7种重塑黏土的一维压缩-卸荷行为_马全国.pdf

：文章编号：（）种重塑黏土的一维压缩卸荷行为马全国，赵垒，郎梦婷，赵鑫鑫，李颖，易先达，周葆春（信阳师范学院 河南省非饱和土与特殊土工程技术研究中心建筑与土木工程学院，河南 信阳 ）摘要：重塑黏土的一维压缩卸荷行为是黏土最基本的力学特征。为此，开展系统的种重塑黏土一维压缩卸荷试验与相应物理化学性质指标及矿物成分测试，在此基础上，评价黏土压缩卸荷行为经典预测公式的适用性。结论如下：（）个经典压缩指数公式预测效果均较好，其中 公式最优。（）种重塑黏土孔隙比指数有效一维固结压力关系与 固有压缩线经验公式几乎重合。（）、一维压缩曲线方程预测效果均较好，其中 方程更优。（）、回弹指数公式预测效果均较好，其中 公式更优。（）压缩指数、回弹指数与比表面积、阳离子交换量均有很强的相关性，且与比表面积的相关性强于与阳离子交换量的相关性。（）压缩指数与回弹指数比值最低为，最高为，超出了 的范围，且随塑性增大而降低。关键词：重塑黏土；压缩指数；回弹指数；液限；塑性指数；比表面积；阳离子交换量中图分类号：文献标识码：开放科学（资源服务）标识码（）：o o o o o o o，o （，）：，：（），（）（），（），（）（），o ：；引言重塑黏土的一维压缩卸荷行为是黏土最基本的力学特征，是研究土体结构性的基准。临界状态土力学 模型体积变化参数（对数硬化模量与等向膨胀指数）亦可由其确定，因而在土力学中占据基础的和独特的位置，研究成果非常丰富，主要脉络梳理如下：收稿日期：；修订日期：；通信联系人，：；基金项目：国家自然科学基金项目（，）；信阳师范学院青年骨干教师资助计划（）作者简介：马全国（），男，河南光山人，讲师，硕士，主要从事岩土工程领域的研究。信阳师范学院学报（自然科学版）第 卷第期 年月 （）发现重塑黏土压缩指数与液限有密切相关性，与 （）量化了该相关性：.（），（）即 压缩指数公式。与 （）基于临界状态土力学框架建议了重塑黏土压缩指数与塑性指数的相关公式：。（）若取土粒比重.，则。（）与（）基 于 扩散双电层理论建议了重塑黏土一维压缩曲线方程：.，（）其中：为孔隙比，为有效一维固结压力，为液限对应的孔隙比。根据土的基本体积质量关系（为饱和度，为含水率），对饱和土而言。由此，式（）给出一个根据物性指标（与）预测重塑黏土一维压缩曲线的方法。与（）建议了与的相关公式：.。（）（）定义了孔隙比指数：，（）其中：、为重塑黏土分别在 、下的孔隙 比，为 固 有 压 缩 指 数（）。亦给出 与、与、与 的经验关系：.，（）.，（）.（）。（）式（）可写成：，（）将式（）式（）代入式（），可得：（.（）（.）（.）。（）可见式（）亦给出一个根据物性指标（）预测重塑黏土一维压缩曲线的方法。对于重塑黏土回弹指数，一般认为为的 ，如 与 （）建议：.，（）约为式（）中的。再如 与 （）建议：，（）为式（）中的。实际上，重塑黏土压缩性随矿物成分而变化，其复杂之处在于：黏土是不同矿物成分的混合物，如何综合体现矿物成分的影响是构建重塑黏土压缩行为预测公式的核心问题。在黏土物理化学性质指标中：液限为黏土液塑态间界限含水率；塑性指数为黏土表现出塑性行为的含水率范围；比表面积 为单位质量黏土的表面积；阳离子交换量 为由于黏土矿物上的静负电荷导致黏土所能吸附的各种阳离子总量。这种物化指标与黏土矿物成分密切相关，是相关黏土压缩行为预测公式合理性的土质学基础。为此，本文开展系统的 膨润土、荆门黄褐色膨胀土、黏土岩、荆门棕褐色膨胀土、信阳黏土、武汉黏土、三门峡粉质黏土的一维压缩卸荷试验与相应物理化学性质指标及矿物成分测试，在此基础上，评价 （）、与 （）、与 （）、（）压缩指数公式的适用性；评价 与 （）、（）一维压缩曲线方程的适用性；评价 与 （）、与 （）回弹指数公式的适用性；探讨压缩指数和回弹指数间的相关关系、分别与比表面积（）和阳离子交换量（）的相关性。