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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流广西红粘土和膨胀土热力学特性的比较研究.精品文档.广西红粘土和膨胀土热力学特性的比较研究第26卷第7期2005年7月岩土力学RockandSoilMechanicsVo1.26No.7Ju1.2005文章一号IlO007598一(2005)071068-05广西红粘土和膨胀土热力学特性的比较研究欧孝夺,吴恒,周东(广西大学土木建筑工程学院,南宁530004)摘要.基于广西膨胀土和红粘土的成因类型,物质成分和结构特征,研究常温(_46o)下膨胀土与红粘土的热力学特性,探讨了红粘土与膨胀土的抗剪强度指标与温度之问的相关关系.试验结果表明,两种土在
2、l0,40与室温(28)时,主应力差一峰值变化不大,而60时有明显增大;在相同条件下,红粘土的主应力差峰值变化更大;红粘土与膨胀土的抗剪强度指标(c,)随热状况不同而发生变化,而且红粘土的粘聚力C和膨胀土的内摩擦角妒在室温,环境有较小值.分析结果认为,两种土的热效应影响趋势相似,但红粘土的热力学特性较为敏感,这与红粘土的成因类型及胶结特征密切相关.研究结果为红粘土与膨胀土地区工程建设及减灾防灾提供参考.关键词:红粘土;膨胀土;热力学中图分类号.Tu441文献标识码:AComparativestudyonthermodynamicscharacteristicsofredclayandexpan
3、sivesoilsinGuangxiOUXiaoduo,WUHeng,ZHOUDong(CollegeofCivilandArchitecturalEngineering,GuangxiUniversity,Nanning530004,China)Abstract:Basedonanalyzingthecausesofinformation,materialcomponentsandstructuralcharactersofthecommonexpansivesoilandtheredclayedsoilinGuangxi,somethermodynamicstestshavebeendon
4、eontheredclayedsoilandtheexpansivesoilundernormaltemperature(-4一601tosearchtheirthermodynamicscharactersandtheirrelationsbetweenshearstrengthindexandtemperature.Accordingtothetests,(al-03)peakvalueofthetwokindsofsoilsdonotchangemuchundertheindoortemperature(28)andthetemperatureof10,40oCenvironmentre
5、spectively,whileunderthetemperatureof60thechangeisobviousUnderthesameconditionsthemaindifferencestresspeal(valueoftheredclayedsoilhasagreaterchange.TheshearsengthindicesCoftwosoilschangewiththehotstateaccordingly.Furthermore,thecohesivestressCoftheredclayedsoilandthefrictionangleofthecommonexpansive
6、soilarelessrelativelyintheindoortemperatureenvironment.FromthetestswecanconcludethatthetendencyofthethermodynamicinfluenceontheredclayedsoilandtheexpansivesoiliSsimilar,but山eredclayedsoiliSmoresensitivetothethermodynamicchange.Allthesedifferencesarecausedbythegenetictypeandagglutinatecharacterofthec
7、ommonclayedsoil.TheresultofstudyoffersreferenceforreducingthedisastersandtakingprecautionsagainstthecalamitiesSOastohelptheconstructionontheredclayedsoilandexpansivesoilarea.Keywords:redclay;expansivesoil;thermodynamics1引言广西地处低纬地带,属亚热带季风气候,夏长冬短,雨量充足,在这样的气候条件下,形成了各种特殊土,其中以膨胀土和红粘土尤为典型.众所周知,膨胀土主要是由强亲水性
