冻融-干湿循环下硫酸盐渍土强度劣化的宏微观响应.pdf

收稿日期:修回日期:基金项目:宁夏自然科学基金项目()宁夏大学研究生创新项目()宁夏高等学校一流学科建设(国内一流建设学科)项目()作者简介:雷 过()男四川富顺人硕士主要从事水工岩土力学及工程应用研究:.通信作者:张卫兵()男宁夏银川人教授博士主要从事土力学与基础工程方向的教学与研究:.:./.():冻融干湿循环下硫酸盐渍土强度劣化的宏微观响应雷 过张卫兵李 晓刘臻祥周鑫磊(.宁夏大学 土木与水利工程学院银川 .旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心银川)摘 要:冻融干湿循环是引起硫酸盐渍土强度劣化的主要原因而土体微观孔隙结构与强度之间有紧密的联系通过无侧限抗压强度试验、压汞试验、电镜扫描()试验采用全局优化法()分析数据 处理 图像探究了冻融干湿循环下硫酸盐渍土强度劣化的宏微观响应关系 结果表明:冻融干湿循环作用下无侧限抗压强度随含盐量呈现先增大后减小的变化趋势当压实度较低时强度峰值对应的含盐量低从孔隙分布得出 的孔隙占比为强度劣化的阈值当其占比时强度出现劣化且劣化现象不可逆 冻融干湿作用下的无侧限抗压强度值与微观参数的歪度、结构优度间存在相关性无侧限抗压强度与歪度呈现正相关与结构优度呈负相关且结构优度比歪度对强度影响更加显著 影响无侧限抗压强度宏观指标劣化程度的微观参数依次为结构优度、歪度、分选系数、平均孔喉半径 本研究从定量分析的层面探究了硫酸盐渍土的宏微观响应关系为进一步研究盐渍土工程性质提供参考关键词:强度劣化宏微观响应硫酸盐渍土冻融干湿循环无侧限抗压强度试验压汞试验电镜扫描试验 全局优化法中图分类号:文献标志码:文章编号:()开放科学(资源服务)标识码():(.):.().:().().()第 卷 第 期长 江 科 学 院 院 报.年 月 .:研究背景工程中将土中易溶盐含量超过.并具有盐胀、溶陷、腐蚀等特殊工程特性的土称为盐渍土分为盐土与碱土 在我国西北地区分布着大量的硫酸盐渍土其易受外界环境影响发生盐胀与溶陷对硫酸盐渍土地区的公路、地基安全造成严重的影响 冻融、干湿循环对微观孔隙有较大影响如孔隙率随冻融次数先增加后减小最后缓慢增加平均孔径随干湿循环先减小后增加且均小于未干湿的孔径 同时孔隙变化又与强度有紧密的联系 王海涛等得出冻融次数对内摩擦角影响不大而黏聚力随冻融次数增加而减小 而马君泽等得出内摩擦角会随着干湿循环和含盐量的增加而减小 等根据温度场和土壤特性可以估算硫酸盐渍土公路地基的盐胀敏感深度 刘凯等得出前 次冻融循环产生的盐胀量占 且第 次循环时盐胀趋势减缓 应赛等认为硫酸盐渍土在降温过程中盐胀与冻胀相互影响当盐胀与冻胀程度相同时体积变化最小 等认为使用不同固化剂时含盐量对无侧限抗压强度的影响类似且随含盐量的增加无侧限抗压强度先增加后减小强度峰值出现在含盐量为.时 宫经纬等通过全固废材料固化硫酸盐渍土得出含盐量低于.时抗压强度呈先增后减趋势强度峰值也在含盐量为.时出现 等也得出随含盐量或石灰比例增加硫酸盐渍土的无侧限抗压强度呈现先增后减的趋势 以上学者从不同角度、不同因素出发对盐渍土宏观方面进行了研究而微观方面吕擎峰等通过核磁共振与无侧限抗压试验得出颗粒间的胶结情况对固化效果的影响大于孔隙特征 且通过石灰粉煤灰和水玻璃固化盐渍土均通过改变孔隙体积来提高抗压强度而水玻璃、石灰粉煤灰的固化效果对孔隙改变效果一般但能通过反应所生成的凝胶物质填充孔隙来提高抗压强度且效果较好 张伟等通过 图像与数据得知粉土质砂硫酸盐渍土在三轴剪切过程中趋于密实和均匀 等通过电镜扫描得出冻融循环引起硫酸盐渍土冻胀和盐胀过程中细颗粒含量因土体结构遭到破坏而增加 