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0 引 言红层风化土是红层岩体在湿热的气候条件下,经过强烈的物理化学风化作用而形成的,在我国分布广泛,占国土面积近9%。天然状态下,红层风化土性质良好,但在水的作用下会发生软化崩解现象,水稳性较差。因而,在降雨、地下水等的作用下红层风化土分布区常常发生与之相关的地质灾害,例如滑坡、沉降、地陷、崩塌等,造成极大的安全隐患。因此,研究红层风化土遇水崩解特性、机理及其控制对工程建设的安全性及地质灾害的防御等都具有重要的意义和价值。目前,对于土体崩解特性的试验研究,主要从土体初始含水率、密实度等控制因素开展,并从土体成分和结构等方面分析其崩解机理,例如张抒等(2013)通过研究,得出非饱和花岗岩残积土崩解的主要控制因素是土中的孔隙气压力和基质吸力。唐军等(2011)通过土体崩解试验,得出土体含水率的变化是影响其崩解特性的重要因素; 张先伟等(2016)通过玄武岩的崩解试验,得出在高温湿热的气候条件下,由于反复的干湿交替作用会破坏土颗粒团聚性,使得其崩解现象更加显著。以上研究可以看出,南方湿热的气候使得土体含水率变化比较明显,因而含水率是影响土体崩解性的主要因素之一。袁亮(2017)通过黄土崩解试验,得出黄土的崩解特征与自身的结构、颗粒成分、胶结物等密切相关,黄土黏粒含量越高,胶结物水稳性越好,黄土的抗崩性越强。Manciu et al.(2004),Ruckenstein et al.(2002)从水合作用角度研究了土体颗粒遇水后的离子反应及其稳定性变化。此外,由于土体的崩解性会引发相应的地质灾害,且对工程建设产生不良影响,因此需要进行人工加固改良。常用的方式包括:工程改良、植被改良、化学剂改良。而由于化学剂改良适用性强,改性效果好,因此在土壤固化改性方面应用广泛(张伟利, 2014)。常用土壤改性材料有石灰、水泥、粉煤灰等(Rao et al., 2002; Anand, 2006; Yong et al., 2007; Oh et al., 2012; 陈学军, 2017a; 雷华阳, 2017; 吕前辉, 2017; 王章琼, 2018)。陈学军等(2017b, 2018)通过将纳米膨润土及纳米石墨粉掺入到红黏土中,研究了这两种纳米材料对红黏土力学性质的影响,得出其通过对红黏土孔隙结构及土颗粒的黏结作用的影响,从而显著提高红黏土的力学性质。陈逸方等(2017)通过将赤泥掺入到红黏土中,研究了其对红黏土力学性质及结构的影响,得出不同掺量的赤泥对红黏土的孔隙结构及土颗粒的胶结性能的影响有较大变化。后来先后出现了各类新型表面活性剂、有机高聚物等(王艳等, 2016; 谭彦卿等, 2017; 吴雪婷等, 2018),如水玻璃液态高效复合材料、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯酸酯(PVAC)、聚丙烯酰胺(PAM)等化学改性材料。然而,目前针对红层风化土崩解特性的研究成果十分有限,对其崩解机理与控制的研究尚未引起足够的重视。鉴于此,本文以华南红层风化土为研究对象,在自行设计的崩解试验装置的基础上,开展了不同含水率及密实度条件下华南典型红层风化土的崩解试验,得到了其遇水崩解规律; 然后从组分及组构的角度分析了红层风化土崩解破坏的控制因素,得到了其崩解破坏机理; 最后通过掺入高性能酯类材料进行红层风化土改性试验,并对其破坏过程的微观结构进行分形研究,探索了提高其抗崩解性的新方法。以上结果对研究红层风化土遇水崩解特性及其崩解机理,并从土壤改性角度提高其抗崩解性具有一定参考意义。1 红层风化土崩解试验1.1 试样制备及试验方案序列本文试验土样取自广州市某典型红层风化土坡,其基本物理参数(表1),颗粒级配曲线(图1)。表1土样基本物理性质Table 1 Basic physical parameters of soil sample塑限/%液限/%塑性指数最优含水率/%最大干密度 /g·图1 颗粒级配曲线图Fig. 