软土真空预压处理有效性的宏微观分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)华南理工大学 土木与交通学院 作者:莫海鸿

  地基处理前分析软土宏微观性质对预测真空预压法处理的有效性具有重要意义。通过室内宏微观试验,对珠海金湾地区软土矿物成分、比表面积,以及固结前后的微观结构、孔隙特征等进行分析和研究,得出土体结合水量、强度指标等影响真空预压法处理效果的关键因素。研究结果表明,珠海金湾软土黏土矿物成分含量不高,且黏胶粒占50%,比表面积较黏土矿物小;颗粒呈曲片絮凝状叠聚体,固结变形后出现团聚现象,孔隙压密,无颗粒破碎形状变化;微孔隙尺寸分布主要为400 nm

  引言

  真空预压法是软土地基加固较为有效的处理方式之一,可以很好地解决地基的稳定问题并能在短期内一次性将荷载加上去而不会失稳从而缩短工期,具有明显的经济和社会效益。

  目前对于真空预压法处理后的土体强度变化、孔隙水压力变化、微观对比几种固结法的效果,以及相关理论、技术都有一定的研究。但对于真空预压法的加固效果方面的研究仍然存在许多疑问,需要从土体的微观性质角度本质地去认识土体表现出的宏观工程性质,同时把握土体基本的沉积条件。

  真空预压法属于排水固结法的一种,处理的效果关键取决于软土中自由水的排出,以及土体强度(承载力)的提高。在软土颗粒细小,比表面积大,黏性强,黏聚力很大的性质条件下,真空预压固结法的效果会大大降低,较多强结合水的存在会导致排水效果差,土体强度难以达到要求。因此真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为可以事先通过土体宏微观性质分析去判定真空预压法处理的有效性,从而使从宏微观角度去研究真空预压法处理的有效性具有很强的预见性和实用价值。

  2、试样的基本性质

  试验土样取自广东省珠海市金湾区珠海航空产业基地三区(典型的珠三角软土区域),该区域位于珠江下游,场地原始地貌单元属滨海滩涂地貌,20世纪50 年代填海造地,原为甘蔗地,90 年代被征为建设用地。土样较为均匀,为灰黑色淤泥,干强度高,韧性中等,呈饱和,流塑状态,含少量贝壳和云母类物质。其物理力学性质如表1 所示。土样天然含水率达58.7%,孔隙比为1.71,垂直渗透系数为1.4×10-7 cm/s,且强度特征指标都较小。

  对各软土土样进行X 射线衍射的物相分析,并用颗粒分析法将软土试样中各粒组分离,测得各深度试样的颗粒大小分布,结果如表2 所示。珠海金湾软土的矿物成分以石英为主,占到41.8%,其次为高岭石、伊利石、蒙脱石、长石等,其中蒙脱石含量为8.5%,说明该土样的黏土矿物含量并不高。同时试样颗粒组成主要为黏粒和粉粒,黏粒(粒径<0.005 mm)含量达到50%,粉粒(粒径0.075~0.005mm)含量达到47.1%,其中胶粒(粒径<0.002 mm)含量为30%,该软土主要由细粒土组成,较少粗颗粒,且黏胶粒含量比例占到土体的50%。平均比表面积为161.1 m2/g,较纯黏土矿物的比表面积小。由于蒙脱石矿物两结构单元之间没有氢键,相互的联结弱,水分子可以进入两晶胞之间,其亲水性最大;伊利石晶格层组之间具有结合力,亲水性低于蒙脱石;而高岭石晶胞之间的距离不易改变,水分子不能进入,其亲水性最小。因此蒙脱石和伊利石含量越高的软土,对应的天然含水率越大,结合水量越多,真空预压法处理效果越不明显。

  黏土矿物蒙脱石颗粒间主要靠黏滞性的结合水膜连接,静吸附力高,颗粒间以润滑摩擦为主,抗剪强度与内摩擦角很低而黏聚力较高;而非黏土矿物,如石英和长石的粒间直接接触较多而吸附水膜很薄,静吸附力非常微弱,主要靠直接摩擦和机械咬合力抵抗颗粒间的滑动,其抗剪强度与内摩擦角较高,但缺乏黏聚力;高岭土的结合水膜厚度有限,颗粒之间也能形成较多的直接接触而具有较高的抗剪强度和内摩擦角,由结合水膜产生的吸附作用和颗粒间直接接触形成的机械咬合力共同提供了可观的黏聚力。其中黏土矿物蒙脱石的含量相对其他非

  黏土矿物会较大影响整个土体的性质。由珠海金湾软土的黏土矿物成分、颗粒组分、以及比表面积等物理力学性质可以看出,该软土的结合水膜具有一定厚度,但自由水的比例仍较大,真空预压法处理的效果应仍比较明显。

表1 软土试样的物理力学性质

软土试样的物理力学性质

表2 软土试样的矿物成分及颗粒成分

软土试样的物理力学性质

  5、结论

  (1) 珠海金湾软土黏土矿物成分含量不高,且黏胶粒占50%,比表面积较黏土矿物小,结合水量不高,含较多的自由水。

  (2) ESEM 显微照片显示,软土颗粒呈曲片絮凝状叠聚体,固结变形后,出现了明显的团聚现象,孔隙压密,无颗粒破碎形状变化。得出内摩擦角变化不大,而黏聚力有较大的增长,真空预压法处理效果明显。

  (3) 压汞微孔隙分析得出,孔隙分布主要为400nm。

  (4) 现场资料验证真空预压法在该珠海金湾软土适用性良好,发生了较大的沉降,排水压密效果显著,承载力都有所增长,与固结性质分析结果相吻合,为真空预压法的有效适用性提供参考。

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