等在结晶动力学基础上研究硫酸钠冻结过程中的结晶生长机理证明微观结晶动力学理论可以很好地解释宏观结晶现象王春雷等认为易溶盐析出结晶与土颗粒胶结可使土体抗剪强度提高 色麦尔江等采用改良方式对盐渍土进行微观分析得出固化后的盐渍土颗粒变大土颗粒的较完整 粉煤灰加石灰比水泥加石灰改良后的内部结构排列紧密内部结构更加完整综上已有研究成果对变化环境下硫酸盐渍土宏观力学指标或微观结构方面进行了研究但未能将宏观指标劣化程度与微观结构演变之间建立有机的联系未能建立二者之间的响应关系模型 为此本文以宁夏地区硫酸盐渍土为研究对象通过无侧限抗压强度试验获取冻融干湿作用下硫酸盐渍土宏观强度劣化宏观参数借助 和压汞试验获取微观结构演变参数然后基于全局优化法分析宏微观参数间的联系并试图建立二者之间的定量关系 试验方法.土样分析本试验用土选自宁夏回族自治区吴忠市红寺堡区 该地区位于中部干旱带地下水矿化度高年降雨量少蒸发量大导致土壤盐渍化严重且多为硫酸盐及亚硫酸盐渍土 试验所取原状土的粒径分析如表 易溶盐离子含量如表 所示表 颗粒粒径含量 粒径/.).).占比/.表 原状土易溶盐离子含量 离子质量/().注:表中为每千克土中的离子质量 第 期雷 过 等 冻融干湿循环下硫酸盐渍土强度劣化的宏微观响应由表 可知粒径在.的含量为.的含量为.根据土的工程分类标准(/)该土为粉质砂土 由表 可知()/().依据岩土工程勘察规范()该试验用土属于中亚硫酸盐渍土.试验方案.试验方案设计为减少原状土中其他离子对试验的影响将原状土经洗盐、风干、过 筛后配制重塑土试样 根据土工试验方法标准(/)进行击实试验得到土体最大干密度为./最优含水率为.然后按照不同压实度和含盐量将重塑土制成直径.高为 的圆柱体试样 本试验方案设计中含盐量分别设置为、.、含水率均为击实试验所得最优含水率压实度分别设置为、共 个工况无侧限抗压强度制作两组压汞试验制作一组共计 个试样 试验工况设计如表 所示表 试验工况设计 含盐量/压实度/.试验方法制样完成后进行冻融干湿循环先将试样放入 高低温交变湿热试验箱中程序设置为历时 由室温降至 然后在 下冻 再经历 由 升温至 在 下解冻 此为 个冻融循环 冻融循环完成后将试样放入电热恒温干燥箱中根据土工试验方法标准(/)烘干温度设置为 持续 确保水分完全烘干 然后将冷却后试样取出并放入烧杯中用胶头滴管沿烧杯内壁加入制样时所添加等质量的蒸馏水静置 使水分通过事先在底部放置的透水石在毛细吸力作用下进入试样中此为 个冻融干湿循环 冻融循环 次后土壤力学性能和孔隙结构趋于稳定因此本试验设置冻融干湿循环次数为 次 冻融干湿循环试验结束后随机抽取 组使用 型应变控制式无侧限压力仪测量试样无侧限抗压强度试样变形速率为/剩余 组使用 型电容式压汞仪进行微观参数测定 首先将冻融干湿循环后的试样取中部位置处制成直径 、高 的圆柱体样品再将其烘干方可用于压汞试验 同时将进行压汞试样剖面相接部分进行电镜扫描通过 软件分析孔隙分布规律与宏观力学性能指标间的相应关系 型电容式压汞仪测得的微观特征参数有:平均孔喉半径 汞饱和度增量 孔喉半径分选系数 表示孔隙吼道大小分布均匀程度的特征值 分选极差相对分选系数(/)结构优度/歪度()/)表征孔喉大小分布偏于粗孔喉或细孔喉 为正态分布 偏粗 偏细 本文的宏观研究主要为探究道路土壤中在不同含盐量下抵抗轴向压力的极限强度变化选用无侧限抗压强度指标进行描述 而微观参数方面结构优度可由相对分选系数计算得出而相对分选系数可描述试样孔喉的分选状况以及平均孔喉半径歪度可描述孔喉的粗细状况 因此结构优度和歪度能较好地反映土体的微观状况对描述微观结构具有较好的代表性 因此定量分析选择无侧限抗压强度、结构优度和歪度进行宏微观的响应研究 试验结果与分析.