饱和粘性土

饱和粘性土（精选5篇）

饱和粘性土 篇1

在基坑工程中, 特别是对于深大基坑, 在设计和施工中需要考虑土层的蠕变特性.围护墙背后受水土压力作用, 墙前土受被动土压力作用, 两者保持平衡时, 基坑处于稳定.但是, 墙前基坑内土体在被动土压力作用下, 由于其蠕变特性, 变形会随时间增长, 当出现非阻尼蠕变时, 坑内土体破坏, 墙前土体失去对墙的约束作用, 从而导致围护墙踢脚失稳.

为此针对基坑开挖到底时, 基坑暴露期间围护桩的受力和变形随时间的变化规律需要进行研究, 以便对其在底板浇筑前的变形和受力大小给与准确预测, 为设计方案的选取和施工方案的制定提供依据和技术指导.

1 饱和软土的蠕变特性

试验和工程实践都表明, 软土具有明显的蠕变特性.土的蠕变特性具体表现为在加载情况下, 当荷载保持恒定时, 土体的变形会随时间增长而增加.土体的应力水平越高, 其蠕变特性表现得更加明显[1]。图1为土体在大应力和小应力情况下的变形曲线.阻尼蠕变指蠕变在某一时刻以后, 变形基本停止;非阻尼蠕变则表示蠕变将随时间急速增长, 直至发生破坏.

土体蠕变特性的显著程度与多种因素有关, 其中较为主要的包括土的矿物成份、含水量大小、应力历史和应力水平.粘粒成份高的土体, 蠕变特性更为明显;含水量大的的粘土, 蠕变越明显;曾经固结的土层再次加载, 其蠕变程度比未固结土层来得小, 应力水平高的土层蠕变特性明显[2].

2 饱和软土的计算模型

描述饱和软土的蠕变模型有几十种之多, 其中大多数是采用土体的应力-应变-时间试验曲线建立起来的经验公式, 而且主要是为采用二维或三维有限单元法建立起来的并为其服务.在本文中, 采用了以土层的水平基床系数k或水平基床比例系数m随时间变化的规律建立粉质粘土蠕变计算模型[3,4,5].

在采用杆系有限单元法计算内支撑围护桩的内力和变形时, 围护桩将被理想化成杆系有限单元, 围护桩与被动土的接触用土弹簧进行模拟.土弹簧的刚度就是土的水平基床系数k或水平基床比例系数m.试验表明[6], 土的水平基床系数k或水平基床比例系数m时随时间而变化的。

孔德志等[7], 在对上海流变土体进行室内试验研究和现场监测反分析研究, 得出如下规律:粉质粘土的水平基床系数k随时间而衰减, 并最终趋向某一定值.本文针对特定工程, 参照采用这一模型, 提出如下假定:水平基床比例系数m随时间而衰减, 并最终趋向某一定值.

式 (2-1) 中, m0—初始水平基床比例系数, a, b—通过试验或工程监测结果反演得到.

本工程中, 取m0=6000k N/m4, a=0.246, b=0.184d-1。

3 工程概况

该工程地面高程1.48~1.97m, 其余地形较为平坦, 地面高程1.97~2.84m.场地地貌单元属长江三角洲冲积平原.四周道路路面高程4.00m, 相门塘提面高程3.00m.

通过勘察, 自地表至40.0m深度范围内所揭露的土层, 由填土、粉性土和粉砂组成, 具有成层分布的特点, 各土层的物理力学参数如表1所示.基坑挖深范围内需要穿越透水性很大的粉土粉砂层 (4层和5层) , 需考虑坑底下卧层即粉砂层的承压水问题.浅层 (约5米) 土层强度高透水性差.

经过比较分析, 基坑支护方式决定采用浅层放坡土钉墙, 深层采用二道钢筋混凝土支撑, 围护采用直径900@1100钻孔灌注桩, 深度为29.5m, 采取先浇底板后挖主楼深坑的做法.

