粘土矿物组成对土体液化特性的影响研究进展
发布时间：2021-11-21 00:30
土体液化是地球表面众多地质灾害和工程灾害发生的关键机制,而土体中粘土矿物的含量和矿物学性质对土体液化特性影响明显。本文通过系统分析国内外粘土矿物类型及其组成变化和粘土矿物与孔隙溶液之间的相互作用这两个方面对土体液化特性影响的研究成果,发现当前研究中存在着循环、静态液化研究程度不匹配,孔隙水性质与粘土矿物之间的相互作用对土体液化特性的影响规律和机制的研究不足等问题,并指出研究粘土矿物与土体液化之间的关系可能有助于提高地质灾害监测与预警水平。
【文章来源】：灾害学. 2020,35(03)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
土体液化的影响因素及粘土矿物在其中的作用
含粘土矿物的粘粒含量对于土体液化性质的影响研究结果呈现出从多样到逐渐统一的过程。早先一些研究表明含粘粒砂土的抗液化性随着粘粒含量的增加而提高[20-21],而另一部分研究结论与之相反[22-23]。这些研究中所使用的粘粒组成范围较窄,一般不超过10%,且使用的粘土矿物粒径不同。采用更大粘粒范围的研究表明,当粘粒加入非塑性粉砂中,混合物的抗液化性先降低,直至达到某一最低点或区间,随后随着粘粒含量的进一步增加,混合物的抗液化性随之增加[24-38]。已有研究中,循环荷载下含粘粒砂土的最低抗液化性对应的粘粒含量范围在6.8%～20%,静态荷载下的研究比较少,大致在7%～10%之间(图2)。塑性粘粒的存在对于土体的抗液化性主要有两种作用:①塑性粘粒的存在会降低土体的水力传导性,土体在剪切过程中孔隙水压力增加的速率可能会增加,这对土体的抗液化强度起到削弱作用;②粘粒的可塑性给土体提供了一定的内聚力,这对于土体的抗液化性会起到增强作用[39]。这两方面的相互作用决定含塑性细粒的土体的抗液化性是否比非塑性粉、砂更高。粘粒含量对土体液化过程的影响因粘粒组中矿物类型的不同而存在差异。根据结构,粘土矿物可分为层状和非层状两大类,相比于非层状粘土矿物,层状粘土矿物在土壤中的分布更为广泛,其中最常见的矿物有蒙脱石、伊利石、高岭石三种。对于主要含蒙脱石的粘粒的循环液化特性研究表明,最低抗液化性对应的粘粒范围约在6.8%～10%[27-28,32-33],而在静态荷载下的研究结果则在4.7%～7%[37]。对于高岭石,循环荷载下的研究结果显示这一转折点可能处于7%～18.2%之间[29,35-36],静态荷载下则可能在30%附近[30]。由于伊利石常与其他矿物伴生,提纯较为困难,将伊利石对抗液化性的作用与其他矿物进行区分难度较大,对于粘粒主要含伊利石的土的抗液化性研究较少。衡朝阳等[27]的研究结果显示循环荷载下,红土(伊利石70%～80%)和砂的混合物抗液化最低点对应的粘粒含量大约在9%,Georgiannou等[24]的研究表明,在单调荷载情况下粘粒含伊利石(60%)和高岭石(10%～15%)的土壤抗液化最低点对应的粘粒含量大约在10%。
粘土矿物颗粒细小,比表面积大,与周围介质特别是孔隙溶液的相互作用十分强烈。孔隙溶液与粘土矿物的相互作用最终会体现在对土的整体性质的影响上。在液化特性方面,Gratchev & Sassa[51]研究了不同pH(3～11)环境下对高岭石(15%)、伊利石(15%)、膨润土(11%)和石英砂的混合物的循环液化特性,结果表明pH对细颗粒土壤液化敏感性的影响在很大程度上取决于粘土组分的矿物组成,特别是在酸性介质中,伊利石和膨润土-砂混合物的液化阻力降低,而高岭石-砂混合物的液化阻力略有增加,其中的内在机制还需通过进一步的研究进行验证。与此同时,pH和粘土矿物之间相互作用对于静态液化特性的影响,以及溶液的化学组成与粘土矿物相互作用对土体液化特性的影响目前我们仍知之甚少。但通过已有研究,我们可以推断孔隙溶液和粘土矿物的相互作用对土体液化特性的影响过程:孔隙溶液与粘土矿物的相互作用使得粘土矿物的性质发生改变,进而影响土壤的整体结构和性质,使得土体的抗液化能力发生变化(图3)。在孔隙溶液与粘土矿物相互作用对土壤性质的影响研究中,界限含水率被认为是较为良好的表征指标[51-52]。孔隙溶液与粘土矿物的作用对土体界限含水率的影响主要来自于粘土矿物的两方面变化:①由于溶液中阳离子浓度变化或粘土矿物表面阳离子被置换导致的粘土矿物双电层厚度变化。