工程地质学报  2018, Vol. 26 Issue (5): 1300-1310   (9112 KB)    
碱污染红黏土抗剪强度及破裂面微观结构特征研究
陈筠, 王麒, 于明圆, 邬忠虎, 高彬, 董吉    
① 贵州理工学院, 交通工程学院 贵阳 550003;
② 北京交通大学, 土木建筑工程学院 北京 100044;
③ 贵州大学, 土木工程学院 贵阳 550025;
④ 贵州大学, 资源与环境工程学院 贵阳 550025
摘要:碱污染使得贵州某铝厂地基红黏土孔隙比、比重和塑性指数降低。本文结合实际污染液质量分数及入磨母液为污染源,考虑时间和质量分数效应,对碱污染原状红黏土通过室内直剪试验,研究其抗剪强度的变化。并从碱污染红黏土剪切位移为4 mm时破裂面的微观结构入手,对其微观孔隙、颗粒进行定性和定量分析,探究其剪切破坏时的破裂方式。结果表明:高质量分数下,抗剪强度整体增加,土中多为惰性孔隙,孔隙方向性较好,颗粒变得较为狭长;入母液下,抗剪强度整体增加最多,土中几乎全为惰性孔隙,孔隙方向性最好,颗粒最为狭长;低质量分数下,抗剪强度整体减少,土中内活性孔隙仍较多,孔隙方向性较差,颗粒仍保持较好圆度。为碱污染红黏土的改良以及宏-微观的定量化研究提供一定的参考。
关键词碱污染红黏土    抗剪强度    微观结构    破裂面    
LABORATORY TESTS FOR SHEAR STRENGTH AND FRACTURE SURFACE MICROSTRUCTURE OF ALKALI CONTAMINATED RED CLAY
CHEN Jun, WANG Qi, YU Mingyuan, WU Zhonghu, GAO Bin, DONG Ji    
① School of Traffic Engineering, Guizhou Institute of Technology, Guiyang 550003;
② School of Civil Engineering and Architecture, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044;
③ College of Civil Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025;
④ College of Resources and Environmental Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025
Abstract: The vulnerability of the foundation of a factory building in Guizhou is due to the Alkali pollution, which originates the decrease of void ratio, specific weight, and plasticity index of the land. To study the transformation of shear strength of red clay, the authors design laboratory experiments combined with the pollution of the alkali concentration and the sources of the production process of Alumina. The facts of maintenance time and concentration of alkali liquor are also considered into the experiments. Within the help of technologies like scanning electron microscope(SEM), the results are concluded and supported by the raw data. Starting with the microstructure of the fracture surface of the red clay contaminated by alkali when the shear displacement is 4 mm, the fracture mode of the micro-pore and particle is analyzed qualitatively and quantitatively, and the fracture mode during the shear failure is explored. The achieved results suggest that in high NaOH solution shear strength are increased, most of the pores are inert pores, the direction of the pores is good, and the particles become longer. In the sources of the production process of Alumina, shear strength are the best. All most of the pores are inert pores, direction of the pores is the best, the particles become the longest. In low NaOH solution, shear strength are decreased, there are many macropores in the soil, the direction of pores is poor, and the particles are still in good roundness. It should be paid attention to in the project, which can provide some reference for the improvement of red clay polluted by alkali.
Key words: Alkali contaminated red clay    Shear strength    Microstructure    Fracture plane    

0 引言

红黏土在贵州省覆盖面积十分广泛(朱立军等,1996),许多工业厂房均以红黏土为地基持力层。其中,贵州某氧化铝厂建于1958年,厂区的大多数生产车间均以红黏土作为地基,课题组前期研究中发现因为厂内废碱液的下渗,使得红黏土地基的颜色以及物理力学性质发生变化。

1925年Terzaghi提出了土体结构性的概念,此后,人们对土体的结构性进行了广泛和深刻的研究,从最初的术语解释发展为形态描述与分类、微观定量化分析、宏微观关系的研究、本构模型,以及应用于工程实际,逐渐形成了土体微结构力学的理论与体系(沈珠江,1996胡瑞林等,1999周萃英,2000)。随着对土微观研究的深入,人们越来越清楚地认识到土的微观结构等微观机制对宏观力学性质的制约作用(廖义玲等,2003)。卓丽春等(2013)通过对网纹红土的颗粒和孔隙微观特征的研究,探讨网纹红土微观特征与力学性能之间的关系;郑芝恒等(2015)利用IPP提取3种不同材料的改良土的孔隙面积,孔隙数等参数计算了其孔隙比,实现了宏微观的结合;刘勇健等(2011)将灰色关联与神经网络应用到软土中,实现软土物理力学指标与微结构的联系。

