淮北平原砂巖質(zhì)結(jié)核土試驗(yàn)制樣研究

淮北平原砂巖質(zhì)結(jié)核土試驗(yàn)制樣研究

在中新世，淮河流域也形成了一系列內(nèi)陸河流和湖泊的沉積層。這些粘性土壤比黃砂粒的顆粒成分小，受到水和土壤流動(dòng)的影響，失去了一些重要的黃土特征，但其中包括cac03組成的特征沒(méi)有改變。在地下水的作用下,CaC03因淋溶淀積而集中,或由于水份蒸發(fā)集聚而形成了粒徑不等、形態(tài)各異的鈣質(zhì)結(jié)核。在安徽淮北平原第四系的黏性土層中,鈣質(zhì)結(jié)核廣泛分布。鈣質(zhì)結(jié)核的存在使得土體呈現(xiàn)明顯的不均勻性和各向異性,土體的工程地質(zhì)性質(zhì)既不同于黏性土又別于碎石土,無(wú)法將其劃入任何已知的土類(lèi),是一種尚未得到深入研究的區(qū)域性特殊土。由于其工程性質(zhì)的優(yōu)劣很大程度上取決于鈣質(zhì)結(jié)核的形狀、大小、數(shù)量、分布、結(jié)構(gòu)及發(fā)育程度等,這使得對(duì)該土體開(kāi)展工程地質(zhì)評(píng)價(jià)十分困難?；诖?筆者所在課題組于2008年開(kāi)始在國(guó)家自然科學(xué)基金的資助下開(kāi)展對(duì)該區(qū)域性特殊土的工程地質(zhì)性質(zhì)等方面的基礎(chǔ)研究,且予以命名,即為鈣質(zhì)結(jié)核土。以往針對(duì)鈣質(zhì)結(jié)核土的研究,多是從其水利、農(nóng)業(yè)上的利用角度出發(fā),因而成果也主要集中在土體成因及土壤的改良與利用等方面,對(duì)其工程性狀、物理力學(xué)性質(zhì)等工程性質(zhì)方面的研究一直處于空白狀態(tài)?？辜魪?qiáng)度是土體一個(gè)十分重要的力學(xué)指標(biāo),而對(duì)土體進(jìn)行直剪試驗(yàn)是獲取土體抗剪強(qiáng)度的一個(gè)十分簡(jiǎn)單有效的方法,但是針對(duì)鈣質(zhì)結(jié)核土開(kāi)展的傳統(tǒng)室內(nèi)小尺寸直剪試驗(yàn)卻由于結(jié)核的存在而難以進(jìn)行。因此,筆者在鈣質(zhì)結(jié)核土的力學(xué)特性研究中引入了大型直剪儀,進(jìn)行了多組鈣質(zhì)結(jié)核土原狀土樣和重塑土樣的大尺寸直接剪切試驗(yàn),分析研究了鈣質(zhì)結(jié)核土的力學(xué)特性及其強(qiáng)度的影響因素。本文的研究對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)價(jià)鈣質(zhì)結(jié)核土力學(xué)特性、工程性質(zhì)以及實(shí)際工程應(yīng)用具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值,并為今后全面研究鈣質(zhì)結(jié)核土的結(jié)構(gòu)對(duì)強(qiáng)度的影響與控制打下基礎(chǔ)。1土壤養(yǎng)分測(cè)定的結(jié)構(gòu)形狀和分布特征1.1鈣失巖中的鈣模式鈣質(zhì)結(jié)核土是由細(xì)粒黏性土和粗粒鈣質(zhì)結(jié)核在空間上按一定的規(guī)律展布而成。鈣質(zhì)結(jié)核又稱(chēng)石灰結(jié)核或砂姜,多呈黃白色或灰色,形狀呈姜狀、核狀或渾圓狀,粒徑一般3～8cm,大的可達(dá)30cm以上,最小的不及1cm,如圖2所示。它是分散的碳酸鹽在硅酸、二氧化物、三氧化物、鐵和錳等吸附性物質(zhì)的表面與土膠結(jié)而成的。