不同固结条件下改良弱膨胀土微观分析.pdf
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1、第 卷第期 年月建筑科学与工程学报J o u r n a l o fA r c h i t e c t u r ea n dC i v i lE n g i n e e r i n gV o l N o J u l y 引用本文:王欢,曹素娟,李宝宝不同固结条件下改良弱膨胀土微观分析J建筑科学与工程学报,():WAN G H u a n,C A OS u j u a n,L IB a o b a o M i c r o s c o p i ca n a l y s i so f i m p r o v e dw e a ke x p a n s i v es o i lu n d e rd i
2、 f f e r e n tc o n s o l i d a t i o nc o n d i t i o n sJJ o u r n a l o fA r c h i t e c t u r ea n dC i v i lE n g i n e e r i n g,():D O I:/j j a c e 收稿日期:基金项目:河南省高等学校重点科研项目(A );开封市科技发展计划项目();甘肃省交通运输厅科研项目()作者简介:王欢(),男,工学博士,讲师,硕士生导师,E m a i l:h a p p y_k i n g s i n a c o m.不同固结条件下改良弱膨胀土微观分析王欢,曹
3、素娟,李宝宝(河南大学 土木建筑学院,河南 开封 )摘要:为研究黄泛区粉土质砂改良新乡地区弱膨胀土的改良效果,利用固结试验以及环境扫描电子显微镜试验分析了膨胀土及粉土质砂改良膨胀土的固结压缩特性及微观结构特性,对不同固结压力下的膨胀土、改良膨胀土微观结构进行定性分析,通过I P P和MAT L A B软件对土体孔隙分形变化特征做定量分析.结果表明:土体的压缩特性主要与土体内部颗粒间排列形式、紧密程度及孔隙的分布等有关,随着固结压力的逐级增大,两种土样的孔隙比、压缩系数均呈现逐渐减小的趋势,且同一固结压力下改良膨胀土的孔隙比小于膨胀土,压缩系数大于膨胀土,表明改良膨胀土的结构压缩性优于膨胀土;对
4、不同试验条件下的微观结构进行对比分析发现,两种土样孔隙分布具有明显的分形特性,在一定范围内,随着固结压力的逐级增大,膨胀土、改良膨胀土的孔隙分形维数逐渐增大,且改良膨胀土的分形维数大于膨胀土,但变化范围小于膨胀土,说明改良膨胀土内部孔隙结构分布复杂、结构更稳定,黄泛区粉土质砂可以显著改善新乡地区弱膨胀土的固结压缩特性.关键词:改良膨胀土;粉土质砂;微观特性;分形维数中图分类号:TU 文献标志码:A文章编号:()M i c r o s c o p i ca n a l y s i so f i m p r o v e dw e a ke x p a n s i v e s o i l u n d
5、 e rd i f f e r e n tc o n s o l i d a t i o nc o n d i t i o n sWANG H u a n,C AOS u j u a n,L IB a o b a o(S c h o o l o fC i v i l a n dA r c h i t e c t u r a lE n g i n e e r i n g,H e n a nU n i v e r s i t y,K a i f e n g ,H e n a n,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e rt os t u d yt h ei m p
6、 r o v e m e n te f f e c to fs i l t ys a n do n w e a ke x p a n s i v es o i li nX i n x i a n ga r e a,t h ec o n s o l i d a t i o nc o m p r e s s i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dm i c r o s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fe x p a n s i v es o i la n ds i l t ys a n d m o
7、 d i f i e de x p a n s i v es o i lw e r ea n a l y z e db yc o n s o l i d a t i o nt e s ta n de n v i r o n m e n t a ls c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p et e s t T h e m i c r o s t r u c t u r eo fe x p a n s i v es o i la n dm o d i f i e ds o i lu n d e rd i f f e r e n tc o n
8、s o l i d a t i o np r e s s u r e s w a sq u a l i t a t i v e l ya n a l y z e d T h ef r a c t a lv a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s o fs o i lp o r e s w e r e q u a n t i t a t i v e l y a n a l y z e d b y I P P a n d MAT L A Bs o f t w a r e T h er e s u l t ss h o wt h a t t h ec
