本發(fā)明涉及巖土工程研究方法，具體涉及一種模擬天然原狀土粘結(jié)及大孔隙特性的人工結(jié)構(gòu)性土及其制樣方法，屬于土木工程領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

天然狀態(tài)下的粘土都具有一定的結(jié)構(gòu)性，土的結(jié)構(gòu)性影響建筑物的基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)性土在受破壞后，呈脆性破壞，地基在沒有預(yù)兆下發(fā)生破壞，由于取土、運(yùn)輸?shù)倪^程，對土體產(chǎn)生了很大的擾動，從而影響人們對天然土結(jié)構(gòu)的深入研究，因此找到一種有效的人工制備結(jié)構(gòu)性土方法尤為重要。

一些學(xué)者試圖人工制備出與天然土性狀相同的試樣，進(jìn)行分析研究。有研究者通過在砂土中放入水泥制備結(jié)構(gòu)性砂土。也有研究者通過粉土與ca(oh)2混合擊實成樣，再通二氧化碳?xì)怏w，從而模擬土顆粒之間caco3膠結(jié)作用。這些方法都不能很好考慮到結(jié)構(gòu)性土大孔隙的特性。也有研究學(xué)者采用一定配比的粘土、高嶺土、水泥和鹽粒的混合料制備結(jié)構(gòu)性土，但由于鹽粒水中溶解度較小，在水中養(yǎng)護(hù)時間較長，而尿素的溶解度在30度溫度下是鹽粒溶解度的三到四倍，且尿素溶解度隨溫度升高而升高，因此相同條件下用尿素會縮短養(yǎng)護(hù)時間，提高制樣效率。如果制備大孔隙結(jié)構(gòu)性土，則需要加入大量的鹽?；蛘吣蛩?，由于鹽粒溶解度小，在一定時間內(nèi)試樣內(nèi)的水不能溶盡所有鹽粒，會造成制得的結(jié)構(gòu)性土樣均一性不好，不能得到大孔隙的結(jié)構(gòu)性土樣。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出一種簡易可行、有效的人工制備結(jié)構(gòu)性土的方案，可以解決現(xiàn)場取土造成對土樣結(jié)構(gòu)的擾動的問題，更好的控制試樣的均一性、快速的制備大孔隙結(jié)構(gòu)性土。

本發(fā)明通過在原料土中加入早強(qiáng)水泥形成化學(xué)膠結(jié)作用以及加入不同質(zhì)量百分比的尿素顆粒水化后形成的大孔隙來模擬天然結(jié)構(gòu)性土。

