石英砂摻量對(duì)混合型緩沖回填材料抗剪強(qiáng)度的控制機(jī)理研究

1、石英砂摻量對(duì)混合型緩沖回填材料抗剪強(qiáng)度的控制機(jī)理研究    高放廢物深部地質(zhì)處置工程中，緩沖回填材料填充在廢物容器與地質(zhì)體之間，阻截放射性核素向周?chē)h(huán)境的遷移。理想的緩沖回填材料不僅需要良好的防滲性能、化學(xué)吸附性能、熱傳導(dǎo)性能、可施工性能，還必須具有足夠的強(qiáng)度。膨潤(rùn)土是緩沖回填材料的首選材料1-4.向膨潤(rùn)土中添加一定比例的石英砂，形成膨潤(rùn)土-砂混合物（即所謂的混合型緩沖回填材料），可以在不顯著降低膨潤(rùn)土主料的防滲性能、吸附性能和膨脹自愈性能的前提下，明顯提高熱傳導(dǎo)性能及力學(xué)強(qiáng)度。對(duì)于石英砂的添加量，不同國(guó)家和地區(qū)根據(jù)膨潤(rùn)土和石英砂性質(zhì)得到了各自的添加比例

2、5. 關(guān)于膨潤(rùn)土與其它土質(zhì)材料形成的混合物的抗剪強(qiáng)度，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)取得了一定的研究成果。Gary X. Tang 等人6研究了非飽和膨潤(rùn)土-砂混合物在一系列應(yīng)力條件下的吸力和強(qiáng)度特性。M. K. Gueddouda7等人以垃圾填埋場(chǎng)襯里為原型，研究了膨潤(rùn)土-砂混合物的抗剪強(qiáng)度和滲透系數(shù)特性。L. H. Mollins8等人研究了膨潤(rùn)土改性砂土的固結(jié)排水剪切強(qiáng)度。B. E.Lingnau9等人研究了溫度對(duì)膨潤(rùn)土-砂混合物的抗剪強(qiáng)度和壓縮性能的影響。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)膨脹土的抗剪性質(zhì)進(jìn)行了大量的研究。例如，繆林昌10等人研究了膨

3、脹土強(qiáng)度與含水量的關(guān)系，楊慶11等人研究了重塑非飽和膨脹土抗剪強(qiáng)度特性。譚羅榮12等人通過(guò)對(duì)不同干密度、不同初始含水量重塑膨脹土的直剪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)干密度的增大會(huì)大幅度提高土的峰值強(qiáng)度，特別是粘聚力的提高，龔壁衛(wèi)13也得出了相近的結(jié)論。 應(yīng)當(dāng)看到，現(xiàn)有的試驗(yàn)研究中，試樣的干密度和含水率并沒(méi)有得到完全相同的控制，因此，從實(shí)測(cè)的抗剪強(qiáng)度不能區(qū)分出石英砂摻量對(duì)膨潤(rùn)土-砂混合物強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。因而，從這個(gè)意義上講，粗粒成分對(duì)混合物強(qiáng)度的控制機(jī)理并沒(méi)有得到闡明。本文選用高廟子膨潤(rùn)土為主料，加入不同比例的石英砂，調(diào)整動(dòng)力擊實(shí)次數(shù)，制成干密度和含水率相同的膨潤(rùn)土-砂混合物試樣，試驗(yàn)研究抗剪強(qiáng)度隨摻砂率變化的本質(zhì)，為

4、我國(guó)混合型緩沖回填材料的配比優(yōu)化設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)資料。   2 試驗(yàn)材料與方法   2.1 試驗(yàn)材料試驗(yàn)所用高廟子膨潤(rùn)土主料由核工業(yè)北京地質(zhì)研究院提供，簡(jiǎn)稱(chēng)GMZ001 膨潤(rùn)土,產(chǎn)自?xún)?nèi)蒙古興和縣高廟子地區(qū)。石英砂骨料為人工加工的標(biāo)準(zhǔn)砂，產(chǎn)自我國(guó)石英砂巖六大儲(chǔ)藏地之一的甘肅永登縣獎(jiǎng)俊埠，由富隆石英砂廠出品14. 2.2 試樣制備 定義石英砂與膨潤(rùn)土-石英砂混合物的干重之比為摻砂率（ s R ）。將烘干膨潤(rùn)土與石英砂按摻砂率為0%、10%、20%、30%、40%、和50%的比例混合后充分?jǐn)嚢瑁?/p>