1 Grain grading curve矿物成分包括石英、长石、高岭石、伊利石、蒙脱石等。化学成分包括SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、TiO2、MgO、CaO、K2O、Na2O等。土样经风干碾碎后过直径为5imm 筛。试验用水为自来水。试样制备过程为先称量所需用水量,然后将风干土样与水拌和均匀,放入恒湿保温杯中养护24ih以上,使试样含水率均匀。待试样养护完成后,按要求的干密度以压样法制备试样。试样尺寸为φ61.68imm×20imm 的标准环刀样。试验分别采用不同初始含水率、不同压实度的红层风化土试样,试验方案见表2,本实验每组配比结果求平均值。崩解试验采用自制崩解装置进行(图2)。表2试验方案Table 2 Test schemes试验编号拟定初始含水率/%实际初始含水率/%压实度/%..........91901.....9180图2 崩解试验装置Fig. 2 Disintegration test 崩解试验结果及分析1.2.1 不同初始含水率试样崩解试验结果及分析根据前文的试验方案,进行了同一压实度下不同含水率试样的崩解试验,并用摄像机拍摄了试样崩解过程中,不同时刻的崩解状态(图3~图5)。图3 0is时刻不同含水率试样崩解状态(压实度80%)Fig. 3 Disintegration state of samples with different moisture content in 0is(compactness 80%)a.ω=16%; b.ω=18%; c.ω=20%; d.ω=22%; e.ω=24%图4 30is时刻不同含水率试样崩解状态(压实度80%)Fig. 4 Disintegration state of samples with different moisture content in 30is(compactness 80%)a.ω=16%; b.ω=18%; c.ω=20%; d.ω=22%; e.ω=24%图5 180is时刻不同含水率试样崩解状态(压实度80%)Fig. 5 Disintegration state of samples with different moisture content in 180is(compactness 80%)a.ω=16%; b.ω=18%; c.ω=20%; d.ω=22%; e.ω=24%图6 崩解剩余量对比图(压实度80%)Fig. 6 Comparison diagram of disintegration residual volume(compactness 80%)图7 崩解速率对比图(压实度80%)Fig. 7 Disintegration rate contrast diagram(compactness 80%)根据试验可知,初始时刻(0is),含水率愈低的试样崩解愈为剧烈,且有大量气泡从土体中逸出,在试样裂缝处,气泡逸出的同时将土体顶起、剥落; 随着含水率的增加,试样初始时刻的崩解程度下降,而当含水率超过最优含水率时,试样无变化。初期阶段(30is),仍是含水率愈低,崩解愈为剧烈,但此时气泡逸出数量明显减少,当含水率超过最优含水率时,试样仍然无变化。后期阶段(180is),含水率较低的两组几乎已经崩解完成,且试样呈分散颗粒状崩解,而含水率较高的两组试样崩解十分缓慢,偶有土粒脱落。崩解过程的定量分析结果(图6、图7)。从图中可以看出:相同压实度下,当试样含水率接近最优含水率时,土样崩解速率极小,且崩解时间较长,而当试样含水率小于最优含水率较多时,崩解速率上升很快,崩解时间也相对缩短较多。其中出现了含水率为16%的试样崩解速率小于含水率为18%的试样崩解速率,原因应是在制样过程中含水率为18%的土样,加水时未搅拌均匀或压样时出现裂隙,导致试样浸水更易崩解。故总的趋势是,相同压实度下,试样含水率越高,崩解总时间越长,峰值崩解速率越低,且峰值速率出现时间会往后移 不同压实度试样崩解试验结果及分析从试验结果可知,初始时刻(0is)压实度愈低的试样崩解愈为剧烈,且有大量气泡从土体中逸出,土颗粒呈散粒状,大量剥落,随着压实度的增加,试样在初始时刻的崩解程度下降,而当压实度接近100%时,试样无变化。