土体在宏观过程中的表现,根本取决于土体微观结构的变化,土体的微观结构对土工程性质的重要性已成为共识。目前对土体宏-微观研究较多的是软土、黄土等,针对贵州地区红黏土的宏-微观研究极少,对人工污染以及结合实际污染源的红黏土宏-微观研究几乎没有。

本文考虑碱液质量分数和养护时间两个因素,采用NaOH粉末配制不同质量分数的碱液以及贵州氧化铝实际生产原液为污染源,通过浸泡的方式污染红黏土。通过室内固结慢剪试验,研究其抗剪强度的变化,并对其风干后土样进行电镜扫描试验,通过定性和定量分析,探究碱污染红黏土抗剪强度与微观的关系。为贵州地区碱污染红黏土的改良以及宏-微观关系的研究,提供一定的参考。

1 试验方案及试验过程
1.1 土样的选取

土样选自贵阳市贵州大学花溪西校区人工湖施工工地,下伏地层为三叠系安顺组中风化白云岩,取样深度为3 m,并尽量减少扰动(Vanmarcke,1977)。对天然原状土按含水比进行分类,土体划分为硬塑状态(表 1)。

表 1 天然红黏土基本物理特征 Table 1 Basic physical characteristics of undisturbed red clay

1.2 污染源的选取

在人工制备碱液的质量分数选取中,本文以贵州氧化铝厂实际生产中质量分数最高的入母液(化学成分见表 2)和质量分数最低的废水为参考。按Na+都是由NaOH提供计算,则废水约为质量分数为0.7% ~3.5%的NaOH溶液,入母液约为质量分数为22.5%的NaOH溶液。本文按照7的倍数分别制备NaOH溶液,即质量分数为0.7%,3.5%,7%,14%,21%(因试验人员的计算失误,将3.5%配制为3.8%),考虑到自来水对土样中离子、pH等的影响,采用蒸馏水配制碱溶液;另外设置一组蒸馏水试样做空白参考。后文定义蒸馏水为0,低质量分数为0.7%,高质量分数为3.8%,7%,14%,21%。

表 2 入母液的成分 Table 2 Composition of sources of the production process of alumina

结合时间效应,本文养护时间按10 d,20 d,40 d,80 d控制,考虑到贵阳年平均气温为20 ℃,因此将装有土样的烧杯置于温度为20 ℃的恒温水箱中养护。

1.3 碱污染红黏土的直剪试验

土的抗剪强度为土体最基本的力学指标。本文采用固结慢剪的方法,研究碱污染土的抗剪强度特性。试验中每个质量分数预设两组,每组4个样,垂直压力分别为100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa,试验结束后对每组数据用最小二乘法拟合求取黏聚力和内摩擦角,两组数据进行比对,若相差不大,则取其平均值,若相差较大再增加一组数据,3组数据取较接近的两组数据的平均值作为最终评定标准。

1.4 碱污染红黏土的微观试验

目前研究红黏土的微观结构的技术手段众多,例如光学显微镜、X射线衍射,而扫描电子显微镜(scanning electron microscope)运用最为广泛,是最普遍的手段之一。本文对碱污染红黏土进行直接剪切试验,当剪切位移为4 mm时,取破裂面土体,用钢丝条切取破裂面上1.5 cm×1.5 cm×1 cm的土块(受压300 kPa),自然风干后,使用德国蔡司电子扫描显微镜(型号:ΣIGMA+X-Max20)对其破裂表面进行拍摄。采用Image pro-plus(IPP)和PCAS(南京大学)软件对土体进行扫描电镜试验后所拍摄的微观图片进行分析,并统一选取2000倍下的微观图像进行定量分析。

