广西靖西红粘土的变形和强度特性研究_王英辉
JournalofEngineeringGeology 工程地质学报 1004-9665/2009/17(4)-0550-07
广西靖西红粘土的变形和强度特性研究
王英辉 聂庆科 张全秀 梁书奇
(河北建设勘察研究院有限公司 石家庄 050031)
*
摘 要 对广西靖西取得的3种红粘土原状土样以及室内制备的重塑土样进行单轴压缩试验和三轴剪切试验(包括浸水饱和后的试验),其目的是研究静力荷载作用下红粘土的固结变形和强度特征。研究表明,在较大的压缩应力作用下,土样仍有较大的孔隙比;红粘土的破坏面为一个曲面变化形态,试样首先沿较为软弱的不规则面发生,然后才形成贯通的滑动面;尽管土样在破坏时出现明显的剪切破坏面(表现为一定的脆性破坏特征),但其应力应变关系呈现应变硬化的特点,表明红粘土有很强的粘滞特性。
关键词 红粘土 变形 强度 室内试验中图分类号:P642.11+4 文献标识码:A
DEFORMATIONANDSHEARSTRENGTHOFLATERITECLAYSINJINGXI,GUANGXIPROVINCE
WANGYinghui NIEQingke ZHANGQuanxiu LIANGShuqi
(HebeiResearchInstituteofConstructionandGeotechnicalInvestigationCo.Ltd.,Shijiazhuang 050031)
Abstract Thispaperinvestigatesthecharacteristicsofthedeformationandshearstrengthoflateriteclay.ThreekindsoflateriteclaysinJingx,iGuangxiProvincearestudiedwithlaboratorytestsincludingcompressiontestsandtriaixalsheartests.Thesamplesareundisturbedorremoldedspecimens.Theyareeithersaturatedorunsaturated.Thestudiesshowthatatagreaterconsolidationpressure,thevoidratioofsamplesaftercompressionisstillverygrea;tandthefailuresurfaceundertriaixalshearconditiontakesonacomplicatedshape(.ie.,notaplanesur-face).Althoughanobviousfailuresurface(.ie.,showingabrittlefailurecharacteristics)takesplace,thestress-straincurvetakesonahardeningcharacteristics,whichreflectstheviscosityoflateriteclay.Keywords Lateriteclay,Deformation,Shearstrength,Laboratorytest
状态。它广泛分布于我国南方的云贵高原、四川东
1引 言
红粘土是由碳酸盐岩在热带、亚热带湿热气候
部、湖南、湖北、广东和广西等地区。由于红粘土分
布地区内的工程建设活动日益增加,红粘土的强度特性影响到地基和边坡的稳定性,影响到工程设计和地基处理措施。在我国南方和拉丁美洲、东南亚等碳酸盐岩分布地区的地表,普遍分布着这类特殊的黏性土。这类土也构成了各类工程建筑物的地基持力层和边坡等工程。
条件下经过物理、化学风化和红土化作用而形成的一种呈褐红、棕红等颜色的高塑性粘土。红粘土的比表面积大,颗粒之间相互吸附能力强,而且由于游离氧化铁的胶结作用,天然状态下呈现牢固的团粒
*收稿日期:2008-07-17;收到修改稿日期:2008-12-02.