根據(jù)本發(fā)明的第一種實施方案，提出一種大孔隙結(jié)構(gòu)性土。

一種大孔隙結(jié)構(gòu)性土，該結(jié)構(gòu)性土包括以下組分：

土料：40-70重量份，優(yōu)選為45-65重量份，更優(yōu)選為50-60重量份，例如55重量份；

高嶺土：10-30重量份，優(yōu)選為12-28重量份，更優(yōu)選為15-25重量份，例如20重量份；

水泥：1-10重量份，優(yōu)選為3-7重量份，更優(yōu)選為4-6重量份，例如5重量份；

尿素：10-40重量份，優(yōu)選為15-35重量份，更優(yōu)選為20-30重量份，例如20重量份。

在本發(fā)明中，所述土料為湖底淤泥質(zhì)土。

在本發(fā)明中，所述水泥為早強(qiáng)水泥，優(yōu)選為425r水泥。

在本發(fā)明中，所述土料的粒徑為0.1-1mm，優(yōu)選為0.2-0.8mm，更優(yōu)選為0.3-0.5mm。

在本發(fā)明中，所述高嶺土的粒徑為0.1-1mm，優(yōu)選為0.2-0.8mm，更優(yōu)選為0.3-0.5mm。

在本發(fā)明中，所述水泥的粒徑為0.1-1mm，優(yōu)選為0.2-0.8mm，更優(yōu)選為0.3-0.5mm。

在本發(fā)明中，所述尿素的粒徑為0.5-5mm，優(yōu)選為1-3mm，更優(yōu)選為1.2-2mm。

根據(jù)本發(fā)明提供的第二種實施方案，提供一種大孔隙結(jié)構(gòu)性土的制樣方法。

一種大孔隙結(jié)構(gòu)性土的制樣方法，該方法包括以下步驟：

1)組分檢測：檢測土料的比重、塑限含水率和液限含水率、高嶺土的比重、水泥的比重；

2)混合：根據(jù)組分檢測的情況，將土料、高嶺土、水泥以及尿素混合，攪拌均勻，獲得混合料；

3)制樣：將混合料倒入制樣器中，擊實，得到試樣；

4)養(yǎng)護(hù)：將試樣放入容器中，抽真空，注水養(yǎng)護(hù)，再將試樣放入恒溫水浴鍋下養(yǎng)護(hù)；

5)取出試樣，得到結(jié)構(gòu)性土試樣。

在本發(fā)明中，步驟2)中各組分的配比為：

土料：40-70重量份，優(yōu)選為45-65重量份，更優(yōu)選為50-60重量份，例如55重量份；

高嶺土：10-30重量份，優(yōu)選為12-28重量份，更優(yōu)選為15-25重量份，例如20重量份；

水泥：1-10重量份，優(yōu)選為3-7重量份，更優(yōu)選為4-6重量份，例如5重量份；

尿素：10-40重量份，優(yōu)選為15-35重量份，更優(yōu)選為20-30重量份，例如20重量份。

在本發(fā)明中，步驟1)中選用土料的比重為2-3，優(yōu)選為2.4-2.9，更優(yōu)選為2.6-2.8。土樣的塑限含水率為20-30％，優(yōu)選為22-28％，更優(yōu)選為24-26％。土樣的液限含水率為38-50％，優(yōu)選為40-48％，更優(yōu)選為42-46％。

選用高嶺土的比重為2-3，優(yōu)選為2.4-2.9，更優(yōu)選為2.5-2.7。

水泥的比重為2.5-3.5，優(yōu)選為2.8-2.4，更優(yōu)選為3-3.2。

在本發(fā)明中，步驟2)中選用尿素的比重為1.0-2.0，優(yōu)選為1.1-1.8，更優(yōu)選為1.2-1.5。

在本發(fā)明中，步驟3)的具體操作為：分3-6層(優(yōu)選為4-5層)將混合料倒入制樣器中，分層擊實并刮毛，控制試樣的干密度為1.0-2.0g/cm³，優(yōu)選為1.1-1.8g/cm³，更優(yōu)選為1.2-1.5g/cm³。

在本發(fā)明中，步驟4)的具體操作為：將試樣放入容器中，抽真空1-6h(優(yōu)選為1.5-5h，更優(yōu)選為2-4h)，注水養(yǎng)護(hù)8-72h(優(yōu)選為12-48h，更優(yōu)選為24-36h)，再將試樣放入恒溫水浴鍋在20-50℃(優(yōu)選為25-40℃，更優(yōu)選為30-35℃)下養(yǎng)護(hù)2-10天(優(yōu)選為3-8天，更優(yōu)選為4-6天)。

在本發(fā)明中，步驟5)中得到的結(jié)構(gòu)性土試樣的孔隙比為1.0-2.0，優(yōu)選為1.1-1.8，更優(yōu)選為1.2-1.6。

在本發(fā)明中，制備的結(jié)構(gòu)性土中加入尿素，由于尿素的溶解速度和溶解度優(yōu)勢，在短時間內(nèi)可以保證尿素顆粒全部溶解，溶解后形成的孔洞模擬天然結(jié)構(gòu)性土的孔隙，通過添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的尿素來控制結(jié)構(gòu)性土的孔隙比大小。本發(fā)明制作的結(jié)構(gòu)性土可以更好的控制試樣的均一性，可以通過加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的尿素來模擬天然孔隙比不同的原狀結(jié)構(gòu)性土。人工制備結(jié)構(gòu)性土可以有效的避免現(xiàn)場取樣產(chǎn)生的擾動等優(yōu)點(diǎn)，為更好研究結(jié)構(gòu)性土力學(xué)性質(zhì)提供便利。