4 考虑坑底暴露时间的围护结构计算分析

针对该基坑, 计算了如下几种情况: (1) 第二道支撑完成并开挖到坑底, 即令式 (2-1) 中时间t=0d; (2) 基坑暴露1周, 即令式 (2-1) 中时间t=7d; (3) 基坑暴露2周, 即令式 (2-1) 中时间t=14d; (4) 基坑暴露3周, 即令式 (2-1) 中时间t=21d; (5) 基坑暴露4周, 即令式 (2-1) 中时间t=28d.

令式 (2-1) 中时间t=0d, 得m=6000k N/m4.计算得围护桩的内力和变形曲线如图2所示.图中可知, 此时墙体顶部最大水平位移8.66mm, 墙体最大位移位于开挖面附近, 为24.89mm.最大正弯矩950.6k Nm/m.

坑底暴露7天的计算结果:令式 (2-1) 中时间t=7d, 得到m=3640k N/m4.计算得到围护桩的内力和变形曲线如图3所示.图中可知, 此时墙体顶部最大水平位移8.32mm, 墙体最大位移位于开挖面附近, 为29.48mm.最大正弯矩1048k Nm/m.

坑底暴露14天的计算结果:令式 (2-1) 中时间t=14d, 得到m=2070k N/m4.计算得到围护桩的内力和变形曲线如图4所示.图中可知, 此时墙体顶部最大水平位移7.85mm, 墙体最大位移位于开挖面附近, 为36.33mm.最大正弯矩1210k Nm/m.

坑底暴露21天的计算结果:令式 (2-1) 中时间t=21d, 得到m=1640k N/m4.计算得到围护桩的内力和变形曲线如图5所示.

图中可知, 此时墙体顶部最大水平位移7.62mm, 墙体最大位移位于开挖面附近, 为40.61mm.最大正弯矩1226k Nm/m.

坑底暴露28天的计算结果:令式 (2-1) 中时间t=28d, 得到m=1520k N/m4.计算得到围护桩的内力和变形曲线如图6所示.图中可知, 此时墙体顶部最大水平位移7.54mm, 墙体最大位移位于开挖面附近, 为42.04mm.最大正弯矩1241k Nm/m.

4.1围护墙最大变形及围护墙最大弯矩与基坑暴露时间的关系

(1) 围护墙最大变位与基坑暴露时间的关系

从前面的计算可以看出, 在坑底暴露期间, 围护墙的变形随时间逐渐变化.墙顶位移减小, 而墙体在开挖面的位移逐渐增大.墙体挠曲随时间变化的曲线如图7所示.

从图7中可以看出, 坑底暴露21天内, 围护桩的位移增长速度是十分明显的.例如在21天内, 每7天最大位移增长速度平均为5.3mm.但在暴露21天后, 位移趋于稳定, 每7天增长速率小于2mm.

(2) 围护墙最大弯矩与基坑暴露时间的关系

从前面的计算可以看出, 在坑底暴露期间, 围护墙的弯矩随时间也逐渐变化.围护桩的弯矩逐渐增大.墙体弯矩随时间变化的曲线如图8所示.

从图8中可以看出, 坑底暴露21天内, 围护桩的弯矩增长速度较为明显, 而在21天后弯矩增长并不明显, 这与位移变化同步.因此, 围护桩的位移约束住了, 弯矩自然也得到遏制.

5 结论

在该项目基坑开挖至坑底后至底板浇筑期间, 当基坑暴露情况下, 由于6层粉质粘土层的蠕变特性影响, 围护墙的水平挠曲和内力弯矩将随时间发展而增长, 本文提出了考虑被动土体的水平基床比例系数随时间指数衰减的模型进行分析, 得到如下结论:

(1) 围护墙的水平变形随时间逐渐发展的现实不可忽视, 特别是在暴露后的21天内特别明显;

(2) 在暴露后的21天内围护墙的弯矩随时间逐渐发展较为明显, 应引起足够的重视;

(3) 确保围护墙安全的可靠手段是, 迅速浇筑底板.如果条件有限可以分块浇筑, 这对于遏制围护墙变形和弯矩继续发展十分有利.

参考文献

[1]余志成, 施文华.深基坑支护设计与施工[M].中国建筑工业出版社.1997.