2 碱污染红黏土的抗剪强度

图 1为竖向压力为300 kPa时碱污染红黏土的抗剪强度。由图 1可知:(1)碱污染后,抗剪强度整体增加;(2)蒸馏水养护下,随着养护时间的增加,抗剪指标几乎不变;(3)入母液下,抗剪强度最大,整体上高于其他溶液中养护土的抗剪强度;(4)低质量分数下,抗剪指标降低,且整体上低于其他溶液中养护土的抗剪强度;(5)高质量分数下,抗剪强度整体增加,且随着养护时间的增加呈先增大后减小,最终保持不变的趋势。

图 1 不同质量分数碱污染红黏土抗剪强度随时间变化情况 Fig. 1 Variation of shear strength of red clay polluted by different concentrations with time increase

3 碱污染红黏土破裂面的微观结构特征

结合抗剪指标的研究,本文挑选4类直剪试验后的土样作为代表进行分析(均受压300 kPa):(1)天然原状土,代表天然土以及蒸馏水养护下情况;(2)挑选21%NaOH质量分数下各养护天数土体,代表高质量分数下情况;(3)入母液下各养护天数土体,代表实际铝厂污染下情况;(4)0.7%NaOH质量分数下各养护天数土体,此时抗剪指标值较低,且土体十分松散,代表低质量分数下情况。

碱污染红黏土受荷后,首先排出的是孔隙中的液体和气体,土体微观结构的改变主要表现在孔隙和颗粒的面积、个数及排列方向等方面。本文以SEM图片的长和宽方向分别作为XY轴,以图片的灰度值作为Z轴,将图像进行三维化处理(图 2),并对比SEM图片,以确定较为合适的二值化阈值。

图 2 天然原状土SEM及三维显示(2000×) Fig. 2 SEM and 3D visualization of undisturbed soil sample (2000×) a.天然原状土(2000×);b.天然原状土表面的三维显示(2000×)

3.1 碱污染红黏土微结构定性参数的分析

将碱污染红黏土孔隙近似地视为等效椭圆,采用PCAS软件提取等效椭圆长轴的定向分布图(图 3)。

图 3 碱污染红黏土孔隙等效椭圆长轴定向分布图 Fig. 3 Directional distribution of porous equivalent elliptical long axis of polluted red clay by alkali a.原状土0;b.原状土(300 kPa);c. 0.7%10 d(300 kPa);d. 0.7%80 d(300 kPa);e. 21%10 d(300 kPa);f. 21%80 d (300 kPa);g.入母10 d(300 kPa);h.入母80 d(300 kPa)

3.1.1 孔隙长轴的定向分布

图 3可以看出,(1)天然原状土没有方向性,其孔隙等效椭圆长轴在0~360°上是均匀分布的,表现出多向性;(2)当天然原状土受压300 kPa后,图像表现出来较强的中性对称性, 且孔隙有着较为明显的等效长轴定向性;(3)低质量分数下,其孔隙的方向性略增强;(4)高质量分数下,孔隙的方向性较强,21%80 d时较为明显;(5)入母液下表现最为明显,入母80 d时方向性最强。

3.1.2 碱污染红黏土三维图

通过碱污染红黏土的三维图,可以较清晰地观察其颗粒和孔隙的变化情况(图 4)。

图 4 土样表面的三维显示 Fig. 4 3D display of soil sample surface a.原状土三维显示(2000×);b. 0.7%10 d三维显示(2000×);c. 21%10 d三维显示(2000×);d.入母80 d三维显示(2000×)

图 4可见,天然原状土的孔隙分布较为均匀,且土颗粒较大。与天然原状土进行对比,可以看出,低质量分数10 d时,孔隙面积变大,颗粒间存在大量孔隙,且土颗粒呈独立小山峰状,大颗粒变得细小,颗粒间十分松散,因此造成了低质量分数10 d时抗剪强度的降低;21%10 d时,孔隙面积变小,颗粒间排列较为紧密,且颗粒变得细小,因此造成了高质量分数10 d时抗剪强度的增加;入母80 d时,孔隙面积最小,且土颗粒呈大块状,土块间排列最为紧密,因此造成了入母80 d时,抗剪强度非常大。

3.1.3 吸附物分析

黏土矿物具有吸附性,可以吸附溶液中的物质,在SEM图片中可以看到吸附物的存在(图 5)。

图 5 土体SEM图 Fig. 5 Soil SEM diagram a. 21%40 d SEM图(2000×);b.入母10 d SEM图(2000×);c.入母80 d SEM图(2000×);d. 21%10 d SEM图(2000×)

