不同应力路径下贵阳红黏土固结不排水试验及微观机理研究

不同应力路径下贵阳红黏土固结不排水试验及微观机理研究*

杨国生,左双英银,莫云川,刘小川,杨摇浩,钱鸿森,张彦召

(贵州大学摇资源与环境工程学院,贵州摇贵阳摇550025)

摘摇要:摇为揭示贵阳红黏土不同应力路径、固结不排水试验条件下宏观力学特性及微观作用机理,通过分别施加300kPa、400kPa、500kPa不同围压,在增P、减P、等P加载路径下,研究其应力-应变关系。结合SEM电镜扫描测试结果,分析了贵阳红黏土颗粒形态和孔隙结构等对宏观力学特性的影响规律。研究结果表明:三种应力路径下贵阳红黏土的应力-应变关系不同,应变速率也具有较大差异,但均表现出不同程度的应变软化现象。不同围压下,红黏土发生剪切破坏的峰值应力与围压呈正相关关系。SEM扫描电镜下,贵阳红黏土内部为片状黏土矿物、少量针状分散矿物及微小不定形物质,按一定的分布规律,进行接触、联结与排列组合形成特殊的微观结构,直接影响着宏观力学特性。关键词:摇贵阳红黏土,不同应力路径,固结不排水试验,宏观力学特性,微观机理中图分类号:TU411摇摇文献标识码:A摇摇摇文章编号:1003鄄6563(2019)03鄄0074鄄05

ConsolidationundrainedtestandmicroscopicmechanismofGuiyangredclayunderdifferentstresspaths*

YANGGuosheng,ZUOShuangying银,MOYunchuan,LIUXiaochuan,YANGHao,QIANHongsen,ZHANGYanzhao

(CollegeofResourceandEnvironmentalEngineering,GuizhouUniversity,Guiyang550025,China)

Abstract:摇InordertorevealthemacroscopicmechanicalpropertiesandmicroscopicmechanismofGuiyangredclayunderdifferentstresspaths,consolidationundrainedtestswerecarriedout.Under“+P冶,“-P冶and“=P冶loadingpaths,thestress鄄strainrelationshipwasstudiedbyapplying300kPa,400kPaand500kPaconfiningpres鄄suretoGuiyangredclay.Theinfluencelawsofparticlemorphologyandporestructureonitsmacroscopicmechani鄄calpropertieswereanalyzedbySEMelectronmicroscopy.Theresultsshowedthatthestress鄄strainrelationshipofGuiyangredclaywasdifferentunderthethreestresspaths,andthestrainratewasalsodifferent,buttheyallshoweddifferentdegreesofstrainsoftening.Atthesametime,shearfailureofredclayoccurredunderdifferentconfiningpressures,andthepeakfailurestresswaspositivelycorrelatedwiththeconfiningpressure.UndertheSEM,theflakyclayminerals,asmallamountofdispersedacicularmineralsandtinyamorphousmaterialsinGuiyangredclaywerecontacted,connectedandarrangedfollowingacertaindistributionlaw,formingaspecialmicrostructure,whichhadagreatimpactonthemacroscopicmechanicalpropertiesofGuiyangredclay.ties,microscopicmechanism

Keywords:摇Guiyangredclay,differentstresspaths,consolidationundrainedtest,macroscopicmechanicalproper鄄