[2]Swan C, Cakmak A.Homogenization and effective elastoplasticity models for periodic composites[J].Commun Numer Meth Eng 1994;10:256-257.

[3]谈炎培, 叶冠林等.苏州软土蠕变特性的参数研究及其有限元应用[J].地下空间与工程学报, 2010, 6 (1) :80~83.

[4]Tayor D W, Merchant W.A theory of day consoldation accounting for secondary compressions[J].Journal of Mathematics and Physics, 1940, 19 (23) 14:167.

[5]De Jong G D J, Berruijt A.Primary and secondary consolidation of a spherical day sample[A].Proc.5th ICSMFE[C], Paris:[s.n.], 1961, 2:254.

[6]詹美礼, 钱家欢, 陈绪禄.软土流变特性试验及流变模型[J].岩土工程学报, 1993, 15 (3) :54-62.

[7]孔德志等.流变土体地基的水平基床系数[J].岩土工程技术, 2004, 2 (1) .

非粘性土相对密度测定 篇2

相对密度控制是非粘性土填筑控制重要指标。是非粘性土处于最松状态的孔隙比与天然孔隙比之差和最松状态与最紧状态孔隙比之差的比值。测定出非粘性土的最大和最小孔隙比, 即可计算出相对密度, 用来判断非粘性土的密实度。在施工现场测定非粘性土相对密度, 从而有效地实现实工阶段的全面质量管理。

我们在二十四户水库施工过程中, 过渡、坝壳、反滤料的填筑, 测定相对密度是一项必不可少的重要检测指标。非粘性粗粒土所处的密实状态, 可用它的天然孔隙比e与最大、最小关系比的相对关系 (即相对密度) 指标来表示:

式中:Dr相对密度

rmaxrminrd______分别为最大、最小、天然干容重

emaxemine______分别为最大、最小、天然孔隙比

相对密对试验就是测定出rmax、rmin后, 借助于 (2) 式计算出所要求出的相对密度下不同粗粒含量之间相应填筑密度或实测的相对密度指标。

2 土样制备

2.1 试样的制备

试样的制备主要是为各项试验提供具有同一级配或要求级配的试样, 以保证试验成果的可靠性, 当我们采用料场天然级配时, 首先在料场布点, 挖探坑, 从探坑中取回试样, 酌情按一定的粒径范围进行颗粒分析, 根据整个料场所采取的多组级配, 在同一粒径下可得到最低、最高和平均的三个小于该孔径的百分数, 汇合成整个料场的三条控制级配曲线 (即粗包级配、细包级配、平均级配) 在以后的施工中, 就用三条级配曲线所做的相对密度, 就具备了很大的真实性和代表性。

2.2 超径颗粒的处理

由于影响相对密度试验成果的因素很多, 如:颗粒形状、大小、不均匀系数、粗粒含量、仪器尺寸和试验方法等, 目前处理超径颗粒方法大体有三种:1) 简单剔除法;2) 相似级配法;3) 等重量代替法, 在“635”料场由于超径量较大, 主要采用等量代替法, 这种方法是以仪器允许的粗粒部分等重量替换超径颗粒而保持粗、细含量不变, 这样即保持了料骨料的骨架作用, 又能保持粗料级配的连续性, 将超粒径颗粒等重量分配到大于5mm粗粒组各级配中。

3 相对密度试验

3.1 振动时间及附重的确定

试样筒参照土工规程粗粒土相对密度试验中表53-1, 选用尺寸为:直径:D=39.4CM, 体积V=53767cm3, 允许试验颗粒Dmax=80mm, 试样重为90kg。

振动时及附重的确定, 根据试验资料, 分析为:当时间为8分钟、12分钟、16分钟时, 不同的附重在这三个时间内的干容重变化不大, 特别是在12-16分钟这个时间内, 在Ps (砾石含量) ≈20%时, 附重为95kg, 它的干容重反而减小, 因此我们选用振时为12分钟, 考虑到砾石含量的增加对附重不同干容重变化较大, 选用附重为95kg。