冻融干湿循环下硫酸盐渍土的强度劣化机理分析 劣化机理主要对无侧限抗压强度的规律、微观参数以及孔隙分布的规律进行研究并分析其联系 通过压汞试验得出的歪度与结构优度微观参数如表 所示 冻融干湿循环作用下硫酸盐渍土无侧限抗压强度与含盐量及压实度的关系曲线分别如图 所示表 歪度与结构优度微观参数 含盐量/.由图()可知随着含盐量增加无侧限抗压强度大致呈现为先增大后减小的变化趋势当压实度较低()时强度峰值接近含盐量为 由图()可知随着压实度的增加无侧限抗压强度 长江科学院院报 年 00.5 1.0 2.0 4.06.0051 01 52 02 5无侧限抗压强度/k P a含盐量/%9 09 29 59 8051 01 52 02 5压实度/%(a)无侧限抗压强度与含盐量关系(b)无侧限抗压强度与压实度关系 无侧限抗压强度/k P a00.51.02.04.06.0压实度/%含盐量/%图 无侧限抗压强度与含盐量、压实度的关系.总体呈下降趋势这是由于高压实度下孔隙体积较小随着冻融干湿循环下硫酸钠反复的溶解与结晶越小的孔隙遭受盐胀影响越大孔隙结构的损坏越严重因此在宏观情况下反应为强度较低 而 压实度下无侧限抗压强度的平均值最高图()中的强度峰值几乎对应在 压实度处因此表明 压实度的硫酸盐渍土受冻融干湿循环作用下的强度劣化影响最小 结合表 可知除、压实度且不含盐的试样歪度其余孔喉均偏向于粗孔这是因为硫酸钠的存在土体发生盐胀使得孔喉呈现粗歪度而结构优度值大多在 之间因结构优度表征平均孔喉半径与分选系数之比由此可知整体孔喉分布不均这与盐胀有较紧密的联系 0.1 0.1,1)1,1 0)1 0,6 3 01 02 03 04 05 06 07 0 A 1 A 2 A 3 A 4 A 5 A 6 B 1 B 2 B 3 B 4 B 5 B 601 02 03 04 05 06 07 0 C 1 C 2 C 3 C 4 C 5 C 601 02 03 04 05 06 07 0 D 1 D 2 D 3 D 4 D 5 D 6频率/%9 08 07 06 05 04 03 02 01 008 0(a)P=9 0%(b)P=9 2%(c)P=9 5%(d)P=9 8%0.1 0.1,1)1,1 0)1 0,6 3 0.1 0.1,1)1,1 0)1 0,6 3.后结构优度持续增加而 压实度微观参数差距较小且此时结构优度的偏差系数也是最小的故而整体强度波动相较其余压实度要小再次说明结构优度与强度之间联系更加紧密 从强度值与歪度和结构优度值分析可知强度值较高的结构优度值较低.冻融干湿循环下硫酸盐渍土的微观孔隙结构分析 通过 型电容式压汞仪得出的孔隙分布探究其在冻融干湿循环后孔隙分布与强度劣化的响应关系 再联系 电镜扫描仪得出的电镜扫描图像结合 从表观孔隙结构方面对强度劣化进行分析 孔隙分布规律如图 所示如图 所示孔径在 的孔隙组成占据主要部分这一部分占孔隙总量比值的 以上因此判定该试验中影响强度变化主要是由于大孔隙 和中孔隙)的转换导致的 当孔隙在)的孔隙占比超过 时强度将会出现劣化现象当大孔比值高于 中孔比值低于 时无侧限抗压强度随着含盐量增加而提高但随着含盐量的继续增大盐分对孔隙的破坏作用增强导致大中孔隙遭到破坏且硫酸钠在干燥后优先填充在大孔隙中因此大孔隙减小中孔隙增加此时孔隙结构已经遭到破坏因此出现强度劣化现象 即在同一样品中大孔占比多于中孔打破这一平衡时出现强度劣化行为 且中孔差值越大强度 第 期雷 过 等 冻融干湿循环下硫酸盐渍土强度劣化的宏微观响应劣化程度越高 压实度为、均在含盐量为.开 始 劣 化 中 孔 占 比 差 值 分 别 为.、.强度差值分别为.、.压实度为时在含盐量为 开始劣化中孔占比差值为.强度差值为.压实度为 时在含盐量为 开始劣化中孔占比差值为.强度差值为.