5、根據(jù)含水量計(jì)算所需加水質(zhì)量，按噴霧法將蒸餾水噴入樣品均勻濕化，將土樣置于保濕器中密封潤(rùn)濕60h備用。采用JDS-2 型標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)儀，擊實(shí)筒內(nèi)徑102mm、容積947.4cm3、錘重2.5kg、落距305mm,進(jìn)行擊實(shí)制樣備用。 高廟子膨潤(rùn)土-石英砂擊實(shí)試驗(yàn)中，最大干密度隨摻砂率和壓實(shí)能的增大而提高。為了分析摻砂率對(duì)混合物抗剪強(qiáng)度的獨(dú)立影響，本研究參考文獻(xiàn)14的數(shù)據(jù)，調(diào)整錘擊次數(shù)，力求獲得含水率和干密度相同的平行試樣。表2 是剪切試樣的初始狀態(tài)。從表2可知，不同摻砂率試樣的干密度在1.45g/cm3 附近，含水率在26.5%附近。試樣之間的平行度較高，滿(mǎn)足研究要求。

6、2.3 試驗(yàn)步驟 剪切試驗(yàn)采用ZJ 型應(yīng)變控制直剪儀，每組直剪試驗(yàn)的4 個(gè)試樣分別施加垂直壓力P1 =100、P2 = 200、P3 = 300 和P4 = 400kPa.將擊實(shí)樣切入直徑61.8mm、高度20mm 的環(huán)刀中，連同環(huán)刀一起放入直剪儀，進(jìn)行固結(jié)快剪試驗(yàn)。施加垂直壓力后，每1h 測(cè)度一次垂直變形，當(dāng)固結(jié)變形每小時(shí)不大于0.005mm 時(shí)，認(rèn)為試樣固結(jié)變形穩(wěn)定。以0.8mm/min 的速率施加剪切荷載，記錄測(cè)力表讀數(shù)。若測(cè)力表讀數(shù)達(dá)到穩(wěn)

7、定，或有顯著后退，表示試樣已剪切破壞，取峰值為抗剪強(qiáng)度值。若測(cè)力計(jì)讀數(shù)持續(xù)增加，則剪切變形達(dá)到6mm 時(shí)停止試驗(yàn)，取剪切應(yīng)變4mm 處對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力為抗剪強(qiáng)度值。試驗(yàn)過(guò)程嚴(yán)格遵守標(biāo)準(zhǔn)15進(jìn)行。 3 試驗(yàn)結(jié)果及分析 膨潤(rùn)土-砂混合物的剪應(yīng)力-剪應(yīng)變曲線。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨著摻砂率的增大，剪應(yīng)力-剪位移曲線很明顯地由應(yīng)變軟化型向應(yīng)變硬化型過(guò)渡。具體而言，當(dāng)摻砂率較低時(shí)（如s R = 0%,10%,20%），隨剪位移的增大，剪應(yīng)力開(kāi)始增大到峰值強(qiáng)度，隨后降低；當(dāng)摻砂率相對(duì)較高時(shí)（如s R = 30%,40%