贵Guizhou州科Science

学37(3):20190摇引言

贵阳红黏土是由碳酸盐岩在气候温暖、潮湿,降雨充沛的环境下经物理和化学风化、红土化及残积作用形成的呈棕红、褐黄色的特殊土体,具有高液限、高塑性、高孔隙比、低压缩性和明显胀缩不可逆性及“反剖面冶特征[1]认识到土体静-动力特征对应力路径的依赖性。自Terzaghi以来,人们开始,并受到众多学者的关注。Lambe[2]首先明确提出了应力路径的概念,并开始系统地研究应力路径对土体的变形、强度、应力-应变关系曲线特征的影响。李景阳等[3]、廖义玲等[4]、周远钟等[5]对贵阳红黏土的物质组成和微结构特征进行论述,对红黏土微结构进行了模型构建和分类。刘晓红等[6]、动弹模量与动强度特、Fall等[7]分别对红黏土的动本构关系性,红黏土在循环荷载下的累积塑性应变发展规律进行研究,探讨了围压、固结比、含水比等因素对土体动本构关系、动弹模量等的影响。黄质宏等[8]模拟不同应力路径红黏土受荷过程中应力-应变关系Burland,表明分析,对结构性土的力学等应力路径对土体力学性质有较大影响。[9]、沈珠江等[10]通过大量的试验和理论、强度和破坏特性进行了深

入的研究。

上述基于宏、微观室内试验的研究成果为正确认识土体的力学特性和微观作用机理奠定了良好的基础,但两者之间的关系定量研究比较少见。本文以贵阳红黏土为研究对象,探讨不同应力路径、不同围压下土的宏观力学特性,结合SEM电镜扫描测试分析其微观作用机理,对于正确认识贵阳红黏土的结构性具有重要作用,同时为建立微观结构参数与宏观物理力学指标之间的关系给出了方法参考。

1摇试验土样及方案1.1摇试验土样

试验土样取自贵州大学资源与环境工程学院工程物探试N),验场区(106毅39忆30.经多种风化作用形成取样深度4~7m。16义E,26毅26忆38.40义,土样呈褐红色土样由三叠系安顺组白云岩,夹少量棕黄1色及图,可塑1。

-硬塑状态,试验土样及基本物理参数见表

75

表1摇贵阳红黏土基本物理参数Tab.1摇PhysicalparametersofGuiyangredclay

天然密度/含水率液限塑限孔隙比比重(g/cm3w/%wlwpeGs1.82

)42.50

69./21%

41./55%

1.23

2.63

图1摇取土地点及试验土样Fig.1摇Samplingpointsandtestsample

1.2摇试验方案

为研究不同应力路径、不同围压条件下贵阳红黏土的宏观力学特性及微观结构特征,分别对贵阳红黏土进行固结不排水试验及SEM电镜扫描测试,其具体方案如下:1)对原状贵阳红黏土样,分别施加300kPa、400kPa、500kPa围压,使土样排水固结,之后在不排水的情况下,分别进行增P(滓变、滓减P(滓P(滓3不小、滓1增大)、三种应力路径下的加载剪切试验1不变、滓3减少)、等;2)3减1增大)通过SEM电镜扫描对贵阳红黏土进行微观结构及形貌分析。

1999)根据土工试验方法标准[11],试验土样采用规格为SLB-1椎39.(GB型应力应变控制1/mm伊80T50123mm

-

的原状样。试验仪器使用式三轴剪切渗透试验仪和EVOMA15/LS15型扫描电镜(SEM),首先根据试验要求进行装样,过程中注意排除测量孔隙压力管路和排水管路内的空气,防止外部空气进入土样内部。固结阶段,设置目

76工程与材料科学/Engineering&MaterialSciences摇摇摇摇摇摇摇摇第37卷摇

标围压值,固结终止条件孔隙水压力为0,采样方式按时间间隔30s采样,采取施加不同的等向围压使红黏土完成排水固结。剪切阶段,打开排水阀,手动清零孔隙压力、轴向位移和主应力差,设置试验目标值参数,下级应力状态,按时间间隔逐级施加围压和主应力差SEM试样进行预处理电镜扫描测试前,使土样在一定的应力路径下达到破坏,以尽量避免扰动试样结构,采用冷冻干燥法和掰断法对。,选取试