本文一方面试图提供一组高质量重塑黏土一维压缩卸荷试验数据，用于相应本构模型标定与校准；另一方面试图评价黏土压缩卸荷行为经典预测公式的适用性，为相应岩土工程设计与分析提供参考。试验方案试验土样采用 膨 润 土、荆 门 黄 褐 色 膨 胀 土、黏土岩、荆门棕褐色膨胀土、信阳黏土、武汉黏土、三门峡粉质黏土种土样，其物理化学性质指标测试结果见表。采用文献 推荐的 射线衍射矿物成分试马全国，赵垒，郎梦婷，等 种重塑黏土的一维压缩卸荷行为验获得矿物相对含量（质量分数），见表。由表和表可得，种黏土的塑性大小与其黏土矿物的占比具有显著的正相关性。表试验用土的物理化学性质指标 o o o 土样名称比重液限塑限塑性指数活性指数塑性 定名 （）（）自由膨胀率膨胀潜势 膨润土 极高 强荆门黄褐色膨胀土 高 中 黏土岩 中等 荆门棕褐色膨胀土 中等 弱信阳黏土 中等 弱武汉黏土 中等 三门峡粉质黏土 中等 注：、分别为粒径 、占比。表矿物成分（）o o o（）土样名称原生矿物石英钾长石斜长石方解石铁白云石重晶石赤铁矿黏土矿物蒙脱石高岭石伊利石绿泥石伊蒙混层 膨润土 荆门黄褐色膨胀土 黏土岩 荆门棕褐色膨胀土 信阳黏土 武汉黏土 三门峡粉质黏土 泥浆固结样制备将土样风干、碾散、过 筛，测定风干含水率。加水至含水率达倍液限，在日本诚研舍真空搅土器（图）中搅拌均匀后，将泥浆倒入透明固结容器（高 、内径 ）；将容器置入高压固结仪的加压框架正中（图），施加目标固结压力。图真空搅土 o 图泥浆固结 o o o 根据设备情况设定目标固结压力为 。泥浆呈液态，需按、的压力等级逐级加荷至目标压力，每个压力等级下均需固结稳定后方可施加下一级压力，试验过程中通过百分表监测试样高度变化，固结稳定标准为试样高度变化在 以内。固结完成后，将试样推出透第 卷第期信阳师范学院学报（自然科学版）：年月明固结容器，用保鲜膜包好（图），置于保湿缸中备用。图泥浆固结样 o o 一维压缩卸荷试验用直径、高度 的环刀沿泥浆固结样（图）竖向切取泥浆固结土环刀试样。在高压固结仪上，分别对种泥浆固结环刀试样开展一维压缩卸荷试验，试验参照“标准固结试验”方法 执行，压力等级为、。每级压力下稳定标准为。结果与分析一维压缩卸荷试验结果种重塑黏土的一维压缩卸荷试验结果见表，根据表在单对数坐标系中绘制一维压缩曲线、一维卸荷曲线分别见图与图。由图可见，低于 应力区间内的一维压缩曲线均呈现非线性，这是由于重塑黏土制样固结压力为 所致；而在 应力区间内种重塑黏土的一维压缩曲线均大体呈线性。此外，塑性极高的 膨润土位于 图中上部且坡度最大；塑性高的荆门黄褐色膨胀土位于中部且坡度居中；塑性中等的 黏土岩、荆门棕褐色膨胀土、信阳黏土、武汉黏土、三门峡粉质黏土曲线位置接近，位于下部且坡度较小。该现象表明，重塑黏土一维压缩曲线位置和形态与其塑性密切相关，而土的塑性体现于液限、塑性指数、比表面积、阳离子交换量等物理化学性质指标，这是采用以上指标建立其与一维压缩曲线及其参数（压缩指数）间经验关系的试验基础。表一维压缩卸荷试验结果 o o o o o o o 垂直压力 孔隙比 膨润土荆门黄褐色膨胀土 黏土岩荆门棕褐色膨胀土信阳黏土武汉黏土三门峡粉质黏土 马全国，赵垒，郎梦婷，等 种重塑黏土的一维压缩卸荷行为图一维压缩曲线 o o o 由图可见，从 卸荷到 ，种重塑黏土的一维卸荷曲线均呈线性，其坡度（回弹指数）亦大体随土样塑性降低而降低，这亦是建立回弹指数与其各指标间经验关系的试验基础。下面分别从压缩指数、一维压缩曲线方程、回弹指数几个方面探讨土的压缩性与各物理化学性质指标间的关系。图一维卸荷曲线 o o 压缩指数线性拟合图中种重塑黏土的一维压缩曲线上 应力区间内数据点，获得种重塑黏土的压缩指数列在表中。采用表给出的比重与液限，计算出种重塑黏土的列在表中。表压缩性指标值 o o o o 土样名称 膨润土 荆门黄褐色膨胀土 黏土岩 荆门棕褐色膨胀土 信阳黏土 武汉黏土 三门峡粉质黏土 采用种重塑黏土压缩指数实测结果评价 （）、与 （）、与 （）、（）压缩指数公式的适用性，评价指标为：决定系数和均方根误差（，）。