,.Emii@com
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红粘土具有特殊的工程性质,而且它的工程性质与物理性质之间的关系往往不同于一般黏性土,因而对其展开深入的研究具有理论意义和实践意义。已有很多学者对红粘土的工程特性进行了
[5][6][7]
研究。孔令伟等、谭罗荣等、赵颖文等曾先后对贵州、广西等地的红粘土进行过研究,探讨了红粘土中的矿物成分、脱水不可逆性、土颗粒之间的胶结作用和胶结性状、红粘土的微观结构特征及微观
[8]
结构模型等进行过研究。欧孝夺等探讨了红粘土的抗剪强度指标与温度之间的相关关系。王洋等
[9]
[1~4]
仔细包裹后,再用透明胶带整体密封。然后,运回实验室进行试验。
由探坑取样现场可以看到,红粘土地层有明显的分层性,不同土层的红粘土呈现红褐色、黄色或者褐色。不同层次红粘土的裂隙发育差别也比较大,有的红粘土土质细腻光滑,胶结特征明显,而有的红粘土则颗粒较大,砂质感强,土质比较松软。
3 试验土样的基本物理性质
尽管为保证同一分类的土样取自同一探坑内相差不大的标高处,但取样过程显示,每块土样的物理性质仍然有很大的不均匀性。为此,进行室内试验前对每块土样均进行了物理状态指标试验。所取得的红粘土土样的含水率为36.4%~44.0%,一般小于塑限(范围为39.6%~48.8%),而液限很大(范围为71.3%~91.1%),塑性指数为IP=27.5~45.4,为坚硬或硬塑状态。天然密度为1.66~1.94g#cm,孔隙比为0.87~1.2,干密度为1.40~1.47
-3
g#cm,比重为2.73~2.75。该红粘土的粘粒含量多、可塑性很大,具有较强的亲水性。土样的物理状态从地表向下逐步由坚硬状态过渡到硬塑状态,其性质差异也是明显的。当然,地表土层受大气降水的影响很大;而含水率的变化会直接影响到其压缩性和强度的变化,在工程建设中值得重视。红粘土的比表面积大,颗粒之间的相互吸附能力很强,特别是游离氧化铁的胶结作用使得它往往以牢固的团粒形态存在。因此,红粘土一方面具有较大的孔隙比,另一方面又有比较小的压缩性。由于红粘土有较大的塑性,也有明显的纹理结构,因此其强度特征既有很强的粘滞特征,又有脆性破坏的特征,表现为应力-应变关系的复杂性。
-3
通过试验分析了在含水率变化模式、水化学作
用模式、干湿交替作用模式和渗流作用模式下红粘
[10]
土力学性质的变异性。肖智政等研究了残积红粘土的固结特性,以及原状土和重塑土在不同围压下的破坏形式的变化。
由于红粘土成因及其结构的复杂性和可变性,所得到的许多结论仍然没有得到一致的看法。本文结合广西信发铝电建设工程,对在广西靖西取得的3种红粘土原状土样以及室内重塑后制备的重塑土样进行了室内单轴固结压缩试验和三轴剪切试验(包括浸水饱和后的试验),其目的是研究静力荷载作用下红粘土的固结变形特性和强度特征及其机理。
2 广西靖西红粘土的特点
2.1 取土现场的地形、地貌特征
广西靖西以高原山地地形地貌为主要特征,以碳酸盐岩组成的溶蚀型喀斯特地貌为主。其中,较纯的碳酸盐岩往往组成溶蚀、低山中,非碳酸盐岩夹层泥、页岩因强度较低形成缓丘、台地。峰林、峰丛和台地、洼地相间分布共同组成峰林洼地、峰丛洼地等地貌景观。这种典型的喀斯特地貌使溶蚀残余物在重力和地表水流作用下向低处移动,并在洼地、台地等低平处残积,然后经过后期的红土化作用而形成红粘土。由于上述特点,使红粘土的厚度在纵剖面上变化很大,红粘土层分布厚度极不均匀,盆地边缘厚度较小,盆地中部厚度较大,在溶沟、溶槽中厚度大,而在石芽上厚度小。2.2 现场取样情况
在广西靖西信发电解铝厂进行了探坑取样,共取得50余块原状红粘土土样,每块土样的尺寸大约为4 单轴固结(压缩)试验
4.1 试验方案和试样制备
对原状红粘土土样以及在室内重塑后的红粘土土样进行了单轴固结(压缩)试验。现场红粘土土样具有很大的离散性。为全面了解红粘土的特征,