图 5a图 5b可见,入母10 d和21%40 d NaOH土颗粒表面吸附了大量物质,这是由于黏土矿物具有吸附性,吸附了溶液中的离子以及盐类等,使其覆盖在土颗粒表面,也有少量填充在土颗粒之间,造成了高质量分数碱液和入母液中抗剪强度的增加。分别对图 5a图 5b进行定量处理,测得吸附物所占的面积为S1,图片总面积为S,则吸附物所占比为S1/S图 5a图 5b所测得的吸附物所占比分别约为11%、23%。

图 5c可见,由于入母液中反应复杂,80 d时,入母液中依然有部分物质可被吸附,且大多填充在土颗粒之间,造成了此时抗剪强度的增加。同样方法测得图 5c中吸附物所占比约为44%。

另外,从图 5d可以看出,高质量分数养护初期即21%10 d时,生成大量的新盐,填充在孔隙内,造成了10 d时抗剪强度的增加。

3.2 碱污染红黏土微结构定量参数的分析

廖义玲等(2003)将红黏土中的孔隙分为两大类,分别为集聚体内部的孔隙和集聚体间的孔隙。集聚体内部的孔隙即为“惰性孔隙”,这种孔隙在土体中大量存在,且在土体受压后,变化不大;集聚体间的孔隙即为“活性孔隙”,在土体受到压力后体积减小,它受外力作用而变化,制约着土的变形性能。

本文选取黑色区域的面积为孔隙面积,白色区域的面积为颗粒面积,独立黑色区域的个数为孔隙个数,独立白色区域的个数为颗粒个数。由于红黏土的黏粒粒径为5 μm(《工程地质手册》组委会,2015),本文根据孔隙的直径,对孔隙进行划分,直径小于5 μm2的独立黑色区域为惰性孔隙。

3.2.1 孔隙面积

土体的孔隙影响着土体的强度参数和变形参数,提取其孔隙总面积和惰性孔隙面积(图 6)。

图 6 碱污染红黏土孔隙面积与养护时间的关系 Fig. 6 Relationship between pore area of alkali contaminated red clay and alkali solution with time increase a.碱污染红黏土孔隙总面积与养护时间的关系;b.碱污染红黏土惰性孔隙面积与养护时间的关系

图 6可见,与天然原状土受压后相比:(1)总体而言,入母液和高质量分数下,孔隙总面积减小,整体低于天然受压土;入母液对孔隙总面积影响明显,随着养护天数的增大,其孔隙总面积越小;(2)低质量分数下,孔隙总面积变化不大;(3)高质量分数下,惰性孔隙面积整体增加,整体高于天然受压土,21%80 d时,增加了约21.9%;(4)低质量分数,整体上惰性孔隙面积明显减少,在养护天数10 d时,明显降低约50%,随着养护天数的增加,惰性孔隙面积变化不大;(5)由于入母液中吸附作用十分强烈,土体被吸附物质所覆盖,可以看出,入母液中养护土的总孔隙面积下降,入母液对惰性孔隙面积略有影响,其惰性孔隙面积略低于天然土,故入母液对活性孔隙的影响更为突出。

假设孔隙总面积为S,惰性孔隙面积为S1,则惰性孔隙面积比为S1/S。由图 7可见,与天然原状土受力后相比:(1)经计算,天然土中惰性孔隙面积比为23.53%,活性孔隙面积较大;(2)入母液和高质量分数下,惰性孔隙面积比增加,可以看出,这两种情况下,惰性孔隙所占比例增加;(3)低质量分数下,惰性孔隙面积比降低,80 d时低至12.20%,而其孔隙总面积略高于天然土,说明低质量分数下,活性孔隙有所增加。

图 7 碱污染红黏土惰性孔隙总面积比与养护时间的关系 Fig. 7 Relationship between the ratio of total inert pore area of alkali contaminated red clay and alkali solution with time increase