3.2 配样中砾石含量最大粒径的确定

将料场颗粒分析后所得级配中超粒径含量按等重量代替法分配到80-5、60-5、40-5、20-5、10-5m m时, 得到了一个新的原级配, 再将这个新的级配按砾石含量的多少分配到各粒径区间, 根据各粒径区间的百分含量乘以新配的试样重90kg, 即这个区间粒径所需的配样重量。

3.3 试验操作步骤

各粒径区间含量按一定的总样重90kg配出后, 将其充分拌合均匀, 用人工灌注法进行装样, 装样时, 要避免振动及试样滚样, 并要求粗料分布均匀;落距一般为2.5-3cm;要尽量使装好后的试样表面平整, 如试样筒试样装填不满, 可采用尺子测量或灌砂, 测定出剩余体积, 这样就可得到它的最小干容重, 将装好的试样容积桶抬到振动台上, 根据确定好的附重及振动时间进行振动。最后同样可用尺子测量或灌砂, 测定它密实后的体积, 求得它的最大干容重。

4 成果整理

相对密度与干容重、砾石含量的三因关系:

目的是在以后的施工中, 当检验某一坝段的相对密度时可直接根据所做三因关系查验出来, 以下是二十四户水库工地的一组资料, 当 (1) 式中max=80mm时, 由试验所得相对密度、砾石含量和干容重的关系, 当粗粒料越紧密, 随着砾石含量的增加, 干容重也越大, 当砾石含量达到一定程度时, 干容重和相对密度都逐渐减小。

参考文献

[1]范孟华, 邹正伟.改进砂的相对密度试验方法的建议[J].路基工程, 2007.

饱和粘性土 篇3

关键词：粘性土,物理力学指标,合理性

前言:不同类别的工程项目, 侧重的岩土体力学指标是不一样的;例如一般的工业与民用建筑项目侧重于承载力与变形指标;基坑工程, 边坡工程侧重岩土体抗剪强度指标。各种指标都是从不同的力学试验中得到的, 虽然这些力学试验之间是相互独立的, 但是这些物理力学指标却是相互联系的。在应用其中一部分指标时, 我们还要充分考虑其它指标的合理性。

1 粘性土常规物理试验指标的合理性

粘性土常规实测物理试验指标为天然含水量 (w) 、天然密度 (ρ) 、液限 (wl) 、塑限 (wq) , 经验指标为比重 (Gi) , 换算指标为饱和度 (Sr) 、天然孔隙比 (e) 、液性指数 (Il) 、塑性指数 (Ip) 等。换算指标的计算公式如下:

通常, 在用孔隙比与液性指数计算粘性土承载力并评价其物理性质, 不应忽略了其它指标的合理性。举例见表1。

上例土样编号1为一粉质粘土的土样的各项物理指标, 如果在试验过程中将密度做得过高, 从而使所得孔隙比过小。如果单单关注孔隙比和液性指数, 势必造成所得承载力过大。而此时, 如果我们关注一下饱和度, 就会发现它的值>100, 是不合理的, 即含水量达到30时, 土绝不可能有如此高的密度, 那么在含水量和密度这两项指标中, 必有一项是错误的。

再如, 如果试验中所得液限值、塑限值或是液限塑限值同时偏高, 便会分别改变土的塑性指数、比重 (与塑性指数有关的经验指标) 、孔隙比及液性指数, 分别见样3、4、5, 这时, 如果单单考虑孔隙比和液性指数, 便会致使所得承载力过高, 例如拿土样5与土样1比较, 前者液性指数是0.19 (硬塑) , 后者是0.76 (软塑) , 相差极大, 从而为工程的安全性埋下隐患。而根据工程经验, 正常情况下粉质粘土的液限应介于23-38之间, 塑限在13-23之间, 实验者如能根据前述经验注意到塑限、液限值的不合理性, 便可杜绝此类错误的发生。

表2为笔者在工作中总结出的粉土、粉质粘土、粘土液塑限取值范围, 供广大同行参考, 指正。

2 粘性土力学指标间的相互关系及其合理性

粘性土的常规力学指标主要为由固结试验确定的压缩系数 () 和压缩模量 (ES) 及由剪切试验确定的粘聚力 (c) 和内摩擦角 () 。

2.1 固结试验确定的压缩系数 (a) 、压缩模量 (Es) 计算公式如下:

