工程地质学报  2018, Vol. 26 Issue (5): 1318-1325   (3003 KB)    
黏性土次固结行为的盐分和矿物效应研究
张彤炜①②, 邓永锋, 张帆宇①②, 张虎元①②, 兰恒星④⑤    
① 兰州大学土木工程与力学学院 兰州 730000;
② 兰州大学西部灾害与环境力学教育部重点实验室 兰州 730000;
③ 东南大学交通学院岩土工程研究所 南京 210096;
④ 中国科学院地理科学与资源研究所 北京 100101;
⑤ 长安大学地质工程与测绘学院 西安 710064
摘要:我国江苏北部连云港地区海相软土蒙脱石族矿物含量相对较高,且在海陆交互环境中沉积形成,沉积过程中具有孔隙水盐分较高的特点,但在后沉积过程中由于地表和地下淡水入侵,会使孔隙水盐分发生变化,而相应的次固结行为的变化规律尚不明晰,因此需要深入了解矿物成分、孔隙水盐分在软黏土次固结行为中的作用机制。由于天然软黏土的矿物成分、孔隙水成分差异较大,试验材料采用矿物成分均一的商用高岭土与膨润土组成的人工黏土作为研究对象,配制不同浓度的NaCl溶液作为孔隙水,模拟孔隙水盐分变化。通过常规固结试验,发现对于含蒙脱石矿物的人工黏土,压缩指数Cc随着盐分浓度的增加而减小,主固结完成时间随盐分的增加而提前,且同一应力水平下和孔隙比下,次固结系数随着盐分的增加而减小。在同样的上部荷载下,次固结系数与压缩指数的比值Cα/Cc不再保持为经验常数,而是随着孔隙水盐分的增加而偏离经验值,主要原因为盐分对水膜蠕变的影响。但是,对于主要由高岭石矿物构成的人工黏土,孔隙水盐分浓度则未对其次固结参数产生明显的影响。因此,如果场地的黏性土蒙脱石含量较高且孔隙水含盐量较高,则需要考虑孔隙水盐分的变迁对地基长期变形的影响。
关键词黏性土    矿物成分    孔隙水盐分    固结行为    次固结系数    
SALINITY AND MINERALOGY EFFECTS ON SECONDARY CONSOLIDATION BEHAVIOR OF CLAYS
ZHANG Tongwei①②, DENG Yongfeng, ZHANG Fanyu①②, ZHANG Huyuan①②, LAN Hengxing④⑤    
① Lanzhou University, School of Civil Engineering and Mechanics, Lanzhou 730000;
② Lanzhou University, Key Laboratory of Mechanics on Disaster and Environment in Western China, Lanzhou 730000;
③ Southeast University, Transportation College, Institute of Geotechnical Engineering, Nanjing 210096;
④ Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101;
⑤ Chang'an University, School of Geological Engineering and Geomatics, Xi'an 710064
Abstract: The soft marine clay, deposited under the marine environment in North of Jiangsu plain, is rich of the montmorillonite and saline water. During the post-sedimentary period, the soil suffers the invasion of the surface and underground freshwater, leading to the alteration and reduction of pore water salinity. Presently, the secondary consolidation behavior is generally based on the in-situ soil behavior in a current environment. Hence, this non-consideration on the pore water salinity alteration may result in the insufficient redundancy and potential risk. To clarify the evolution of the soils' secondary consolidation behavior due to the alteration of pore water salinity, the impact of pore water salinity and clay mineral on the soil behavior is necessary to be investigated. To simplify the mineralogy influence, the commercial kaolin and bentonite are selected. The consolidation behavior of artificial clays changing with pore water salinities(NaCl solution) are investigated using oedometer tests. The results showed that the compression index Cc and the primary consolidation process of bentonite-kaolinite mixture decrease with water salinity increasing. At a certain applied stress and void ratio, the secondary consolidation coefficient Cα of montmorillonitic clay also decreases with water salinity increasing. Meanwhile, the ratio of Cα to Cc is not a constant and deviated from empirical data. The main mechanism is that the compression of diffused double layer. However, the water salinity does not significantly influence secondary consolidation behavior of kaolin. Therefore, it is important to take pore water salinity into consideration for secondary consolidation prediction of montmorillonite-rich clays.
Key words: Soft clay    Clay mineral    Pore water salinity    Consolidation behaviour    Secondary consolidation coefficient    