3.2.2 孔隙个数

图 8可见,与天然原状土受压后相比:(1)总体而言,碱污染使得红黏土中孔隙数量产生变化,尤其是惰性孔隙变化明显;(2)高质量分数下,孔隙总个数增大,整体高于天然土孔隙总个数;(3)低质量分数和入母液下,红黏土的孔隙总个数变小,整体低于天然土孔隙总个数,且入母液中最低,入母80 d时,降低了约51%;(4)低质量分数和入母液下,红黏土的惰性孔隙个数减少,整体上小于天然土惰性孔隙个数,且低质量分数下减少最多;(5)高质量分数下,惰性孔隙个数增大,整体高于天然土惰性孔隙个数。

图 8 碱污染红黏土中孔隙个数与养护时间的关系 Fig. 8 Relationship between the number of pores in alkali-polluted red clay and alkali solution with time increase a.碱污染红黏土孔隙总个数与养护时间的关系;b.碱污染红黏土惰性孔隙个数与养护时间的关系

假设孔隙总个数为N,惰性孔隙个数为N1,则惰性孔隙个数比为N1/N。经计算,天然土惰性孔隙个数比为76.30%。由图 9可见,与天然原状土受压后相比:(1)红黏土的孔隙以惰性孔隙为主;(2)低质量分数下,惰性孔隙个数比整体降低,可以看出,两个或多个活性孔隙变成更大的活性孔隙;(3)高质量分数和入母液下,惰性孔隙个数比整体增加,且入母液中最大,10 d高达98.8%,后基本上均为99%左右;可以看出,入母液中强烈的吸附作用,使得总孔隙总数减少,留下的几乎全为惰性孔隙;高质量分数下,活性孔隙转化成两个或多个惰性孔隙。

图 9 碱污染红黏土惰性孔隙个数比与养护时间的关系 Fig. 9 Relationship between inert void number ratio of alkali contaminated red clay and alkali solution with time increase

3.2.3 孔隙面积概率分布指数

Liu et al. (2011)提出孔隙面积概率分布指数,用来对特定区域内孔隙面积的分布性质进行定量描述,即表示孔隙面积在某特定区域内的密度。当其数值较小时,表明小面积孔隙较少,大面积孔隙较多(汤强等,2017)。本文对其孔隙面积概率分布指数进行提取(图 10)。

图 10 碱污染红黏土孔隙面积概率分布指数与养护时间的关系 Fig. 10 Relationship between probability distribution index of pore area of alkali contaminated red clay and alkali solution with time increase

图 10可知,与天然原状受压土相比:(1)总体而言,高质量分数和入母液下,孔隙面积概率分布指数增加,入母液中最大,入母80 d时,增加了约28.3%,可以看出入母液中小孔隙最多;(2)低质量分数下,孔隙面积概率分布指数整体减小,低质量分数80 d时,减少了约11.57%,可以看出,此时大孔隙最多;(3)随着碱液质量分数的增大,大孔隙越少,小孔隙呈增多的趋势。

3.2.4 颗粒个数

图 11可见,与天然原状土受压后相比:(1)总体而言,碱液及养护时间对红黏土颗粒个数影响明显;(2)随着养护时间的增加,高质量分数下10 d时出现极大值,此后一直减小,结合上文微观三维图像可知(图 4c),此时可能由于土体颗粒排列紧密且细小所致;(3)入母液养护下颗粒个数减少,根据上文微观三维图像可知(图 4b图 4c),这是由于此时土颗粒被大量吸附物所覆盖,造成了颗粒成块状结合在一起所致;(4)低质量分数下,土颗粒个数整体增多,结合土体孔隙总面积变大可知,此时土体变得松散。

图 11 碱污染红黏土颗粒个数与养护时间的关系 Fig. 11 Relationship between particle number of alkali contaminated red clay and alkali solution with time increase

3.2.5 孔隙概率熵

孔隙概率熵用来描述孔隙的方向性,其值为1时,表示孔隙分布最为混乱,即在各个方向上均匀分布;其值为0时,表示孔隙分布最有规律,即所有孔隙在同一个方向上(汤强等,2017)(图 12)。

图 12 碱污染红黏土孔隙概率熵与养护时间的关系 Fig. 12 Relationship between pore probability entropy of alkali contaminated red clay and alkali solution with time increase

图 12可见,与天然原状土受压后相比:(1)随着养护时间的增加,孔隙概率熵整体下降,说明在碱液及养护时间作用下,土体的孔隙的方向性变好;(2)低质量分数、高质量分数和入母液下,孔隙概率熵整体下降,且入母液中下降最多,说明入母液中,孔隙方向性最明显。