在本發(fā)明中，孔隙比vv為孔隙體積；vs為步驟2)中混合料的體積。其中ρw為水的密度，即1g/cm³；γsi混合料i成分的比重；msi混合料i成分的質(zhì)量，vs＝vs1+vs2+......；也就是說vs為混合料中各個成分體積的總和。v＝vs+vv；v為總體積，即制樣器體積；vv＝v-vs。

由于水化后，不同質(zhì)量百分比的尿素溶解以后，混合料體積減小，孔隙體積增大。則會形成孔隙比不同的大孔隙比結(jié)構(gòu)性土。

與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具有以下有益技術(shù)效果：

1、本發(fā)明簡易可行、有效的人工制備結(jié)構(gòu)性土的方案，可以解決現(xiàn)場取土造成對土樣結(jié)構(gòu)的擾動的問題；

2、本發(fā)明的結(jié)構(gòu)性土樣中加入尿素，尿素的溶解度高，可以控制試樣的均一性，得到大孔隙結(jié)構(gòu)性土；

3、本發(fā)明的結(jié)構(gòu)性土樣中加入尿素，尿素的溶解速度快，可以快速的得到試樣，提高工作效率；

4、本發(fā)明的方法中分層制備試樣，真空養(yǎng)護(hù)后，再通過恒溫養(yǎng)護(hù)，能夠準(zhǔn)備的得到所需要的試樣，更接近實際土樣。

附圖說明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)性土試樣的圓錐下沉深度與含水率關(guān)系圖；

圖2為本發(fā)明不同孔隙比結(jié)構(gòu)性土試樣cu試驗的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線圖；

圖3為本發(fā)明不同孔隙比結(jié)構(gòu)性土試樣cu試驗的p-q關(guān)系曲線圖；

圖4為對比例3孔隙比e＝1.7的結(jié)構(gòu)性土不同加載速率的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線圖；

圖5為對比例1、2和3不同孔隙比結(jié)構(gòu)性土的p-q關(guān)系曲線圖；

圖6為本發(fā)明實施例3制得的結(jié)構(gòu)性土在50倍率下的微觀sem圖；

圖7為本發(fā)明實施例3制得的結(jié)構(gòu)性土在1500倍率下的微觀sem圖；

圖8為本發(fā)明實施例3制得的結(jié)構(gòu)性土通過三軸壓縮試驗后的微觀sem圖。

具體實施方式

一種大孔隙結(jié)構(gòu)性土，該結(jié)構(gòu)性土包括以下組分：

土料：40-70重量份，優(yōu)選為45-65重量份，更優(yōu)選為50-60重量份，例如55重量份；

高嶺土：10-30重量份，優(yōu)選為12-28重量份，更優(yōu)選為15-25重量份，例如20重量份；

水泥：1-10重量份，優(yōu)選為3-7重量份，更優(yōu)選為4-6重量份，例如5重量份；

尿素：10-40重量份，優(yōu)選為15-35重量份，更優(yōu)選為20-30重量份，例如20重量份。

在本發(fā)明中，所述土料為湖底淤泥質(zhì)土。

在本發(fā)明中，所述水泥為早強(qiáng)水泥，優(yōu)選為425r水泥。

在本發(fā)明中，所述土料的粒徑為0.1-1mm，優(yōu)選為0.2-0.8mm，更優(yōu)選為0.3-0.5mm。

在本發(fā)明中，所述高嶺土的粒徑為0.1-1mm，優(yōu)選為0.2-0.8mm，更優(yōu)選為0.3-0.5mm。

在本發(fā)明中，所述水泥的粒徑為0.1-1mm，優(yōu)選為0.2-0.8mm，更優(yōu)選為0.3-0.5mm。

在本發(fā)明中，所述尿素的粒徑為0.5-5mm，優(yōu)選為1-3mm，更優(yōu)選為1.2-2mm。

一種大孔隙結(jié)構(gòu)性土的制樣方法，步驟如下：

(1)對淤泥質(zhì)土進(jìn)行風(fēng)干、碾碎過0.5mm篩備用。依據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》(jtge-40-2007)對原料土料、水泥、高嶺土進(jìn)行比重試驗，對原料土進(jìn)行界限含水率試驗，根據(jù)試驗結(jié)果判斷土料種類。

a、原料土料比重試驗

表1試驗所用原料土比重試驗數(shù)據(jù)