鈣質(zhì)結(jié)核的形成與地質(zhì)時(shí)期海平面的升降、古氣候、古河道的變化、地下水作用以及土壤淋溶淀積等因素有關(guān),碳酸鈣的來(lái)源主要是富含HCO3--Ca2+的淺層地下水,而鈣質(zhì)結(jié)核的大小和形態(tài)與地下水保持在這一層位的時(shí)間長(zhǎng)短以及蒸發(fā)率有關(guān)。根據(jù)鈣質(zhì)結(jié)核的發(fā)育程度、化學(xué)組分和外表形態(tài)的不同,可將其分成雛形鈣質(zhì)結(jié)核、完形鈣質(zhì)結(jié)核和鈣質(zhì)硬磐3種形態(tài),其中以完形鈣質(zhì)結(jié)核分布最廣。從鈣質(zhì)結(jié)核的微觀結(jié)構(gòu)來(lái)看,又可將其分為均質(zhì)結(jié)構(gòu)和同心結(jié)構(gòu)2類(lèi)。利用X射線衍射儀和X射線熒光光譜儀對(duì)兩者的微觀結(jié)構(gòu)和成分進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn),同心結(jié)構(gòu)的鈣質(zhì)結(jié)核石英、金屬含量相對(duì)較多,且石英結(jié)晶度較好;均質(zhì)結(jié)構(gòu)的鈣質(zhì)結(jié)核方解石含量較多,結(jié)晶度較好。由于石英硬度遠(yuǎn)大于方解石,因而同心結(jié)構(gòu)的鈣質(zhì)結(jié)核結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要好些,強(qiáng)度要高些,如圖2所示。1.2粉土中鈣結(jié)晶土體鈣質(zhì)結(jié)核土在空間上的展布具有明顯的規(guī)律性。從平面分布上看,淮北平原鈣質(zhì)結(jié)核土集中分布在河間平地、洼地及黃泛平地上,整個(gè)中南部地區(qū)除河流水系流經(jīng)之處外,均有鈣質(zhì)結(jié)核土的分布,而在古河道高地、泛濫微高地及河漫灘上則少見(jiàn)。從剖面分布看,西北部地勢(shì)較高,鈣質(zhì)結(jié)核土埋深較深;而東南部地勢(shì)較低,鈣質(zhì)結(jié)核土埋深也較淺。鈣質(zhì)結(jié)核土主要存在于黏土及粉質(zhì)黏土層中,粉土中也有少量分布,埋深集中在1.0～3.5m,部分地區(qū)直接出露地表。從上到下,一般為雛形鈣質(zhì)結(jié)核、完形鈣質(zhì)結(jié)核和鈣質(zhì)硬磐,結(jié)核粒徑隨著深度增加而增大,含量也隨之增多。鈣質(zhì)結(jié)核土的二相結(jié)構(gòu)影響著土體的力學(xué)特性。土體中所含顆粒的最大粒徑、土體顆粒分布的級(jí)配特征以及粗粒鈣質(zhì)結(jié)核的含量都深刻影響著土體的強(qiáng)度和變形特征。前人的研究成果表明,土體的強(qiáng)度存在尺寸效應(yīng),即在開(kāi)展相關(guān)土體力學(xué)試驗(yàn)時(shí),所獲得的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性會(huì)受到土顆粒粒徑與試驗(yàn)儀器尺寸間的比尺的影響,在比尺較小時(shí),所獲得強(qiáng)度數(shù)據(jù)會(huì)偏高。而當(dāng)比尺大到一定的水平時(shí),比尺效應(yīng)對(duì)強(qiáng)度的影響就可忽略不計(jì)。鈣質(zhì)結(jié)核土中結(jié)核的粒徑大小不一,其顆粒粒徑普遍較大,利用常規(guī)土工試驗(yàn)儀器所獲得的數(shù)據(jù)必然受到比尺效應(yīng)的影響。同時(shí),大粒徑鈣質(zhì)結(jié)核的存在,使得室內(nèi)試驗(yàn)制樣存在很大困難,鈣質(zhì)結(jié)核的尺寸往往比室內(nèi)試驗(yàn)試樣大很多,很難制樣成功,即使是利用小粒徑鈣質(zhì)結(jié)核制得了試驗(yàn)土樣,試驗(yàn)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中的現(xiàn)象,使試驗(yàn)結(jié)果離散性明顯,不具有代表性。