3.2.6 颗粒的扁圆度

颗粒的扁圆度即图像上垂直于最长弦的颗粒最大宽度与颗粒的最长弦之比(0~1之间)。通常扁圆度越小,颗粒越狭长,扁圆度为1时,颗粒为圆形(胡瑞林,1995)。通过计算得碱污染红黏土扁圆度,结果如图 13所示。

图 13 碱污染红黏土颗粒扁圆度与养护时间的关系 Fig. 13 Relationship between particle flatness of alkali contaminated red clay and alkali solution with time increase

图 13可见,与天然原状受压土相比:(1)养护10 d时,碱污染红黏土扁圆度略高于天然红黏土,可能由于养护初期,土体颗粒被吸附物所包裹;(2)入母液下,颗粒扁圆度降低最多,说明其颗粒最狭长,说明此时颗粒之间排列最为紧密,剪切时颗粒形状改变最多;(3)低质量分数下,颗粒扁圆度略微降低,说明颗粒依旧较为圆滑,这是由于此时土体中仍有大量活性孔隙所致。

3.2.7 颗粒形态分维

若砂土颗粒形态存在分形特征,则图像中颗粒面积和其等效周长存在下列关系(Voss et al., 1985):

$ \log P = \frac{D}{2}\log A + C $ (1)

式中,PA为图像中任意一个多边形的等效周长、等效面积;C为常数;D为图像对应砂土颗粒形态的分维数。

由于红黏土本身十分复杂,且具有自相似性,故符合分形特征(卓丽春等,2013; 宋宇等,2015)。用上述公式计算得到碱污染红黏土颗粒形态分维,结果如图 14所示。

图 14 碱污染土颗粒形态分维与养护时间的关系 Fig. 14 Relationship between fractal dimension of particle morphology of alkali contaminated red clay and alkali solution with time increase

图 14可见:(1)天然原状土颗粒形态分维数为1.68,结构较为复杂,这是由于天然原状土含有大量的集聚体,呈絮凝状等结构。从SEM图片以及定量分析中可知,由于含有大量的惰性孔隙,故结构表面起伏大,结构表面分维数较大,结构较为复杂;(2)总体而言,高质量分数和入母液中颗粒分维数减小,其中高质量分数80 d时,颗粒分维数降低至1.5412,入母液80 d时,颗粒分维数降低至1.551,这是由于颗粒表面被大量吸附物所覆盖,因此颗粒复杂度变小。

4 微观结构对抗剪强度变化的响应规律
4.1 碱、土作用定性分析

高质量分数下,养护初期,土颗粒中的游离氧化物会与碱液发生反应,使得土颗粒间的连接变弱(宋宇等,2015),造成土体变得松散;另外,由于土体中存在大量铝质、铁质胶结,它们与碱液发生反应生成新盐,如Na2SiO3、Fe(OH)2等,填充在土颗粒之间,使得土颗粒排列紧密,导致养护初期土体抗剪强度增加,且NaOH质量分数越大,其反应越剧烈。随后,新盐溶解并迁出土体,造成土颗粒间的孔隙变大,导致抗剪强度的降低。随着养护时间的继续增加,土颗粒继续与碱液发生反应,生成新的胶结物质,增加土颗粒间的黏结作用,填充在颗粒之间,使得土体排列更为紧密,导致土体抗剪强度增大。最终,胶结物质溶解生成易溶盐,达到离子平衡,抗剪强度最终保持稳定。

低质量分数下,在各个阶段,所测得的黏粒含量均较高。由于NaOH具有分散作用,因此,推测0.7%质量分数的NaOH分散效果最好,造成此时土体十分松散,因此,低质量分数下,测得土体的抗剪强度整体较低。

入母液比重约为1.2左右,除了含有NaOH以外,还有苛性钠等成分。此时土颗粒中黏土矿物的吸附作用十分强烈,吸附溶液中的Na+以及其他比重较小的物质,并结合为较大的集合体附着在土颗粒表面或填充在土颗粒之间,最终造成抗剪强度大幅度地增加。