初期阶段(30is)仍是压实度愈低,崩解愈为剧烈,此时气泡逸出减少,当压实度接近100%时,试样仍然无变化。后期阶段(180is),压实度较低的一组几乎已经崩解完成,且试样呈散粒状大量剥落,而压实度较高的两组试样崩解较慢,试样亦呈散粒状剥落。崩解过程的定量分析结果(图8、图9)。从图中可以看出:最优含水率下,当试样的压实度接近100%时,土样崩解速率极小,且崩解时间较长,而当试样压实度小于100%时,崩解速率变化很大,崩解时间也相对缩短很多。其中压实度90%与100%崩解速率极为接近,说明在压实度较大,达90%以上时,崩解速率均较小,且变化不大。总的趋势是,最优含水率下,试样压实度越高,崩解总时间越长,峰值崩解速率越低。图8 崩解剩余量对比图(最优含水率)Fig. 8 Comparison diagram of disintegration residual volume(optimal water content)图9 崩解速率对比图(最优含水率)Fig. 9 Disintegration rate contrast diagram(optimal water content)2 华南红层风化土崩解破坏机理土体的崩解性主要与土体的组分、组构等因素有关。图10 黏土矿物水化Fig. 10 Hydration of clay mineralsa. 高岭石; b. 由表面离子吸附的水; c. 与表面OH及O连结的水;d. 侧边断口上吸附的阳离子; e. 矿物外表面多层吸附水;f. 氢离子; g. 水首先,从红层风化土的矿物成分及其物理化学性质来分析:根据上文试验结果,红层风化土颗粒粒径在0.1imm以下颗粒占比近50%,即其成分以细粉砂为主,同时也有较多的黏粒成分。在与水的作用下,黏土颗粒同时受到分子间作用力和带电粒子的静电斥力。由于红层风化土中含有高岭石等黏土矿物,其阳离子中含有Na+等一价离子,其结合能较小,解离机率则较大。且Na+离子与水反应后,在水的作用下,土体颗粒中黏粒表面的双电层结构会减弱颗粒间分子作用力,土体颗粒解离出的离子间的静电引力也会转为水分子间的极性作用力,且强度较弱; 但相反,土体颗粒中黏粒间的斥力却增强,其结果导致土体的应力不平衡,因而产生应力集中,最终使得土体发生软化,进而在结构上失去连结作用而崩解破坏。黏土矿物水化示意图(图10)。其次,从红层风化土的结构特征来分析:当红层风化土遇水后,由于土体存在基质吸力,因此水分会进入到土体的孔隙之中,但红层风化土体的孔隙是不均匀分布的,因此会形成吸力压力差,而在土体内部,小孔隙的基质势大于大孔隙的基质势,因此,首先水分会更多地进入到微小孔隙中,然后再进入到大孔隙中。最后,由于土体中大孔隙仅吸收较少的水分而使得其湿吸力稍有增加,而小孔隙由于吸收较多水分,趋于饱和而使得其湿吸力大幅减小,因此,土体颗粒间在整体上的吸力作用是减小的,进而改变了土体的有效应力。同时,当水分首先进入土体微小孔隙时,部分土中的空气没能排出,而受到压缩,体积变小,导致孔隙气压力增大。当上述孔隙气压力大于土体的有效应力时,土体便发生崩解破坏。对于初始含水率、压实度等因素来说,由于较小的初始含水率和压实度使得非饱和的红层风化土体的基质吸力增加,导致土体在吸水时产生较大的吸力压力差,在这种较大的吸力不平衡的作用下,土体更容易发生崩解破坏,所以较小的初期含水率和压实度的土样,其崩解速率也就较快,达到峰值速率也就相对较晚。最后,从土体的胶结物成分来分析:华南红层风化土在淋滤作用下,产生了较多的由游离氧化物组成的胶结物,其中含有Na2O、K2O、MgO等,这些胶结物容易与水发生反应,而华南红层风化土的表面裂隙及内部孔隙发育,当水分通过这些裂隙进入到孔隙中时,可溶性的胶结物便会溶解到水中,在失去胶结物的连接后,土体颗粒很快便会解体,进而发生崩解破坏。红层风化土的上述崩解破坏机理是同时发生且相互促进的关系,彼此之间相互作用会进一步加速红层风化土的崩解破坏作用,进而产生严重的地质灾害或工程事故。