夏红春

(1.徐州工程学院土木工程学院,江苏省徐州市,221000; 2.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏省徐州市,221008)

★煤炭科技·开拓与开采★

矿物成分对土力学特性影响的试验研究∗

夏红春1,2

(1.徐州工程学院土木工程学院,江苏省徐州市,221000; 2.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏省徐州市,221008)

利用TSZ－2型三轴仪对不同含水率及不同百分比含量的膨润土、高岭土以及石英粉等所制成的人工土样进行了三轴剪切试验,获得了矿物成分及其含量、围压、含水率等因素对土力学性质的影响。结果表明:当膨润土的含量≤25%时,土的抗剪强度随膨润土含量的增加而提高,含量＞25%时,土的抗剪强度随膨润土含量的增加而降低;当试样中高岭土含量≤37.5%时,土的抗剪强度随高岭土含量的增加而降低,含量＞37.5%时,情况则相反;在其他条件相同的情况下,随着试样中石英粉含量的增加,土的抗剪强度明显降低。矿物成分的含量对土抗剪强度的影响规律与土的含水率及围压均无关。土中粘性矿物成分增加,土的抗剪强度提高;对于矿物成分含量相同的试样,土的抗剪强度随含水率的增加而降低。

人工土 矿物成分 土力学特性 含水量 抗剪强度 主应力差

长期风化、剥蚀、搬运、沉积后形成的矿物集合体,是自然历史的产物,由固体颗粒以及颗粒间孔隙中的水和气体等三相物质组成。在三相组成物质中,固体部分(土颗粒)一般由矿物质组成,构成土的骨架主体。已有的研究表明,粘性土的力学特性受矿物成分及含量、结构性、含水量、应力历史等众多因素影响。而矿物成分及其含量是其中较为重要的因素,也是学术界和工程界长期以来所研究的主要课题之一。粘土矿物主要为各种硅酸盐矿物分解形成的含水铝硅酸盐矿物,如高岭石、伊利石和蒙脱石等,其颗粒极细,一般粒径小于5μm,是构成土中粘粒的主要矿物成分。粘粒含量和矿物成份对粘土的性质起着决定性的影响,即使粘粒含量在土中的相对含量不占优势,其对土的工程性质的影响仍然很大,表现出明显的控制作用。这是因为粘土颗粒极细,使其具有巨大的比表面积,当粘土颗粒与水相互作用时,将出现可塑性、胀缩性、凝聚、分散和离子交换等现象。

天然土矿物成分的定量分析非常困难且费用昂贵,人工合成土矿物成分的定量确定则非常简易。因此,采用人工土试样的试验来分析矿物成分与土样工程性质的相互关系及其影响,使试验简单易行并可节约大量的试验费用,也是一种有效方法。

为进一步探讨矿物成分对土的力学性质的影响,本文利用三轴仪对不同百分比含量的膨润土、高岭土以及石英粉等所制成的人工土样进行三轴剪切试验;根据试验结果分析围压、矿物成分及其含量、结合水含量及性质等细观参量或因素对土力学性质的影响。

1 试验仪器及土样制备

利用由南京土壤仪器厂生产的TSZ－2型三轴仪对土体进行剪切试验。试验试样由人工土制成,人工土由市场上供应的高纯度石英粉、煤系高岭土和钙基膨润土按不同质量百分比均匀混合而成,其粒径均小于2.5μm。经测定,钙基膨润土、煤系高岭土和石英粉的天然含水量分别为11.89%、1.69%和0.11%。

试验土样中钙基膨润土、煤系高岭土、石英粉分别按1∶1∶1、1∶2∶2、1∶3∶4以及2∶5∶1 (质量比)4种配比,按照设计的含水率和干密度(1.5 g/cm3),计算每种配比及含水率条件下所需的膨润土、高岭土以及石英粉等试验材料的质量和所需加入的水量。采用标准击实仪击实得到压实土样,配制土样干密度为1.5 g/cm3,每一种质量比情况下都有3种含水率,分别为27%、30.7%和33%,试样尺寸为ø39.1 mm×80 mm,共需配制12种不同类型的土样。各种配比情况下试样的液限、塑限、塑性指数以及所需加水量等参数见表1。将3种试验材料充分搅拌均匀,然后用小型喷雾器对拌匀后的试样分层均匀喷洒后,用塑料膜扎紧,润湿一昼夜,以使试样含水量均匀。

表1 试验土样物理特性及所需加水量

2 试验结果分析

将质量配比分别为1∶1∶1、1∶2∶2、 1∶3∶4以及2:5:1,含水率分别为27%、30.7%和33%制作后的土样,按照相关文献所述的方法和步骤装入TSZ－2型三轴仪进行不固结不排水三轴剪切试验,剪切速率为0.4 mm/min,试验围压分别为100 k Pa、300 kPa、500 kPa及700 k Pa,共进行48组不同试验条件下的试验。