注:土样1为例举的粘性土物理指标, 作为土样2、3、4、5的对比样品。

我们通常用压缩试验中100Kpa至200Kpa下的压缩系数判别土的压缩性大小, 但笔者认为, 还应配合压缩模量共同判别土的压缩性, 两者综合起来按偏于安全方向取值, 判别方法可参考表3数值。

2.2 粘性土剪切试验的成果是确定的粘聚力 (c) 和内摩擦角 (ψ) , 这两项指标对于解决岩土工程稳定性问题必不可少, 常用的试验方法有直接剪切试验、无侧限抗压强度试验及三轴压缩试验。

但这几种试验方法的试验结果本人认为并不是很理想, 主要原因有两点, 一是取样存在难度, 试验过程无法模拟土所在的天然地质环境;二是土力学计算假设软土的内摩擦角是0度、砂土的粘聚力是0Kpa, 而实际上软土是有内摩擦角的, 如日本生产的环剪试验仪作出的软土内摩擦角就在5度以上, 且现实中的砂土也是有粘聚力的。因此, 工程中应该用给定的地基土承载力对试验所得的粘聚力及内摩擦角进行修正。一[[[[

修正采用的公式为:

3 粘性土物理指标与力学指标间的联系

这里仅谈一下孔隙比与压缩模量、粘聚力、内摩擦角间的关系。

粘性土的孔隙比与压缩模量、粘聚力、内摩擦角间有一定的关系, 工程上也可通过对比各指标的数值, 判断其合理性。

由于各指标间的关系复杂, 也不能定量的计算, 但可定性的分析。笔者通过总结大量的工程实践经验, 总结出孔隙比与压缩模量、粘聚力、内摩擦角的对应关系。

具体参考表4。

以上是本人在大量工程实践中总结出的一点经验, 供广大同行参考指正。

参考文献

[1]GB50021-2001.岩土工程勘察规范[S].

[2]BG/T50123-1999.土工试验方法标准[S].

[3]DB23/902-2005.建筑地基基础设计规范[S].

饱和粘性土 篇4

关键词：高含水率粘性土,空气率,控制,压实

1 对高含水率粘性土力学性质分析

一般说来，土是由固相(土壤颗粒)、液相(土壤中所含的各种水分)及气相(土壤空隙中的空气及其他气体)三者结合而构成。在最佳含水率的情况下，一般土壤通过碾压可排除气相中的大部分气体，从而使土壤颗粒之间重新排列，减小孔隙，增加土壤的密实度，提高强度。

对饱和含水率的粘性土，当其受到外力作用时，一部分压力由土的骨架来承担，另一部分压力由水来承担。骨架承担的压力称有效压力，它使土颗粒靠拢，空隙减小，而使土体产生降沉，如一般土的压实。水所承担的压力为孔隙水压(超静水压)，会使水压力增加，但不能使土粒骨架受力变形。随着时间的延续，孔隙水压促使水分不断外流，孔隙水压降低，有效压力不断增长，直到最后外部压力全部变为有效压力，土体的沉降即告完成。孔隙水在一定时间内受外力作用而渗透外流，土体积逐渐压缩而紧密，这就是土的固结过程。

2 控制压实的原因

由于粘性土的特性不同于其他类土，它受水的影响很大。在含水量很低的条件下，采用高夯实功能可得到较高的干容重，但这种土在饱水后，再遇大量水分就会膨胀崩解而使强度下降。当土饱和之时，不可能通过碾压而使水从土壤中消逝。在这种情况下，若对饱和的软粘性土加强压实功，只能使软粘土更加发软，并最终形成液化现象。所谓过碾现象就是这样形成的。当形成这种状况时，其本身强度反比原始强度为低。因此，在施工中，必须对高含水量粘性土的压实进行控制。

