何佳璐,陈 盼,马田田*,郝丰富

(1.桂林理工大学 a.土木与建筑工程学院;b.广西岩土力学与工程重点实验室,广西 桂林 541004;2.广州工商学院 工学院,广东 广州 510850;3.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室,湖北 武汉 430071)

深海软粘土一般存在于海平面以下1 000 m的海底表层土壤中。由于特殊的沉积环境和物质成分,深海软土宏观表现出含水量高、孔隙率大、高生物质含量、低抗剪强度等特点[1]。通常,深海土中的含水量高于液限,会形成一种粘土悬浮液的状态。在该状态下,粘土的流变特性便决定了海底沉积物的力学和水力学行为。粘土的流变行为取决于粘土的类型和质量分数、粘土颗粒的尺寸和形状、粘土颗粒的静电特性、可交换离子以及分散体中电解质的浓度、温度等因素。深海作业时,大型器械运行散发出的热量会对深海土流变特性产生影响;同时深海中存在的阳离子元素和氯化钠对土壤也具有一定的影响。

一定质量分数下,颗粒越细,颗粒与颗粒之间的连接越强,屈服应力更高[2]。Torrance等[3]观察到海洋粘土悬浮液的屈服应力随着离子价位增加而增大;Kelessidis等[4]发现盐溶液浓度增大,粘土的屈服应力会降低。粘土的流变行为是由颗粒间的斥力和颗粒与颗粒之间的结构排列控制。由于同型替代,粘土颗粒带有一定数量的负电荷,与水相互作用时会形成双电层。双电层重叠后产生的斥力便是膨润土分散体形成凝胶的原因。随着盐溶液浓度增大,双电层厚度降低,斥力减弱,深海沉积物更易形成絮凝,颗粒之间的结构排列发生调整[5]。因此,斥力和结构调整对接触状态和非接触状态下的粘土会产生不一致的结果:非接触状态下,由于双电层的压缩,膨润土颗粒的网络结构会破坏,使得屈服应力降低;接触状态下,盐溶液浓度增大,斥力降低,粒间应力增大,强度会增大[6]。此外,粘土状态的区分又和粘土种类及颗粒尺寸有关,使粘土悬浮液的流变行为变得异常复杂。

综上所述,本文在不同盐浓度、温度及粘土质量分数下,采用旋转流变仪对天然土开展物理和力学规律的试验研究。

1 试验材料与方法

1.1 试验土样的基本特性

选用3种天然粘土,分别为滨海粘土(BH)、龙胜粘土(LS)、三门峡粘土(SMX),过0.25 mm筛。土样的物性参数见表1,矿物组成见表2,粒径分布如图1所示。

图1 土样的粒径分布

表1 土样的物性参数

表2 土样的矿物组成 %

1.2 试验设备及方法

旋转流变仪(安东帕,MCR302)转子是十字板叶片,通过记录电流、光栅计数获得扭矩、转速和偏转角度,推出剪切应力、剪切速率和剪切应变,最后得到粘度及模量[7]。表示为:

(1)

(2)

(3)

将风干土与不同浓度的盐溶液以一定的质量比混合搅拌均匀,制备成1.5、3、5倍液限的流态土样品。海洋中盐浓度约为0.5 mol/L,考虑到海底复杂的赋存环境,有土体中的盐溶液分布不均匀的现象发生,因此将盐溶液浓度设为0、0.5、1 mol/L。参照海底温度及海底管道内的运输温度,将温度设置为4 ℃,增设45 ℃的对照组。流变实验前样品密封储存24 h,使水分在土体内部分布均匀。同时使用100 s-1的恒定剪切速率进行预剪切,使土水混合物更为均匀。正式剪切阶段的剪切速率设置为对数变化,即-10-5～103s-1。

2 结果和讨论

2.1 质量分数对流变行为的影响

质量分数C表示为:

C=ms/(ms+mw)

(4)

式(4)中,ms为土颗粒质量,g;mw为水土混合物总质量,g。

一般假设流变性质Y与土颗粒的质量分数C间存在指数关系:

Y=kyCn

(5)

式(5)中,Y可以表征粘土悬浮液的屈服应力δy,或者弹性模型G＇;ky为拟合系数;n通常与粘土悬液的稳定性或絮凝程度有关,对于絮凝强烈的悬液来说,n=2～5,对于稳定或弱絮凝的悬液来说,n=5～8。

