expansion test
m0=(1+0.01ω0)ρdV
(1)
式中,m0為濕土質量(g)，ω0為濕土含水率(%)，ρd為試樣干密度(g/cm3)，V為試樣體積(環刀容積)(cm3)。根據混合物配比計算得出每份試樣中膨潤土、砂、石膏及水的質量，稱取土樣至搪瓷盤中，將水均勻噴灑于土樣上，充分拌勻后裝入保鮮袋中潤濕24 h。試驗時將制備好的土樣倒入裝有環刀的擊樣器內，擊實至所需密度。試樣制備并安裝完成后記錄百分表零時刻讀數，隨后加水并保持水面高出試樣表面5 mm，注水后前2 h內試樣膨脹變化量較快,每10 min記錄百分表讀數一次,之后每隔2 h讀數一次直到連續兩次讀數差不超過0.01 mm時，膨脹穩定。試驗中的膨脹應變率分析，按式(2)計算。
(2)
式中,δe為t時刻的無荷載膨脹率(%)，z0為0時刻位移計讀數(mm)，zt為t時刻位移計讀數(mm)，h0為試樣高度(mm)。
依據上述方法設置了4組試驗。第1組試驗配制7種不同質量比的砂-膨潤土-石膏混合物，分別為7∶10∶3、8∶9∶3、9∶8∶3、10∶7∶3、10∶9∶1、9∶9∶2、7∶9∶4，每種比例制備兩組平行試樣，控制試樣含水率為11%，初始干密度為1.6 g/cm3。分別分析膨潤土含量與石膏含量的變化對混合物膨脹性的影響。第2組試驗以混合物質量比8∶9∶3為例，控制干密度1.6 g/cm3不變，含水率分別為8%、11%、14%、17%、20%，制備兩組5種不同含水率試樣分析其對混合物膨脹應變的影響。第3組試驗同樣以配比8∶9∶3為例，并控制含水率為11%不變，制備兩組5種初始干密度分別為1.6 g/cm3、1.5 g/cm3、1.4 g/cm3、1.3 g/cm3、1.2 g/cm3的試樣分析其對混合物膨脹應變的影響。第4組試驗根據三因素四水平正交試驗表制備16種不同初始干密度、含水率及黏粒含量搭配的試樣(詳見表1)，用以分析各影響因素對混合物膨脹量影響的顯著情況。
眾所周知，作為我國的兩大主體稅種營業稅和增值稅，在稅收方面有不可估量的作用。2018年5月1日開始的增值稅稅率調整改革，是第一次分稅制改革以來財稅體制的再一次深刻變革。此次革新給我們帶來了完美的成效：首先，稅率的下調直接降低了企業稅負，繼而提高了企業市場競爭力并促進了產品的銷售；其次，下調的這一百分點帶來的直接受益也減輕了最終消費者的負擔。國家稅務總局的最新統計結果顯示，因為減稅規模的不斷擴大和減稅措施的不斷完善，此次減稅的成效非常突出。不僅如此，新政改革還有力的促進了新型能源的出臺。隨著此次革新的推進，也出現了一些不可避免的問題，本文針對改革中出現的問題提出可行的解決建議。
2 結果與討論
2.1 不同配比混合物膨脹特性分析
砂-膨潤土-石膏混合物的膨脹變形主要是由膨潤土中高含量的黏土礦物質蒙脫石吸水發生膨脹引起的，砂作為混合物的骨架不具有膨脹性能但可以提高其強度，而石膏作為一種水硬性膠凝材料，加入適量的石膏可以加強砂顆粒間的黏結及混合物的膨脹效果。
試驗測得各種配比混合物膨脹應變率隨時間的關系如圖2所示，整個膨脹過程大致分為三個階段。加水后水體快速進入混合物孔隙中與黏土礦物晶層之間形成水膜夾層引起晶層迅速擴張，并導致混合物整體發生快速膨脹，在初始前100 min內便達到了總膨脹變形量的70%。但隨著晶層的擴張，混合物的不斷膨脹，水體的滲透速率逐漸減慢，黏土礦物與水的接觸速率放緩，土體吸水趨于飽和，從而導致膨脹速率逐漸降低，進入緩慢膨脹階段。最后混合物膨脹應變慢慢穩定，體積不再發生變化。
圖2 不同配比膨脹應變率與時間曲線Fig.2 Expansion strain rate and time curves with different proportions
圖3、圖4分別為膨潤土、石膏含量與膨脹應變率的關系。由圖3可知，由于黃河砂不具有膨脹性，當混合物中石膏質量占比不變時，依次增加混合物中膨潤土的比例，混合物膨脹應變率逐漸增大，呈線性增長的趨勢。同樣由圖4可知，混合物中膨潤土質量占比不變，增加石膏質量比例，混合物也呈線性增長。但同樣提高15%的質量占比，膨潤土的變化帶來的混合物的膨脹應變比石膏高3%。
圖3 膨潤土含量與膨脹應變率曲線Fig.3 Bentonite content and expansion strain rate curve
2.2 初始干密度對混合物膨脹應變的影響
含水率相同，不同初始干密度下質量比為8∶9∶3的混合物膨脹應變率隨時間的變化曲線也分為初期快速膨脹、中期緩慢增長、最后趨于穩定三個階段，如圖5所示。在含水率與體積相同的條件下，初始干密度越大，混合物試樣顆粒間的孔隙越小，單位體積內分子數量越多，潛在的膨脹能越大，所以初始干密度越大膨脹量越大。
圖5 不同初始干密度膨脹應變率與時間曲線Fig.5 Expansion strain rate and time curves with different initial dry densities