3 控制压实的方法

通过碾压的方法把粘性土压实，其目的是使土的力学性能得到改善。但是，如果碾压不当，就会得到相反的结果。因此，对含水率过大的粘性土，施工前应对土的性质进行检测分析，并通过现场所使用的碾压设备进行试验和观察，从中找出压密的最适当的碾压方法，作为现场施工控制的方法，以免造成过碾现象。

根据现场土样检测数据，计算出土壤能达到的最大压实度，并用空气率含量指标对软土或高含水率的粘性土进行碾压功能的控制。通过碾压，可使土壤所含空气率有所降低。一般情况下，土中含空气率在2%以下时，就不可能依靠碾压功能将高含水率的粘性土压密。如果加大碾功，最终只能是过碾，从而使土壤的力学性质恶化。因此，按照高含水率粘性土本身的性质和实际情况，确定其可能得到的最佳干容重，以空气率大小作为施工控制指标是比较现实的。空气率应该通过现场试验确定。

现场土壤的空气率可按下面计算公式求得：

式中na———空气率;

rw———水的密度;

ds———粘土的比重;

rd———天然粘性土密度(或经碾压后粘性土的密度);

w%———天然粘性土的含水率(或经碾压后粘土含水率)。

再按要求的空气率，推算其可能达到的干容重，并在现场验证的情况下，进一步调整规定的空气率，以便在实际施工中予以控制。表1为用空气率控制压实功能汇总表，是以现场土样的检测数据资料为依据，并通过大量现场试验验证情况下总结出来的。

表1表明，当空气率<2%时，高含水率粘性土是难以压实的。这时，可在表层进行换填处理，以提高土基的强度。填筑材料宜使用水稳性良好的土壤。换填时，应采用由近及远方式，使运载汽车的车轮不与换填的土接触，以保持原状土不被扰动。采用推土机进行初平。在初平的基础上，用平地机整平碾压。第一层的回填材料一般以40cm厚为宜。先用轻型推土机在第一层上进行平整(其接地压力一般不大于0.049MPa) 。之后，用中型平地机整平，可按轻、中、重型的碾压形式安排碾压设备。每15～20cm分一层进行碾压。当填筑层厚度达到60cm时，可采用强力震动设备进行碾压，反复碾压3～5遍，达到要求压实度。

4 施工实例与控制效果

2000年8月，内蒙古通辽市304国道舍一霍公路的路基路面改建工程。该工程施工项目属于通辽市水毁工程项目，地区地下水位高、土质差(多为粘性土)，毛细水发育，在春季施工工期内冻融翻浆严重，沿线取土坑及取土场所取土均为含水量在20%以上的中液限粘性土。按照招标合同文件规定，填方路基强度的E0值不小于23.8MPa，挖方路基不小于14.6MPa。填方路基土的塑数性指不得大于20，压实度要求符合部颁《质量检验评定标准》。路基顶部80cm以内为93%，80cm以上为90%，路堤基底压实度不应小于85%。

饱和粘性土 篇5

我国幅员辽阔,有着众多的江河湖泊,随着河流航道整治的推进,为保证航道岸坡的稳定性,需对岸坡进行削坡处理,或者对河流航道进行疏浚,工程中将产生大量弃土。弃土的转运、存储不仅花费巨大,而且会影响环境。如果将弃土资源通过固化技术制备成水工材料、建筑材料,就近应用于航道整治工程及城市建设中,在避免弃土转运的同时也减少土地占用、降低工程造价、解决固体废物的二次污染问题并能缓解航道整治工程对环境的影响,将产生巨大的经济效益和社会效益[1]。本文针对荆江河段整治产生的弃土,拟通过固化处理制备成水工材料就地使用。在进行固化材料的选择和配制之前对荆江河段护岸弃土的化学组成和颗粒级配等物理化学性质进行分析,为固化材料的组成和配制提供依据。

2 粘性弃土特性分析

2.1 土样的p H值

土的p H值常被看作土壤的主要变量,它对土的许多化学反应和化学过程有很大影响,对土中的氧化还原、沉淀溶解、吸附、解吸和配合反应起支配作用。由双电层理论可知,p H值可以影响双电层的厚度,从而改变土的结构。这是由于p H值改变了OH基的离解程度,p H值增大,OH基的离解程度增大,净负电荷数增加,双电层变厚,土结构更分散;反之,p H减小,OH基的离解度降低,净负电荷数减少,双电层厚度变薄,引起土结构絮凝。所以土的p H值会影响土的活性[2,3]。

