白汉营,高宇豪,陈学军,3,宋 宇

(1.桂林理工大学,广西 桂林 541004；2.桂林理工大学地质资源与地质工程博士后流动站,广西 桂林 541004；3.广西岩溶动力学重点实验室,广西 桂林 541004)

我国南方雨季降水量丰富,旱季则干旱少雨,广西红黏土作为一种区域性特殊土,其“遇水软化,失水收缩干裂”独特的工程地质性质,诱发了诸如边坡失稳、地面塌陷、地基不均匀沉降、道路开裂等工程病害。随着大规模的工程建设必将对红黏土所赋存的地质环境造成扰动,导致其物理力学性能的变化,尤其是作为各种工程建设重要参数的抗剪强度的变化。开展红黏土改性材料和抗剪强度参数的改性机理研究,控制红黏土特殊的水土相互作用诱发工程灾害,将显得十分必要。

近年来,有关红黏土的研究主要集中在物理力学特性的试验[1]、干湿循环作用下其胀缩特性[2]、浸水变形特性[3]等方面,而针对红黏土水土相互作用特性,在工程上通常掺入一定量的外掺剂,使其与红黏土发生复杂的物理化学反应以改变其独特的工程地质性质,其研究成果常将红黏土用作路基材料,对其路用性能进行改性。通过击实、无侧限抗压强度与渗透试验,聚丙烯纤维红黏土的力学特性研究结果表明，聚丙烯纤维可以显著提高红黏土的强度[1～4],掺入一定剂量的石灰,通过强度和变形特性试验表明，定向干湿循环作用下,石灰可明显改善红黏土路用性能[5～6],废木灰、水泥作为外掺剂可以改变红黏土的力学性能[7～12]。

目前将纳米碳酸钙作为改性材料方面的研究主要集中在混凝土改性方面[13～17],而将纳米材料用于红黏土改性研究方面,研究成果尚较少。鉴于此,本文采用纳米石墨粉(Nano Graphite Powder,后用NGP代替)作为外掺剂添加到红黏土中,利用TSZ-1型三轴试验仪进行正交试验设计,选用扫描电镜法对试样进行微观结构测试,采用单因素方差分析法研究NGP掺量对红黏土强度参数的的敏感性。

1 试验条件

1.1 试验设备及试验方案

试验采用南京土壤仪器厂生产的TSZ-1型应变控制式三轴仪试验系统,该系统主要三轴压力室、轴向加荷系统、围压力围压系统、孔隙水压力量测系统等4部分组成。

将纳米石墨粉作为外掺剂添加到红黏土中形成NGP-红黏土,其强度参数受到纳米石墨粉掺入量、干密度和围压压力3个因素的影响。选用正交试验法设计制定试验方案,进行相关因素对强度参数敏感性的试验分析,用掺入比(试样中纳米石墨粉质量与红黏土干土质量之比)指标来综合量化表示纳米石墨粉对NGP-红黏土强度参数的影响。纳米石墨粉掺量、围压压力及干密度均取3个水平。其正交试验的因素、水平见表1。

表1 正交试验设计水平Table 1 Orthogonal design level

1.2 试验土样及纳米石墨粉规格

试验用红黏土取自广西桂林雁山区,埋深2.0～3.0 m,其基本物理性质如表2所示。制样时,将扰动红黏土自然风干,破碎、碾磨、过2 mm筛,形成待备土样。

表2 红黏土的基本参数Table 2 Physical parameters of the Guilin red clay

试验用纳米石墨粉选自南京先锋纳米科技有限公司,其基本参数如表3所示。由表3可知纳米石墨粉的宏观均一性良好。

表3 纳米石墨粉的基本参数Table 3 Basic parameters of the nano-graphite powder

1.3 试样制备及试验方法

制备NGP-红黏土试验用土样时,取过2 mm筛的自然风干扰动红黏土样,加入纳米石墨粉。按照正交试验设定的纳米石墨粉掺量的水平,分别采用掺量比K=0.5%,1%,2%三种掺量,并混合均匀。各掺量比NGP-红黏土混合样均加入适量蒸馏水拌合达到30%最优含水率的状态,然后将土样密封保湿24 h。

按照正交试验设定的干密度的水平,称取干密度分别为1.3 g/cm3,1.4 g/cm3,1.5 g/cm3的NGP-红黏土混合样,采用击实法分6层击实,每层击实至相应高度后,将表面刨毛,制备39.1 mm×80 mm NGP-红黏土土柱试样48件,采用抽气饱和法对试样进行24 h饱和处理。

按照正交试验设定的围压压力水平,按照土工试验操作规程[18],选取100 kPa,300 kPa,500 kPa三种围压进行三轴固结不排水试验。固结过程以孔隙水压力消散95%以上为完成标准,剪切过程选取0.9 mm/min的剪切速率,直至轴向应变达到20%,终止试验。