試驗土料過0.5毫米篩，用比重瓶對土料進(jìn)行四個平行試驗，取平均值作為土料比重。試驗數(shù)據(jù)如表1所示，計算確定土料比重為2.715。

b、高嶺土比重試驗

表2試驗所用高嶺土比重試驗數(shù)據(jù)

試驗高嶺土過0.5毫米篩，用比重瓶對土料進(jìn)行四個平行試驗，取平均值作為高嶺土比重。試驗數(shù)據(jù)如表2所示，計算確定高嶺土比重為2.622。

c、水泥比重試驗

表3試驗所用水泥比重試驗數(shù)據(jù)

試驗用水泥為早強(qiáng)425r硅酸鹽水泥，用比重瓶對水泥進(jìn)行四個平行試驗，取平均值作為水泥比重。試驗數(shù)據(jù)如表3所示，計算確定水泥比重為3.13。

d、土料界限含水率試驗

取風(fēng)干后含水率為3％的原料土料進(jìn)行試驗，將風(fēng)干土樣研碎過0.5mm篩下土料分開裝到三個盛土皿中，加不同數(shù)量蒸餾水，土料含水率分別控制在液限、塑限和二者中間狀態(tài)。用調(diào)土刀調(diào)勻，蓋上濕布，放置18h，然后采用液塑限聯(lián)合測定儀測定土料界限含水率，每個含水率測三組入土深度，取平均值。土料界限含水率實驗數(shù)據(jù)如表4所示。將圓錐下沉深度h與含水率w繪制在雙對數(shù)坐標(biāo)下，如圖1所示。

表4原料土界限含水率試驗數(shù)據(jù)

本次試驗采用76g錐頭，下沉深度17mm對應(yīng)的含水率為液限，下沉深度為2mm對應(yīng)的含水率為塑限。從圖1可以查的，液限含水率為43％；塑限含水率為25％。塑性指數(shù)ip＝43-25＝18>10；因此該細(xì)粒土為低液限粘土。

(2)根據(jù)原料土、高嶺土、水泥和尿素的比重，為制得具有一定膠結(jié)強(qiáng)度的大孔隙比的結(jié)構(gòu)性土確定混合料的配比組合

(3)按照一定的初始干密度進(jìn)行控制，分4層將混合料倒入φ39.1mm×80mm的制樣器中進(jìn)行擊實，得到試樣。

(4)將試樣放入飽和桶內(nèi)抽真空2個小時，注水養(yǎng)護(hù)一天以后，將試樣放到恒溫水浴鍋在30攝氏度下保持水呈流動狀態(tài)養(yǎng)護(hù)3天。

(5)將養(yǎng)護(hù)3天后的試樣取出，脫掉三瓣模，得到結(jié)構(gòu)性土試樣。

按照上述方法，分別按照以下配比進(jìn)行試驗：

對上述實施例1、實施例3、實施例5制備的結(jié)構(gòu)性土樣進(jìn)行三軸不排水壓縮試驗如圖2和圖3所示。從宏觀試驗方面證明結(jié)構(gòu)性土制備方法是可行的。