因此,本文在研究中利用大型直剪儀開(kāi)展試驗(yàn),以期獲得較為準(zhǔn)確和客觀的試驗(yàn)結(jié)果。2大型直切試驗(yàn)2.1主要技術(shù)指標(biāo)本次試驗(yàn)使用的大型直剪儀為長(zhǎng)沙亞星數(shù)控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的TGH-2C型直剪儀。該直剪儀由微機(jī)控制部分、傳感器采集和顯示部分、杠桿砝碼加載部分(有液壓升降機(jī)構(gòu))、異步電機(jī)減速傳動(dòng)加卸載部分組成,如圖3所示。其主要技術(shù)指標(biāo)如下:(1)直剪速度為0.02～3mm/min,無(wú)級(jí)調(diào)速。(2)位移傳感器的量程為0～300mm,精度為0.04mm。(3)拉壓力傳感器量程為0～30kN,精度為0.05%FS。(4)數(shù)據(jù)采集儀采用20×4LCD液晶顯示,內(nèi)存32K。(5)垂直加載范圍為50、100、150、200kPa。(6)試模尺寸為30cm×30cm×15cm。(7)和試驗(yàn)儀配套的數(shù)據(jù)采集與處理軟件可在中文Windows98/2000/XP操作平臺(tái)下,對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行全自動(dòng)控制,并可打印出試驗(yàn)結(jié)果。2.2試驗(yàn)過(guò)程的要點(diǎn)(1)應(yīng)施加必要的垂直負(fù)荷，使土壤樣品硬化每1h測(cè)計(jì)垂直變形1次,試樣固結(jié)穩(wěn)定的垂直變形值為每小時(shí)不大于0.0025h(h為土樣高度,單位為mm)。(2)首先，在0.2kn下安裝，刪除壓力和位移傳感器，并開(kāi)始應(yīng)用水平負(fù)荷由微機(jī)自動(dòng)控制整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程,剪切速率為2mm/min,每隔1s測(cè)記水平荷載1次,直至剪損。(3)當(dāng)測(cè)試到達(dá)以下情況時(shí)，它將自動(dòng)停止如果剪應(yīng)力出現(xiàn)峰值,試驗(yàn)進(jìn)行至獲得穩(wěn)定值(殘余強(qiáng)度);如果剪應(yīng)力始終隨水平位移增大而增大,試驗(yàn)進(jìn)行至水平位移達(dá)20mm時(shí)停止。2.3原狀土樣的取樣土樣取自安徽省蒙城縣牛群特校東側(cè)一條新開(kāi)挖的河道中,取樣深度為地下1.5～2.5m。在取樣前定制了尺寸為35cm×35cm×20cm的木盒用以盛放原狀土樣。取樣時(shí)選擇鈣質(zhì)結(jié)核成層分布的河道岸坡,在河道岸坡上開(kāi)挖出平坦臺(tái)階面,臺(tái)階面的高度略大于所需土樣高度,然后將臺(tái)階面切修成一個(gè)個(gè)土樣,切修過(guò)程中保證土樣不受擾動(dòng)。土樣修整好之后用定制的木盒倒扣于土樣之上,將土樣納入盒內(nèi),再將底部的土體削離,便可得到一個(gè)完整的原狀土樣,取樣后用隔水薄膜密封保存。部分取樣過(guò)程如圖4所示。2.4土體粉碎粒徑的確定對(duì)原狀土樣進(jìn)行了顆粒分析試驗(yàn),將土體篩分為<2mm、2～5mm、5～10mm、10～20mm、20～40mm和>40mm6個(gè)粒徑層次。將土體篩分后,以控制含水量和結(jié)核粒徑為目的進(jìn)行重塑土樣的制作。重塑土樣制樣方法按文獻(xiàn)的要求執(zhí)行,其中含水量及鈣質(zhì)結(jié)核粒徑為可變因子,結(jié)核的質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)定為不變因子。