图1和2为不同试验条件下典型的主应力差(σ1－σ3)－应变(ε)曲线及剪切过程中体积变化曲线,图中的比值为膨润土、高岭土、石英粉的质量比,σ1为轴压,σ3为围压,W为试样含水率;ε为轴向应变,εv体积应变。限于篇幅,文中仅给出部分较为典型的试验结果。

图1 不同试验条件下的主应力差－应变曲线

由图1可见,在本文给出的试验条件下,无论土样中矿物成分(即质量配比)、含水率以及围压是否相同,土样的应力－应变曲线均呈应变硬化型,但在不同围压、不同质量比及不同含水率条件下,破坏时的主应力差明显不同。总体表现为在其他条件相同的情况下,随着围压以及土中粘土矿物的增加,破坏时的主应力差增大;随着土中含水率的升高,破坏时的主应力差降低。

图2 不同试验条件下的体积应变－应变曲线

由图2可以看出,在剪切过程中,试样均呈现剪缩(即体积收缩)现象,在质量比及含水率相同的条件下,体缩的程度随围压的升高而增加。

3 机理分析

图3为不同含水率及配比条件下,试样破坏时的主应力差随围压的变化曲线,图例中为膨润土、高岭土及石英粉的质量比。除特殊说明外,以下所有图中的主应力差均为试样破坏时的主应力差。

图3 主应力差－围压的变化曲线

由图3可以看出,尽管质量比不同,但在同一含水率情况下,试样破坏时的主应力差均随围压的升高而增大。当围压及试样的含水率相同时,4种土样破坏时的主应力差明显不同,配比2∶5∶1土样破坏时的主应力差最大,配比1∶1∶1的土样次之,配比1∶2∶2第三,而配比1∶3∶4土样最小,究其原因主要与土样中粘土矿物成分的含量有关,4种土样中粘土矿物的含量依次为87.5%、66.6%、60%和50%。由此可知,随着粘土矿物含量的增加,土体的抗剪切能力提高。

对于同一种质量配比的土样,其破坏时的主应力差(即土的抗剪强度)随着含水率的不同存在着明显差异,为了更清楚说明该问题,图4给出了同一质量配比的土样,其破坏时的主应力差随含水率的变化曲线。

图4说明对于质量配比相同(即矿物成分含量相同)的试样,随着含水率的增加,土破坏时的主应力差明显降低,这主要是由于试样含水量增加,土颗粒周围扩散层水膜的厚度增大,颗粒之间的距离也相对加大,弱结合水对土颗粒表面的润滑作用增强,土颗粒间电分子力减弱,颗粒之间的凝聚力降低,从而使土的抗剪强度降低。

图4 不同配比土样破坏时的主应力差－含水率变化曲线

图5为不同围压以及不同含水率条件下,试样破坏时的主应力差随矿物成分含量的变化曲线。

图5 不同围压条件下土样破坏时的主应力差－矿物成分含量变化曲线

由图5(a)、(b)、(c)可以看出,膨润土含量不同,其对土的抗剪强度的影响也不一样。当膨润土的含量≤25%时,土的抗剪强度随膨润土含量的增加而明显增大;当膨润土的含量＞25%时,情况则相反,即土抗剪强度随膨润土含量的增加而降低。这一变化规律在不同的含水率及不同围压条件下均相同,说明膨润土的含量对土破坏时的主应力差的影响规律与土的含水率及围压均无关。

而高岭土含量对土的抗剪强度的影响规律则与上述膨润土的影响规律恰好相反,当试样中高岭土含量≤37.5%时,土的抗剪强度随高岭土含量的增加而明显降低,当高岭土含量＞37.5%时,土的抗剪强度随高岭土含量的增加明显增大,如图5 (d)、(e)及(f)所示。

石英粉含量对土的抗剪强度影响的变化规律则与膨润土和高岭土明显不同,总体表现为随着试样中石英粉含量的增加,土的抗剪强度明显降低,如图5(g)、(h)及(i)所示。由此也说明,在粘性土中,随着粘土矿物成分的增多,土颗粒的比表面积增加,与水的作用能力增强,从而使土的抗剪强度提高。

根据不同条件下的三轴试验结果,可求出各试样的不排水强度参数,见表2。

表2 不同试样的强度参数

对于不同土样,由于含水率及矿物成分不同,其粘聚力大小显然存在明显差别。为了便于比较,根据表2结果,绘出了不同土样的粘聚力Cu随含水率及矿物成分含量的变化曲线,见图6。