圖2為孔隙比e＝1.3和e＝1.5的人工制備結(jié)構(gòu)性土不同圍壓下三軸不排水壓縮試驗的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線圖；圖3為孔隙比e＝1.3和e＝1.5的人工制備結(jié)構(gòu)性土三軸不排水壓縮試驗的p-q關(guān)系曲線圖。從圖2和圖3三軸不排水壓縮試驗可以看出結(jié)構(gòu)性土在加載過程中會出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象，應(yīng)力跌落相對較為緩慢，說明結(jié)構(gòu)性土膠結(jié)破碎是一個過程；通過應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線孔隙比1.3比孔隙比1.5的峰值強(qiáng)度要高；殘余強(qiáng)度與圍壓水平有關(guān)，在低圍壓50kpa下孔隙比越小殘余強(qiáng)度越高，圍壓100kpa與200kpa下結(jié)構(gòu)土殘余強(qiáng)度跟孔隙比大小無關(guān)，主要因為小圍壓50kpa下剪切，低孔隙比1.3的結(jié)構(gòu)土膠結(jié)沒有破壞完全，造成殘余強(qiáng)度比孔隙比1.5的結(jié)構(gòu)性土要高，在圍壓100kpa、200kpa下膠結(jié)破壞完全，所以殘余強(qiáng)度一樣。

對實施例3的結(jié)構(gòu)性土樣和試驗后破壞的結(jié)構(gòu)土樣拍攝電鏡掃描，如圖6、圖7、圖8所示。

從圖6、圖7可以看出土顆粒之間的膠結(jié)與大孔隙分布，從微觀上證明了結(jié)構(gòu)性土制備方法是可行的。在低倍率50下可以清楚的看到結(jié)構(gòu)性土顆粒的整體排列，可以看出土樣呈蜂窩狀排列，在圖上能看到土樣表面有許多的除去尿素顆粒后留下的孔洞；在高倍率1500倍率下可以觀察到結(jié)構(gòu)樣顆粒之間的膠結(jié)作用，小顆粒通過水泥的膠結(jié)作用粘連在大顆粒上。在大倍率下結(jié)構(gòu)土樣破壞前后對比可以發(fā)現(xiàn)，破壞前土樣顆粒為膠團(tuán)狀大顆粒，大孔隙，破壞后試樣顆粒破碎為許多小顆粒，孔隙率減小、顆粒間膠結(jié)破壞。

對比例1

按照上述方法制備加鹽粒的結(jié)構(gòu)性土樣，只是步驟(4)中：將試樣放入飽和桶內(nèi)抽真空2個小時，注水養(yǎng)護(hù)兩天天以后，將試樣放到恒溫水浴鍋在30攝氏度下保持水呈流動狀態(tài)養(yǎng)護(hù)5天。

按照上述方法制備加鹽粒的結(jié)構(gòu)性土樣，由于鹽粒的比重為2.15，尿素的比重為1.335，為了更好的做對比，在步驟(2)中控制對比例的混合料的初始孔隙比與試驗例一樣，配比如下：

對上述對比例1、對比例2、對比例3制備的結(jié)構(gòu)性土樣進(jìn)行三軸不排水壓縮試驗，結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖5為添加鹽粒的不同孔隙比結(jié)構(gòu)性土強(qiáng)度包線，圖4孔隙比e＝1.7在不同加載速率下應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

從圖5可以看出孔隙比1.3、孔隙比1.5人工制備結(jié)構(gòu)性土對比例應(yīng)變軟化不明顯，有輕微剪漲，結(jié)構(gòu)性特征不明顯。從圖4孔隙比e＝1.7的對比例不同加載速率應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出結(jié)構(gòu)性土應(yīng)變軟化不明顯，應(yīng)力跌落較小，由于孔隙比一樣，不同加載速率的結(jié)構(gòu)性土破壞以后殘余強(qiáng)度應(yīng)大致一樣，但加載速率1mm/min的結(jié)構(gòu)性土殘余強(qiáng)度太高，有可能在養(yǎng)護(hù)過程中鹽粒沒有充分溶解，均一性不好。

此外，要制備同樣孔隙比的結(jié)構(gòu)性土，需要使用的鹽比尿素更多，由于鹽在常溫下溶解度低，大量的鹽粒很難在短時間溶解完，養(yǎng)護(hù)時間更長。