4.2 碱污染红黏土受压过程

高质量分数下,红黏土受压的过程是活性孔隙受压后体积减小,压密为两个或多个小孔隙,而小孔隙体积变化不大的过程。另外,土体中的孔隙大多数均为惰性孔隙,养护后期惰性孔隙个数比高达85%左右,仅有约15%的活性孔隙可被压缩,此时对土体继续施压,土体仍可被压缩,体积会略减小。

入母液中除了NaOH与土颗粒反应外,入母液中黏土矿物的吸附作用极其强烈。黏土矿物表面吸附了溶液中大量物质,大多数孔隙被吸附物覆盖或填充,使得土颗粒间的孔隙体积减小。当其受压后,土体中的惰性孔隙基本上不被压缩,此时土体中的孔隙绝大多数均为惰性孔隙,且惰性孔隙个数比高达99%,土体基本上密实,此时若对土体继续施压,土体的体积基本上不会再发生变化。

NaOH本身具有分散作用,推测质量分数为0.7%时,分散作用最好,因此导致低质量分数下,土体十分松散,活性孔隙居多,受压后活性孔隙被压密。另外,养护后期惰性孔隙个数比达60%左右,土体中仍有40%的活性孔隙可被压缩,此时若仍对土体继续施压,土体中仍有很多活性孔隙可被压密,土体体积变小。

碱污染红黏土剪切的过程,是孔隙的定向排列,颗粒变得狭长的过程。

高质量分数下,土颗粒排列较为紧密,既有颗粒间连接薄弱处发生破裂,还有土颗粒间的摩擦力发挥作用;另外,土颗粒发生折断(图 15a),因此颗粒的形态较为狭长,且孔隙也表现出较好的定向性(图 16a)。

图 15 片状颗粒集聚体 Fig. 15 Sheet particle agglomeration a. 21%10 d 300 kPa;b.入母80 d 300 kPa;c. 0.7%80 d 300 kPa

图 16 颗粒重新组合和定向排列概图 Fig. 16 Recombination and qualitative arrangement of particles a.高质量分数下,颗粒重新组合和定向排列概图;b.入母液下,颗粒重新组合和定向排列概图;c.低质量分数下,颗粒重新组合和定向排列概图

入母液中吸附作用最为强烈,土颗粒排列最为紧密,小孔隙数目多,因此颗粒间的摩擦力发挥的最为充分;另外,土颗粒发生折断、破裂(图 15b),集聚体再重新组合,颗粒形态变化最大,也最为狭长,孔隙的定向性也最明显(图 16b)。

低质量分数下,NaOH分散效果最好,颗粒间的活性孔隙比较多,土体受压剪切后,颗粒间连接较为薄弱处最先发生破裂,因此颗粒整体保持着原来的较圆滑形态;另外,土颗粒无较大改变,仍由片状颗粒组成的集合体(图 15c),且孔隙整体依旧较大,因此方向性略增强(图 16c)。

5 结论及建议

(1) 碱污染高质量分数下,整体上红黏土的抗剪指标提高,土体受压剪切时,活性孔隙压密为两个或多个小孔隙,且呈较好的方向性;另外,既有颗粒间连接薄弱处发生破裂,又有土颗粒间的摩擦力发挥作用,且土颗粒发生折断,变得较为狭长;此时,若继续施加压力,土体体积略减小。

(2) 碱污染低质量分数下,整体上红黏土的抗剪指标降低,碱液使得红黏土颗粒失去黏性,土体十分松散;土体受压剪切时,活性孔隙被压密,且方向性略增强;另外,大都为土颗粒间连接薄弱处发生破裂,且仍保持较好的圆度,土颗粒仍为片状集合体;此时,若继续施加压力,土体体积仍继续减小。

(3) 入母液下,整体上红黏土的抗剪指标最大,此时,土体中黏土矿物的吸附作用十分强烈,颗粒间接触最为紧密,土体受压剪切时,土体中基本上均为惰性孔隙,且方向性最好;土颗粒间的摩擦力发挥主要作用,土颗粒发生折断、破裂,颗粒变得最为狭长;此时,若继续施加压力,土体体积几乎不发生变化。

(4) 碱污染红黏抗剪强度的变化,是由碱液与土颗粒发生化学反应、黏土矿物的吸附作用、微观结构发生变化等共同作用所致。

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