設(shè)計(jì)使用的含水量分10%、15%和20%3級(jí);粒徑變化的取值分2～5mm、5～10mm和10～20mm3級(jí);結(jié)核的質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)定為20%(參考各組粒徑的結(jié)核在原狀土樣中的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)所得)。2.4.1原狀土樣中各檢查方法對(duì)“型鋼”或其強(qiáng)度高,其主要表現(xiàn)為對(duì)剪切過(guò)后的原狀土樣進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn),其試驗(yàn)的操作方法和注意事項(xiàng)皆因鈣質(zhì)結(jié)核的存在而具有特殊性。(1)如前所述,鈣質(zhì)結(jié)核分為雛形鈣質(zhì)結(jié)核、完型鈣質(zhì)結(jié)核和鈣質(zhì)硬磐3種。其中雛形鈣質(zhì)結(jié)核的強(qiáng)度最低,輕壓易碎,完型鈣質(zhì)結(jié)核和鈣質(zhì)硬磐的強(qiáng)度較高,但其強(qiáng)度也只與軟巖相當(dāng)。本次采取的原狀土樣中,總體上含的是雛形和完型鈣質(zhì)結(jié)核,并以完型鈣質(zhì)結(jié)核居多,因而在顆分前的碾壓中要特別注意保護(hù)結(jié)核不被壓碎,其方法見(jiàn)下文的制樣要點(diǎn)。(2)所采取的原狀樣體量較大(35cm×35cm×20cm),其質(zhì)量更達(dá)到25kg以上,因而針對(duì)每個(gè)土樣進(jìn)行的顆分試驗(yàn)都是一個(gè)很大的工程,所以針對(duì)鈣質(zhì)結(jié)核土進(jìn)行的顆分試驗(yàn)不能像常規(guī)室內(nèi)顆分試驗(yàn)?zāi)菢硬捎眯『Y,而必須采用特制的成套大篩,如圖5所示。2.4.2壓實(shí)后分液格局(1)在對(duì)原狀土樣進(jìn)行顆分的過(guò)程中,要注意保護(hù)鈣質(zhì)結(jié)核不受壓碎或磨損。由于鈣質(zhì)結(jié)核粒徑較大,若在土樣晾曬干燥后直接碾壓,會(huì)將部分大粒徑結(jié)核碾碎,因而必須在碾壓之前手工挑揀出肉眼可見(jiàn)的大粒徑結(jié)核,同時(shí)在碾壓時(shí)增大碾壓厚度,以保護(hù)尚未被挑揀出的結(jié)核,然后邊碾邊挑,確定結(jié)核基本挑出后再薄層攤鋪碾壓。(2)為了保證重塑樣內(nèi)水分均勻分布,需要將配好的土樣在容器中陳放1～2d,期間恒溫保濕保存,以保證水分滲透到土樣的各個(gè)部分,達(dá)到基本均勻分布的效果。(3)在將重塑土樣裝入剪切盒內(nèi)時(shí),要事先計(jì)算好裝入土樣的質(zhì)量,并分層填入壓實(shí),以保證重塑土樣的密度和原狀土樣相近。3試驗(yàn)結(jié)果3.1原狀對(duì)土體強(qiáng)度指標(biāo)的影響采取的原狀樣共12個(gè),編號(hào)如圖6所示。從圖6中可以看出,原狀樣的級(jí)配曲線總體較為平滑,從細(xì)粒到粗粒的展布較為均勻,表現(xiàn)出良好的級(jí)配特征。這種級(jí)配特征有利于土體強(qiáng)度的提高。因?yàn)樵谑芗魰r(shí),良好的級(jí)配能夠使粗、細(xì)顆粒間相互嵌擠咬合,形成整體骨架,顆粒間難以發(fā)生滑移,從而提高了土體的整體強(qiáng)度。原狀樣的強(qiáng)度指標(biāo)討論如下。綜合原狀土樣的含水量、密度、鈣質(zhì)結(jié)核含量和級(jí)配特征等諸多影響土體強(qiáng)度因素,試驗(yàn)得到了原狀鈣質(zhì)結(jié)核土抗剪強(qiáng)度指標(biāo),如圖7所示。