滨海土在不同质量分数下的剪切应力变化如图2所示。从图2可以看出,剪切应力与剪切速率曲线被2个拐点切分成3段。在初始阶段,随着剪切速率增大,剪切应力迅速增大,达到一个稳定值后,不再增加。当剪切速率进一步增大时,剪切应力又迅速增大。剪切应力不变时(第1个拐点处),即为屈服应力[5]。当保持其他因素不变时,可以发现随着含水率升高,滨海土的屈服应力迅速降低。

图2 滨海土在不同质量分数下的剪切应力变化

屈服应力与质量分数模型拟合参数见表3。屈服应力与质量分数的关系如图3所示。

从图3可以看出,土颗粒的质量分数相同时,三门峡土的屈服应力明显低于其他2种土。这主要是因为粒径分布曲线不一致,三门峡土的粘粒含量较小,相同质量分数下。形成的悬液更接近于纯水,因此屈服强度较低。龙胜粘土和滨海土二者颗分曲线虽然相似,但屈服应力的变化曲线并不相同。这主要是因为二者的粘土矿物成分不同,龙胜粘土中含量较多的是高岭石,滨海土则是以伊利石/蒙脱石混层居多。当质量分数大于0.53时,3种土的屈服应力迅速增加[6]。这可以归因于颗粒以高于 0.53的质量分数相互接触的事实。在悬浮状态(C<0.53)中,排斥力在控制屈服应力方面占主导地位。 然而,在接触状态(C>0.53)中,与排斥力相比,吸引力也很重要。

2.2 温度对屈服应力的影响

相同质量分数不同温度下3种土的屈服应力见表4。由表4可知,温度对3种土屈服应力的影响一致,温度升高屈服应力增大。

表4 相同质量分数不同温度下3种天然土的屈服应力

由于屈服应力与颗粒间的相互作用力有关,根据DLVO理论,粒子间相互作用势有2个贡献,即静电势和范德华势。

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

(6)

(7)

(8)

式(6)～(8)中,D为颗粒间距,μm;a为颗粒半径,μm;AH为Hamaker常数;εr和ε0为空间的介电常数和介质的介电常数,其中εr=78.54;ψ5为粘土颗粒的表面静电势,V;K-1为Debye长度,μm,随着电层增大而减小。

因此,屈服应力可以表示为:

(9)

由于本文的粘土悬浮液中颗粒间距离相对较大,范德华引力的影响可以忽略不计。因此,静电排斥力成为主导,且对屈服应力具有主要控制作用。双电层的斥力依赖于表面静电势,其大小与温度有关,双电层斥力随着温度增大而增大,相应的屈服应力也增大。

2.3 浓度对屈服应力的影响

相同质量分数不同盐浓度下3种天然土的屈服应力见表5。从表5可以看出,盐溶液浓度增大,龙胜粘土的屈服应力也增大,而滨海土和三门峡土的屈服应力减小。

表5 相同质量分数不同盐浓度下3种土的屈服应力

粘土的屈服应力与颗粒间的斥力和颗粒之间的排列有关。由于粘土颗粒表面带负电,吸引溶液中的阳离子。NaCl的加入使溶液中Na+浓度升高,Na+更易吸附在带负电的粘粒表面,使热力学电位降低,双电层压缩,形成絮凝结构。刘青青等[8]将土的分散状态分为接触状态和悬浮状态,悬浮状态表示颗粒的质量分数很小,土壤颗粒之间没有接触,接触状态是指颗粒的质量分数很大,土颗粒相互接触。当样品的含水率大于临界含水率时即为土颗粒的接触状态,反之则为悬浮状态。对于接触状态来讲,絮凝结构的形成会增大屈服应力;对于非接触状态,絮凝结构的形成会破坏粘土颗粒之间的排列,使得粘土悬液更为不接触,更接近于纯溶液的流变特性。相同质量分数下,龙胜粘土为接触状态,另外2种粘土则为非接触状态。龙胜粘土具有较高的粘粒含量,高岭石居多,因此使其从接触状态变为非接触状态需要更多的含水量。

3 结论

1)粘土质量分数增大,粘土悬浮液的屈服应力迅速增大,符合流变性质与土颗粒质量分数存在的指数关系。

2)温度升高,屈服应力增大。由于屈服应力与颗粒间斥力有关,温度升高,双电层斥力增大,相应的屈服应力也增大。

3)在相同质量分数和温度作用下,3种天然土悬浮液的屈服应力与盐溶液浓度的关系不一致。盐溶液浓度增大,龙胜粘土屈服应力增大,而滨海土和三门峡土的屈服应力减小。这主要与颗粒间的结构排列有关,在该质量分数下,粘粒含量较高的龙胜粘土处于接触状态;而另外2种土则处于非接触状态。