当粘土矿物的双电层厚度减小时,粒间引力增大,从而促进颗粒之间的集聚,降低土体的液限,反之则增加。已发现溶液中H+浓度升高会导致蒙脱石和伊利石的液限降低[51,53-56],Ca吸附伊利石的液限略高于Mg吸附伊利石的液限[57],Na吸附蒙脱石的液限远高于Ca吸附蒙脱石[58]。②由于孔隙溶液酸碱性变化使得粘土矿物边缘电荷的性质改变,进而影响到的矿物颗粒间联结方式。粘土颗粒断裂面上的电荷取决于pH环境,在低pH下,由于H+的吸附,断裂面上正电荷多于负电荷,而在高pH下,由于OH-的吸附,断裂面上的负电荷多于正电荷。这就导致随着pH降低,粘土矿物边-面(E-F)结合趋于普遍,这种联结方式使得颗粒之间存在较大的孔隙,从而储存更多液体,使土体具有较高的液限[59,64],而在高pH条件下,面面(F-F)结合占主导地位,导致矿物集聚,土体液限较低[63,65]。pH对粘土矿物的这两种机理在pH范围约为3～11时占主导地位,且在高岭土中尤为典型[54,66],有研究表明在非常低和非常高的pH下,矿物自身的结构可能会发生显着变化[67]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]酸碱污染土强度特性的室内试验研究[J]. 朱春鹏,刘汉龙,沈扬. 岩土工程学报. 2011(07)
[2]pH对Mg-Al类水滑石/kaolinite分散体系流变性的影响[J]. 戴肖南,王其鹏,赵超. 山东大学学报(理学版). 2011(07)
[3]含盐量对极细颗粒黏土强度影响的试验研究[J]. 梁健伟,房营光,陈松. 岩石力学与工程学报. 2009(S2)
[4]土壤含水率与土壤碱度对土壤抗剪强度的影响[J]. 陈红星,李法虎,郝仕玲,张心平. 农业工程学报. 2007(02)
[5]粘粒含量对南京粉细砂液化影响的试验研究[J]. 刘雪珠,陈国兴. 地震工程与工程振动. 2003(03)
[6]颗粒级配对含蒙脱石砂土抗液化性能的影响[J]. 衡朝阳,裘以惠. 中国矿业大学学报. 2002(02)
[7]含粘粒砂土抗液化性能的试验研究[J]. 衡朝阳,何满潮,裘以惠. 工程地质学报. 2001(04)
[8]重塑含粘粒砂土的动模量和液化势[J]. 吴建平,吴世明. 浙江大学学报(自然科学版). 1988(06)
[9]土液化特性中的几点发现[J]. 汪闻韶. 岩土工程学报. 1980(03)
本文编号：3508394
【文章来源】：灾害学. 2020,35(03)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
土体液化的影响因素及粘土矿物在其中的作用
含粘土矿物的粘粒含量对于土体液化性质的影响研究结果呈现出从多样到逐渐统一的过程。早先一些研究表明含粘粒砂土的抗液化性随着粘粒含量的增加而提高[20-21],而另一部分研究结论与之相反[22-23]。这些研究中所使用的粘粒组成范围较窄,一般不超过10%,且使用的粘土矿物粒径不同。采用更大粘粒范围的研究表明,当粘粒加入非塑性粉砂中,混合物的抗液化性先降低,直至达到某一最低点或区间,随后随着粘粒含量的进一步增加,混合物的抗液化性随之增加[24-38]。已有研究中,循环荷载下含粘粒砂土的最低抗液化性对应的粘粒含量范围在6.8%～20%,静态荷载下的研究比较少,大致在7%～10%之间(图2)。塑性粘粒的存在对于土体的抗液化性主要有两种作用:①塑性粘粒的存在会降低土体的水力传导性,土体在剪切过程中孔隙水压力增加的速率可能会增加,这对土体的抗液化强度起到削弱作用;②粘粒的可塑性给土体提供了一定的内聚力,这对于土体的抗液化性会起到增强作用[39]。这两方面的相互作用决定含塑性细粒的土体的抗液化性是否比非塑性粉、砂更高。粘粒含量对土体液化过程的影响因粘粒组中矿物类型的不同而存在差异。根据结构,粘土矿物可分为层状和非层状两大类,相比于非层状粘土矿物,层状粘土矿物在土壤中的分布更为广泛,其中最常见的矿物有蒙脱石、伊利石、高岭石三种。对于主要含蒙脱石的粘粒的循环液化特性研究表明,最低抗液化性对应的粘粒范围约在6.8%～10%[27-28,32-33],而在静态荷载下的研究结果则在4.7%～7%[37]。对于高岭石,循环荷载下的研究结果显示这一转折点可能处于7%～18.2%之间[29,35-36],静态荷载下则可能在30%附近[30]。由于伊利石常与其他矿物伴生,提纯较为困难,将伊利石对抗液化性的作用与其他矿物进行区分难度较大,对于粘粒主要含伊利石的土的抗液化性研究较少。衡朝阳等[27]的研究结果显示循环荷载下,红土(伊利石70%～80%)和砂的混合物抗液化最低点对应的粘粒含量大约在9%,Georgiannou等[24]的研究表明,在单调荷载情况下粘粒含伊利石(60%)和高岭石(10%～15%)的土壤抗液化最低点对应的粘粒含量大约在10%。