依据JTGE40—2007《公路土工试验规程》采用电位法进行土样p H值测定[4]。试验方法如下:采用四分法取样,称取过1.18 mm筛的风干黏性土10 g,将试样放入烧杯中,加蒸馏水50 m L(土水比例为1∶5),搅拌5 min,静置30 min;将25~30 m L的土悬液盛于50 m L烧杯中,将该烧杯移至电磁搅拌器上,再向烧杯加一只搅拌子,然后将已校正完毕的p H计的电极插入杯中,开动电磁搅拌器2 min,从p H计数字显示器上直接读数,准确至0.01。

黏土土样的p H值测试结果为7.67,土样呈微碱性,OH基的离解程度较大,双电层较厚,说明土样的活性比较低[2]。该黏土不适合选择离子类土壤固化剂,此类固化剂对土壤有较强的选择性和针对性,不适用于p H值大于7.5的碱性土壤[5]。

2.2 土样的化学成分

本试验参考GB/T 16399—1996《黏土化学分析方法》进行[6]。分析试样全部通过孔径为0.088 mm筛,约取5 g试样平摊在称量瓶(直径为50 mm)中,在105~110℃烘箱中烘2 h以上进行化学成分检测。检测结果如表1所示。

化学分析结果表明:粘性弃土中Si O2、Al2O3含量比较高,其次依次为Ca O、Fe2O3、Mg O、K2O、Na2O。土样中9种主要成分(Si O2、Al2O3、Fe22O3、Ca O、Mg O、K2O、Na2O、Ti O2和SO3)含量达99%,其中Si O2、Al2O3、Ca O、Fe2O34种组分含量之和达到90%,说明其他物质及有机质含量较少。

Si O2和Al2O3的含量多,具有很大的化学潜能,土壤中的Si和Ca(OH)2发生火山灰反应,生成更多的C-S-H;土壤中的Al和Ca(OH)2反应生成具有黏性的C-A-H。固化材料需能提供有效的OH根离子,形成较强的碱性环境,促使活性Si O2、Al2O3溶蚀,从而提高火山灰反应的速度[7]。

2.3 土样的矿物组成

黏性土矿物组成分析依据SL237069—1999《土的矿物组成试验》进行[8]。黏性土自然风干后过2 mm筛后进行预处理。预处理过程如下:用稀盐酸去除碳酸盐,浓H2O2去除有机质,用0.5 mg/ml Na OH调节悬浮液p H为7.3左右,经过超声波分散,以自由沉降法提取<2μm粘粒并称重,计算土壤中<2μm粘粒含量,得到黏性土样品中>2μm粗粒含量为73%,<2μm粘粒含量为27%。因为细颗粒中含更多活性物质,所以分粗细颗粒分别检测。结果如表2所示。

(1)<2μm粘粒:<2μm粘粒用柠檬酸钠—碳酸氢钠—连二亚硫酸钠祛除游离氧化铁,Mg+饱和后,用10%甘油水溶液处理,制成定向薄膜,置于饱和Ca(NO3)2的干燥器(相对湿度为50%)中,放置过夜后进行X射线衍射分析如图2所示。

(2)>2μm粗粒:将样品在玛瑙研钵中磨细后,装入铝合金的样品盘中,轻轻压紧。直接进行X射线衍射分析如图3所示。

土样的X射线衍射图如图4所示,由图可知黏性土中主要矿物为石英、长石、水云母、绿泥石、蛭石及蒙脱石等。其中石英、长石类原生矿物的特征峰最为明显。土壤的活性主要来自粘性矿物的活性,非粘性矿物结构比较稳定,一般很难与其他物质发生化学反应[2,9]。黏性土中小于2μm颗粒中的活性矿物高岭石、蒙脱石及绿泥石的含量分别为17%、4%和26%,占小于2μm颗粒的47%,占总质量的12.7%,小于2μm颗粒中活性矿物和非活性矿物比例相当,则小于2μm黏性土活性较好。