评价结果见表与图。可见个公式均取得了很好的预测结果，均 大 于.；从 看，与 公 式（）取 得 了 最 好 的 预 测 效 果，为 。表压缩指数公式预测效果 o o o o 公式来源 .（）（）（）.（）.（）.本文.本文.第 卷第期信阳师范学院学报（自然科学版）：年月图压缩指数公式适用性评价 o o o o o 种 重 塑 黏 土 压 缩 指 数实 测 结 果 与 其 、的相关关系亦见图与表。可见，与 线性相关的决定系数为.，低至 ；与 线性相关的决定系数为.，为 ；表明采用 与的相关关系具有更好的再现效果。.一维压缩曲线方程采用表给出的种重塑黏土一维压缩试验结果，获得相应 、列在表中。将表中孔隙比代入式（）所示的孔隙比指数表达式，分别绘制种重塑黏土的 关系曲线见图，再将式（）所示的 建议的与 的经验关系（即固有压缩线 ，经验公式）绘制在图中，可见种重塑黏土的 关系曲线与固有压缩线经验公式（式（）几乎重合，验证了 经验公式的有效性。图种重塑黏土 关系 o o o 此外，图显示压缩曲线初始部分（低于 应力区间）偏离固有压缩线。本文认为，这亦是由于重塑黏土制样固结压力为 ，理论上其固结屈服应力应为 ，即文中压缩曲线并非直接由泥浆固结所致。采用式（）表示的 与 （）给出的、式（）表示的 （）给出的一维压缩曲线方程预测重塑黏土一维压缩曲线，预测结果与效果见图与表。可见 与 公式、公式均可较好地预测种重塑黏土一维压缩曲线，相较之下，公式预测种重塑黏土一维压缩曲线的 均值为 ，小于 与 公式预测种重塑黏土一维压缩 曲 线 的 均 值 ，表 明 （）一维压缩曲线方程预测效果更优。表种重塑黏土一维压缩曲线预测效果 o o o o o o o 土样名称 与 公式 公式 膨润土 荆门黄褐色膨胀土 黏土岩 荆门棕褐色膨胀土 信阳黏土 武汉黏土 三门峡粉质黏土 均值 马全国，赵垒，郎梦婷，等 种重塑黏土的一维压缩卸荷行为图种重塑黏土一维压缩曲线预测结果 o o o o o o o 回弹指数线性拟合图中种重塑黏土的一维卸荷曲线上 应力区间内数据点，获得种重塑黏土的回弹指数，列在表中。采用种重塑黏土回弹指数实测结果评价 与 （）、与 （）回弹指数公式的适用性。评价结果见图与表。可见个公式均取得了较好的预测结果，均大于.；从 看，与 公式（）预测效果更好，为 。图回弹指数公式适用性评价 o o o 表回弹指数公式预测效果 o o 公式来源 .（）（）本文 本文 种 重 塑 黏 土 回 弹 指 数实 测 结 果 与 其 、的相关关系亦见图与表。可见，与 线性相关的决定系数为.，低至 ；与 线性相关的决定 系 数为.，为 ；表明采用 与的相关关系具有更好的再现效果。结合前文中压缩指数的情况，即无论压缩指数还是回弹指数，与比表面积 的相关性强于与阳离子交换量 的相关性。此外，将种重塑黏土的值亦列入表，可见值低至.，高至.。这表明：一方面，值超出了 的范围；另一方面，值随塑性的增大而降低，即相对于压缩性而言，塑性大的土样具有更大的回弹膨胀性。结论（）（）、与 （）、与 （）、（）压缩指数公式对种重塑黏土压缩指数预测结果均较好；从 看，与 公式（）取得了最好的预测效果。（）种重塑黏土的 关系曲线与固有压缩线经验公式几乎重合，验证了 经验公式的有效性。第 卷第期信阳师范学院学报（自然科学版）：年月（）与 （）、（）一维压缩曲线方程对种重塑黏土的一维压缩曲线预测结果均较好；从 看，（）一维压缩曲线方程预测效果更优。（）与 （）、与 （）回弹指数公式对种重塑黏土回弹指数预测结果均较好；从 看，与 公式（）预测效果更好。（）种重塑黏土压缩指数、回弹指数与比表面积、阳离子交换量均有很强的相关性，且与比表面积的相关性强于与阳离子交换量的相关性。（）种重塑黏土的压缩指数与回弹指数比值低至，高至，超出了 的范围，且随塑性增大而降低，即相对于压缩性而言，塑性大的土样具有更