8、,50%），隨剪位移增大，剪應(yīng)力逐漸增大到峰值強(qiáng)度，并保持此強(qiáng)度基本穩(wěn)定，不再降低。相同干密度、相同含水率狀態(tài)下，摻砂率從0%到50%時(shí)膨潤(rùn)土-砂混合物抗剪強(qiáng)度與垂直壓力的關(guān)系。s R = 10%時(shí)的抗剪強(qiáng)度曲線與純膨潤(rùn)土幾乎重合。隨著摻砂率的增大，抗剪強(qiáng)度逐漸減小。 粘聚力與摻砂率的關(guān)系。摻砂率為10%時(shí)，混合物的粘聚力幾乎與純膨潤(rùn)土相同。隨著摻砂率的增大，粘聚力逐漸降低，當(dāng)摻砂率為50%時(shí)，粘聚力減小為純膨潤(rùn)土的28%. 內(nèi)摩擦角與摻砂率的關(guān)系。數(shù)據(jù)表明，在相同含水率及干密度的情況下，膨潤(rùn)土-砂混合物的內(nèi)摩擦角隨摻砂率的增大而逐漸減小。 概括起來(lái)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)揭示

9、出的現(xiàn)象是：在膨潤(rùn)土-砂混合物理想狀態(tài)，保持干密度d r=1.45g/cm3 和含水率w = 26.5%恒定不變的條件下，隨摻砂率的增加，混合物剪應(yīng)力-剪應(yīng)變曲線由應(yīng)變軟化型向應(yīng)變硬化型轉(zhuǎn)化，混合物粘聚力及內(nèi)摩擦角逐漸降低，即抗剪強(qiáng)度降低。 一般直覺(jué)判斷認(rèn)為，隨著摻砂率的增加，膨潤(rùn)土-砂混合物的抗剪強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)提高。本研究試驗(yàn)數(shù)據(jù)與這一直覺(jué)判斷并不一致，下面就這種現(xiàn)象進(jìn)行分析。 4 摻砂率控制膨潤(rùn)土-砂混合物抗剪強(qiáng)度的實(shí)質(zhì) 膨潤(rùn)土與砂混合而成的新型緩沖回填材料，實(shí)際上是一種典型的人工混合土.所謂混合土，是一種由細(xì)粒土和粗粒土混合且缺乏中間粒徑的土1

10、6.滑坡、崩塌、泥石流堆積物、冰磧物、風(fēng)化殘積物等，都是天然混合土的實(shí)例。采礦廢棄物、堆石壩填料以及本研究的混合型緩沖回填材料，屬于人工混合土的實(shí)例。 混合土的名詞術(shù)語(yǔ)比較混亂，英文中有多種說(shuō)法，如soil-rock mixtures （S-RM）16,blockin matrix soil （Bimsoil）16,granular material-clay mixtures17.中文籠統(tǒng)稱(chēng)為土石混合物.混合土的試驗(yàn)方法及工程性質(zhì)取值，一直是土力學(xué)中的一個(gè)經(jīng)典問(wèn)題。關(guān)于粗大粒徑的土石混合物,長(zhǎng)期以來(lái)已經(jīng)積累了大量的研究成果

11、。這些成果對(duì)本研究粒徑相對(duì)較細(xì)膨潤(rùn)土-砂混合物的抗剪強(qiáng)度特性，具有重要參考價(jià)值。 4.1 界限摻砂率及其與膨潤(rùn)土-砂混合物抗剪強(qiáng)度的關(guān)系 砂和粘土組成的混合土具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征：粗粒徑的砂形成骨架，只提供摩擦力，不提供粘聚力；細(xì)粒徑的粘土充填在砂?？紫吨校纬烧惩粱|(zhì)，主要提供粘聚力，摩擦力很小。兩種不同粒徑的顆?；旌蠒r(shí)，細(xì)顆粒充填在粗顆?？紫吨小倪壿嬌现v，應(yīng)當(dāng)存在某個(gè)界限組合，此時(shí)混合土的孔隙度為最小。 砂與粘土混合壓實(shí)時(shí)孔隙模式的理想模式圖。當(dāng)混合土完全由砂組成時(shí)，砂顆粒直接接觸，顆粒之間為空氣孔隙，此時(shí)混合物的抗剪強(qiáng)度為砂顆粒的摩擦強(qiáng)度。當(dāng)粘土含量達(dá)到某一臨界值時(shí)，粘土全部