对现场取得的3种典型原状土样进行了室内试验,同时还对原状土进行重塑后制备了含水率和孔隙比相同的重塑土样进行对比试验,以分析红粘土的结(
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表1 土样类型及编号
Table1 Typesandnumbersofsamples
土样编号A-G1A-G2A-CG1A-CG2B-G1B-CG2C-G1C-CG1
类型原状土原状土重塑土重塑土原状土重塑土原状土重塑土
含水率/(%)
36.436.436.436.438.138.144.044.0
初始孔隙比1.1951.1951.1951.1950.870.871.381.38
液限wL/(%)
78.978.978.978.991.191.178.978.9
塑限wP(%)
39.639.639.639.648.848.839.839.8
塑性指数IP
39.339.339.339.342.342.339.139.1
土样来源说明深度1m处2号深度1m处2号深度1m处2号深度1m处2号深度1m处8号深度1m处8号深度4.3m处深度4.3m处
说明:土样编号中(如A-CG1),A代表土样的取样位置,C代表重塑,G代表固结,数字1表示土样样品的编号。
4.2 试验结果分析
图1a中,对原状土(原状土1和原状土2)和重塑土(重塑土1和重塑土2)分别进行了平行试验,可见试验结果有一定的离散性。总体看来,重塑土的压缩性比原状土的压缩性要大。
由图1b可以看出,土类B当竖向固结压力p比较小时(如p50kPa),重塑土的压缩曲线比原状土的压缩曲线要低,表明重塑土有更大的压缩性。原状土样由于结构性的存在虽然有相对小的压缩性,但当压力增加到一定值时(如p=50kPa),出现一个明显的转折点(即两条曲线的分离点),表现出原状土的结构性的明显破坏。
图1a与图1b的初始孔隙比相差很大(土类A初始孔隙比为1.20;土类B初始孔隙比为0.87),但当固结压力加至p=600kPa时,压缩后的最终孔隙比相差不大(分别为0.6~0.7之间)。由图1c可以看出,土类C(初始孔隙比为1.39)尽管初始孔隙比很大,但由于具有较强的结构性,当固结压力加至p=600kPa时,压缩后的最终孔隙比仍然比较大(为1.1)。此外,土类C当竖向固结压力p400kPa,重塑土的压缩曲线比原状土的压缩曲线要低,表明重塑土有更大的压缩性。可见,红粘土的最终压缩量的大小与其初始孔隙比以及其结构性有密切关系。实际上,由于构成红粘土的团粒之间具有较强的结构能力和粘滞特性,其压实性能比较差,而在天然状态下又表现为较
图1 单向固结试验e-logp曲线Fig.1 Thee-logpcurvesofone-dimensional
consolidationtest
a.土类A;b.土类B;c.土类C
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5 三轴剪切试验
利用应变控制式三轴仪进行试验,制备试样的直径
比较接近。
-1
压力(R3=50kPa,100kPa,150kPa)作用下原状土
和重塑土的三轴剪切试验结果。
图3 原状土样三轴试验(土类A)Fig.3 Triaxialtestresultsofundisturbed
sample(soilA)
a.应力-应变关系;b.孔压变化规律
图2 原状红粘土土样破坏后的形态Fig.2 Photosofundisturbedsamplesafterfailure
由图2可以看出,破坏面并非呈一个平面,而为不规则的曲面变化形态。实际上,原状红粘土样的结构特征是十分复杂的,裂隙发育丰富而又极其不规则。三轴剪切试验过程中,原有的裂隙和结构不断调整和重新组合,并形成新的裂隙面。同时,土样内部的应力状态分布极其不均匀,在剪切过程中又会发生重分布。试样首先沿较为软弱的局部不规则面发生,然后才形成贯通的滑动面。