粘土矿物颗粒细小,比表面积大,与周围介质特别是孔隙溶液的相互作用十分强烈。孔隙溶液与粘土矿物的相互作用最终会体现在对土的整体性质的影响上。在液化特性方面,Gratchev & Sassa[51]研究了不同pH(3～11)环境下对高岭石(15%)、伊利石(15%)、膨润土(11%)和石英砂的混合物的循环液化特性,结果表明pH对细颗粒土壤液化敏感性的影响在很大程度上取决于粘土组分的矿物组成,特别是在酸性介质中,伊利石和膨润土-砂混合物的液化阻力降低,而高岭石-砂混合物的液化阻力略有增加,其中的内在机制还需通过进一步的研究进行验证。与此同时,pH和粘土矿物之间相互作用对于静态液化特性的影响,以及溶液的化学组成与粘土矿物相互作用对土体液化特性的影响目前我们仍知之甚少。但通过已有研究,我们可以推断孔隙溶液和粘土矿物的相互作用对土体液化特性的影响过程:孔隙溶液与粘土矿物的相互作用使得粘土矿物的性质发生改变,进而影响土壤的整体结构和性质,使得土体的抗液化能力发生变化(图3)。在孔隙溶液与粘土矿物相互作用对土壤性质的影响研究中,界限含水率被认为是较为良好的表征指标[51-52]。孔隙溶液与粘土矿物的作用对土体界限含水率的影响主要来自于粘土矿物的两方面变化:①由于溶液中阳离子浓度变化或粘土矿物表面阳离子被置换导致的粘土矿物双电层厚度变化。当粘土矿物的双电层厚度减小时,粒间引力增大,从而促进颗粒之间的集聚,降低土体的液限,反之则增加。已发现溶液中H+浓度升高会导致蒙脱石和伊利石的液限降低[51,53-56],Ca吸附伊利石的液限略高于Mg吸附伊利石的液限[57],Na吸附蒙脱石的液限远高于Ca吸附蒙脱石[58]。②由于孔隙溶液酸碱性变化使得粘土矿物边缘电荷的性质改变,进而影响到的矿物颗粒间联结方式。粘土颗粒断裂面上的电荷取决于pH环境,在低pH下,由于H+的吸附,断裂面上正电荷多于负电荷,而在高pH下,由于OH-的吸附,断裂面上的负电荷多于正电荷。这就导致随着pH降低,粘土矿物边-面(E-F)结合趋于普遍,这种联结方式使得颗粒之间存在较大的孔隙,从而储存更多液体,使土体具有较高的液限[59,64],而在高pH条件下,面面(F-F)结合占主导地位,导致矿物集聚,土体液限较低[63,65]。pH对粘土矿物的这两种机理在pH范围约为3～11时占主导地位,且在高岭土中尤为典型[54,66],有研究表明在非常低和非常高的pH下,矿物自身的结构可能会发生显着变化[67]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]酸碱污染土强度特性的室内试验研究[J]. 朱春鹏,刘汉龙,沈扬. 岩土工程学报. 2011(07)
[2]pH对Mg-Al类水滑石/kaolinite分散体系流变性的影响[J]. 戴肖南,王其鹏,赵超. 山东大学学报(理学版). 2011(07)
[3]含盐量对极细颗粒黏土强度影响的试验研究[J]. 梁健伟,房营光,陈松. 岩石力学与工程学报. 2009(S2)
[4]土壤含水率与土壤碱度对土壤抗剪强度的影响[J]. 陈红星,李法虎,郝仕玲,张心平. 农业工程学报. 2007(02)
[5]粘粒含量对南京粉细砂液化影响的试验研究[J]. 刘雪珠,陈国兴. 地震工程与工程振动. 2003(03)
[6]颗粒级配对含蒙脱石砂土抗液化性能的影响[J]. 衡朝阳,裘以惠. 中国矿业大学学报. 2002(02)
[7]含粘粒砂土抗液化性能的试验研究[J]. 衡朝阳,何满潮,裘以惠. 工程地质学报. 2001(04)
[8]重塑含粘粒砂土的动模量和液化势[J]. 吴建平,吴世明. 浙江大学学报(自然科学版). 1988(06)
[9]土液化特性中的几点发现[J]. 汪闻韶. 岩土工程学报. 1980(03)
本文编号：3508394
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