样中间部位,制成约1cm3小块用于获取介-微观结构图像。

2摇试验结果及分析

以主应力差为纵坐标,轴向应变为横坐标,绘制主应力差与轴向应变关系曲线,出现峰值时,取曲线峰值点为破坏点;无峰值时,取轴向应变15%时的主应力差为破坏点。如图(2)为贵阳红黏土不同围400压、不同应力路径下应力kPa、500kPa)。

-应变曲线(滓3=300kPa、

渐增大1),同一应力路径土体达到峰值或、不同围压下15%轴向应变时,随着围压的逐

,所需的主应力差也不断增大,存在正相关关系,同时曲线整体均表现出应变软化现象,即应力-应变曲线达到峰值破坏或15%的轴向应变后,曲线均表现出整体下降的趋势,存在明显残余强度值。

峰值破坏或2)同一围压15%、轴向应变时三种不同应力路径下,其强度峰值存在明显,土体达到

差异,具体表现为,增P剪切路径和减P剪切路径下分别对应最大和最小峰值强度,等P剪切路径下的峰值强度居于中间。三者的应力-应变曲线类型存在一定过渡性:减P剪切路径下强软化型、等P剪切路径下软化型、增P剪切路径下弱软化型(围压较低时,有弱硬化现象),可以预测,不同应力路径下,土样的破坏形态会存在明显差异,土样将从脆性破坏过渡到塑性破坏应变范围内3)三种应力路径下的应力。

(一般在5%),均表现出随应变增加-应变曲线,在一定

、应力加速上升现象,并随着围压的增加应变加速区越来越明显,表现在具有较大的变形模量E;增P剪切路径和减P剪切路径下的应力-应变曲线存在应变速率缓慢递增区,即一定应变范围内,表现出主应力差增量较大,而应变增量较小,增P剪切路径下应力-应变曲线表现出明显的弧段,应变速率较大。

图2摇贵阳红黏土不同围压、不同应力路径下应力-应变曲线Fig.2摇Stress-strainconfiningpressurescurveofandGuiyangdifferentredstressclayunderpaths

different

考虑贵阳红黏土特殊的物质组成和微观结构,使原状样红黏土呈超固结状态,应力-应变曲线表现出一定的软化特性,原因可能是土体内部结构首先发挥作用,抵抗外加荷载,随轴向应变的增加,土体结构内部“颗粒-孔隙-水冶交互作用减弱,产生的抗剪切强度降低,达到某一应变条件时,外加应力超过土体结构屈服应力,土体发生剪切破坏。同一应力路径下,围压越大,在相同外加荷载作用下,土体颗粒和孔隙的相对位置越不易发生改变,变形发生越难,同时外加荷载下剪切应力值增长较快,对应的变形模量E越大。在CU试验条件下,当外加荷载较低时,由于孔隙水压不能及时消散,导致有效应力很低,其应力随应变增长的过程中,颗粒间的胶结强度受损程度较小,颗粒间的胶结强度发挥作用,土样表现为很强的应变软化现象(增P剪切路径和等P剪切路径下);当施加的围压较高时,颗粒间的胶结状态极易被打破,土样表现出类似重塑土应变软化的特性(减P剪切路径下,破损过程中出现塑性流动或弱软化现象)。

3摇红黏土CU试验条件下微观结构分析

如图3为贵阳原状红黏土放大2000倍时SEM图像(图3a),阈值取140时,二值化(图3b)和矢量

贵Guizhou州科Science

学37(3):2019化(图3c)结果图。为多尺度量化分析贵阳红黏土介-微观结构特征,基于PCAS岩土体结构识别和定量分析系统(表3)。

,提取了表征土体二维孔隙的定量参数图3摇原状样贵阳红黏土SEM图像处理结果Fig.3摇SEMsampleimageprocessingofGuiyangresultsredclay