但是,由于红粘土具有较强的粘滞特性,原状土样的强度峰值不会立即下降(关于这一点,在后面的原状土样的应力-应变关系曲线可清楚看出)。试验观测表明,在剪切过程中土样在某种程度上还会出现裂隙面开裂-闭合的反复变化趋势,其结果是延缓土样的破坏,又表现为某种塑性变化的特征。
A图4 重塑土样三轴试验(土类A)
Fig.4 Triaxialtestresultsofremoldedsample(soilA)
a.应力-应变关系;b.孔压变化规律
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由图3a与图4a的比较可知,原状土强度大于重塑土强度。与重塑土相比,原状土的应力应变关系曲线呈现不光滑的较为复杂的波动变化形态。图3b和图4b表明,无论是原状土还是重塑土,其孔隙水压力变化则相对复杂得多,这与剪切过程中土结构的破坏以及重新组合和调整有关。
由图3a可以看出,在轴向应变较小时(如小于2.5%),围压小(如R3=50kPa)的应力应变关系曲线甚至比围压大(如R3=100kPa,150kPa)的应力应变关系曲线还要高些,这与红粘土有较强的结构性有关。尽管土样在破坏时出现明显的剪切破坏面(特别是在低围压时,表现为一定的脆性破坏),但是其应力应变关系主要呈现应变硬化的特征,几乎无峰值存在(特别是在高围压时),体现了红粘土有很强的粘滞特性。
图5给出土类B在不同的周围固结压力(R3=50kPa,100kPa,150kPa)作用下,原状土的三轴剪切试验结果。可以看出,随着围压的增大,红粘土的强度也增大。但是,在较小围压下(如R3=50kPa),开始时似乎表现出一定的结构强度,其应力应变关系曲线甚至高于较大围压下的情形。然而,随轴向应变的继续增大又表现出明显的硬化特征,强度持续上升。由图5b可以看出,在剪切过程中,孔隙水压力不大,与结构性原状土的剪胀特性有关。
图6给出土类B在不同的围压(R3=50kPa,100kPa,150kPa)作用下,重塑土的三轴剪切试验结果。可以看出,重塑土的轴向应力-轴向应变关系曲线呈现应变硬化的趋势,在应变较小时,轴向应力增加较快,其后开始平缓上升。由图5a与图6a的比较可知,原状土强度大于重塑土强度。而无论是原状土还是重塑土,其孔压变化则复杂得多。与图5a和图6a相比,土类B重塑饱和土样的强度明显下降(图7)。这是由于饱水后,红粘土土样内部矿物成分的胶结作用减弱,结构有一定程度的破坏。实际上,红粘土浸水后,颗粒之间的薄膜水增厚,而颗粒之间的相互作用力则减弱,表现为强度下降。因此,从这个意义上讲,应保证地基土不受外界降雨等的影响。
图8给出土类C原状土样三轴试验。前面已说明,该土样的结构性较强,因此其强度值明显高于土类A和土类B(图3a和图5a)
。
图6 重塑土样三轴试验(土类B)Fig.6 Triaxialtestresultsofremolded
sample(soilB)
a.应力-应变关系;b;孔压变化规律
图5 原状土样三轴试验(土类B)Fig.5 Triaxialtestresultsofundisturbed
sample(soilB)
a.应力-应变关系;b.
孔压变化规律
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而与土颗粒之间的摩擦效应相关的内摩擦角U关系不大。
表2 3种土类的抗剪强度指标Table2 Strengthindexesoftheredclays
土样类型土类A原状土土类A重塑土土类B原状土土类B重塑土土类B重塑饱和土土类C原状土土类C重塑土土类C重塑饱和土
粘聚力c/kPa
26.223.853.748.224.139.824.226.4
内摩擦角U/(b)
26.025.528.228.229.431.131.424.8
7 结 论
图7 重塑饱和土样三轴试验(土类B)Fig.7 Triaxialtestresultsofremoldedand
saturatedsample(soilB)
a.应力-应变关系;b.