從圖7中可以看出,原狀鈣質(zhì)結(jié)核土的c值為43.34kPa,而φ值為42.56°。由于黏性土的c值常見(jiàn)值為20～100kPa,φ值常見(jiàn)值為8°～25°;粗粒土的c值很小,接近于0,而φ值常見(jiàn)值為30°～41°,與此相比,原狀鈣質(zhì)結(jié)核土的內(nèi)摩擦角相對(duì)較大,表明鈣質(zhì)結(jié)核在土體中起到了強(qiáng)度骨架的作用,正是由于鈣質(zhì)結(jié)核之間的嵌擠咬合,增大了土體的內(nèi)摩擦角。而鈣質(zhì)結(jié)核本身形狀的不規(guī)則性,也有利于鈣質(zhì)結(jié)核間的接觸和相互作用。但是其c值的大小屬于正常的范圍,這是因?yàn)橥馏w中的黏聚力主要是由土體中的黏性土提供的?？梢?jiàn),鈣質(zhì)結(jié)核土的強(qiáng)度指標(biāo)直觀反映了鈣質(zhì)結(jié)核土二相粒度構(gòu)成的結(jié)構(gòu)特征。3.2土體結(jié)構(gòu)與鈣土充填的關(guān)系筆者通過(guò)重塑土樣的大型直剪試驗(yàn),得到了鈣質(zhì)結(jié)核土c、φ值之間的關(guān)系如圖8所示。其中的橫坐標(biāo)表示土的類(lèi)型,1～4分別表示素土、含粒徑2～5mm鈣質(zhì)結(jié)核、含粒徑5～10mm鈣質(zhì)結(jié)核、含粒徑10～20mm鈣質(zhì)結(jié)核的重塑土。從圖8中可以看出,在不同含水量時(shí),不同粒徑結(jié)核對(duì)土體c、φ值的影響是有很大差異的,但總體上都表現(xiàn)出c值在增大時(shí),φ值有減小的趨勢(shì),反之亦然。究其原因,可能正是土體二相結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的結(jié)果。鈣質(zhì)結(jié)核土由細(xì)粒的黏性土和粗粒的鈣質(zhì)結(jié)核二相構(gòu)成,在宏觀上,土體的黏聚力主要由土體中的黏粒提供,而摩擦及咬合力可能來(lái)源于結(jié)核間的嵌鎖和咬合。重塑土樣中,由于鈣質(zhì)結(jié)核的含量是一定的,這就導(dǎo)致在同等含量下,粒徑較小的鈣質(zhì)結(jié)核相對(duì)數(shù)量會(huì)多一點(diǎn)。因此,大粒徑結(jié)核分布相對(duì)分散,而黏粒分布集中;小粒徑結(jié)核分布相對(duì)集中,而黏粒則填充在結(jié)核間的空隙中,黏粒間的連接較差。黏粒分布集中時(shí),鈣質(zhì)結(jié)核被隔離,表現(xiàn)為c值較大而φ值較小;鈣質(zhì)結(jié)核分布集中時(shí),黏粒被隔離,表現(xiàn)為c值較小而φ值較大,因而會(huì)表現(xiàn)出c、φ值增減趨勢(shì)上的相反性。同時(shí)從圖8c中可以看出,含水量較大時(shí)c值和φ值的變化趨勢(shì)也表現(xiàn)出一定的相似特征,說(shuō)明兩者之間的關(guān)系還和含水量的大小有關(guān),其變化趨勢(shì)的影響因素還有待進(jìn)一步的分析。4鈣鐵質(zhì)量的顆粒分析方法在未來(lái)的土地指標(biāo)下的作用效果(1)鈣質(zhì)結(jié)核土原狀樣在采取過(guò)程中要注意保護(hù)其免受擾動(dòng),本文提供的采取方式較好地獲得了鈣質(zhì)結(jié)核土的原狀土樣。(2)鈣質(zhì)結(jié)核土的顆粒分析試驗(yàn)不同于以往任何一種土類(lèi)的顆分試驗(yàn),有其特殊的試驗(yàn)方法和操作規(guī)程。本文提供了一種較為準(zhǔn)確的進(jìn)行鈣質(zhì)結(jié)核土顆粒分析的方法,對(duì)以后進(jìn)行相關(guān)的顆分試驗(yàn)是一種積極的嘗試和良好的參考。(3)