oftheoriginal

表2摇贵阳红黏土孔隙定量化处理统计参数Tab.3摇StatisticalanalysisparametersofGuiyangofredporosityclay

quantitative

区域总面最大区域平均区域平均周长平均形状最大长度平均宽度积/像素面积/像素面积/像素22384857593418.41

100./像素

系数75

0.37

502./像素

6815./像素

55概率熵分形维数区域概率孔隙分布分布指数分形维数均匀系数曲率系数0.99

2.65

1.96

2.02

1.831.23

由图3、表2分析可知,贵阳红黏土颗粒和孔隙结构的大小、形态、表面特征及土体结构单元间接触、联结与排列组合等微观结构,存在一定分布规律。其内部片状黏土矿物、少量针状分散矿物及微小不定形物质,进行接触、联结与排列组合后,再通过胶结作用、沉积环境及沉积后各种地质营力作用,形成特殊的微观结构。微观结构单元间,通过特殊游离氧化物的接触和联结形成特殊的空间结构形式-胶结粒团,同时在粒团集聚体间及其内部形成一

77

定的孔隙。这将使得,加载初期,颗粒间的胶结强度受损程度较小,胶结力首先发挥作用,导致应变较小的情况下,产生较大的剪切应力和变形模量,出现应变软化现象。贵阳红黏土颗粒间机械咬合牢固、水稳性好、化学胶结状态良好,结构相对完整,颗粒间胶结良好,含有颗粒胶结形成的凝块状结构和蜂窝状结构;颗粒间胶结紧密,结构间无明显的裂纹,小颗粒含量相对较少,很好的填充因一定棱角的大颗粒间架空孔隙,使土体在外加荷载作用时,较好地产生结构抗力,使土体达到峰值或15%轴向应变时,所需的主应力差增大,并产生较大残余强度值。

4摇结论

通过对贵阳红黏土进行不同应力路径下固结不排水试验,研究了其应力-应变关系,同时结合SEM电镜扫描测试结果,分析了颗粒形态和孔隙结构等对宏观力学特性的影响规律渐增大1),同一应力路径土体达到峰值或、不同围压下。初步得到以下结论15%轴向应变时,随着围压的逐

:

,所需的主应力差也不断增大,应力-应变曲线整体均表现

出应变软化现象;三种应力路径下的应力应变曲线,在加载初始,均表现出随应变增加、应力加速上升现象,并随着围压的增加应变加速区越来越明显,表现在具有较大的变形模量E峰值破坏或2)同一围压15%、轴向应变时三种不同应力路径下。

,增P剪切路径和减,土体达到

P

剪切路径下分别对应最大和最小峰值强度,三者的应力-应变曲线类型存在一定过渡性:减P剪切路径下强软化型、等P剪切路径下软化型、增P剪切路径下弱软化型(矿物3)SEM、少量针状分散矿物及微小不定形物质扫描电镜下围压较低时,贵阳红黏土内部片状黏土

,有弱硬化现象)。

,按一定的分布规律,进行接触、联结与排列组合后,形成特殊的微观结构,这是影响不同应力路径下宏观力学性产生差异的重要原因。

参考文献揖REFERENCES铱

[1]摇三轴抗剪强度试验研究赵蕊,左双英,王嵩[,J].等.水文地质工程地质不同含水量贵阳重塑红黏土,2015,42(5):90鄄95.

(下转第92页)

92化学科学/ChemicalSciences摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇第37卷摇

2.4摇分析方法的准确度试验

用曝气水(pH=7)配制准确浓度为17.62滋g/L硝磺草酮、9.滋g/L烟嘧磺隆、51.45滋g/L莠去津试样溶液,取5mL置于10mL试管中,加入5mL曝气水(pH=7)配制的准确浓度为21.03滋g/L烟嘧磺隆、21.95滋g/L硝磺草酮、19.73滋g/L莠去津混合标液,摇匀,平行5次,在1.3仪器操作条件下进行分析,回收率(%)=(实测加标浓度*10-样品浓度*5)/(标样浓度*5),测得硝磺草酮、烟嘧磺隆104.86%,见表4。