3 华南红层风化土改性研究3.1 华南红层风化土改性崩解试验通过对上述红层风化土崩解机理的研究,本文提出从改性的角度来对红层风化土的崩解特性进行控制,进而解决相应的工程地质问题。改性材料采用新型高性能酯类材料,通过改性试验研究其对红层风化土崩解特性的影响。后续进行改性剂相关环境安全、应用可行性及经济价值的研究,并最终对工程应用产生一定的指导意义 试验制备及试验方案本试验试样选取广州市海珠区典型红层风化土样,改性剂采用新型高性能酯类材料。土样经风干碾碎后过直径为5imm 筛。试样制备过程为先称量所需用水量及高性能酯类材料用量,然后进行配水及掺加材料,将水及高性能酯类材料按要求分别加入到不同试样中,搅拌均匀,放入恒湿保温杯中养护24ih以上,使试样含水率均匀,且高性能酯类材料与土颗粒充分反应。待试样养护完成后,按要求的干密度以压样法制备试样。试样为标准环刀样。试验分别采用不同高性能酯类材料掺量的红层风化土试样,试验方案见表3,表中材料掺量以干土质量为计算标准,本实验每组配比做3个平行试样,结果求平均值。表3试验方案Table 3 Test schemes试验编号拟定初始含水率/%实际初始含水率/%压实度/%高性能酯类材料掺量/%.4520..4520.. 华南红层风化土改性崩解试验结果及分析从试验结果可知,初始时刻(0imin),土体仅有少许气泡逸出,试样几乎无变化。初期阶段(15imin),随着时间的推进,由于浸水的作用,试样已开始逐步崩解,可以明显地看出,高性能酯类材料掺量愈低,崩解愈为活跃。后期阶段(30imin),各试样崩解稳步展开,掺量为2%的试样已近乎完成崩解,此时刻各试样呈散粒状剥落。崩解过程的定量分析结果(图11)。从图中可以看出:最优含水率、最大干密度下,未掺加高性能酯类材料的试样, 30imin以内完全崩解,而掺入高性能酯类材料的试样,崩解极为缓慢,且崩解到某种程度后即长时间不再变化。总的趋势是,试样的高性能酯类材料掺量越高,崩解愈缓慢,崩解总时间越长。图11 崩解剩余量对比图Fig. 11 Comparison diagram of disintegration residual volume图12 不同高性能酯类材料掺量重塑试样SEM图像Fig. 12 SEM images of remolded samples with different high performance ester materialsa. 掺量0(×2000); b. 掺量0(×5000); c. 掺量2%(×2000);d. 掺量2%(×5000); e. 掺量4%(×2000); f. 掺量4%(×5000);g. 掺量6%(×2000); h. 掺量6%(×5000)3.2 改性红层风化土崩解控制细观机理分析本次试验每组试样各3个平行试样,试验时,在每个试样分别选3个代表性点拍摄放大倍数为的SEM图像各两张(图12)。从图12a、图12b中可看出,试样中高性能酯类材料掺量为0时,土体中黏土矿物是连续存在的,且聚集在一起,但排列较为杂乱,土体中也存在较多微小孔隙,其结构比较致密,此种情况下土体为基质状结构。而从图12c、图12d、图12e、图12f中可看出,高性能酯类材料掺量增大到2%、4%时, 0.5~1imm和0.25~0.5imm的团聚体含量增多了,小于0.05imm的团聚体含量降低了,团聚体总含量有了明显地提高。高性能酯类材料可将团聚体聚合成更大粒径来实现对土壤结构的改良; 掺加高性能酯类材料可促进土壤团聚体的形成,并提高其稳定性,改善土体结构,促使土体颗粒间更好地胶结土体单元体形成凝聚性接触,骨架状结构。由图12g、图12h可看出,当高性能酯类材料掺量增大到6%时,土体的结构发生了很大的变化,颗粒间的孔隙明显增大,颗粒在高性能酯类材料连结下,形成较大的结构单元体,为团粒状结构,从而极大地提高了土体的强度及抗崩解性 改性红层风化土崩解试验分形研究3.3.1 红层风化土细观孔隙形态特征通过土体颗粒的扫描电镜图像进行细观孔隙形态分析时,首先要将图像进行二值化处理。