0 引言

土的压缩性是决定地基变形的关键特性,而软黏土存在明显的次固结特性,主固结完成后仍会随着时间的发展发生次固结。目前对于土体次固结变形影响因素的研究主要集中在土体孔隙比、加载速率、加载历史、施加的应力水平等方面(殷宗泽等,2003张彤炜等,2014)。以往研究中曾提出,对于同一类土,其次固结系数Cα与该级压力下的压缩指数Cc比值通常为经验常数,因此常采用Cα/Cc这一指标预测土的次固结变形(Mesri et al., 1979, 1987, 1997, 2005; 张彤炜等,2014; 韩剑等,2018)。曾玲玲等对结构性软黏土的次固结特征展开了研究,提出天然沉积结构性土在结构屈服前其次固结系数较小,屈服压力后的结构坍塌引起较大的次固结变形(曾玲玲等,2010)。同时,发现重塑黏土的双对数次固结系数与液限孔隙比的存在较好的相关性。但是,以上研究未考虑孔隙水的化学作用对次固结特性的影响(曾玲玲等,2012)。

根据李国刚(1990)对中国近海表层沉积物中黏土矿物的组成和分布的分析,由于古黄河改道,我国江苏北部连云港地区海相软土的蒙脱石族矿物含量较高,且在海洋沉积环境下形成,具有孔隙水NaCl盐分浓度较高的特点。邓永锋等(2015)对距海岸线不同距离处的两条公路(连临高速公路与临海高等级公路)进行多孔原位勘察和测试,并选取离海岸线50 m处和离海岸线30 km处两个取样点,分析两个场地土体的矿物成分和离子浓度等主要参数。分析结果显示,取样点土体的次生矿物以伊蒙混层为主,孔隙水以Na+和Cl-两种离子成分为主。近海点位孔隙水的总含盐量为4.9%,而远离海岸线点位孔隙水的盐分约为0.9‰。对于相同矿物成分与应力历史的软黏土,由于盐分浓度的差异,土体的原位强度差异较大。解决江苏北部地区基础设施运营中出现的软黏土地基问题,就需要对矿物成分、孔隙水盐分在软黏土次固结特性中所起的作用,有一个较为全面的认识。

天然黏土矿物成分、孔隙水离子成分差异较大。为了控制分析变量,本文试验材料采用矿物成分均匀的商用高岭土与膨润土组成的人工黏土作为研究对象,其黏土矿物分别为高岭石和蒙脱石,是软黏土中典型的黏土矿物;配制不同浓度的NaCl溶液模拟天然沉积软土孔隙水盐分变化。在固结试验的基础上,对人工黏土的次固结系数,在盐分浓度、应力水平、孔隙比、Cα/Cc 4个参量下进行讨论。

1 试验方法
1.1 试验材料

试验材料为牧丰高岭土、镇江膨润土,土的基本物理指标如前所述。比重、比表面积和可交换阳离子量等参数见表 1。采用氯化钠(NaCl)分析纯配制盐溶液,盐溶液的质量浓度设置为1%、3%、5%、10%(溶质与溶液的质量比),换算摩尔浓度分别为0.17 mol·L-1、0.52 mol·L-1、0.86 mol·L-1、1.7 mol·L-1

表 1 膨润土和高岭土的基本性质 Table 1 The basic properties of bentonite and kaolin

1.2 试验过程

人工黏土的制样过程如下所述。首先,将干燥的高岭土与膨润土按照3种质量比搅拌均匀:纯高岭土(命名为K)、膨润土:高岭土质量比=1︰19(命名为B5%K95%)、膨润土:高岭土质量比=1︰9(命名为B10%K90%)。其次,将人工黏土按照1.0~1.2倍液限(1.0 WL~1.2 WL)的目标含水率,与蒸馏水或NaCl溶液混合至泥浆状态,再次搅拌均匀后,采用自封袋密封放置在标准养护室内24 h。养护完成后,称取相同质量的泥浆,缓慢填入环刀内,抽真空饱和后,称取试样质量,得到土的密度、初始含水量和初始孔隙比。试样的初始参数列于表 2表 3

表 2 膨润土和高岭土的矿物成分 Table 2 The mineralogy of bentonite and kaolin

表 3 试样初始参数 Table 3 The basic properties of bentonite and kaolin

一维固结试验的试样高度为20 mm,直径61.8 mm,按照加荷比为1的标准分级加载。固结盒采用有机玻璃制成(图 1),外部溶液浓度与试样混合溶液浓度相同,以平衡外离子浓度。对于液限以上的泥浆试样加载范围为0.18 ~1600 kPa,在1600 kPa下固结完成后卸载,得到土的回弹变形曲线。一维固结试验中以24 h作为每级加载时间的标准。固结试验完成后,绘制孔隙比e与荷载对数lgp的关系曲线(压缩曲线),以及孔隙比e与时间对数lgt的关系曲线(固结曲线)。