孔压变化
(1)红粘土的最终压缩量的大小与其含水率、初始孔隙比以及其结构性有密切关系。一般来说,在较大的压缩应力作用下(如p=600kPa),土样仍
有较大的孔隙比,这与红粘土所具有的高塑性密切相关。
(2)当竖向固结压力p比较小时(如p50kPa),重塑土的压缩曲线比原状土的压缩曲线低,表明重塑土有更大的压缩性。
(3)红粘土有较大的塑性,也有明显的纹理结构,因此其强度特征既有脆性破坏的特征,又有很强的粘滞特性,表现为应力-应变关系的复杂性。而且,红粘土的破坏面为一个曲面变化形态。三轴剪切试验时,试样首先沿较为软弱的不规则面发生,然后才形成贯通的滑动面。尽管土样在破坏时出现明显的剪切破坏面(表现为一定的脆性破坏),但其应力应变关系呈现应变硬化的特征,又体现了红粘土有很强的粘滞特性。
(4)重塑土的轴向应力-轴向应变关系曲线呈现应变硬化的趋势,在应变较小时,轴向应力增加较快,其后开始平缓上升。试验表明,在剪切过程中,孔隙水压力比原状土样要大,呈现持续上升的趋势。(5)红粘土饱水后,土样内部矿物成分的胶结作用减弱,结构有一定程度的破坏。因此,与原状土的强度相比,饱和土样的强度明显下降。实际工程图8 原状土样三轴试验(土类C)Fig.8 Triaxialtestresultsofundisturbed
sample(soilC)
6 三轴试验强度指标分析
强度值确定原则如下:如有峰值出现,以峰值作为强度值;如无峰值出现,按应变值10%对应的应力作为强度值(表2)。
研究表明,对于同一种土而言,原状土与重塑土以及重塑饱和土的内摩擦角U相差不大(特别是对于土类A和土类B),其强度的变化主要与粘聚力c的变化有关。事实上,原状土与重塑土的差别主要由土的结构性以及土材料的粘滞特性引起的,因此不同情形下(例如,土结构的变化、密实度的变化)红c,
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免地基含水率的增大。
(6)原状土与重塑土以及重塑饱和土的内摩擦角相差不大,其强度的变化主要与粘聚力有关。原状土与重塑土的差别主要在于土的结构性以及土材料的粘滞特性引起,不同情形下(如土结构、密实度的变化)红粘土强度的变化主要体现在粘聚力值的变化上。
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新 书 介 绍
5采掘溃砂机理与预防6
作者:隋旺华 董青红等,地质出版社。
该书是作者们对近10年来在松散含水层下采掘溃砂机理与防治方面的理论成果和实践经验的系统总结,也是国家自然科学基金和教育部新世纪优秀人才支持计划的资助成果。 溃砂或水砂突涌灾害是近松散含水层采掘中常见的矿井地质灾害,因其形成机理、影响因素和防治方法的特殊性,应作为一种独立的矿井地质灾害种类来对待。5采掘溃砂机理与预防6以水土(岩)相互作用理论为基础,以工程地质模型的理念和地学信息技术为平台,从近松散含水层、薄基岩条件下开采溃砂的工程地质模式、影响溃砂的地质因素和采矿因素入手,以现场实测、工程地质力学模型和离心模型实验等为主要手段,研究采动影响下上覆岩体、松散含水层和隔水层的渗透变形以及孔隙水压力变化规律及溃砂机制,获得了不同岩性和粒度成分的风化带的抗渗透变形特征、近松散层采动裂缝贯通引起的溃砂和水砂突涌临界水力坡度、近松散层开采时覆岩破坏特征、水砂突涌的孔隙水压力变化及前兆特征,提出了不发生溃砂的安全水头高度的概念和评价计算方法,对底部粘土层的保护作用进行了分析和研究并取得新的认识,提出了防治水砂突涌的地质工程措施和安全技术措施;建立了开采上限工程地质辅助决策方法,并成功应用于近松散层煤层开采上限决策中。
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