证明强度劣化和大中孔的孔隙占比有关且中孔间的占比越大强度劣化越严重 从孔隙分布分析强度劣化的主要原因是在冻融干湿循环过程中硫酸钠反复发生盐胀破坏了孔隙 最终在干燥后硫酸钠粉末填充在大孔隙中因此当中孔孔隙占比增加时强度会出现劣化 这也是强度劣化且不可恢复的主要原因为探究微观孔隙率与宏观强度之间的联系依据图()选择各压实度下强度最高与最低的试样借助扫描电子显微镜对各工况试样进行电镜扫描并获取图像通过 软件分析得出相应工况下的孔隙率选取同一工况下相同倍数的两张图像进行分析得出孔隙率并取平均值作为最终孔隙率 阈值选择 最佳经分析放大倍数宜选取 倍在此倍数下孔隙结构易观察、颗粒排列较清晰 电镜扫描结果如图 所示分析所得孔隙率如表 由图 可知经历 次冻融干湿循环后土颗粒上附着的碎屑越多对应的强度越低这是由于碎屑为小颗粒或硫酸钠粉末在干燥情况下减小了土体的内摩擦力导致强度降低 还可以看出随着压实度的增加土体更加密实形成整体 而据表、图、表 分析可知无侧限抗压强度与孔隙率变化大致呈现正相关的趋势 与孔隙占比相同孔隙率降低时强度出现劣化现象 这是由于在同一压实度下土体骨架中孔隙相同但随着含盐量的提高盐分在冻融干湿循环过程中逐步破坏骨架结构 在干燥后硫酸钠粉末填充在孔隙中降低了孔隙率但并未对骨架进行支撑因此发生强度劣化现象.冻融干湿循环作用下硫酸盐渍土的宏微观响应分析 将无侧限抗压强度与微观数据进行相关性检验可得出无侧限抗压强度与歪度、结构优度具有线性联系从而将宏观强度与微观参数联系起来 通过全局优化法()分析无侧限抗压强度和歪度、结构优度具有定量关系建立的线性方程系数见表 一般表达式如式()所示 /(/)()式中:为无侧限抗压强度、为系数(a)A 2(b)A 6(c)B 2(d)B 1(e)C 4(f)C 1(g)D 3(h)D 1图 电镜扫描图像.表 孔隙率 工况孔隙率/工况孔隙率/.由表 可知歪度、结构优度与无侧限抗压强度间存在强相关性越接近 表明无侧限抗压强度与歪度、结构优度的响应程度越好 即强度与微观参数间具备明显的线性关系 而从式()中得出歪度与无侧限抗压强度呈现正相关与结构优度呈现负相关 结构优度的标准偏差随着压实度的增加呈现减小的趋势表明压实度越高孔喉平均值与全孔喉分布都更加均匀化 结合图 与表 可知歪度和结构优度的差值越大强度变化越大 压实度为 长江科学院院报 年 表 宏微观拟合系数 压实度/系数标准偏差强度/.、时强度增量在含盐量为 至.时歪度变化最大此时、压实度的歪度分别由.增加至.、.增加至.压实度为、时强度增量在含盐量为.至 时歪度变化最大此时、压实度的歪度分别由.增加至.、.增加至.与歪度相反结构优度减小时强度增加压实度为、强度增量在含盐量在 至.时结构优度变化最大分别由.降低至.、.降低至.压实度为、时强度增量在含盐量为.至 时变化最大分别由.降低至.、.降低至.且结构优度的变化量比歪度的变化量小证明结构优度对强度的影响更显著实测无侧限抗压强度与全局优化法计算值对比分析各压实度下的实测强度与计算强度如图 所示81 21 62 02 4无侧限抗压强度/k P a1 21 41 61 82 02 24681 01 21 41 600.5124624681 0无侧限抗压强度/k P a含盐量/%实测值计算值00.51246含盐量/%00.51246含盐量/%00.51246含盐量/%无侧限抗压强度/k P a无侧限抗压强度/k P a(a)P=9 0%(b)P=9 2%(c)P=9 5%(d)P=9 8%图 各压实度下实测与计算强度对比.