透明土强度特性与细观机制的试验研究_庞荣.pdf
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1、 实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 4 期 2023 年 4 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.4 Apr.2023 收稿日期:2022-10-31 基金项目:国家自然科学基金项目(52079135)作者简介:庞荣(1996),女,河南南阳,在读研究生,研究方向为岩土材料强度特性,。通信作者:冷先伦(1980),男,湖北武汉,博士,副研究员,研究方向为岩土工程灾害与稳定,。引文格式:庞荣,胡其志 冷先伦,等.透明土强度特性与细观机制的试验研究J.实验技术与管理,2023,40(4):47-51.Cite this
2、article:PANG R,HU Q Z,LENG X L,et al.Experimental study on strength characteristics and mesostructure mechanism of transparent soilJ.Experimental Technology and Management,2023,40(4):47-51.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.04.006 透明土强度特性与细观机制的试验研究 庞 荣1,胡其志1,冷先伦2,3,陈 健2,
3、3,王 川2,3(1.湖北工业大学 土木建筑与环境学院,湖北 武汉 430068;2.中国科学院 武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室,湖北 武汉 430071;3.中国科学院大学 工程科学学院,北京 100049)摘 要:以熔融石英砂为骨架材料、纳米级疏水性气相二氧化硅粉为胶结剂、正十二烷和 15 号白油的混合矿物油为孔隙流体配置的新型透明土,具有良好的透明度和适中的强度,是开展岩土工程物理模型变形发展过程与破坏机理研究的理想相似材料。针对影响该新型透明土强度特性的主要影响因素,采用直剪试验研究了含水率和石英砂粒径对透明土强度的影响规律,并采用光学显微镜分析了透明土强度变化的细观结
4、构机制。研究结果表明:透明土试样在低轴压下的位移-力曲线表现出软化特性,而在高轴压下表现出硬化特性;含水率对透明土试样的黏聚力影响较为明显,而对内摩擦角影响较小,其强度的最佳含水率为 23%左右;随着石英砂颗粒粒径的增大,试样的黏聚力呈线性降低而内摩擦角呈先缓慢后快速增加的趋势;在细观结构上,孔隙大小、胶结剂与混合液的胶结作用影响透明土的黏聚力,而团聚石英砂颗粒间的咬合互锁、细颗粒石英砂的润滑作用影响透明土的内摩擦角。关键词:透明相似材料;含水率;颗粒粒径;抗剪强度;细观结构 中图分类号:TU 41 文献标识码:A 文章编号:1002-4956(2023)04-0047-05 Experime
5、ntal study on strength characteristics and mesostructure mechanism of transparent soil PANG Rong1,HU Qizhi1,LENG Xianlun2,3,CHEN Jian2,3,WANG Chuan2,3(1.College of Civil Engineering and Environment,Hubei University of Technology,Wuhan 430068,China;2.State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechni
6、cal Engineering,Institute of Rock and Soil Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Wuhan 430071,China;3.College of Engineering Sciences,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)Abstract:Transparent soil prepared using fused quartz sand as skeleton material,nano hydrophobic gas-ph
7、ase silica powder as cementing agent,and the mixed mineral oil of n-dodecane and No.15 white oil as pore fluid,has good transparency and moderate strength and serves an ideal similar material to carry out the deformation development process and failure mechanism of geotechnical engineering physical