8、粘土矿物蒙脱石和伊利石组成,具有吸水膨胀软化和失水收缩干裂的特性.广西是我国最典型的膨胀土分布地区之一,膨胀土种类多,分布广.其中宁明,平果,百色和南宁盆地一带的膨胀土主要由第三系湖相沉积泥岩,粉质砂岩及其风化残积物形成,也有部分是上述岩土风化物经流水搬运冲积成因形成.一般顶部为坡积粘土,呈棕红色加灰白,灰黄色;往下是残积粘土,呈灰白,黄色,浅灰色,间夹棕红及褐黄色;再往下是母岩一半胶结的粘土岩,呈灰,灰绿,灰褐色,残积层和母岩是逐渐过渡的,无明显界限,收稿日期:2004.03.0l修改稿收到日期:2004.11.08基金项目:广西科学基金资助项目(No.桂科青0447002).作者简介:欧孝
9、夺,男,1970年生,博士,副教授,主要从事土体结构及其工程特性的研究.E-mail:ouxiaoduo第7期欧孝夺等:广西红粘土和膨胀土热力学特性的比较研究1069坡,残积层厚度因地而异.其上覆盖有第四系冲积层的地区,没有坡积层,残积层也较薄(一般为12m).膨胀土裸露区,坡积土一般厚0.51.0m,残积层厚约3m左右,半胶结的粘土岩(泥岩,页岩)厚度可达数百米.坡,残积层中铁质较多,母岩中铁量较少,铁质在坡积层中呈结核状和块状,分布无规律.红粘土具有高含水量,高孔隙比和高塑性,是碳酸盐类岩石在潮湿温暖气候条件下经化学风化(溶蚀)及红土化作用形成的.红粘土主要是残积,坡积类型,一般分布在山坡
10、,山麓,盆地或洼地中,厚度变化很大,且与原始的地貌和下伏基岩的起伏变化密切相关.分布在盆地或洼地时,厚度变化大体是边缘薄,向中间逐渐增厚;分布在基岩或风化面上则取决于基岩起伏和风化厚度,当下伏基岩中溶沟,溶槽,石芽发育时,上覆红粘土的厚度变化极大,常见咫尺之隔竟相差10余米.实际上,粘性土的力学特性一直是土力学中一个极其复杂的重要研究课题.本文从环境温度变异入手,对广西红粘土和膨胀土进行热效应试验研究,探讨这两种粘性土热力学特性的差异,尝试从热力学试验角度进行土体力学特性的研究.2土样及其物理化学性质2.1取样地点及物性指标膨胀土试验取样点位于南宁市快速环道邕武立交桥附近,其处在垄岗低丘泥岩胀
11、缩土区,基岩是第三纪北湖组(巨)湖相沉积泥岩,粉砂质泥岩,以强风化或风化残积形态出露于地表,为层状结构,具有浅灰色,灰绿色,灰色的中厚层粉砂质泥岩和泥岩夹粉砂岩互层的特点,这就是南宁市知名的强膨胀土,其物理性质指标如表1所示.红粘土取样点位于南宁市东南部的大沙田附近,地处高程为8090m的低丘地带,垄岗起伏,属溶蚀谷地地貌.按南宁市工程地质分区,其处在东南部岩溶残丘谷地工程地质区,溶蚀谷地红粘土亚区,呈东西展布,面积约23km,为典型灰岩风化产物,属残坡积成因.其物理指标如表2所示.区域地质资料显示,该亚区部分红粘土是胀缩性红粘土.在地质调查中观察了场地四周及料场多个开挖断面,发现土层上部均有
12、阶地圆砾分布,不少地方还有铁锰质角砾分布.2.2比表面积,阳离子容量,成分分析对广西膨胀土,红粘土进行化学分析与比表面积测定,其试验结果见表3和表4所示.表1膨胀土物性指标与粒度组成Table1Thephysicalparametersandparticle-sizedistributionofexpansivesoil表3膨胀土与红粘土的矿防组成及物化指标Table3Themineralcompositionandphysico-chemicalparametersofexpansivesoilandredclay土样丝壁易溶盐总量阳离子交换量比表面积蒙脱石伊利石高岭石绿泥石其它/%/me?
13、(100g)/m?g-表4游离氧化物含量(单位:%)Table4Thecontentsoffreeoxides(unit:/%)3试验方法与过程(1)将膨胀土运至实验室后自然风干,碾碎后将土样过2ITIIII筛,均匀喷洒水后静置于密闭容器内24h以上,使含水量均匀;l070岩土力学20o5年(2)当含水量=15.4%(与塑限相当)时,制作三轴试样(=39.1mm,h=80mm),试样分5层制作,每层36g,10击,每层击实后将表面刨毛,然后再加第2层土料.如此继续进行,直至击完最后一层,将击样筒中的试样两端整平,取出称其质量,控制在171172g之间,满足密度差值小于0.02g/cm的要求;(
14、3)将橡皮膜套在试样外,分别在室温(28),1O,4O和6O的环境中静置168h后,在相应的水温条件下完成三轴(UU)试验,剪切速率为0.828mms,围压分别为100,200,300,400kPa,每一级围压进行4次试验,共完成64个土样的试验.红粘土的制样与试验方法与膨胀土相似.不同之处是当含水量=14.0%(与塑限相当)时,制作三轴试样,分5层制作,每层37g,10击,共完成64个土样的试验.4试验结果与讨论从主应力差(一03)与应变.的关系,抗剪强度指标(C,)随温度t的变化以及ct和一t拟合曲线的斜率等方面,对膨胀土和红粘土热力学特性的差异性进行分析.4.1主应力差与应变的关系将膨胀
15、土和红粘土分别在含水量与塑限相等的情况下制备三轴试样,其它条件相同,前面已介绍.接着分别在1O,4O,6O的温度环境中静置168h后进行三轴试验.试验结果如下:(1)温度对膨胀土主应力差峰值的影响见图1.(2)温度对红粘土主应力差峰值的影响见图2.从图1,图2可以看出,土体经过热作用后,膨胀土和红粘土的主应力差峰值有以下特点:两种土的主应力差的峰值随温度t升高而增大;两种土分别在4种温度环境中试验,1O,4O与室温28时一的峰值相近,而6O时一的峰值明显增大;在相同条件下,红粘土的峰值比膨胀土的主应力差峰值变化大.4.2抗剪强度指标土的抗剪强度指标包括粘聚力C和内摩擦角.本研究根据具体特点,采