9、 o m p r e s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs o i l a r em a i n l yr e l a t e dt ot h ea r r a n g e m e n tf o r m,c o m p a c t n e s sa n dp o r ed i s t r i b u t i o no fp a r t i c l e s i nt h es o i l W i t ht h eg r a d u a li n c r e a s eo f c o n s o l i d a t i o np r e s s u
10、r e,t h ev o i dr a t i oa n dc o m p r e s s i o nc o e f f i c i e n to f t h et w ok i n d so fs o i l s a m p l e ss h o wad e c r e a s i n gt r e n d,a n dt h ev o i dr a t i oo ft h ei m p r o v e de x p a n s i v es o i l i sl e s st h a nt h a to ft h ee x p a n s i v es o i lu n d e rt h e
11、s a m ec o n s o l i d a t i o np r e s s u r e,w h i l et h ec o m p r e s s i o nc o e f f i c i e n ti s g r e a t e rt h a nt h a to ft h ee x p a n s i v es o i l,w h i c hi n d i c a t e st h a tt h es t r u c t u r a lc o m p r e s s i b i l i t yo f t h e i m p r o v e de x p a n s i v es o
12、i l i sb e t t e r t h a nt h a to f t h ee x p a n s i v es o i l T h r o u g ht h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so f t h em i c r o s t r u c t u r eu n d e rd i f f e r e n t t e s t c o n d i t i o n s,i t i s f o u n d t h a t t h ep o r ed i s t r i b u t i o no f t w ok i n d so f s o i
13、 l s a m p l e sh a so b v i o u s f r a c t a l c h a r a c t e r i s t i c s W i t h i nac e r t a i nr a n g e,w i t ht h e g r a d u a li n c r e a s eo fc o n s o l i d a t i o n p r e s s u r e,t h e p o r ef r a c t a ld i m e n s i o n o fe x p a n s i v es o i l a n d i m p r o v e de x p a
14、 n s i v es o i l i n c r e a s e sg r a d u a l l y,t h e f r a c t a l d i m e n s i o no f i m p r o v e de x p a n s i v es o i l i sg r e a t e rt h a nt h a to fe x p a n s i v es o i l,b u tt h ev a r i a t i o nr a n g e i sl e s st h a nt h a to fe x p a n s i v es o i l,w h i c hi n d i c
15、a t e st h a t t h ep o r es t r u c t u r ed i s t r i b u t i o no f i m p r o v e de x p a n s i v es o i l i sc o m p l e xa n dt h es t r u c t u r ei sm o r es t a b l e T h es i l ts a n di nt h eY e l l o w R i v e rf l o o d i n ga r e ac a ns i g n i f i c a n t l y i m p r o v e t h ec o
16、n s o l i d a t i o na n dc o m p r e s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fw e a ke x p a n s i v es o i l i nX i n x i a n ga r e a K e yw o r d s:i m p r o v e de x p a n s i v es o i l;s i l t ys a n d;m i c r o s c o p i cc h a r a c t e r i s t i c;f r a c t a l d i m e n s i o n引言膨胀土广泛分布于中
17、国多个省份及自治区.膨胀土是一种特殊黏性土,也被称为胀缩性土.膨胀土的微观结构往往影响和控制其宏观工程特性.由于膨胀土具有明显的胀缩特性,易造成土体内裂隙发育并使土体承载力降低 ,导致各种工程建设项目毁坏,给人们的生命财产安全带来重大威胁.因此,对膨胀土进行改性研究及微观分析对防治膨胀土有重要意义.目前,工程建设中膨胀土改良通常采用添加外加剂的方法.石灰可以显著改善膨胀土的抗剪强度、物理力学性能和水稳定性,提高黏聚力和内摩擦角,减少干湿循环带来的胀缩变形.水泥改性膨胀土可以显著提高其抗剪强度,且黏聚力和内摩擦角与水泥掺量成正比.此外,国外研究者利用聚苯乙烯泡沫颗粒(E P S)改良寒冷地区膨胀