图 1 有机玻璃固结盒示意图 Fig. 1 The sketch of plexiglass odometer cell

2 试验结果
2.1 压缩曲线

图 2a~图 2c分别为试样K、B5%K95%、B10%K90%在不同盐分浓度下固结试验的e-lgp曲线。图中B代表膨润土,K代表高岭土,B之后的数字代表质量百分比,加号后为盐分的质量百分比,例如B5%K95%+5%代表膨润土与高岭土按照5%与95%的质量比混合,NaCl溶液的质量浓度5%。

图 2 试样压缩曲线 Fig. 2 Compression curves of samples a. K; b. B5%K95%; c. B10%K90%

图 2a中看出,重塑高岭土的压缩曲线基本为直线,而加入膨润土的重塑黏土(图 2b~图 2c),其e-lgp曲线初始阶段存在反弯点。Hong et al. (2010)在对0.7 wL~2.0 wL范围内的天然土重塑后进行固结试验,发现了相似结果,并命名前后直线段的交点为“吸压力”(Suction pressure)。初始状态同为泥浆的试样,随着膨润土的增加,盐分浓度对“吸压力”也开始产生影响,对于5%膨润土含量的试样影响较小(图 2b),而对10%膨润土含量试样影响较大(图 2c)。图 2c中,对于同样的初始含水率,随着孔隙水的盐分增加,“吸压力”相应地降低。

同时,图 2结果显示,K试样的压缩指数Cc随盐分浓度的增加无明显的改变,但试样B5%K95%和B10%K90%在“吸压力”后,压缩指数随孔隙水的盐分的增加而明显减小。

2.2 固结曲线

图 3为试样K与蒸馏水和1.7 mol·L-1浓度的NaCl溶液混合试样在25 kPa、200 kPa、400 kPa和800 kPa压力下的e-lgt曲线。从试验结果可以看出,在24 h的加载时间内,土体进入次固结阶段,且次固结阶段e-lgt曲线基本呈线性关系。在25 kPa压力下,K+0与K+10%的次固结开始时间tp分别为80 min和50 min;200 kPa压力下,分别为tp=6 min和tp=7 min;400 kPa压力下,分别为tp=6 min和tp=10 min;800 kPa压力下,分别为tp=2 min和tp=3 min。根据固结系数Cvt50计算法及试验结果说明,K+0与K+10%的次固结开始时间差别小于1个数量级,固结系数的差别也较小。

图 3 K+0和K+10%的e-lgt曲线 Fig. 3 e-lgt curves of K+0 and K+10%

图 4为试样B5%K95%与蒸馏水和1.7 mol·L-1浓度的NaCl溶液混合试样在25 kPa、200 kPa、400 kPa和800 kPa压力下的e-lgt曲线。从图中可以看出,在25 kPa压力下,次固结开始时间tp为75~100 min;100 kPa压力下,tp=45~60 min,虽然tp随盐分增加而减小,但差别在1个数量级以内,影响不明显。在400 kPa和1600 kPa压力下,随盐分增加,tp随盐分浓度的增加而提前,范围为40 ~1 min,差别在1个数量级以上。

图 4 B5%K95%+0和B5%K95%+10%的e-lgt曲线 Fig. 4 e-lgt curves of B5%K95%+0 and B5%K95%+10%

图 5为B10%K90%+0与B10%K90%+10%试样在25 kPa、100 kPa、400 kPa、1600 kPa的e-lgt曲线对比,各级压力下,次固结开始时间tp和主固结结束时间随盐分浓度的增加而提前,且1600 kPa压力下差别在1个数量级。各级压力下,B10%K90%+0与B10%K90%+10%试样的tp分别为150 min和100 min,100 min和30 min,50 min和10 min,30 min和4 min。

图 5 B10%K90%+0和B10%K90%+10%的e-lgt曲线 Fig. 5 e-lgt curves of B10%K90%+0 and B10%K90%+10%

3 结果讨论
3.1 盐分对Cα-lgp关系的影响

通常土体的次固结变形指超孔隙水压力消散后及主固结完成后的变形,其内在机理为土颗粒表面的结合水膜蠕变及土粒结构重新排列等作用(曾玲玲等,2012)。次固结系数Cα是反映土骨架蠕变速率的参数,定义为次固结阶段孔隙比增量与对数时间增量的比值:

$ {C_\alpha } = \frac{{\Delta e}}{{\Delta \lg t}} $ (1)

式中,e为孔隙比;t为固结时间。Mesri et al. (1985)通过有效应力的变化定义主固结和次固结,主固结阶段有效应力随时间的变化不为零,而次固结阶段有效应力随时间不发生变化(图 6)。当缺少孔隙水压力的测量数据,可按照图 6所示的方法,根据e-lgt曲线的直线段的交点确定主固结结束的时间,然后计算次固结系数(Mitchell,1976; 殷宗泽等,2003)。