由图6(a)可见,对于质量配比相同(即矿物成分含量相同)的试样,随着试样中含水率的增加,土的粘聚力明显降低。

图6 不同土样的粘聚力随含水率及粘土矿物成分含量的变化曲线

图6(b)反映出在同一含水率情况下,土的粘聚力随着粘土矿物成分的增加而升高。之所以如此,主要是由于粘土矿物表面带有电荷,可吸附孔隙水成为结合水,粘土矿物通过颗粒表面的结合水影响土的力学性质。根据土中水与土颗粒连结的特点,可分为吸附结合水(强结合水)、渗透吸附结合水(弱结合水)、自由水,且依次按强结合水、弱结合水和自由水的先后顺序形成,即强结合水优先形成。根据相关文献,最大结合水含量约为液限,土中最大强结合水含量略低于其塑限,近似满足:

式中:Wg——土中最大强结合水含量,%;

WP——试样塑限,%。

根据强结合水优先形成和式(1)以及表1中各试样塑限值可得各试样的强结合水含量,见表3。同时从表1可知,各试样的含水率均小于其液限含水率,即试样中仅含结合水。

由于粘土颗粒的表面带负电性,围绕土粒将形成电场。膨润土和高岭土中含有大量的阳离子Na＋、Ca2＋、AL3＋等,这些阳离子将被吸附在土颗粒表面,使扩散层中阳离子的浓度增加,扩散层厚度变薄,从而增加了土的抗剪强度。同时,从表3可以发现,试样中的强结合水含量随着其粘土矿物的含量的增加而增加,而土颗粒表面的强结合水具有极大的粘滞度、弹性和抗剪强度,从而也导致在同一含水率情况下,土的粘聚力随着粘土矿物成分的增加而升高。

表3 试样强结合水含量

4 结论

(1)在本文试验条件下,当膨润土的含量≤25%时,土的抗剪强度随膨润土含量的增加而提高;当膨润土的含量＞25%时,土的抗剪强度随膨润土含量的增加而降低;当试样中高岭土含量≤37.5%时,土的抗剪强度随高岭土含量的增加而降低,当高岭土含量＞37.5%时,情况则相反;在其他条件相同的情况下,随着试样中石英粉含量的增加,土的抗剪强度明显降低。

(2)对于矿物成分含量相同的试样,随着含水率的增加,土颗粒周围扩散层水膜的厚度增大,颗粒之间的距离也相对加大,土颗粒间电分子力减弱,弱结合水对土颗粒表面的润滑作用增强,颗粒之间的凝聚力降低,从而使土的抗剪强度降低。

(3)随着土中粘性矿物成分的增加,膨润土和高岭土中所含有的阳离子(Na＋、Ca2＋、AL3＋等)将被吸附在土颗粒表面,使扩散层中阳离子的浓度增加,扩散层厚度变薄,从而使土的抗剪强度增加。

(4)采用自行配制的人工土样对影响土力学性质的诸因素(如围压、矿物成分及含量、含水率等)进行分析,简单、可行。

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Experimental research on the effects of mineral composition on soil mechanical characteristics

Xia Hongchun1,2
(1.School of Civil Engineering,Xuzhou Institute of Technology,Xuzhou,Jiangsu 221000,China; 2.State Key Lab for Geomechanics and Deep Underground Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221008,China)

The triaxial shear test of artificial soil samples which were made up of different moisture content and different percentages of bentonite,kaolin and quartz powder were conducted by using the TSZ－2 type triaxial apparatus,and the influence of the mineral composition and its content,confining pressure,moisture content and other factors on the soil mechanical properties were researched.The results showed that the shear strength of the soil increased with the increase of bentonite content when the bentonite content was less than or equal to 25%;the shear strength of the soil reduced with the increase of bentonite content when the bentonite content was more than 25%.The shear strength of the soil reduces with the increase of kaolin content when the kaolin content was less than or equal to 37.5%,it had the opposite result when the kaolin content was more than 37.5%.Under the situation that other conditions were same,the shear strength of the soil reduced evidently when the quartz powder content increases.The influence rule of mineral composition on soil shear strength had nothing to do with the moisture content and confining pressure.The shear strength of soil increased with the increase of clay mineral composition content.For the samples of same mineral composition content,the shear strength of soil reduced with the increase of moisture content.

artificial soil,mineral composition,soil mechanical property,moisture content, shear strength,principal stress difference

TD 325

A

夏红春(1970－),男,江苏省徐州市人,副教授,工学博士,从事岩土工程方面的研究。

(责任编辑 张毅玲)

国家自然科学基金项目(50974117),深部岩土力学与地下工程国家重点实验室开放基金项目(SKLGDUEK1109)