2 试验结果

2.1 NGP掺量对红黏土应力应变关系曲线的影响

干密度为同一水平时,土样的三轴固结不排水试验主应力差与轴向应变关系曲线(图1)表明：NGP掺量对红黏土的应力应变曲线有一定的影响,主要表现在主应力差随着轴向应变的增加,其关系曲线(干密度为1.4 g/cm3)受NGP掺量的影响而呈现不同的形式。

图1 NGP-红黏土主应力差-轴向应变关系曲线Fig.1 Deviator stress against the axial strain for the NGP-red clay

(1)未添加NGP，掺量比为0%时，主应力差与轴向应变关系曲线在围压为300 kPa以下时呈现出理想塑性特性,存在明显的峰值点,并且过峰值点之后的曲线斜率接近水平；当围压为500 kPa时,主应力差与轴向应变关系曲线呈现出应变硬化特性,其形态表现为近似双曲线型,存在不太明显的峰值点。

(2)添加NGP，掺量比为0.5%时，主应力差与轴向应变关系曲线为300 kPa以下时呈现出与NGP掺量比为0%时近似的特性,且在峰值点之后曲线斜率由大变小并趋于水平；当围压为500 kPa时,主应力差与轴向应变关系曲线均呈现出应变硬化特性,其形态表现为近似双曲线型,且其曲线斜率有微小波动。

(3)添加NGP，掺量比为1.0%,2.0%时，主应力差与轴向应变关系曲线在各围压时均呈现出近似理想塑性特性,其形态表现出近似的双曲线型,存在明显的峰值点,曲线斜率在峰值点之后仍有一定的变化,但最终趋于水平。

2.2 干密度对NGP-红黏土应力应变关系曲线的影响

NGP掺量为同一水平时,土样的三轴固结不排水试验主应力差与轴向应变关系曲线(图2)表明：干密度对NGP-红黏土的应力应变曲线有一定的影响,主要表现在主应力差随着轴向应变的增加,其关系曲线(掺量比为1.0%)受干密度的影响而呈现不同的形式。

图2 NGP-红黏土应力差-轴向应变关系曲线Fig.2 Deviator stress against the axial strain for the NGP-red clay

(1)在相同干密度下,随着围压的增大,NGP-红黏土主应力差与轴向应变关系曲线斜率呈现出上升趋势；在相同围压下,随着干密度的增大,NGP-红黏土的主应力差与轴向应变关系曲线斜率有一定的上升趋势,且上升的幅度相近。

(2)3种不同干密度的NGP-红黏土主应力差与轴向应变关系曲线均呈现出近似应变硬化特性,形态表现出近似的双曲线,也均在应变为5%之前出现了峰值点,曲线斜率在峰值点后缓慢变化。

3 试验结果分析

3.1 最优掺量比的确定

由干密度为1.4 g/cm3时的NGP-红黏土主应力差与轴向应变关系曲线(图1),并根据通常取值规则,以主应力差的峰值作为破坏点,各种情况下破坏点主应力差值(表4)与围压压力、NGP掺量之间的关系如图3所示。

表4 NGP-红黏土的主应力差值Table 4 Deviator stress for the NGP-red clay

图3 主应力差值与NGP掺量比关系趋势图Fig.3 Deviator stress against the additives rate of NGP

主应力差值与NGP掺量比关系趋势曲线(图3)表明：随着NGP掺量比的变化,存在一个峰值主应力差值。将峰值主应力差值所对应的NGP掺量比,定义为最优掺量比Kop,它表示在这一掺量比下,以三轴固结不排水试验方法能够得到的最大主应力差值。

主应力差值与NGP掺量比关系趋势曲线(图3)所示的NGP掺量比在1.0%～2.0%某个值时,主应力差值达到最大,在本次试验中可将1%确定为最优掺量比Kop的下限,而2%确定为最优掺量比Kop的上限。因此在红黏土中适量掺入NGP可明显提高主应力差值,从而提高红黏土的抗剪强度值。

3.2 NGP-红黏土抗剪强度参数

库伦抗剪强度公式τ=c+σtanφ表明,土的抗剪强度由两部分组成,即摩擦强度σtanφ和黏聚强度c。由试验实测的破坏点主应力差值(表4),以剪应力为纵坐标,法向应力为横坐标,在剪应力与法向应力平面上绘制破损应力圆,并按照线性的Mohr-Coulomb准则绘制不同周围压力破损应力圆的强度包线,求取NGP-红黏土固结不排水强度参数(表5)。

表5 NGP-红黏土抗剪强度参数Table 5 Shear strength for the NGP-red clay

(1)NGP-红黏土摩擦强度参数φ(表5)表明，随着NGP掺量比的变化,其大小在15.51°～16.15°范围内变化,量值变化大小在0.64°之内,由此可见NGP掺量比对摩擦强度参数φ有一定的影响,但影响程度较小。由此可推断：将细微颗粒的NGP添加到红黏土中后,不论是由于颗粒相互移动和咬合作用所引起的摩擦强度,还是颗粒表面的物理化学作用所产生的吸引力所引起的摩擦强度,NGP的影响程度较小,其对红黏土的改良效果,在工程应用中可以忽略不计。