8、model.Aiming at the main factors affecting the strength characteristics of the new transparent soil,the influence of water content and quartz sand particle size on the material strength is studied by direct shear test,and the mesostructure mechanism of the strength is analyzed via optical microscopi
9、c photos.The results show that:The displacement-force curve of transparent soil samples show softening characteristics under low axial pressure but show hardening characteristics under high axial pressure.Moisture content has a significant effect on cohesion of transparent soil,but has little influe
10、nce on the internal friction angle,and the optimum moisture content of the transparent soil is about 23%.As the particle size of the quartz sand increases,the cohesion decreases linearly,while the internal friction angle first decreases slowly and then increases rapidly.The pore size and the cementa
11、tion of powder and liquid 48 实 验 技 术 与 管 理 mixture affect the cohesion of the transparent soil on the microstructure,whereas the occlusion and interlocking of the agglomerated quartz sand particles and the lubrication of the quartz sand influence the internal friction angle of the transparent soil.K
12、ey words:transparent similar material;moisture content;particle size;shear strength;microstructure 模型试验是研究岩土工程变形破坏的直观手段,对揭示岩土工程灾变演化机理发挥着积极作用1。然而传统的物理模型试验方法难以观测土体内部破坏演化过程,故 Goldrein2、Taylor3等提出的基于 PIV 或CCD 数字图像处理技术的透明可视化试验方法被越来越广泛地应用于岩土工程变形破坏机理的试验研究。由无定形硅粉、熔融石英砂和有机液合成的透明土4-5在力学特性方面与天然岩土材料具有良好的适配性,如:I
13、skander6等采用无定形硅粉制备的透明黏土,孔纲强7等利用玻璃砂、正十二烷和 15 号白油混合液制备的透明土砂土,均在力学特性上表现出与天然软黏土或天然砂土较好的相似性;冷先伦8-9等从强度特性和模型实验相似比两方面论证了透明土作为一般黏土甚至软岩等天然岩土相似材料的适用性。透明土作为多种材料配置而成的混合材料,其物理力学特性必然受其成分、配比等诸多因素的影响。如文献1013采用单轴试验方法,研究了砂胶比、密度和含水率等因素对透明土抗压强度的敏感性,均认为含水率是影响透明土强度特性的主要因素;文献1417采用三轴试验方法,通过分析透明土的应力-应变关系、强度特性、渗透性、动力特性,研究了石
14、英砂颗粒粒径、级配等对透明土材料强度的影响规律,认为颗粒粒径和相对密度是决定透明土材料表现出应力软化或硬化的主要影响因素,亦决定着材料的抗剪强度。已有研究成果表明影响透明土强度性能的主要影响因素为含水量和石英砂颗粒级配。本文在此基础上,针对以熔融石英砂(骨架材料)、纳米级疏水性气相二氧化硅粉(胶结剂)、正十二烷和 15 号白油的混合矿物油(孔隙流体)的新型透明土8-9,采用直剪试验方法研究不同含水率、不同石英砂级配条件下该新型透 明土的抗剪强度特性;通过分析该透明土的细观结构特征,揭示影响其强度的细观机制。研究成果可为进一步认识透明相似材料的强度特性与破坏机理和相似试验材料的选取与配置提供依据