12、充填在砂顆粒之間的大孔隙，砂顆粒處于準(zhǔn)接觸狀態(tài)，接觸點(diǎn)上存在局部粘土膜，該粘土膜得到強(qiáng)烈壓實(shí)，此時(shí)，混合物的抗剪強(qiáng)度受到粘土和砂粒的共同控制。繼續(xù)增大粘土含量，粘土?xí)紦?jù)砂顆粒接觸點(diǎn)之間的空間，砂顆粒將彼此膨脹分離，處于懸浮狀態(tài)。此時(shí)混合物的強(qiáng)度幾乎完全由粘土控制，砂顆粒間因?yàn)椴唤佑|，幾乎不提供摩擦力。 已有的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明，混合土臨界摻砂率不是一個(gè)點(diǎn)，而是一個(gè)區(qū)間。Miller和Sowers18選用最優(yōu)含水率下最大干密度擊實(shí)樣通過(guò)固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)研究了摻砂率在0%到100%范圍內(nèi)變化時(shí)重塑粘土-砂混合物抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨摻砂率的變化。研究結(jié)果表明，當(dāng)摻砂率小于67%時(shí)，隨摻砂率的增加，粘

13、聚力有小幅度減小，內(nèi)摩擦角幾乎不變化；當(dāng)摻砂率在67%到74%范圍內(nèi)時(shí)，粘聚力急劇減小而內(nèi)摩擦角急劇增大；當(dāng)摻砂率大于74%時(shí)，粘聚力逐漸減小，內(nèi)摩擦角緩慢增大但變化趨于平緩。從抗剪試驗(yàn)結(jié)果出發(fā)，Miller 和Sowers 認(rèn)為，隨摻砂率的增加，粘土-砂混合物的抗剪強(qiáng)度存在一個(gè)明顯的轉(zhuǎn)化區(qū)間，即s R = 67%-74%.在摻砂率小于67%、大于74%和介于二者之間時(shí)，抗剪強(qiáng)度的變化趨勢(shì)截然不同。 Vallejo 和Zhou19通過(guò)直剪試驗(yàn)研究了粘土-砂混合物在150kPa 垂直壓力下的抗剪強(qiáng)度特性。研究結(jié)果表明，粘土-砂

14、混合物抗剪強(qiáng)度轉(zhuǎn)化界限為s R = 50%-80%.并進(jìn)一步對(duì)三個(gè)區(qū)間的強(qiáng)度控制機(jī)理進(jìn)行了解釋。Vallejo 認(rèn)為，當(dāng)摻砂率小于50%時(shí)，混合物的強(qiáng)度幾乎完全由粘土提供；當(dāng)摻砂率在50%到80%之間時(shí)，混合物的抗剪強(qiáng)度部分由粘土提供，部分由砂提供；當(dāng)摻砂率大于80%時(shí)，混合物的抗剪強(qiáng)度主要由砂顆粒的摩擦強(qiáng)度提供。 Vallejo 和Mawby17從兩種粒徑相互組合的角度計(jì)算混合土的孔隙度，又對(duì)粘土-砂混合物抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，認(rèn)為界限摻砂率應(yīng)該修正為40%和75%.匯總了不同學(xué)者對(duì)粘土-砂混合土抗剪強(qiáng)度研究的結(jié)果?？刂普惩?砂混合土抗

15、剪強(qiáng)度的界限摻砂率區(qū)間平均值為s1 R = 56%和s2 R = 76%.當(dāng)摻砂率小于s1 R 時(shí)，混合物的強(qiáng)度幾乎完全由粘土的強(qiáng)度提供；當(dāng)摻砂率在s1 R 與s2 R 之間時(shí)，混合物的抗剪強(qiáng)度部分由粘土提供，部分由砂的摩擦強(qiáng)度提供；當(dāng)摻砂率大于s2 R 時(shí)，混合物的抗剪強(qiáng)度主要由砂顆粒的摩擦強(qiáng)度提供。 本研究的摻砂率變化范圍是0%-50%,從本研究尚不能揭示出界限摻砂率的具體數(shù)值。但是，根據(jù)綜述結(jié)果可以認(rèn)為，高廟子膨潤(rùn)土-砂混合物在摻砂率s R