经过处理后的图像上的信息,可以用来分析土体颗粒的孔隙率、颗粒大小形态、分布特征等结构参数。本文选用平面孔隙率和颗粒结构的分形维数作为细观结构研究的定量化参数。图13即为不同高性能酯类材料掺量重塑土样SEM图像二值化处理后的结果图。图13 二值化处理后SEM图像Fig. 13 SEM image after two value processinga. 掺量0; b. 掺量2%; c. 掺量4%; d. 掺量6%表4试样平面孔隙率Table 4 Sample plane porosity水性粘合剂掺量/%阈值颗粒面积/μm2孔隙面积/μm2总面积/μm平面孔隙率/%平面孔隙率是细观结构观测研究中的一个概念,即为孔隙面积/(颗粒面积+孔隙面积)。表4即为由软件image-Pro-plus得出的不同高性能酯类材料掺量的重塑土样细观结构观测的平面孔隙率。从表4中可得,土体中掺入高性能酯类材料,可以增大土体颗粒的表面积,而相应减少土体中孔隙所占的面积,使得土体结构更加紧密。产生这种结果的原因是土体中掺入高性能酯类材料,会填充颗粒间的孔隙,使得其紧密,并且还能增强颗粒间的黏结性,因而增强了土体结构的团聚性,使得大颗粒增多,而孔隙减小。这与扫描电镜图像的分析结果一致 红层风化土颗粒形态的分形研究红层风化土的颗粒形态采用分维数进行定量研究,其原理如下式:ln(Li)=(D/2)×ln(Ai)+C(1)式中,Li为图像中多边形(土体颗粒)的等效周长;Ai为图像中多边形(土体颗粒)的等效面积;C为常数;D表示土体颗粒形态的分维数。通过图像信息可以得出所有土体颗粒的等效周长和等效面积,将其统计于如下的双对数坐标系中(图14),再绘制出每组数据的趋势线(直线),则此直线的斜率K即为表示土体颗粒形态的分维数:D=K×2(2)图14 试样土颗粒等效周长与等效面积统计关系Fig. 14 Statistical relationship between equivalent circumference and equivalent area of soil samples表5ln(L)-ln(A)线性关系及分维数Table 5 The linear relation and fractal dimension of Ln(L)-ln(A)高性能酯类材料掺量线性关系式相关系数R2斜率K分维数D0y=0.574x+2.1550..=0.521x+1...=0.513x+1.4090..=0.507x+1...5071.014表5为土体颗粒等效周长与等效面积的线性关系及分维数。可看出,分维数在1~2之间的土体试样,掺入高性能酯类材料会减小试样的分维数。原因是土体中掺入高性能酯类材料后,会填充颗粒间的孔隙,且使细小的土颗粒黏结在一起成为较大的颗粒,而其水化膜也变薄,最终使得土颗粒边缘变得更加规整、圆润,因此反映颗粒形态的分维数变小。4 结 论通过对典型华南红层风化土进行崩解试验及改性控制试验,得到以下结论:(1)红层风化土的初始含水率、压实度显著影响其崩解特性,其崩解量、崩解速率及最大崩解速率峰值均随初始含水率及压实度的增大而减小,而崩解时间则相对变长。(2)红层风化土的崩解破坏机理分别由土体的矿物成分及其物理化学性质、结构特性、胶结物特性等3个方面构成,三者共同作用使得红层风化土具有显著的遇水崩解特性。(3)红层风化土崩解控制可以通过利用高性能酯类材料进行土体改性来实现,其作用为增强颗粒间的胶结作用及团聚程度,从而提高土体的强度及水稳定性。该方法为工程建设上解决红层风化土遇水崩解破坏提供了治理思路,具有一定的参考意义。参考文献Anand J,Rupesh K,Raja S,et al. 2006. 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文章来源:《华南国防医学杂志》 网址: http://www.hngfyxzz.cn/qikandaodu/2021/0112/396.html
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