圖6為不同初始干密度試樣的相對膨脹量隨時間的變化曲線。膨脹初期，初始干密度較小的試樣相對于上一時間點的膨脹量要大于初始干密度較大的試樣，這是由于環刀容積相同的情況下，初始干密度較小的混合物單位體積內分子數量少于初始干密度大的試樣，相對空隙較大，形成了內部滲水通道，加速了水分子的滲入速度，導致混合物膨脹初期初始干密度小的試樣有更大的膨脹變形量。隨著反應時間增加，由于質量較大，初始干密度更大的試樣相對于上一個時間點的相對膨脹增加量會逐漸高于初始干密度小的試樣。
圖6 相對膨脹量與時間曲線Fig.6 Relative expansion and time curves
最終，初始干密度較大的混合物會表現出更為明顯的膨脹應變現象。且隨初始干密度的增加，混合物膨脹應變率呈線性增加，如圖7初始干密度與膨脹應變率曲線所示。
圖7 初始干密度與膨脹應變率曲線Fig.7 Initial dry density and expansion strain rate curve
2.3 初始含水率對混合物膨脹應變的影響
圖8 不同含水率膨脹應變率與時間曲線Fig.8 Expansion strain rate and time curves with different water content
圖9為不同含水率試樣的相對膨脹量隨時間的變化曲線。由于試驗所用環刀體積相同，初始干密度相同，所以含水率越高試樣質量越大。加水后，含水率小的試樣相對于上一個時間點的膨脹量較大，并在10 min內達到最高，隨后相對膨脹量逐漸降低，但含水率較高試樣的相對膨脹量降低的較慢，在50 min左右逐漸小幅超過含水率較低的試樣。之后，所有試樣的增長量逐漸降為零并趨于穩定。但由于初期含水率低的試樣膨脹量較大，最終在試驗范圍內含水率低的試樣的膨脹量會依次高于含水率高的試樣，并呈現較好的線性規律，如圖10含水率與膨脹應變率曲線所示。
圖9 相對膨脹量與時間曲線Fig.9 Relative expansion and time curves
圖10 含水率與膨脹應變率曲線Fig.10 Water content and expansion strain rate curve
2.4 正交試驗
由上可知，影響膨脹土相似材料混合物膨脹性的因素主要有黏粒含量、初始干密度和含水量。此處黏粒含量為膨潤土與石膏質量比之和，并使用膨脹應變率較大的組合。通過控制單因素分析其對混合物膨脹應變率的影響，無法橫向比較各個因素對混合物膨脹應變率影響的大小。故選用三因素四水平的正交試驗設計，根據不同因素、不同水平排列下試樣的膨脹應變率的大小，通過極差、方差分析來得到三種因素對混合物膨脹應變率影響的比較。試驗時每種組合制備兩組平行試樣，正交試驗設計表見表1。
表1 正交試驗設計與結果Table 1 Design and results of orthogonal experiments
續表
表1中R所對應的即為每一因素下四種水平平均膨脹應變率的極差。從表中看到，黏粒含量對混合物膨脹應變率影響的極差為5.79，初始干密度極差為7.4，含水率極差為6.1。由此說明，在試驗研究范圍內，初始干密度對混合物膨脹應變率的影響最大，含水率的影響次之，黏粒含量的影響最小。有時，通過各個影響因素的極差大小并結合相關工程實例，可以判斷出具有顯著影響的因素。
直觀分析方法可以簡單直觀地判斷各因素對膨脹應變率的影響大小，但它自身的局限在于無法區別各因素水平所對應的膨脹應變率的差異，到底是由于各種主要因素水平引起的，還是由試驗過程中的誤差所引起的。為彌補直觀分析法存在的不足，此處采用方差分析的方法對正交試驗結果進行進一步的計算分析。將總的數據差異分為兩部分，一部分由影響因素引起，另一部分為試驗誤差所引起。構造F統計量，得出不同因素及誤差的F值，作F檢驗，通過對比得出各因素對混合物膨脹應變率的影響是否顯著。
由表2方差分析結果可知，黏粒含量A的F值FA=8.56，且F0.025(3,6)
表2 方差分析表Table 2 Analysis of variance table
3 結 論
(1)砂-膨潤土-石膏模型試驗相似材料混合物膨脹應變率隨膨潤土含量的增加而增加，呈較好的線性關系。隨石膏含量的增加也呈線性增加，但相同變化范圍內，膨潤土引起的混合物膨脹應變的增長要高于石膏。
(2)初始干密度、含水率都會影響混合物膨脹應變率。并隨初始干密度的增大而增大，隨含水率的升高而減小。混合物試樣的相對膨脹量都隨時間先急劇升高后持續減小，初始干密度大的試樣相對膨脹量先小于后大于初始干密度小的試樣，含水率高的試樣相對膨脹量先大于后小于含水率低的試樣。
(3)由正交試驗設計，極差結果分析、方差結果驗證可確定各因素對混合物膨脹應變率影響的主次關系，便于在膨脹土相似材料的研究中確定各因素各水平膨脹效果最佳的組合。在試驗研究水平范圍內，各因素對混合物膨脹應變率影響均較為顯著，從大到小分別為初始干密度、含水率和黏粒含量。為配制、研究不同膨脹性的膨脹土相似材料提供了一定的參考。