黏性土中大于2μm颗粒中的非黏土矿物水云母、闪石、石英、长石的总含量为82%,占总质量的60%,粘性矿物蛭石和绿泥石含量为18%,占总质量的13%。较之于小于2μm颗粒,大于2μm颗粒中活性矿物含量少,活性差。

黏性土中粘性矿物与非粘性矿物相比约为3/7,粘性矿物比重低于非粘性矿物含量,土样活性较差。为了能够激活黏土中矿物的活性,使其也成为一种反应物质,大幅度提高固化效果,固化材料中还需添加一定量的碱性激发剂[10]。

依据化学成分和矿物组成的测定结果,又考虑到固化制品的水稳性能,适合选择无机类土壤固化剂[11,12]。

2.4 土样的颗粒级配

颗粒分析试验是测定干土中各种粒组所占该土总质量的百分数的方法,以此显示颗粒大小分布情况,土粒表面的活性随着粒径的减小而增大,随着粒径的减小,有机物含量、阳离子交换量、最大吸湿量都随着急剧增大,因此研究黏性土的颗粒组成对分析土的活性有很大的意义。

黏性土的颗粒级配分析依据DL/T5355—2006《水电水利工程土工试验规程》采用激光粒度分析仪进行[13,14]。

称取500.0 g自然风干黏性土,进行水洗,发现大部分通过0.075 mm筛,剩余少量的颗粒部分为有机杂质(如草皮草根等)。因此根据规范,取黏性土试样采用激光粒度分析仪进行细分析。

采用LS603欧美克激光粒度分析仪进行激光粒度分析,试验参数如表3所示。

根据颗粒级配曲线,可按下式计算不均匀系数Cu,

式中:d60、d10分别为粒径曲线上小于某粒径的土粒含量分别为60%、10%时所对应的粒径。

黏性土粒度特征参数如表4所示,黏性土颗粒级配图如图5所示。

由以上结果可知,黏性土颗粒主要集中于0.002~0.05 mm。此区间的颗粒达92%左右。黏性土的粒径分布范围窄,小于0.02 mm颗粒含量为80%左右,0.02~0.05 mm的塑性颗粒含量为20%左右,没有0.05~1.2 mm的填充颗粒,也没有1.2~2 mm的粗颗粒,土的级配不良。

在固化制品生产工艺中,一般对原料颗粒级配进行如下控制:将粒径小于0.0 5mm的粉粒称为塑性颗粒;粒径为0.05~1.2 mm的称为填充颗粒;粒径为1.2~2 mm的称为粗颗粒。合理的颗粒组成为:塑性颗粒35%~50%,填充颗粒20%~65%,粗颗粒小于30%。

对于压制成型固化材料,细粒级的增加会使胶凝材料与土颗粒接触孔隙增多严重影响制品的强度,因此,固化材料需要添加一定量粗骨料。

3 结论

(1)黏土土样的p H值测试结果为7.67,土样呈微碱性,双电层较厚,说明土样的活性比较低。该黏土不适合选择离子类土壤固化剂。

(2)弃土中9种主要成分(Si O2、Al2O3、Fe2O3、Ca O、Mg O、K2O、Na2O、Ti O2和SO3)含量达99%,其中Si O2、Al2O3含量比较高,Si O2、Al2O3、Ca O、Fe2O34种组分含量之和达到90%,说明其他物质及有机质含量较少。固化材料需能提供有效的OH根离子,形成较强的碱性环境,促使活性Si O2、Al2O3溶蚀,从而提高火山灰反应的速度。

(3)由X射线衍射分析可知粘性弃土中粘性矿物与非粘性矿物相比约为3/7,粘性矿物比重低于非粘性矿物含量,土样活性较差。为了能够激活黏土中矿物的活性,使其也成为一种反应物质,大幅度提高固化效果,固化材料中需添加一定量的碱性激发剂。

(4)依据化学成分和矿物组成的测定结果,同时考虑到固化制品的水稳性能,适合选择无机类土壤固化剂。