16、用UU三轴试验,确定土的抗剪强度指标,结果如图3所示.从试验结果可以看出,土的强度指标有如下特点:(1)土的强度参数C,值是在不同的热状况下的试验值,是变数;f2)两种土的C与t之间的关系接近呈2次抛物线关系,而红粘土的C变化幅度更大些;与t之间的关系也呈2次抛物线关系,而膨胀土曲线下凹,红粘土为上凸;lOoo日800皇6oo40o200OSllOoo80o60o40020oOlOoo80o600SI400200Ol00080o曼600S40O200OlO室温4060tcCa)03=100kPalO室温4060trC(b)03=200kPalO室温4060tc(c)03=300kPa_lI.l
17、O室温4060tc(d)03=4oOkPa图1温度对膨胀土主应力差-峰值的影响Fig.1Influenceoftemperatureon-peakvalueoftheexpansivesoil第7期欧孝夺等:广西红粘土和膨胀土热力学特性的比较研究lo7llooO重8006O040020o0looO曼8006OO40020o0looO80o6o040o20o0looO生8006OO40020o0l0室温4060tcfa)03=100kPal0室温4060f/fb)03=200kPal0室温4060tc(C)o3=300kPal0室温4060tcfd)03=40okPa图2温度对红粘土应力差.峰值
18、的影响Fig.2Influenceoftemperatureono-1-peakvalueoftheredsoil(3)试样抗剪强度与环境温度具有明显的相关关系.红粘土和膨胀土的c与f及与f之间均具有良好的二次抛物线关系,即c:At2+Bt+C>=Dt2+Et+Fl801206003020一一l003020l00fa)Ct图3重塑土抗剪强度指标C,妒与温度t拟合曲线Fig.3Fittingcurvesofshearstrengthindicesc,妒ofremoldedsoilVS.temperature5原因分析(1)5.1从物理化学性质方面分析式中A,C,D,E,F均为可由试验确定的
19、系数;(4)图3(b),图3(c)中红粘土的C和膨胀土的均在室温环境有较小值,其原因需要进一步研究.试验结果显而易见,不同的土类具有不同的热力学特性,并且与其化学成分,颗粒特征是分不开的.大量的土工试验资料表明,碳酸盐岩红粘土的矿物主要有三大类:粘土矿物,游离氧化物和碎屑物质,其中以粘土矿物为主,占60%70%.碳酸盐岩红粘土的粘粒含量多在60%以上,余者多为粉因因凰L.L.Lr.P.L一加0l兰08叶0200201072岩土力学2005住粒,砂粒大颗粒含量较少(见表2).碳酸盐岩红粘土比表面积比一般粘性土大得多,其物理化学活性较高,同时具有含量较多的游离氧化物,其在蒸发过程中有脱水固结的趋势
20、,从而在土粒间形成水稳性较强的胶结连结.这与红粘土的热力学特性较为敏感相吻合.5.2从粘聚力和内摩擦角的本质分析膨胀土和红粘土受热作用后,粘聚力增大了,而红粘土的粘聚力C变化幅度更大些,这与红粘土的连结强度主要是游离氧化铁有密切联系.众所周知,粘性土颗粒问公共水化膜的连结力对粘聚力的产生具有重要作用,因而两种土的粘聚力随着温度的不同而发生变化.温度愈高,水份蒸发快,其含水量越小,公共水膜连结力越大,粘聚力也越大,所以含水量低粘性土的抗剪强度相当高;而土的内摩擦角则不同,其与土颗粒结构,大小,形状及密实度密切相关,如砂土的内摩擦角比粘性土大.孔令伟rj】等人研究认为游离氧化物胶结作用易随环境物理
21、化学因素的变化而变化,而且又常以胶膜状包裹在粘土矿物的表面.游离氧化铁对粘粒的包膜作用不仅影响了红土中的比表面积,更重要的是其改变了粘粒的电荷性质,从而导致粘粒阳离子交换性质的变化,而阳离子交换性质是水土体系性状的一个重要影响因素.同时,红粘土中所含易溶盐成分和经分解的有机物多被雨水冲走,以及游离氧化铁的作用致使体系所带净负电荷减少,最终导致红粘土粘土矿物阳离子交换总量及易溶盐成份较其它粘性土较低,见表3及表4.因此,红粘土经过热作用后,土质明显砂化,粘聚力增幅比膨胀土大些.6结语通过对膨胀土和红粘土的热效应进行对比研究,结果表明,随着环境温度升高,红粘土,膨胀土的抗剪强度有不同程度提高,主要
22、是由于不同土胶结物的热效应特性决定的.这一特点对工程地基处理来说具有很重要的意义.由于试验条件(包括土样,温度控制)的局限性,该试验尚是初步的模拟试验,但它最终说明:在土体结构性的研究中,由于温度因素导致的土体结构强度的变化,对土体力学性质的影响是应该考虑的.目前的研究表明,对土体结构强度的评价及预测都存在很大的困难.鉴于土体结构性与温度的密切关系,在充分了解土体热效应的前提下,结合地下温度场的变化来间接反映土体结构特征,是非常有意义的.而如何在评价,预测模型中考虑热效应过程值得进一步研究.参考文献【1】罗维松,欧孝夺.碳酸盐风化残坡积胀缩性红粘土路基病害分析【J】.广西交通科技,2002,2
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