16、 = 0%-50%的情況下，抗剪強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)主要由充填在砂顆粒之間的膨潤(rùn)土基質(zhì)的物理狀態(tài)決定。 4.2 膨潤(rùn)土基質(zhì)物理狀態(tài)對(duì)膨潤(rùn)土-砂混合物抗剪強(qiáng)度的控制 在膨潤(rùn)土-砂混合體系中，膨潤(rùn)土具有強(qiáng)烈的吸水、持水能力，也具有明顯的變形能力。與此相反，石英砂顆粒幾乎為惰性。盡管用于抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)的膨潤(rùn)土-砂混合物試塊具有非常相近的表觀干密度和含水率，但是，從顆粒尺度上講，隨著摻砂率的增加，充填在砂顆粒之間的膨潤(rùn)土基質(zhì)的干密度和含水率卻可能發(fā)生明顯的變化。 本研究所用的剪切試樣，表觀干密度和表觀含水率幾乎是相同的。根據(jù)表2 列出的計(jì)算結(jié)果可知，隨著摻砂率增加，充填在砂顆

17、粒之間的膨潤(rùn)土基質(zhì)的有效含水率是逐漸提高的，有效粘土密度是逐漸下降的。圖7 和圖8 分別給出了有效含水率及有效粘土密度與實(shí)測(cè)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。從圖7、8 可知，隨著摻砂率的增大，膨潤(rùn)土基質(zhì)有效含水率增大和有效粘土密度的減小，是導(dǎo)致膨潤(rùn)土-砂混合物粘聚力和內(nèi)摩擦降低，即抗剪強(qiáng)度下降的原因。 應(yīng)當(dāng)看到，Miller 等人所得到的試驗(yàn)結(jié)果中（圖6），在小于67%的低摻砂率區(qū)間，混合物的粘聚力隨摻砂率增加略有減小，內(nèi)摩擦角幾乎不變，并不像本研究揭示的那樣有較為明顯的降低。這是因?yàn)?，Miller 等人所用的試樣是在最優(yōu)含水率條件下?lián)魧?shí)到最大干密度獲

18、得的。換句話講，Miller 等人的試樣，隨著摻砂率的增加，表觀干密度和表觀含水率是變化的，從而在一定程度上削弱或掩蓋了摻砂率引起的抗剪強(qiáng)度降低現(xiàn)象。 總體來(lái)講，摻砂率對(duì)膨潤(rùn)土-砂混合物抗剪強(qiáng)度的控制機(jī)理可以概括為如下兩個(gè)方面。 第一，通過(guò)綜合前人的研究成果統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，膨潤(rùn)土-砂混合物的抗剪強(qiáng)度明顯受到兩個(gè)摻砂率界限控制，即54%和79%.在摻砂率小于54%的區(qū)間，混合物的抗剪強(qiáng)度幾乎完全由膨潤(rùn)土的強(qiáng)度控制；在54%-79%的摻砂率區(qū)間，混合物的抗剪強(qiáng)度由膨潤(rùn)土和砂共同控制；在大于79%的摻砂率區(qū)間，混合物的抗剪強(qiáng)度主要由砂顆粒控制。第二，對(duì)于低摻砂率區(qū)間，通過(guò)制備干密度和含水率相同的壓實(shí)試樣，試驗(yàn)測(cè)定了膨潤(rùn)土-砂混合物的抗剪強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)隨著摻砂率的增加，膨潤(rùn)土-砂混合物的抗剪強(qiáng)度逐漸下降。引入有效粘土密度和有效含水率的概念之后，從膨潤(rùn)土基質(zhì)物理狀態(tài)的角度，合理揭示出摻砂率單獨(dú)對(duì)混合物抗剪強(qiáng)度的控制機(jī)理：隨著摻砂率的增大，砂顆粒之間膨潤(rùn)土基質(zhì)的有效干密度逐漸減小，有效含水率不斷增大，由此導(dǎo)致膨潤(rùn)土的粘聚力及