18、土,结果表明E P S颗粒能有效抑制膨胀土的膨胀性和冻胀性.S h e等 研究了羟基铝(A l)对膨胀土的稳定作用,结果发现改良 后 的 土 体 表 现 出 明 显 的 絮 凝团 聚 结 构.P u r n a m aP u t r a等 对比盐和木炭粉稳定膨胀土作用,结果 表明盐稳定 膨胀土的性 能优于木 炭粉.A s h a n g o等 将钢渣、生石灰、稻壳灰复掺改性膨胀土,结果表明改良膨胀土强度有了很大提升.随着科学技术的进步,许多专家学者利用各种检测技术、试验仪器对膨胀土微观结构进行大量试验研究.张先伟等 基于扫描电子显微镜成像(S EM)试验和压泵(M I P)试验探讨了黏土微观结
19、构下的演化规律.张季如等 利用S EM探究了软黏土固结条件下微观孔隙结构变化规律,并对其分形进行描述.A l m u k h t a r等 通过S EM研究了经石灰改良后膨胀土的微观形态及结构形态对其主要岩土性质的影响,S EM结果表明黏土颗粒形貌发生了变化,颗粒边界处钙的浓度较高.综上所述,膨胀土的改良以及微观结构分析逐渐成为重点研究方向.河南省新乡地区弱膨胀土分布广泛,且实地调研发现黄泛区粉土质砂储量大.为充分利用当地土体资源,提高资源利用率,采用黄泛区粉土质砂改良新乡地区弱膨胀土,易于就地取材,具有良好的经济及环保意义.经查阅相关文献,黄泛区粉土质砂可以明显改良膨胀土胀缩性能,最佳掺量为
20、 .因此本文采用 掺量的粉土质砂改良膨胀土进行室内压缩固结试验、环境扫描电镜(E S EM)试验,测定土的压缩性指标,从定性和定量两方面分析土体的微观特征变化,从而探究其宏观工程特性,以期为新乡地区膨胀土路基改良提供参考,为其他膨胀土路基的改良研究提供新的思路.试验材料 膨胀土本试验中膨胀土土样选自河南省新乡市潞王坟段两泉路与新中大道交界点附近,潞王坟段多以弱膨胀土为主,其次为中、强膨胀土,取土深度为 m.对膨胀土土样进行室内公路土工试验,测得基本物理指标如表所示.对膨胀土土样进行X射线衍射试验,分析其矿物组成成分及含量,试验结果显示:试验土样主要矿物有石英、蒙脱石、钠长石等,其中石英的含量最
21、高,蒙脱石次之.蒙脱石是体现膨胀土胀缩性质的重要内因,试验土样中所含蒙脱石含量为,且膨胀土的自由膨胀率为 ,根 据 膨 胀 土 地 区 建 筑 技 术 规 范(G B 建筑科学与工程学报 年表膨胀土基本物理指标T a b l eB a s i cp h y s i c a l i n d e x e so f e x p a n s i v e s o i l最优含水率/最大干密度/(gc m)液限WL/塑限WP/塑性指数IP/自由膨胀率/),确定试验土样为弱膨胀土.粉土质砂本试验所用的粉土质砂取自河南省新乡市原阳县的黄泛区,原阳县地处豫北平原,随着黄河千百年来的演变,现如今形成了含有大量粉土
22、质砂的辽阔平原.膨胀土及粉土质砂二者取土地距离较近,利用黄泛区粉土质砂对新乡地区弱膨胀土进行改良,易于就地取材、节省成本.对于膨胀土改良方法,传统化学改良法容易造成环境污染,基于环保性和经济性的原则,通过查阅相关文献发现,采用粉土质砂改良膨胀土研究较少,因此本文创新性地采用黄泛区粉土质砂改良膨胀土.对选取的粉土质砂土样进行筛分试验,得到的筛分结果如表所示.由筛分试验结果可以看出,土样颗粒粒径主要集中在 mm之间,由 公路土工试验规程(J T G )可知,该土样为细粒土的粉土质砂(S M).同样对选取的粉土质砂进行X射线衍射试验,分析其矿物组成成分与含量,试验结果显示黄泛区粉土质砂含有的矿物成分
23、主要有石英、钠长石、方解石,其中,石英和钠长石的含量较多,分别为 和 ,方解石含量较少,仅为.表粉土质砂颗粒筛分结果T a b l eP a r t i c l e s c r e e n i n gr e s u l t o f s i l t ys a n d土样编号不同粒径组成成分含量/mmmm mm mm mm mm 注:筛分选取粉土质砂质量为 g,损失小于,满足规范要求.室内压缩固结试验 试验方法本试验利用单轴固结仪WG型单杠杆固结仪,采用分级加载的方式对膨胀土以及改良膨胀土进行固结试验.参考 公路土工试验规程(J T G ),根据击实试验测得膨胀土及改良膨胀土的最优含水率分别为 、
24、,最大干密度分别为 、gc m,采用最优含水率和最大干密度作为试样制备的含水率及密度.首先,用环刀分别制取组土样,然后对土样逐级增加荷载,分别在固结仪上施加固结压力P 、k P a,固结稳定以最后h土样的变形量不超过 mm为标准.通过固结试验测定土体的单位沉降量、孔隙比、压缩模量等参数,为分析膨胀土、改良膨胀土的固结压缩特性、不同固结压力下的微观结构奠定基础.试验结果分析对膨胀土及改良膨胀土进行固结试验,所得的试验数据如表、所示.由表、固结试验数据得到膨胀土及改良膨胀土的孔隙比固结压力(e P)曲线,如图所示.由表、和图可知,随着固结压力的逐渐增大,膨胀土和改良膨胀土的孔隙比、压缩系数总体上均
25、逐渐减小,两种土样不同固结压力下孔隙比下降速率不同.与初始孔隙率相比,当固结压力为 k P a时,膨胀土、改良膨胀土孔隙比均减少了 ;固结压力从 k P a增至 k P a时,膨胀土、改良膨胀土孔隙比分别减小了 和 ;固结压力从 k P a增至 k P a时,两种土样孔隙比降速显著增快,二者孔隙比分别减少了 和 ;当压力大于 k P a时,膨胀土孔隙比降速较慢,改良膨胀土孔隙比下降速率始终增加,后期降速放缓.固结压力从k P a增加至 k P a时,膨胀土及改良膨胀土孔隙比分别减少了 和 .这是由于在固结过程中土体内孔隙水被排出,土颗粒之间的空隙变小,孔隙比逐渐减小,两种土样中含有的片状颗粒、
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