图 6 次固结系数的确定方法 Fig. 6 The determination of secondary consolidation coefficient

图 7a~图 7c为所有试样次固结系数Cα和lgp关系曲线。试验结果显示,所有试样的次固结系数在初始阶段随着荷载的增加而减小,但是在1600 kPa的上部压力下次固结系数增加。当膨润土含量大于10%,Cα-lgp关系曲线随着盐分浓度的增加而向下移动,而膨润土含量小于10%,Cα-lgp关系曲线较接近,这说明膨润土含量较高,则次固结系数随着盐分的增加而降低。

图 7 试样的Cα-lgp关系曲线 Fig. 7 The Cα-lgp curves of samples

由于软黏土次固结行为产生的机理主要是结合水膜的蠕变。根据双电层理论,孔隙水离子浓度的增加会引起双电层和结合水膜厚度的缩小,因此同一应力水平下,孔隙水离子浓度较高的B10%K90%试样产生较小的次固结变形。Sridharan et al. (1975)曾经指出,高岭石矿物的双电层厚度受孔隙水离子浓度的影响较小,因此盐分也未对K和B5%K95%的次固结系数产生明显的影响。同时,盐分对次固结系数产生的影响随着应力水平的增加而减小,其主要机理为较高应力水平下水膜已经被充分压缩,产生较小的蠕变。

3.2 盐分对Cα-e关系的影响

不同固结压力下最终的孔隙比e与对应的次固结系数Cα绘于图 8a~图 8c中。观察结果可知,对于高岭土,次固结系数随孔隙比的增加而先减小后增大,而盐分对次固结系数的影响较小。对于含膨润土的人工黏土,其次固结系数总体随孔隙比的增加而先减小后增大。但是,孔隙水为蒸馏水试样的e-Cα曲线整体位于其他试样的上方,且相同孔隙比下,随着孔隙水盐分浓度的增加,次固结系数减小。以上试验现象的主要机理推测为蒙脱石矿物双电层的压缩导致水膜厚度减小,进而引起结合水蠕变减小。

图 8 试样的Cα-e关系曲线 Fig. 8 Cα-e curves of samples

3.3 盐分对Cα/Cc比例的影响

以往学者曾提出,对于同一类土,其次固结系数与该级荷载下的压缩指数比值通常保持为某个经验常数,工程实践中采用该比值可以预测土的次固结变形,试验所得的经验常数范围如下:不含有机物的软黏土,Cα/Cc范围为0.04±0.01;含有机物的软黏土,Cα/Cc范围为0.05±0.01;泥炭土的范围为0.075±0.01(Mesri et al., 1987, 1979, 1997, 2005)。但是,以上研究未考虑孔隙水的化学作用对次固结系数的影响。

图 9为所有试样CαCc的关系,从图中看出,对于高岭土,Cα/Cc基本分布于Mesri et al. (1979)提出的非有机质黏土的Cα/Cc=0.04的预测值周围。而人工黏土中加入膨润土后(含量5%以上),Cα/Cc由于盐分在初始阶段的“改变水膜厚度”作用,不再为常数,且大部分小于Cα/Cc=0.04的预测值。以上结果的主要原因为次固结系数Cα与压缩指数Cc都随着盐分的增加而减小,因此Cα/Cc不再为常数。

图 9 不同孔隙水盐分和矿物试样的CαCc比例 Fig. 9 The relationships between Cα and Cc of samples with different pore water salinity and clay mineral

4 结论

本文针对连云港海陆交互相软黏土中含有蒙脱石族黏土矿物,且孔隙水盐分动态变化的特征,以人工重塑软黏土为研究对象,开展了重塑软黏土的次固结行为研究,主要结论如下:

(1) 对于含蒙脱石矿物的黏性土试样K5%B95%和K10%B90%,屈服后的压缩指数Cc随孔隙水盐分浓度的增加而减小,次固结开始时间tp和主固结结束时间随孔隙水盐分浓度的增加而提前。对于高岭石为主的黏性土试样K,其压缩曲线和固结过程则受盐分影响较小。

(2) 对于含蒙脱石矿物的人工黏土,次固结系数和荷载对数的关系曲线,以及次固结系数和孔隙比的关系曲线,都整体随着盐分的增加而下移。说明对于相同荷载或孔隙比,盐分浓度越低,次固结系数越小。由于盐分的影响,Cα/Cc的比值不再接近常数,而是随着盐分浓度的增大而减小。主要机理为盐分增加,引起结合水膜厚度减小,进而减小了结合水蠕变和次固结系数。因此,如果场地的黏性土蒙脱石含量较高且孔隙水含盐量较高,则需要考虑孔隙水盐分的变迁对地基长期变形的影响。

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