和莠去津的平均回收率为102.85%、106.23%和

表4摇准确度试验结果Tab.4摇Resultsofaccuracytest

硝磺草酮

序号12345平均值

实测加标浓度/(滋g/L)20.2919.9320.2220.0819.9720.10

回收率104.61101.29103.95102.71101.67102.85/%

烟嘧磺隆实测加标浓度/(滋g/L)15.7116.2615.9415.9915.8215.94

回收率104.03109.22106.21106.65105.03106.23/%

莠去津实测加标浓度/(滋g/L)36.0936.1136.1435.9736.0536.07

回收率105.06105.25105.52103.79104.67104.86/%

3摇结论

30%硝磺草酮·烟嘧磺隆·莠去津可分散油悬浮剂中三种有效成分的分析方法。试验结果表明,硝磺草酮、烟嘧磺隆和莠去津线性关系良好,方法检出限低,准确度和精密度高,操作简便、快速,是产品质量控制和应用研究理想的分析方法。

建立了一种简便、快速和低检出限的同时,分析

参考文献揖REFERENCES铱

[1]摇胡玫,过欣雨.24%硝磺·烟嘧·莠可分散油悬浮剂高效液相色谱分析[J].河南化工,2017(2):鄄56.

[2]摇吴艳芳,徐家俊,孟令涛,等.26%硝磺草酮·烟·莠油悬剂高效液相色谱分析[J].农药,2014,53(1):26鄄27.[3]摇姚菊仙,杨丽凰,李榆庆.28%烟·硝·莠去津可分散油悬浮剂的分析方法[J].云南化工,2018,45(6):105鄄107.

收稿日期:2018-10-23;修回日期:2018-11-07

基金项目:贵州省科技计划项目:GLP安全评价服务平台创建(黔科合平台人才也2016页5709)。

作者简介:陈迎丽(19-),女,宁夏人,硕士研究生在读,研究方向:化工分析。

施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施(上接第77页)

[2]摇LAMBETW.Stresspathmethod[J].JournalofSoilMe鄄chanicsandFoundationDivision,1967,93(6):268鄄277.[3]摇李景阳,朱立军,梁风,等.碳酸盐岩残积红粘土微观结构的扫描电镜研究[J].中国岩溶,2002,21(4):233鄄237.[J].工程地质学报,1994,1(2):27鄄31.726鄄731.

[4]摇廖义玲,余培厚.红粘土的微观结构及其概化模型[5]摇周远忠,刘新荣,张梁,等.红粘土微观结构模型及其[6]摇刘晓红.高速铁路无砟轨道红黏土路基动力稳定性研究[D].长沙:中南大学,2011.

[7]摇FALLM,TISOTJP,CISSEIK.UndrainedbehaviourofcompactedgravellateriticsoilsfromwesternSenegalundermon鄄1997,47(1/2):71鄄87.

otonicandcyclictriaxialloading[J].EngineeringGeology,[8]摇黄质宏,朱立军,廖义玲,等.不同应力路径下红黏土

的力学特性[J].岩石力学与工程学报,2004,23(15):2599鄄[9]摇BURLANDJB.Onthecompressibilityandshearstrengthofnaturalclays[J].Geotechnique,1990,40(31):329鄄378.程学报,1998,20(1):100鄄111.

[10]摇沈珠江.软土工程特性和软土地基设计[J].岩土工50123—1999[S].北京:中国计划出版社,2007.

收稿日期:2018-11-14;修回日期:2018-11-19

基金项目:贵州大学“SRT冶项目(51469007);贵州省科学技术厅社会发展科技攻关项目(黔科合支撑也2017页2866)。

作者简介:杨国生(1994-),男,本科生,主要从事地质工程方面的科研工作。

银通讯作者:左双英(1977-),女,教授,博士,主要从事岩土工程与地下工程方面的教学和科研工作。

2603.

工程力学效应分析[J].地下空间与工程学报,2012,8(4):

[11]摇中华人民共和国建设部.土工试验方法标准:GB/T