由图 可知冻融干湿循环后的无侧限抗压强度实测值与采用全局优化法拟合的计算值相差较小接近 表明相关程度较高 证明该拟合结果符合实际测试强度 随着压实度的增加拟合结果中的歪度系数 逐渐减小结构优度系数 逐渐增大 证明压实度越高结构优度对无侧限抗压强度的影响程度越大 本文通过对无侧限抗压强度与微观特征参数、孔径分布进行定性和定量分析并拟合建立响应模型 本研究将宏观强度指标与孔隙分布定性分析、与微观参数定量分析较好地描述了宏观与微观之间的响应关系 该研究对盐渍土宏微观的定性及定量研究提供理论支撑在量化宏观指标和微观参数间的研究建立数学模型为进一步对盐渍土科学的理论研究提供了参考 结 论对冻融干湿循环的硫酸盐渍土进行无侧限抗压强度试验、压汞试验、电镜扫描试验等对数据分析后结论如下:()对无侧限抗压强度进行分析在 组压实度下无侧限抗压强度随含盐量呈现先增大后减小的变化趋势且压实度较低时强度峰值对应的含盐量越低 随着压实度的增加冻融干湿循环作用对强度的劣化影响越显著相较而言压实度时的强度劣化影响最小()冻融干湿循环作用下硫酸盐渍土发生盐冻胀使得土体微观参数孔喉呈现粗歪度且结构优度值大多在 之间整体孔喉分布不均 结构优度与强度之间联系较紧密强度值较高时结构优度值较低()压汞试验表明对经历冻融干湿循环作用后硫酸盐渍土强度劣化程度影响大小的微观参数依次为结构优度、歪度、分选系数、平均孔喉半径图像与 分析表明无侧限抗压强度与孔隙率变化呈现正相关()孔隙分布可知中孔占比为强度变化的阈值 当中孔占比低于 时强度增强当中孔占比高于 时强度开始出现劣化且劣化倾向不可逆()经历冻融干湿作用后的宏观无侧限抗压强度值与微观参数歪度、结构优度间存在相关性且无侧限抗压强度与歪度呈现正相关与结构优度呈现负相关 采用全局优化法拟合出的表达式相关性较强可较准确地描述宏观强度与微观参数歪度及结构优度间的定量关系参考文献:王海涛 张远芳 成峰 等.冻融循环作用下盐渍土抗剪强度变化规律研究.地下空间与工程学报():.(下转第 页)第 期雷 过 等 冻融干湿循环下硫酸盐渍土强度劣化的宏微观响应 .():.黄 凯陈渠森鞠博晓.自动化监测系统的大坝变形预测方法研究.测绘通报():.许 笠 王延乐 华小军.雷达水位计在水情监测系统中的应用研究.人民长江 ():.彭元松彭 端.基于 无线通信技术的河流水位监测系统.仪表技术与传感器():.刘铭辉车国霖张 衎等.一种不定长水尺图像水位测量方法.仪器仪表学报():.张 振周 扬王慧斌等.标准双色水尺的图像法水位测量.仪器仪表学报():.鲍 江 陶青川 张 鹏.基于图像处理的水位线检测算法.水电能源科学 ():.王 伟 马福昌.基于图像处理的水位自动测量技术.南水北调与水利科技 ():.聂 鼎张 龑刘 毅等.基于图像处理的小型水库水位测量方法.水电能源科学():.章后甜 郑 勇 陈 冰 等.图像全站仪及图像测量发展与展望.测绘通报():.():.():.黎建洲 张金生 曹 浩 等.精密三角高程测量在大藤峡水利枢纽左右岸高程联测中的应用.长江科学院院报 ():.:():.李军成.图像边缘检测的分数阶微分算子研究.计算机应用与软件 ():.文永革 何红洲 李海洋.一种改进的 和灰色关联分析的边缘检测算法 .图学学报():.(编辑:王 慰)(上接第 页)马君泽 张卫兵 张笑.干湿循环作用下硫酸盐渍土强度特性试验研究.地下空间与工程学报():.():.刘 凯 张远芳 张运海 等.冻融循环条件下亚氯盐渍土盐冻胀试验研究.长江科学院院报():.应 赛 周凤玺 文桃 等.硫酸盐渍土降温过程中的盐胀与冻胀特性.长江科学院院报():.:.宫经伟 王亮 慈军 等.硫酸盐含量对全固废材料固化盐渍土抗压强度的影响.长江科学院院报 ():.():.吕擎峰 周 刚 王生新 等.固化盐渍土核磁共振微观特征.岩土力学 ():.吕擎峰 王子帅 何俊峰 等.碱激发地聚物固化盐渍土微观结构研究.长江科学院院报 ():.张 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