(2)NGP-红黏土黏聚力参数c(表5)表明,随着NGP掺量比的变化,在NGP掺量比为1%时,黏聚力c为最大值73.62 kPa。由此可推断：在最优掺量比下限1%时,NGP掺量对抗剪强度的影响是通过黏聚力c来发挥的。

NGP-红黏土黏聚力c与NGP掺量比关系趋势(图4)表明：NGP掺量比在0%～1%范围内时,黏聚强度参数随掺量比的增大而不断增大,在最优掺入比下限1%,其曲线变化斜率开始逐渐减小,并在最优掺量比1.29%时达到最大,当NGP掺量比继续增加直至达到最优掺量比上限2%时,NGP-红黏土的黏聚力c又会明显减小。

图4 黏聚力c与NGP掺量比关系趋势图Fig.4 Shear strength against the additives rate of NGP

3.3 NGP掺量对红黏土抗剪强度参数敏感性分析

采用单因素方差分析法,从内摩擦角和黏聚力变量的方差入手,通过F值的大小及相应F值下的概率值大小,判断NGP掺量比对抗剪强度参数作用的显著性,根据方差理论对试验数据处理后得到表6。

表6 NGP-红黏土抗剪强度参数方差分析Table 6 Variance analysis of the shear strength for the NGP-red clay

表5的方差分析结果表明：组间均方与组内均方的比值F=121.36,其概率值为0.00(<0.05),表明NGP掺量比对抗剪强度参数有显著的影响。

3.4 NGP-红黏土黏聚力微观改性机理

NGP-红黏土黏聚力c取决于土粒间的各种物理化学作用力,对黏聚力的微观研究表明：黏聚力可以分为原始黏聚力和固化黏聚力两种。其中原始黏聚力来源于颗粒间的静电力和范德华力,颗粒间的距离越近,单位面积上土粒的接触点越多,则原始黏聚力越大；而固化黏聚力取决于存在于颗粒之间的胶结物质的胶结作用。

因NGP具有粒径小、比表能大、表面能高以及表面原子所占比例大等纳米材料的特点,还具备了小尺寸效应、量子尺寸效应和表面效应等特有效应，除此之外,还具有强吸附性、耐高温性、结构稳定等性质。将一定量的NGP掺入到红黏土中,使用SEM扫描电镜的方法,探讨NGP-红黏土黏聚强度参数的微观机理,结果如图5所示。

图5 NGP-红黏土扫描电镜图Fig.5 Scanning electron micrograph of the NGP-red clay

(1)随着NGP掺量的增加直至最优掺量比下限1%时(图5a,b),红黏土的孔隙在减小,相应的密实度在增大。可以断定黏聚强度参数微观改性机理为：由于加大了颗粒间的静电力和范德华力,致使颗粒间的距离接近,单位面积上土粒的接触点变多,相应的原始黏聚力变大。

(2)随着NGP掺量的增加直至最优掺量比1.29%时,红黏土中的孔隙及颗粒周围均充满NGP颗粒时,NGP颗粒的微集料填充效应作用更好,更多数量的NGP纳米颗粒具有比表面积大、表面的纳米效应,从而使得红黏土颗粒与颗粒之间的相互吸引力变大,形成了胶结,导致红黏土的黏聚力变大,抗剪强度也变大。

(3)当NGP掺量继续增加直至最优掺量比上限2%时(图5c),使得红黏土颗粒与颗粒之间的静电力和范德华力变得更大,多个土颗粒因固化黏聚力而聚集在一起,形成“碎球体”,这些“碎球体”某种程度上可以看成“粗颗粒”,致使NGP-红黏土的部分孔隙变大,在外力作用下更容易分开[20～21]；同时因NGP掺量的增大,从而增加了润滑性,在红黏土中会形成连续的薄膜层,这种NGP薄膜层相当于一个结构弱面,在外力作用下会优先破坏,导致红黏土黏聚力的减小。

4 结论

(1)随着NGP掺量比的增加,NGP-红黏土的主应力差与轴向应变关系曲线呈现出应变硬化特性,其形态表现为近似双曲线型,且其曲线斜率有微小波动；随着干密度的增大,NGP-红黏土的主应力差与轴向应变关系曲线斜率有一定的上升趋势,且上升的幅度相近,均在应变为5%之前出现了峰值点,曲线斜率在峰值点后缓慢变化。

(2)NGP掺量比对抗剪强度参数有显著的影响,对摩擦强度参数φ影响较小,黏聚力参数具有随掺量的增加先增加后减小的特性,在本次试验中可将1%确定为最优掺量比Kop的下限,而2%确定为最优掺量比Kop的上限。

(3)NGP掺量的增加至最优掺量比下限1%时,黏聚强度参数c随掺量比的增大而不断增大；增加直至最优掺量比1.29%时达到最大,当NGP掺量比继续增加直至达到最优掺量比上限2%时,NGP-红黏土的黏聚力c又会明显减小。

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