15、。1 透明土配置方法与试验方案 1.1 材料选取 本文研究的新型透明土的原材料及其作用为:熔融石英砂充当土骨架材料,纳米级疏水性二氧化硅粉充当土中的胶结物质(胶结剂),正十二烷和 15 号白油的混合液充当土中的“水”(孔隙液体)。配置该透明土所需的原材料及其基本特征参数见表 1。熔融石英砂外观形态为呈棱角形的结晶透明颗粒,粒径范围分别为 0.20.5 mm,0.51.0 mm 和 1.02.0 mm,见图 1。疏水性二氧化硅粉为白色粉末,具有稳定性好、疏水性、亲油等特性,且与熔融石英砂折射率相近,是适合的透明土材料的黏结剂。正十二烷和 15 号白油的混合液在常温下不与熔融石英砂和二氧化硅粉发生
16、化学反应,当正十二烷与 15 号白油的体积比为 1418时混合液的折射率与石英砂基本相近。1.2 透明土配置与试样制作 透明土配置与试样制作过程如下:(1)熔融石英砂颗粒处理:石英砂中含有一些影 表 1 原材料的基本特征 材料 主要成分/%密度/(gcm3)折射率熔点/熔融石英砂SiO299.91.183 1.458 51 713 正十二烷 0.749 1.419 09.615#白油 0.83 1.461 012 二氧化硅粉SiO299.80.07 图 1 不同粒径的熔融石英砂 庞 荣,等:透明土强度特性与细观机制的试验研究 49 响试验准确性的杂质,在使用前应对石英砂颗粒进行清洗,而后放入烘
17、箱烘干,最后至于密封袋保存备用。(2)有机液配置:将正十二烷与 15 号白油按照 17(体积比)来配置有机溶液,配置时使用玻璃棒均匀搅拌直至液体充分混合,静置一段时间后,利用阿贝尔折射仪测定其折射率,当其折射率为 1.458 5 左右时即为所需的混合液。(3)透明土材料配置:按照确定的材料配合比(固粉液),计算所需石英砂的质量,并按照1007 的质量比添加硅粉,最后按照含水率添加有机混合液,并充分搅拌均匀,制得所需含水率的透明土材料。(4)环刀试样制作:将配置好的透明土材料分层装填至环刀制样环中并击实,击实后每层厚度需小于3 cm,直至制成实验所需试样尺寸。1.3 试验方案设计 针对影响透明土
18、强度的因素,主要包括含水率及颗粒粒径,设计了 5 种不同的含水率和 3 种不同颗粒粒径的直剪试验,形成 15 组对照实验方案,见表 2。透明土试样尺寸为 61.8 mm(直径)20 mm(高度),干密度为 1.3 g/cm3左右。各部分原材料的配比为:固体材料配比为熔炼石英砂颗粒与硅粉质量比为 1007;正十二烷与 15 号白油体积比为 17。试验在 ZJ 型应变 控 制 直 剪 试 验 仪 上 按 土 工 试 验 方 法 标 准(GB/T501232019)的规定开展,试验时的最大剪切位移为 6 mm,剪切速率为 0.8 mm/min,轴向压力分别为 50、100、200 和 300 kPa
19、。表 2 试验方案 编号含水率/%石英砂粒径/mm 轴压/kPa 1 15 0.20.5 50/100/200/300 2 15 0.51.0 50/100/200/300 3 15 1.02.0 50/100/200/300 4 18 0.20.5 50/100/200/300 5 18 0.51.0 50/100/200/300 6 18 1.02.0 50/100/200/300 7 20 0.20.5 50/100/200/300 8 20 0.51.0 50/100/200/300 9 20 1.02.0 50/100/200/300 10 23 0.20.5 50/100/200/
20、300 11 23 0.51.0 50/100/200/300 12 23 1.02.0 50/100/200/300 13 25 0.20.5 50/100/200/300 14 25 0.51.0 50/100/200/300 15 25 1.02.0 50/100/200/300 2 强度特性与细观演化机制 2.1 直剪试验曲线特征 图 2 为颗粒粒径在 0.20.5 mm 时,不同含水率(w0)条件下透明土材料的直剪应力-变形曲线。从图 2可以看出:含水率对试验曲线的形态无明显影响,但对剪切应力峰值影响较大,表现为当含水率从 15%升高至 23%时剪应力峰值逐渐增加,当含水率从 23%
21、升高至 25%时剪应力峰值逐渐减小;当轴向压力从 50 kPa增加到 300 kPa 时,透明土试验的强度特性从应变软化逐渐变为应变硬化,随着轴向压力增加,这种硬化现象显著,且这种硬化现象与含水率无明显相关性。图 3 为含水率为 15%时,不同石英砂颗粒粒径条件下透明土材料的直剪应力-变形曲线。图 2 不同含水率下试样剪切应力与剪切位移关系曲线 图 3 不同石英砂粒径下试样的剪切应力与剪切位移关系曲线 50 实 验 技 术 与 管 理 由图 3 可知:含水率相同时,颗粒粒径对试验曲线的形态无明显影响;在较低轴向压力(50 kPa)下,颗粒粒径越小,峰值剪切应力越大,当轴向压力增加到 300 k
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